Induksi Elektromagnetik 283

Peta Konsep

Setelah kalian memahami peta konsep di atas, perhatikan kata-kata kunci berikutyang merupakan kunci dan cara memahami materi ini.• Induksi Elektromagnetik • GGL Induksi• Garis Medan Magnet • Generator• Dinamo• Transformator

Hubungan antara GarisMedan Magnet dengan

GGL Induksi

1. Dinamo DC2. Dinamo AC3. Generator

Efisiensi Trafo:

= ×100%η s

p

P

P

1. Trafo Step-up2. Trafo Step-down

Karakteristik Trafodan Penerapannya

Prinsip KerjaTransformator

Prinsip Kerja

InduksiElektromagnetik

antara lain didapatkan jenisnya

menjelaskan

Untuk mempermudah memahami materi ini, perhatikan peta konsep berikut ini.

Pada suatu malam, ketika Ani sedang belajar IPA. Tiba-tiba ayah Animendekat sambil bertanya kepada Ani. Apa bedanya arus listrik yang ditimbulkanoleh sebuah baterai dengan arus listrik dari PLN? Dan menggunakan alat apakah

arus listrik dari pembangkit listrik yang bertegangan besar dapat digunakan dirumah-rumah dengan tegangan kecil? Ani diam sejenak, terlihat dari wajahnyabahwa ia sedang berpikir sambil menyatakan tegangan yang ditimbulkan oleh

baterai itu kecil sehingga jika kesetrum tidak menyebabkan kecelakaan yang fatalsedang untuk PLN sebaliknya bisa terbakar dan meninggal. Oleh karena itu, untukPLN mestinya ada alat yang bisa menurunkan tegangan. Bagaimana prinsip kerja

alat tersebut, untuk lebih jelasnya bisa kalian pelajari pada Bab 13 ini.

InduksiElektromagnetik

Bab 13

Kata Kunci

IPA Terpadu IX284

A. Hubungan antara Pergerakan GarisMedan Magnet dengan TerjadinyaGaya Gerak Listrik Induksi

A. Tujuan

Mengetahui medan magnet dapat menghasilkan arus listrik.

B. Alat dan Bahan1. Dua buah magnet batang2. Galvanometer3. Dua buah solenoida yang berbeda jumlah lilitannya

C. Cara Kerja1. Susunlah alat seperti pada gambar.2. Gerakkan kutub utara magnet batang masuk ke dalam

kumparan. Amatilah jarum galvanometer, lihat gambar (a),apa yang terjadi?

3. Diamkan magnet batang di dalam kumparan, amatigalvanometer, apa yang terjadi?

4. Gerakkan kutub utara magnet batang keluar dari kumparan.Amati apa yang terjadi pada jarum galvanometer, lihatgambar (b).

5. Ulangi dengan menggerakkan magnet batang masuk-keluarterus menerus. Amati jarum galvanometer, apa yang terjadi.

6. Ulangi langkah-langkah tersebut dengan mengganti magnetbatang yang lebih kuat. Amati terus jarum galvanometer,apa yang terjadi.

Kegiatan

(b)(a)

Induksi Elektromagnetik 285

7. Ulangi langkah-langkah tersebut dengan mengganti solenoidayang lebih banyak jumlah lilitannya. Amati apa yang terjadipada jarum galvanometer.

8. Apabila yang digerakkan masuk-keluar adalah kutub selatanmagnet batang. Bagaimana arah penyimpangan jarumgalvanometer.

D. Hasil Pengamatan

Bagaimana kesimpulan kalian dari kegiatan di atas jika dikaitkanpengaruh medan dengan pergerakan galvanometer?

Kalian telah mengetahui bahwa ada beberapabentuk energi antara lain: energi kalor, energi kimia,energi cahaya, energi bunyi, dan energi listrik. Di antarabentuk-bentuk energi tersebut, energi listriklah yangpaling mudah diubah menjadi bentuk energi lain. Olehkarena itu, energi listrik banyak digunakan untukkepentingan manusia. Energi listrik diperoleh darimesin pembangkit listrik yaitu generator.

Generator menghasilkan energi listrik denganbeda tegangan yang sangat tinggi yaitu dalam ordemegavolt, oleh sebab itu sebelum sampai ke rumah-rumah perlu ada alat penurun tegangan. Alat yangdigunakan adalah trafo atau transformator. Dasarkerja trafo dan generator adalah induksielektromagnetik.

Terjadinya GGL Induksi

Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernamaMichael Faraday (1991 – 1867) memiliki gagasandapatkah medan magnet menghasilkan arus listrik?Gagasan ini didasarkan oleh adanya penemuan dariOersted bahwa arus listrik dapat menghasilkanmedan magnet.

Karena termotivasi oleh gagasan tersebutkemudian pada tahun 1822,Faraday memulaimelakukan percobaan-percobaan. Pada tahun 1831Faraday berhasil membangkitkan arus listrik denganmenggunakan medan magnet.

IPA Terpadu IX286

Alat-alat yang digunakan Faraday dalampercobaannya adalah gulungan kawat atau kumparanyang ujung-ujungnya dihubungkan dengangalvanometer. Jarum galvanometer mula-mula padaposisi nol. Kalian pasti sudah mengetahui, bahwagalvanometer adalah sebuah alat untuk menunjukkanada atau tidaknya arus listrik di dalam rangkaian.

Percobaan Faraday untuk menentukan arus listrikdengan menggunakan medan magnet, dilakukan antaralain seperti kegiatan di atas. Pada kegiatan tersebutdiketahui bahwa ketika kutub utara magnet bergerakke dalam kumparan maka jarum galvanometer,menyimpang ke kanan. Ketika magnet ditarik dari dalamkumparan maka jarum galvanometer menyimpang kekiri. Pada saat kutub selatan bergerak masuk ke dalamkumparan, jarum galvanometer akan menyimpang kekiri, sedangkan ketika kutub selatan ditarik dari dalamkumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan.

Dari hasil percobaan di atas maka dapat diambilkesimpulan bahwa arus induksi yang timbul dalamkumparan arahnya bolak-balik seperti yangditunjukkan oleh penyimpangan jarum galvanometeryaitu ke kanan dan ke kiri.

Karena arus induksi selalu bolak-balik, makadisebut arus bolak-balik (AC = Alternating Current).Faraday menggunakan konsep garis gaya magnetuntuk menjelaskan peristiwa di atas.Perhatikan Gambar 13.1!1. Magnet didekatkan pada kumparan maka gaya

yang melingkupi kumparan menjadi bertambahbanyak, sehingga pada kedua ujung kumparantimbul gaya gerak listrik (GGL).

2. Magnet dijauhkan terhadap kumparan maka garisgaya yang melingkupi kumparan menjadiberkurang, kedua ujung kumparan juga timbul GGL.

3. Magnet diam terhadap kumparan, jumlah garisgaya magnet yang melingkupi kumparan tetap,sehingga tidak ada GGL.

Kesimpulan percobaan di atas adalah:Timbulnya gaya listrik (GGL) pada kumparan hanya

apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gayamagnet.

Induksi Elektromagnetik 287

S U

Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanyaperubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebutGGL induksi, sedangkan arus yang mengalirdinamakan arus induksi dan peristiwanya disebutinduksi elektromagnetik.

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besarGGL induksi yaitu:1. Kecepatan perubahan medan magnet.

Semakin cepat perubahan medan magnet, makaGGL induksi yang timbul semakin besar.

2. Banyaknya lilitanSemakin banyak lilitannya, maka GGL induksiyang timbul juga semakin besar.

3. Kekuatan magnetSemakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGLinduksi yang timbul juga semakin besar.

Untuk memperkuat gejala kemagnetan padakumparan dapat dengan jalan memasukkan inti besilunak.GGL induksi dapat ditimbulkan dengan cara lain

yaitu:1. Memutar magnet di dekat kumparan atau

memutar kumparan di dekat magnet. Maka keduaujung kumparan akan timbul GGL induksi.

2. Memutus-mutus atau mengubah-ubah arah arussearah pada kumparan primer yang di dekatnyaterletak kumparan sekunder maka kedua ujungkumparan sekunder dapat timbul GGL induksi.

Gambar 13.1 Gaya gerak listrik timbul akibat perubahan garisgaya magnet

IPA Terpadu IX288

3. Mengalirkan arus AC pada kumparan primer,maka kumparan sekunder didekatkan dapattimbul GGL induksi. Arus induksi yang timbuladalah arus AC dan gaya gerak listrik induksiadalah GGL AC.

B. Prinsip Kerja Dinamo dan Generator

Kalian sudah mengetahui bahwa terjadinya arusinduksi dan GGL induksi antara lain dengan carakutub magnet digerakkan di dekat kumparan ataukumparan digerakkan di dekat kutub magnet. Karenakita menggerakkan kutub magnet berarti terdapatenergi gerak atau energi kinetik.

Jadi, dalam proses terjadinya arus induksiterdapat perubahan energi gerak menjadi energilistrik. Akibat gerakan magnet di dalam suatukumparan menimbulkan arus induksi yang secaralangsung adanya energi lisrik yang ditimbulkan.

Beberapa contoh peralatan yang digunakandalam kehidupan sehari-hari sebagai penerapan GGLinduksi di antaranya adalah generator dan dinamo.

1. Dinamo

Bagian utama dinamo, lihat Gambar 13.2, adalaha. Sebuah kumparan (C)b. Sebuah cincin geser (A)c. Sikat (B)d. Magnet

Gambar 13.3 Dinamo dengan prinsip kumparan berputar

Induksi Elektromagnetik 289

Sedangkan langkah-langkah kerja dinamo adalahsebagai berikut:a. Sebuah kumparan berputar dalam medan

magnet.b. Tiap-tiap ujung kawat kumparan dihubungkan

dengan sebuah “cincin geser”.c. Cincin geser tersebut menempel sebuah sikat.d. Bila kumparan diputar maka dalam kumparan itu

timbul GGL AC. GGL AC ini menimbulkan arusAC di dalam rangkaian dinamo.

2. Dinamo Arus Searah

Dinamo arus bolak-balik dapat diubah menjadidinamo arus searah dengan menggunakan cincinbelah atau komutator seperti pada motor listrik, lihatgambar 13.3!

Dinamo arus searah pada prinsipnya samadengan motor arus searah. Jadi dinamo arus searahdapat dipakai sebagai motor arus searah. Demikianpula sebaliknya.

3. GeneratorBagian utama generator, lihat Gambar 13.4, adalah:

a. Magnet

Untuk generator pembangkit tenaga listrik yangbesar biasanya menggunakan lebih dari satu magnetyang berputar. Magnet yang digunakan biasanyamagnet listrik.

U

Sikat Cincin belah(komutator)

Kumparan

Gambar 13.3 Dinamo arus searah

IPA Terpadu IX290

b. Rotor

Rotor adalah bagian generator yang berputar.

c. Stator

Stator adalah bagian generator yang tidakberputar.

Arus yang ditimbulkan oleh generator juga arusbolak-balik. Seperti yang kalian ketahui bersamabahwa arus yang digunakan di rumah-rumah ataudi pabrik-pabrik bersifat arus bolak-balik, bukan?

C. Prinsip Kerja Transformator (Trafo)

Transformator adalah sebuah alat untukmenaikkan atau menurunkan tegangan arus bolak-balik. Transformator sering disebut trafo. Sebuahtransformator terdiri atas sebuah inti besi. Pada intibesi digulung dua lilitan, yaitu kumparan primer dankumparan sekunder, lihat Gambar 13.5!

+

– U

U

S

S

Gambar 13.4 Generator arus bolak-balik yang menggunakanlebih dari satu magnet

Induksi Elektromagnetik 291

Kumparan sekunder Kumparan primer

Sumbertegangan

bolak-balik

Prinsip kerja tranformatoradalah sebagai berikut.1. Kumparan primer dihubung-

kan kepada sumber teganganyang hendak diubah besar-nya. Karena tegangan primeritu tegangan bolak-balik, makabesar dan arah tegangan ituberubah-ubah.

2. Dalam inti besi timbul medanmagnet yang besar danarahnya berubah-ubah pula.Perubahan medan magnet inimenginduksi tegangan bolak-balik pada kumparan sekunder.

Dari sebuah percobaan dapat ditunjukkan, bahwa:1. Perbandingan antara tegangan primer, V

p,

dengan tegangan sekunder, Vs sama denganperbandingan antara jumlah lilitan primer, N

p, dan

lilitan sekunder, Ns.2. Perbandingan antara kuat arus primer, I

p, dengan

kuat arus sekunder, Is, sama denganperbandingan jumlah lilitan sekunder denganlilitan primer.

Gambar 13.5 Transformator

Info MEDIAPada tahun 1831, Faradaymenemukan bahwa penghentianatau pengaliran arus dalam salahsatu kawat pada cincin besi inimenyebabkan dorongan singkatdari arus di kawat lainnya. Cincinyang sekarang jadi terkenal inisebenarnya sama dengan trans-formator modern yang tercipta160 tahun kemudian.

IPA Terpadu IX292

Dari kedua pernyataan tersebut dapat dituliskansecara singkat dengan persamaan sebagai berikut:Vp : Vs = Np : Ns

Ip : I

s = V

s : V

p

Ip : Is = Ns : Np

Atau dapat ditulis:

s s

V N=

V Np p p s

s p

V IV I

= p s

s p

N IN I

=

Ada dua hal perlu dipahami untuk transformatorini, yaitu:1. Transformator hanya digunakan untuk menaikkan

atau menurunkan tegangan arus bolak-balik (AC)dan tidak untuk arus searah (DC).

2. Transformator tidak dapat memperbesar dayalistrik yaitu tidak dapat memperbesar banyaknyadaya yang masuk ke dalam transformatortersebut.

Efisiensi Tranformator

Kalian sudah mengetahui persamaan-persamaanyang berlaku pada transformator. Persamaan di atasdan didasarkan atas efisiensi transformator dianggapseratus persen. Tetapi kenyataan sehari-hari efisiensitransformator selalu kurang dari seratus persen.Mengapa demikian? Selama penggunaan trans-formator, besarnya daya yang dikeluarkan olehkumparan sekunder selalu lebih kecil daripada dayayang diterima oleh kumparan primer.

Hal ini disebabkan selama transformatordigunakan ada sebagian energi listrik yang berubahmenjadi kalor. Dengan kata lain energi listrik yangkeluar dari transformator selalu lebih kecil daripadaenergi yang masuk ke dalam transformator.

Agar diperoleh efisiensi mendekati 100% padapenggunaan transformator, biasanya dilakukan cara-cara sebagai berikut:1. Diberi bahan pendingin.2. Untuk mengurangi panas, membuat inti besi untuk

transformator berbentuk pelat atau lempengan.

Induksi Elektromagnetik 293

3. Mengalirkan udara dingin, misal dengan airconditioning atau kipas angin.

Selama 1 sekon, kumparan primer tranformatormenerima energi dari sumber yang akan diubahsebesar W

p = V

p I

p t joule. Selama t sekon

transformator tersebut juga melepas energi melaluikumparan sekunder sebesar W

s = V

s I

s t joule.

Efisiensi tranformator, η, adalah persentaseharga perbandingan antara besar energi yang dilepastransformator tiap sekon pada kumparan sekunderdengan energi yang diterima transformator setiapsekon pada kumparan primer. Energi tiap sekondisebut daya. Oleh karena itu, efisiensi dapatdinyatakan dalam perbandingan daya sekunder, Ps

dan daya primer, Pp, kali 100 % dan dapat ditulis

Efisiensi = daya sekunderdaya primer

× 100%

η = s

p

PP × 100 %

Karena P = V I maka:

η = s s

p p

V IV I × 100 %

Contoh soal:Sebuah transformator dihubungkan dengantegangan 200 V dapat menghasilkan tegangan 40V. Jika kumparan input berjumlah 1100 lilitan.Berapakah kumparan outputnya?Penyelesaian:Diketahui: Vp = 200 V

Vs

= 40 VNp = 1100 lilitan

Ditanya: Ns = . . . ?Jawab :

s s

V N=

V Np p

IPA Terpadu IX294

D. Karakteristik Transformator danPenerapannya

Ada dua transformator, yaitu:1. Transformator step-up (transformator penaik

tegangan)2. Transformator step-down (transformator

penurun tegangan)Ciri-ciri kedua jenis trafo adalah:1. Trafo step-up

a. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebihkecil dari jumlah lilitan kumparan sekunder,(N

p < N

s)

b. Tegangan primer selalu lebih kecil daritegangan sekunder, (V

p < V

s)

c. Kuat arus primer selalu lebih besar dari kuatarus sekunder, (I

p> I

s)

2. Trafo step-downa. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih

besar dari jumlah lilitan kumparan sekunder,(I

p> N

s)

b. Tegangan primer selalu lebih besar daritegangan sekunder (V

p > V

s)

c. Kuat arus primer selalu lebih kecil dari kuatarus sekunder, (I

p< I

s)

Salah satu contoh penggunaan trans-formator adalah pada pesawat penerimaradio jenis “tabung”.

200V40V =

s

1100 lilitanN

200 sN = (40 x 1100) lilitan

sN = 220 lilitan

Induksi Elektromagnetik 295

Refleksi

Rangkuman

1. Beberapa faktor yang mempengaruhi gaya gerak listrik (GGL)induksi:a. kecepatan perubahan medan magnetb. banyaknya lilitanc. kekuatan magnet.

2. GGL induksi dapat ditimbulkan dengan cara:a. memutar magnet di dekat kumparan atau memutar

kumparan di dekat magnet.b. mengubah arah arus searah pada kumparan primer.c. mengalirkan arus AC pada kumparan primer

3. Penerapan ggl induksi pada generator dan dinamo.

4. Bagian-bagian dinamo: sebuah kumparan, sebuah cincin geser,sikat, dan magnet.

5. Bagian-bagian generator: magnet, rotor, dan stator.

6. Transformator: alat untuk menaikkan atau menurunkan teganganarus bolak-balik.

7. Persamaan-persamaan pada transformator:

p ps

s p s

= =V NIV I N

8. Efisiensi transformator

s

p

s s

p p

100%

100%

= ×

= ×

η

η

PP

V IV I

Sekarang ini umumnya orang lebih suka membawa kartu kredit ataukartu ATM daripada membawa uang tunai dengan alasan lebih praktisdan lebih aman. Kartu kredit dan kartu ATM merupakan contohpenerapan prinsip induksi elektromagnetik. Sebagai bahan refleksi,jelaskan cara kerja kartu kredit atau ATM berdasarkan prinsip induksielektromagnetik!

IPA Terpadu IX296

A. Pilihlah satu jawaban yang benar dengan memberi tandasilang (X) pada huruf a, b, c, atau d!

1. Arus induksi adalah berupa . . . .a. arus searahb. arus bolak-balikc. arus DCd. arus DC dan AC

2. Timbulnya gaya gerak listrik pada kedua ujung kumparan disebabkanterjadi perubahan . . . .a. teganganb. jumlah garis gaya magnetc. jumlah lilitand. arus listrik

3. Berikut ini yang bukan merupakan faktor yang mempengaruhi besarGGL induksi yaitu . . . .a. banyaknya lilitanb. kecepatan perubahan medan magnetc. kekuatan magnetd. masalah lilitan kumparan

4. Apabila Vp = tegangan primer, V

s = tegangan sekunder, I

p = kuat

arus primer dan Is = kuat arus sekunder, maka hubungan yangbenar adalah . . . .

a.p s

s p

V I=

V I

b.p p

s s

V I

V I=

c. Vp = ps

s

V I

I

d. Vs = ps

s

V I

I

Uji Kompetensi

Induksi Elektromagnetik 297

5. Pada trafo step-up yang tidak benar adalah . . . .a. jumlah lilitan primer lebih kecil dari jumlah lilitan sekunderb. tegangan primer lebih kecil dari tegangan sekunderc. kuat arus primer lebih kecil dari kuat arus sekunderd. kuat arus primer lebih besar dari pada kuat arus sekunder

6. Berikut ini adalah rumus efisiensi transformator adalah . . . .

a. p

s

100%= ×ηE

E

b.s

p

100%= ×ηEE

c. p p

s s

100%= ×ηV I

V I

d. s s

p p

100%= ×ηV IV I

7. Fungsi trafo step-down adalah . . . .a. menurunkan teganganb. menaikkan teganganc. menetapkan tegangand. mengubah-ubah tegangan

8. Yang merupakan ciri trafo step-up adalah . . . .a. Np < Ns

b. Ip< Is

c. Vp < Vs

d. Ip > Is

9. Ciri trafo step-up adalah . . . .a. Np > Ns

b. Ip > Is

c. Ip < Is

d. Vp > Vs

10. Transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkantegangan . . . .a. bolak-balikb. bolak-balik dan searahc. searah sajad. sekunder saja

IPA Terpadu IX298

B. Jawablah pertanyaan berikut dengan singkat dan jelas!1. Sebuah trafo dihubungkan dengan tegangan 220 volt sehingga

mengalir arus listrik 0,25 A. Jika kuat arus yang keluar dari trafoadalah 2 A, maka tentukan besar tegangan keluaran trafo tersebut!

2. Sebuah transformator dihubungkan dengan tegangan 200 Vmenghasilkan tegangan 20 V. Jika kumparan input 1000 lilitan, makahitunglah jumlah lilitan kumparan output!

3. Sebuah trafo menggunakan kumparan dengan perbandingan jumlahlilitan primer dan sekunder 1:5. Trafo tersebut dihubungkan dengantegangan 30 volt. Jika daya keluaran trafo 50 watt, maka tentukanbesar arus sekundernya!

4. Energi masukan dan keluaran dari sebuah trafo adalah 10.000 jouledan 9000 joule. Tentukan efisiensi trafo!

5. Sebuah trafo dihubungkan dengan sumber 200 volt dan mengalirarus listrik sebesar 0,2 ampere. Bila tegangan (GGL) keluaran danefisiensinya masing-masing 100 volt dan 80 %. Tentukan kuat aruskeluaran!

P r o y e k

Carilah informasi tentang prinsip induksi elektromagnetik padakartu ATM atau kartu kredit disertai gambar yang mendukunginformasi tersebut. Kumpulkan dalam bentuk kliping dan multimediauntuk dipresentasikan di depan kelas!