APLIKASI KELISTRIKAN DAN KEMAGNETAN

Pendahuluan

Potensial listrik adalah energi potensial per satuan muatan penguji. Suatu

muatan ujihanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki

perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki

perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik

adalah beda potensial.

Medan listrik adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan

listrik, seperti elektron,  ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya.

Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang masih

mengalami gaya listrik. Jika muatan lain berada di dalam medan listrik dari

sebuah benda bermuatan listrik, muatan tersebut akan mengalami gaya listrik

berupa gaya tarik atau gaya tolak.

Aplikasi dari medan listrik dan potensial listrik antara lain:

A. Generator

Generator dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Generatorini meggunakan prinsip percobaannya faraday,

memutar magnet dalam kumparan atau sebaliknya,

ketika magnet digerakkan dalam kumparan maka terjadi perubahan fluks

gaya magnet (peribahan arah penyebaran medan magnet) di dalam

kumparan dan menembus tegak lurus terhadap kumparan sehingga

menyebabkan beda potensial antara ujung-ujung kumparan (yang

menimbulkan listrik). syarat utama, harus ada perubahan fluks magnetik,

jika tidak maka tidak akan timbul listrik.

Cara mengubah fluks magnetik adalah menggerakkan magnet

dalam kumparan atau sebaliknya dengan energi dari sumber lain, seperti

angin dan air yang memutar baling-baling turbin untuk

menggerakkan magnet tersebut. Ketika rotor berputar (terdapat kumparan)

dalam medan magnet maka belitan kawatnya akan memotong gaya- gaya

magnet pada kutub magnet. Fluks magnet yang menembus luas yang

dilingkupi olehrotor berubah terhadap waktu, sehingga terjadi perbedaan

tegangan (beda potensial) dan akan menginduksi suatu ggl, maka dari itu

akan timbul arus listrik, arus yang melalui kawat yang kedua ujungnya

dihubungkan dengan cincin. Sehingga arus yang dihasilkan dapat

dimanfaatkan untuk kehidupan sehari-hari, misalnya untuk memasak,

menyalakan komputer, AC, dll.

Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan

pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan

lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar)

dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubalian energi

gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang

prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama

kali ditemukan oleh Michael Faraday.

Gambar 1. Dinamo

Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang

mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada

generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus

yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu

generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-

balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus

bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-

alat pemanas.

B. Generator Van De Graff

Dalam kehidupan sehari-hari banyak sekali kita menemui

pemanfaatan dari medan listrik maupun potensial listrik. Salah satu

pemanfaatannya adalah pada penangkal petir. Prinsip kerja dari penangkal

petir kurang lebih dengan memafaatkan medan listrik di sekitar petir dan

menariknya ke batang konduktor.

Saat muatan listrik negatif di bagian bawah awan sudah tercukupi,

maka muatan listrik positif di tanah akan segera tertarik. Muatan listrik

kemudian segera merambat naik melalui kabel konduktor , menuju ke

ujung batang penangkal petir. Ketika muatan listrik negatif berada cukup

dekat di atas atap, daya tarik menarik antara kedua muatan semakin kuat,

muatan positif di ujung-ujung penangkal petir tertarik ke arah muatan

negatif. Pertemuan kedua muatan menghasilkan aliran listrik.

Aliran listrik itu akan mengalir ke dalam tanah, melalui kabel

konduktor, dengan demikian sambaran petir tidak mengenai bangunan.

Tetapi sambaran petir dapat merambat ke dalam bangunan melalui kawat

jaringan listrik dan bahayanya dapat merusak alat-alat elektronik di

bangunan yang terhubung ke jaringan listrik itu, selain itu juga dapat

menyebabkan kebakaran atau ledakan. Untuk mencegah kerusakan akibat

jaringan listrik tersambar petir, biasanya di dalam bangunan dipasangi alat

yang disebut penstabil arus listrik (surge arrestor).

Gambar 2. Generator Van de graff

Contoh lain adalah pada pemanfaatan potensial listrik pada

generator van de graff. Cara kerja generator van de graff Secara umum,

dua konduktor yang dipisahkan dengan suatu jarak tidak akan berada pada

potensial yang sama. Beda potensial antara konduktor tersebut bergantung

pada bentuk geometrinya, jaraknya dan muatan bersih masing-masing.

Ketika dua konduktor disambung, muatan pada konduktor menyebar

dengan sendirinya sehingga keseimbangan elektrostatik terbentuk dan

medan listrik nol dalam konduktor.

Ketika tersambung kedua konduktor dianggap sebagai konduktor

tunggal dengan permukaan ekipotensial tunggal. Perpindahan muatan dari

satu konduktor ke yang lain disebut pembagian muatan (charge sharing).

Secara sederhananya, kerja generator Van De Graff yaitu apabila ujung

runcing H dihubungkan dengan tegangan tinggi searah 2 x 104 V atau

20kV, mengandung muatan positif yang besar. Ujung runcing H

bersentuhan dengan sabuk yang digerakkan oleh motor penggerak atau

engkol tangan yang terhubung melalui roller F. gesekan antar sabuk dan

ujung runcing H bermuatan positif menyebabkan elektron-elektron

(muatan negative) dari sabuk ditarik ke ujung runcing H. ini menyebabkan

sabuk kiri yang tadinya netral akan mengandung sejumlah besar muatan

positif.

Sabuk ini bergerak membawa muatan positif menuju ke kubah

setengah bola yang ditopang oleh sepasang tiang berisolasi. Saat melewati

ujung runcing G sabuk meninduksikan muatan pada konduktor ini yang

karena ujungnya runcing, menimbulkan intensitas medan yang tingginya

cukup untuk menionisasi udara antara ujung runcing dan sabuk. Maka

udara yang terionisasi ini menjadi “jembatan” penghantaran bagi muatan

positif pada sabuk guna dapat mengalir ke konduktor A. Sehingga fungsi

dari ujung runcing G yang terdapat dalam kubah ialah mengumpulkan

muatan positif dari sabuk, dan memindahkannya ke permukaan luar

kubah. Sebagai hasilnya pada kubah terkumpul muatan positif yang sangat

besar. Ketika meninggalkan katrol E, sabuk itu menjadi bermuatan

negative dan sisi kanannya mengangkut muatan negative ini ke luar dari

terminal atas. Pengambilan muatan negatif ekuivalen dengan penambahan

muatan positif, sehingga kedua sisi sabuk berperan menaikan muatan netto

positif terminal A. Muatan negatif terambil dari sabuk pada ujung runcing

H, lalu mengalir ke tanah.

Pengumpulan muatan pada kubah tidak dapat berlanjut tanpa batas,

karena akhirnya pelepasan muatan akan terjadi di udara. Untuk memahami

hal ini, perhatikan bahwa lebih banyak muatan terkumpul pada permukaan

luar kubah, besar medan listrik pada kubah juga meningkat. Akhirnya,

kekuatan medan lsitrik menjadi cukup untuk mengionisasi sebagian

molekul udara di dekat permukaan kubah. Ini membuat sebagian udara

bersifat konduksi (dapat menghantarkan muatan listrik). Muatan-muatan

pada kubah sekarang memilki jalan untuk bocor menuju udara di

sekitarnya. Pelepasan muatan ke udara ini dapat menimbulkan ”ledakan

petir”.

C. Panel Sel Surya

Panel sel surya mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi

listrik. Panel sel surya menghasilkan arus yang digunakan untuk

mengisi batere. Indonesia sendiri merupakan negara yang dilewati oleh

garis khatulistiwa dan menerima panas matahari yang lebih banyak

daripada negara lain, sehingga mempunyai potensial yang sangat besar

untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga surya. Panel sel

surya terdiri dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas

cahaya, saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus

listrik yang dihasilkan juga akan berkurang.

Bahan sel surya sendiri terdiri dari kaca pelindung dan material

adhesive transparan yang melindungi bahan sel surya dari keadaan

lingkungan, material anti-refleksi untuk menyerap lebih banyak cahaya

dan mengurangi jumlah cahaya yang dipantulkan. Sel surya merupakan

suatu pn junction dari silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-

electric effect dari bahan semikonduktor, sel surya dapat langsung

mengkonversi sinar matahari menjadi listrik searah (dc).

Bila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang

dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul

di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah

lapisan p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi

pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya. Jika pada

kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir

melalui beban.Bahan dan cara kerja yang aman terhadap lingkungan

menjadikan sel surya sebagai salah satu hasil teknologi pembangkit listrik

yang efisien bagi sumber energi alternatif masyarakat di masa depan.

Gambar 3. Panel Sel Surya

Adapun jenis-jenis panel sel surya: 

1. Polikristal (Poly-crystalline)

Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak. Type

Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan

dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan

tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung.

2. Monokristal (Mono-crystalline)

Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik

persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%.

Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat

yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis

dalam cuaca berawan.

Gambar 4. Skema Sel Surya

Gambar di atas memperlihatkan sistem energi listrik alternatif yang

memanfaatkan sinar matahari. Pertimbangan-pertimbangan di atas di

gunakan untuk mengetahui spesifikasi komponen yang akan di pasang

pada sistem tersebut, sebab salah memilih komponen bisa menyebabkan

sitem ini tidak bekerja dengan baik (mudah rusak/tidak maksimal).

Fungsi Tiap Bagian Sistem Diatas

Sell Surya

Sebagai sumber energi listrik. berdasarkan pengujian penulis (pada

gambar fisik sell surya yang paling besar) 1 buah sell surya pada saat sinar

matahari cukup terik menghasilkan 20v-23,..v/1,9 - 2,4..A (38 - 50 watt)

atau sekitar 350 Watt/ hari.

Controll ON/OFF

Untuk mengontrol pengisian batery dan menghubungkan batery

dengan beban (inverter).

Batery

Untuk menyimpan energi listrik yang di hasilkan sell surya.

biasanya batery yang di gunakan memiliki Ampare hour yang cukup

tinggi. sebab untuk menghidupkan lampu 10 watt saja selama 1 malam (12

jam) idealnya membutuhkan batery 12V/10A.

Inverter

Untuk mengubah tegangan DC 12V dari batery menjadi 220 AC.

untuk hasil yang lebih baik gunakan inverter yang menghasilkan

gelombang sinus.

D. Tranformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan

dan mengubah energy listrik satu atau lebih rangkaian listrik satu atau

lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu

gendeng magnet berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet.

Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan

bolak balik (ac) dari suatu nilai tertentu ke nilai yang kita inginkan terdiri

dari kumparan primer dan sekunder.

Transformator terdiri dari pasangan kumparan primer dan sekunder

yang diisolasi (terpisah) secara listrik dan dililitkan pada inti besi lunak.

Inti besi lunak dibuat dari pelat yang berlapis-lapis untuk mengurangi daya

yang hilang karena arus pusar. Kumparan primer dan sekunder dililitkan

pada kaki inti besi yang terpisah. Bagian fluks magnetic bocor tampak

bahwa pada pasangan kumparan terdapat fluks magnetic bocor disisi

primer dan sekunder. Secara lebih lengkap bisa dicermati pada gambar

Gambar 5. Kumparan pada Trafo

Kumparan sekunder dililitkan pada kaki inti besi yang sama (kaki

yang tengah), dengan lilitan kumparan sekunder terletak diatas lilitan

kumparan primer, ditunjukkan pada fluks magnet bocornya, maka dapat

dicermati pada gambar dibawah ini.

Gambar 6. Kumparan Primer dan Kumparan Sekunder

Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan

pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder)

yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk

memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Gambar 7. Kumparan Pada Trafo

Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan

bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan

medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh

adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga

pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini

dinamakan induktansi timbal-balik.

Gambar 8. Skema transformator kumparan primer dan kumparan sekunder

terhadap medan magnet

Pada skema transformator diatas, ketika arus listrik dari sumber

tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah

polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga

arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah

polaritasnya.

Gambar 9. Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer,

tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder

Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan

sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan :

Vp/Vs = Np/Ns (6)

Vp = tegangan primer (volt)

Vs = tegangan sekunder (volt)

Np = jumlah lilitan primer

Ns = jumlah lilitan sekunder

Jenis-jenis transformator adalah :

1. Step-Up

Gambar 10. Lambang transformator step-up

Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan

sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai

penaik tegangan. Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga

listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi

tegangan tinggi yang digunakan dalam transmisi jarak jauh.

2. Step-down

Gambar 11. Skema transformator step-down

Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit

daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan.

Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor

AC-DC.

3. Autotransformator

Gambar 12. Skema transformator

Transformator jenis ini hanya terdiri dari satu lilitan yang berlanjut

secara listrik, dengan sadapan tengah. Dalam transformator ini, sebagian

lilitan primer juga merupakan lilitan sekunder. Fasa arus dalam lilitan

sekunder selalu berlawanan dengan arus primer, sehingga untuk tarif daya

yang sama lilitan sekunder bisa dibuat dengan kawat yang lebih tipis

dibandingkan transformator biasa. Keuntungan dari autotransformator

adalah ukuran fisiknya yang kecil dan kerugian yang lebih rendah daripada

jenis dua lilitan. Tetapi transformator jenis ini tidak dapat memberikan

isolasi secara listrik antara lilitan primer dengan lilitan sekunder. Selain

itu, autotransformator tidak dapat digunakan sebagai penaik tegangan

lebih dari beberapa kali lipat (biasanya tidak lebih dari 1,5 kali).

4. Autotransformator Variabel

Gambar 13. Skema Autotransformator Variabel

Autotransformator variabel sebenarnya adalah autotransformator

biasa yang sadapan tengahnya bisa diubah-ubah, memberikan

perbandingan lilitan primer-sekunder yang berubah-ubah.

5. Transformator Isolasi

Transformator isolasi memiliki lilitan sekunder yang berjumlah

sama dengan lilitan primer, sehingga tegangan sekunder sama dengan

tegangan primer. Tetapi pada beberapa desain, gulungan sekunder dibuat

sedikit lebih banyak untuk mengkompensasi kerugian. Transformator

seperti ini berfungsi sebagai isolasi antara dua kalang. Untuk penerapan

audio, transformator jenis ini telah banyak digantikan oleh kopling

kapasitor.

6. Transformator Pulsa

Transformator pulsa adalah transformator yang didesain khusus

untuk memberikan keluaran gelombang pulsa. Transformator jenis ini

menggunakan material inti yang cepat jenuh sehingga setelah arus primer

mencapai titik tertentu, fluks magnet berhenti berubah. Karena GGL

induksi pada lilitan sekunder hanya terbentuk jika terjadi perubahan fluks

magnet, transformator hanya memberikan keluaran saat inti tidak jenuh,

yaitu saat arus pada lilitan primer berbalik arah.

7. Transformator Tiga Fasa

Transformator tiga fasa sebenarnya adalah tiga transformator yang

dihubungkan secara khusus satu sama lain. Lilitan primer biasanya

dihubungkan secara bintang (Y) dan lilitan sekunder dihubungkan secara

delta (Δ).

Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama

yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-

balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN

220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik

bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh

alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin

foto kopi, gardu listrik dan sebagainya.

E. Telegraf Morse

Telegraf penerima morse terdiri atas sebuah magnet listrik yang

tersusun di bawah sebatang besi yang disebut clapper. Clapper

berkedudukan di atas salah satu kutub pada magnet listrik dari sumber.

Rangkaian yang menghubungkan magnet listrik ke baterai tertutup

sewaktu-waktu ketika kunci pembawa garis akhir ditekan. Hal ini

disebabkan oleh sebuah arus sekejap pada gulungan magnet listrik, yang

kemudian menarik clapper. Ketika kunci dilepas, arus berhenti dan sumber

mengubah kedudukan clapper ke posisi sandar. Demikian sebuah pesan

kode yang tersedia di atas kunci akhir garis yang menyebabkan clapper

membuat urutan yang sesuai pada bunyi ceklek di garis akhir lainnya.

F. Bell Listrik

Sebuah bell listrik sama dengan telegraf penerima dalam memiliki

clapper dan sebuah magnet listrik yang menarik clapper ketika rangkaian

ditutup. Setiap waktu clapper bergerak menghadap magnet, menabrak

sebuah bell logam, yang membuat suara berdering. Selain itu, clapper

dibuat sebagai bagian dari rangkaian yang caranya seperti gerakan clapper

yang menghadap magnet membuka rangkaian. Demikian, sebagimana

clapper mengenai bell, rangkaian dibuka dan clapper menarik magnet lagi.

Oleh karena itu, selama swich utama S ditutup, clapper akan berpindah ke

belakang seterusnya, dengan berkali-kali menabrak bell. Pengaturan ini

merupakan salah satu mekanisme paling sederhana untuk terus

menghasilkan gerakan mesin dari kelistrikan.

G. Pembangkit Biolistrik

Biolistrik merupakan fenomena sel. Sel-sel mampu menghasilkan

potensial listrik yang merupakan lapisan tipis muatan positif pada

permukaan luar dan lapisan tipis muatan negatif pada permukaan dalam

bidang batas/membrane.

H. Electrocardiograph (ECG)

Aktifitas biolistrik pada suatu otot dapat menyebar ke seluruh

tubuh seperti gelombang pada permukaan air. Pengamatan pulsa listrik

tersebut dapat dilakukan dengan memasang beberapa elektroda pada

permukaan kulit. Hasil rekaman isyarat listrik dari jantung

(electrocardiogram-ECG) digunakan untuk diagnosa kesehatan.

EKG atau elektrokardiografi adalah pencatatan grafik variasi-

variasi potensial listrik yang disebabkan oleh aktivitas listrik otot jantung

dan terdeteksi pada permukaan tubuh. Prinsip kerja EKG adalah merekam

signal elektrik yang berkaitan dengan aktivitas jantung dan menghasilkan

grafik rekaman tegangan listrik terhadap waktu. EKG adalah suatu metode

untuk mempelajari kerja otot jantung sehingga dapat membantu diagnosis

abnormalitas jantung dan kecenderungan atau perubahan fungsi jantung.

Electrocardiograph adalah alat untuk melakukan elektrokardiografi

sedangkan electrocardiogram adalah kertas yang mencatat grafik variasi-

variasi potensial listrik yang disebabkan oleh eksitasi otot jantung dan

terdeteksi pada permukaan tubuh.

Elektrokardiogram yang normal menunjukkan

defleksi/pembelokkan yang dihasilkan dari aktivitas atrial dan ventricular

sebagai perubahan kecenderungan tegangan/voltage dan polaritas (positif

dan negatif) terhadap waktu. Defleksi pertama atau P wave adalah hasil

eksitasi atria; Defleksi kompleks QRS adalah hasil eksitasi (depolarisasi)

ventrikel dan T wave sebagai hasil recovery ventrikel (repolarisasi)

DAFTAR PUSTAKA

http://www.fisika-ceria.com/prinsi-kerja-generator-ac-dan-dc.html

http://penjagahati-zone.blogspot.com/2011/03/prinsip-kerja-generator-van-de-

graaff.html

Serway, R A.2010. Fisika untuk Sains dan Tehnik (terjemahan). Jakarta : Salemba

tehnika.

http://panelselsurya.com/index.php/panel-sel-surya/pemeliharaan-panel-

sel-surya

http://sinelectronic.blogspot.com/2012/01/transformator-dan-jenisnya.html

http://solarpanel.co.id/solar-panel/prinsip-kerja-solar-cell.html

http://www.alpensteel.com/article/46-102-energi-matahari--surya--solar/

4264--defenisi-cara-kerja-aplikasi-fungsi-solar-cell.html

http://cv-power-bell.blogspot.com/2012/01/prinsip-kerja-sederhana-dari-

solar-cell.html

http://panelselsurya.com/index.php/home/nstalasi-listrik-tenaga-surya

http://sinelectronic.blogspot.com/2012/04/rumput-ternyata-bisa-

menghasilkan.html