DASAR KONVERSI ENERGI LISTRIK – MODUL 2
KEMAGNETAN DAN MEDAN MAGNET
Sebagian besar peralatan listrik secara langsung atau
tak-langsung tergantung pada kemagnetan. Magnetit (bijih
besi) adalah bahan yang memperlihatkan fenomena kemagnetan
dan disebut dengan magnet alami.
Setiap magnet memiliki dua titik yang disebut Kutub:
utara dan selatan. Mirip dengan muatan listrik, kutub magnet
yang sama akan tolak-menolak dan yang berlawanan akan tarik-
menarik.
Magnet memberikan gaya pada bahan magnet seperti besi
akibat medan magnetnya. Keberadaan gaya yang tak-kelihatan
ini dapat ditunjukkan dengan menebarkan serbuk besi halus
pada sekeping kaca atau selembar kertas diatas magnet batang
(Gb bawah, A). Jika lembaran kertas itu diketuk perlahan,
serbuk tadi akan mengatur kedudukannya sesuai dengan pola
yang dibentuk oleh medan gaya di sekeliling magnet batang
tersebut. Medan itu tampaknya tersusun atas garis-garis gaya
yang keluar dari kutub utara, merambat melalui udara
disekeliling magnetnya, dan terus menuju ke kutub selatan
untuk membentuk gaya simpal tertutup. Medan ini ditunjukkan
sebagai garis garis gaya (tanpa serbuk) seperti pada gambar
dibawah, B.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘111
( A ) ( B )
Gb. 1. Medan magnet gaya disekeliling magnet
batang
Seluruh kelompok garis medan magnet ini, yang mengalir
kea rah luar dari kutub utara magnet disebut dengan fluks
magnet.
Simbol untuk fluks magnet ialah huruf Yunani, phi,
(ф) . Satuan SI untuk densitas fluks magnet ialah weber per
meter persegi (Wb/m2). Satu weber per meter persegi disebut
juga satu tesla (T).
Persamaan untuk densitas fluks magnet ialah :
B = ф/ A
dimana A adalah luas dalam m2.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘112
Arus listrik merupakan sumber lain untuk medan magnet,
Arus yang mengalir melalui sepotong kawat akan menghasilkan
cincin-cincin konsentris yang berupa garis-garis gaya magnet
yang mengelilingi kawat tersebut. Kekuatan medan magnetnya
sebanding (proporsional) dengan amplitude arusnya (gambar
bawah)
Gambar 2. Kekuatan medan magnet tergantung pada amplitude arus
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘113
Aturan tangan-kanan digunakan untuk menentukan hubungan
antara aliran arus dalam konduktor dan arah garis-garis gaya
magnet di sekeliling konduktor bersangkutan. Ibu jari menuju
kearah aliran arus dan jari-jari lainnya menekuk kea rah
garis-garis gayanya (gambar bawah). Aliran arus berasal dari
sisi positif sumber tegangan, melalui kumparan, dan kembali
ke terminal negative sumber tegangan tersebut.
Gambar 3. Aturan tangan-kanan
Sebuah kumparan yang terbuat dari konduktor kawat
terbentuk apabila terdapat lebih dari satu simpal. Untuk
menentukan polaritas kumparan ini, gunakanlah aturan tangan-
kanan dalam kedudukan lain (lihat gambar bawah). Jari-jari
lainnya menekuk dalam arah aliran arus. Menambah inti besi
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘114
di dalam kumparan akan meningkatkan densitas fluksnya.
Polaritas intinya adalah polaritas kumparan tersebut.
Hasil kali arus dan banyaknya belitan dalam kumparan
yang dinyatakan dalam ampere-belitan, dikenal dengan gaya
gerak magnet (ggm). Jika sebuah kumparan dengan jumlah
ampere-belitan tertentu diperpanjang sampai dua kali
panjangnya semula. Oleh sebab itu intensitas medan
tergantung pada panjang kumparannya. Dinyatakan dalam bentuk
persamaan :
H = N.I / l
dimana H adalah intensitas medan magnet (At/m), NI adalah
ampere-belitan dan l adalah panjang kumparan dalam m. H
adalah intensitas di seluruh intinya dan l adalah panjang
antara kutub inti besinya.
Gb.4. Aturan tangan-kanan untuk menentukan kutub utara
electromagnet
Induksi Elektromagnet
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘115
Pada tahun 1831, Michael Faraday menemukan prinsip
induksi electromagnet. Prinsip ini menyatakan bahwa :
Jika sepotong konduktor “memotong secara melintang”
garis-garis gaya magnet, atau jika garis-garis gaya memotong
secara melintang sepotong konduktor, maka ggl, atau
tegangan, akan diinduksi pada ujung-ujung konduktor
tersebut. (gambar bawah);
Gambar 5. Memperagakan induksi electromagnet
Dari gambar diatas, perhatikan magnet yang garis-garis
gayanya hanya terkonsentrasi di antara kutub-kutubnya.
Sepotong konduktor C yang dapat digeser-geser di antara
kutub-kutub tersebut, dihubungkan dengan galvanometer G yang
digunakan untuk menandakan adanya ggl :
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘116
Aplikasi yang sangat penting dari gerak relative antara
konduktor dan medan magnet kita dapatkan dalam generator
listrik.
Nilai tegangan yang diinduksi tergantung dari banyaknya
belitan dalam kumparan dan kecepatan konduktor memotong
garis-garis gaya atau fluks bersangkutan. Konduktor atau
fluksnya dapat kita gerakkan. Persamaan untuk menghitung
nilai tegangan induksi ini ialah :
dimana vind ialah tegangan yang diinduksi (V), N ialah
banyaknya belitan dalam kumparannya, dan Δф / Δt adalah laju
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘117
fluks memotong konduktornya (Wb/det). Dan vind ditentukan oleh
tiga faktor sbb :
1. Semakin banyak garis gaya memotong konduktornya,
semakin tinggilah nilai tegangan induksinya;
2. Semakin banyak belitan kumparannya, semakin tinggilah
tegangan induksinya;
3. Semakin cepat fluks memotong konduktor atau konduktor
memotong fluksnya, semakin tinggilah tegangan
induksinya karena lebih banyak garis gaya yang memotong
konduktor dalam periode waktu yang diketahui.
Hukum Ampere-Biot-Savart
3 orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere
(1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor
Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:
“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar
yang berada diantara medan magnetik”
Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana
faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul
pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik.
Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar
2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘118
Gambar 6. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi
Elektromagnetik
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘119
Hukum Lentz
Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di
Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa:
“arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling
meniadakan (gaya aksi dan reaksi)”
Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk
berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada
penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum
faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut
saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus
induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut
(hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz
adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan
arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling
meniadakan.
Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja
dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu
generator dan motor.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1110
Gambar 7. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.
Apabila arus mengalir akibat tegangan induksi, arus ini
akan menimbulkan medan magnet terhadap konduktornya
sedemikian rupa sehingga medan magnet konduktor ini akan
bereaksi dengan medan magnet eksternal tadi, yang
menghasilkan tegangan induksi yang melawan perubahan medan
magnet eksternal tersebut. Jika medan eksternal ini
meningkat, medan magnet konduktor arus induksi tersebut akan
berada dalam arah yang berlawanan. Jika medan eksternal ini
menurun, medan magnet konduktornya akan berada dalam arah
yang sama, dan dengan demikian akan mempertahankan medan
eksternal tersebut.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1111
Elektromagnet
Elektromagnet adalah prinsip pembangkitan magnet dengan
menggunakan arus listrik. Aplikasi praktisnya kita temukan
pada motor listrik, speaker, relay dsb. Sebatang kawat yang
diberikan listrik DC arahnya meninggalkan kita (tanda
silang), maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet
melingkar, lihat gambar 8. Sedangkan gambar visual garis
gaya magnet didapatkan dari serbuk besi yang ditaburkan
disekeliling kawat beraliran listrik, seperti telah
dijelaskan pada artikel sebelumnya “prinsip kemagnetan”.
Gambar 8. Prinsip elektromagnetik.
Sebatang kawat pada posisi vertikal diberikan arus listrik
DC searah panah, maka arus menuju keatas arah pandang (tanda
titik). Garis gaya magnet yang membentuk selubung berlapis
lapis terbentuk sepanjang kawat. Garis gaya magnet ini tidak
tampak oleh mata kita, cara melihatnya dengan serbuk halus
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1112
besi atau kompas yang didekatkan dengan kawat penghantar
tsb. Kompas menunjukkan bahwa arah garis gaya sekitar kawat
melingkar. Arah medan magnet disekitar penghantar sesuai
arah putaran sekrup (James Clerk Maxwell, 1831-1879). arah
arus kedepan (meninggalkan kita) maka arah medan magnet
searah putaran sekrup kekanan. Sedangkan bila arah arus
kebelakang (menuju kita) maka arah medan magnet adalah
kekiri.
Gambar 9. Garis magnet membentuk selubung seputar kawat
berarus.
Gambar 10. Prinsip putaran sekrup
Aturan sekrup mirip dengan hukum tangan kanan yang
menggenggam, dimana arah ibu jari menyatakan arah arus
listrik mengalir pada kawat. Maka keempat arah jari
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1113
menyatakan arah dari garis gaya elektromagnet yang
ditimbulkan.
Arah aliran arus listrik DC pada kawat penghantar menentukan
arah garis gaya elektromagnet. Arah arus listrik DC menuju
kita (tanda titik pada penampang kawat), arah garis gaya
elektromagnet melingkar berlawanan arah jarum jam. Ketika
arah arus listrik DC meninggalkan kita (tanda silang
penampang kawat), garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan
melingkar searah dengan jarum jam (sesuai dengan model
mengencangkan sekrup). Makin besar intensitas arus yang
mengalir semakin kuat medan elektro-magnet yang mengelilingi
sepanjang kawat tersebut.
Gambar 11. Elektromagnetik sekeliling kawat.
Elektromagnet pada Belitan Kawat
Jika sebuah kawat penghantar berbentuk bulat dialiri arus
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1114
listrik I sesuai arah panah, maka disekeliling kawat timbul
garis gaya magnet yang arahnya secara gabungan membentuk
kutub utara dan kutub selatan. Makin besar arus listrik yang
melewati kawat, maka akan semakin kuat medan elektromagnetik
yang ditimbulkannya.
Gambar 12. Kawat melingkar berarus membentuk kutub magnet
Jika beberapa belitan kawat digulungkan membentuk sebuah
coil atau lilitan, dan kemudian dipotong secara melintang
maka arah arus ada dua jenis. Kawat bagian atas bertanda
silang (meninggalkan kita) dan kawat bagian bawah bertanda
titik (menuju kita).
Gambar 13. Belitan kawat membentuk kutub magnet.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1115
Hukum Tangan Kanan
Hukum tangan kanan untuk menjelas kan terbentuknya garis
gaya elektromagnet pada sebuah gulungan atau coil dapat
dilihat pada gambar 14. Dimana sebuah
gulungan kawat coil dialiri arus listrik, maka arah arusnya
ditunjukkan sesuai dengan empat jari tangan kanan, sedangkan
kutub magnet yang dihasilkan ditunjukkan dengan ibu jari
untuk arah kutub utara dan kutub selatan arah lainnya.
Gambar 14. Hukum tangan kanan.
Untuk menguatkan medan magnet yang dihasilkan pada gulungan
dipasangkan inti besi dari bahan ferromagnet, sehingga garis
gaya elektromagnet menyatu. Aplikasinya dipakai pada coil
kontaktor atau relay.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1116
Ringkasan
- Kumpulan menyeluruh garis medan magnet yang mengalir ke
luar dari kutub U sebuah magnet disebut fluks magnet;
- Permeabilitas mengacu pada kemampuan bahan magnet untuk
memusatkan fluks magnet;
- Aturan tangan-kanan digunakan untuk menentukan hubungan
aliran arus dalam sepotong konduktor dan arah garis-
garis medan magnet yang mengelilingi konduktor yang
diakibatkan oleh arus tersebut.
- Bentuk aturan tangan-kanan lainnya digunakan untuk
menentukan polaritas magnet kumparan kawat dengan arus
yang mengalir dalam kawat kumparan tersebut.
- Polaritas tegangan induksi ditentukan oleh hukum Lenz.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘1117
Top Related