Besar ggl induksi dari ujung-ujung kumparan dapat diukur dengan suatu alat yang disebut

Table of Contents Show

D. Gaya Gerak Listrik GGL Induksi
A. Pilihlah satu jawaban yang benar
B. Soal Uraian
Video yang berhubungan

161 Kemagnetan menyebabkan kumparan berputar. Karena putaran kump- aran tersebut ditahan eoleh kedua pegas spiral maka kumparan mengambil kedudukan pada suatu sudut putaran tertentu. Makin besar arus listrik yang mengalir ke dalam kumparan, makin besar pula sudut putarannya. Putaran dari kumparan diteruskan pegas ke jarum untuk menun- jukkan angka dengan skala tertentu. Angka tersebut me- nyatakan besar kuat arus listrik atau besar tegangan listrik yang diukur. Alat ukur listrik dengan kumparan berputar banyak digunakan pada galvanometer, amperemeter, dan voltmeter.

D. Gaya Gerak Listrik GGL Induksi

Eksperimen Oersted menunjukkan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet. Sepuluh tahun kemudian, Michael Faraday 1771-1867, seorang ahli Fisika berke- warganegaraan Inggris dan Yoseph Henry 1797-1878, seorang ahli Fisika berkewarganegaraan Amerika Serikat, menemukan kebalikan dari proses tersebut, yaitu medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Akan tetapi, arus listrik dalam kumparan hanya timbul apabila medan magnetnya selalu berubah terhadap waktu. Jadi, menurut Faraday perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik.

1. Fluks Magnetik

Konsep ﬂuks magnetic untuk kali pertama dikemukakan oleh Ilmuwan Inggris yang bernama Michael Faraday untuk menggambarkan medan magnetic. Faraday menggambarkan medan magnet sebagai garis-garis gaya medan. Seberkas garis gaya yang dilingkupi oleh luas daerah tertentu disebut ﬂ uks garis medan . Oleh karena satu berkas dapat diambil Gambar 3.31 Alat ukur listrik b a Di unduh dari : Bukupaket.com 162 Fisika untuk SMAMA kelas XII untuk sembarang luas tertentu, besarnya suatu ﬂuks ber- gantung pada luas berkas yang diambil. Faraday menggambarkan medan magnet dengan bantuan garis-garis meda. Lalu, garis-garis medan itu dinyatakan dengan angka-angka. Induksi magnetik B dinyatakan sebagai kerapatan garis medan. Kerapatan garis medan dideﬁnisikan sebagai banyaknya garis medan yang me- nembus suatu bidang secara tegak lurus persatuan luas. Coba Anda perhatikan gambar berikut. Dengan menggunakan ungkapan kerapatan garis me- dan, nilai B pada sebuah titik tertentu dapat dinyatakan sebagai berikut. atau Oleh karena B bersatuan Wbm -2 dan luas A bersatuan m 2 , satuan ﬂuks adalah weber. Persamaan di atas berlaku untuk medan magnet B yang tegak lurus pada bidang atau sejajar dengan garis normal pada bidang. Jika kerapatan garis gaya medan magnetnya membentuk sudut Q terh- adap garis normal bidang, persamaan ﬂuks magnetiknya akan menjadi Dengan Q adalah sudut yang dibentuk oleh induksi mag- netik B terhadap garis normal bidang. Jadi, sebenarnya persamaan atau menyatakan bahwa besarnya ﬂuks magnetik pada sebuah titik sama dengan hasil kali induksi magnetic di titik itu dengan luas bidang yang ditembus oleh kerapatan garis medan secara tegak lurus.Fluks magnetik merupakan besaran skalar. Gambar 3.32 Fokus garis medan menembus tegak lurus suatu bidang Gambar 3.33 Arus yang terbentuk pada jarum galvanometer menun- jukkan bahwa magnet jika digesekkan bolak-balik dalam kumparan dapat menimbulkan arus listrik Di unduh dari : Bukupaket.com 163 Kemagnetan Garis gaya medan magnet B = 10 -2 Wbm -2 menembus tegak lurus bidang seluas 10 cm 2 . Tentukanlah besar ﬂuks magnetiknya. Jaaban: Diketahui: B = 10 -2 Wbm -2 A = 10 cm 2 = 10 -3 m 2 Q = Karena B ⊥ A, berarti B membentuk sudut nol terhadap garis normal. Contoh Soal 3.6

1. Hukum Faraday dan Hukum Lenz

Sebuah magnet batang digerakkan mendekati kumparan kawat dengan kutub utara menghadap pada kumparan. Ketika magnet sedang bergerak, jarum galvanometer me- nyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa suatu arus telah dihasilkan dalam kumparan tersebut. Gambar 3.34 Penyimpangan jarum gal- vamometer Penyimpangan jarum galvanometer pada eksperimen itu menunjukkan bahwa dalam rangkaian timbul arus listrik. Arus listrik dapat timbul jika ada beda potensial. U Galvanometer S U Galvanometer S U Galvanometer S Di unduh dari : Bukupaket.com 164 Fisika untuk SMAMA kelas XII Beda potensial ini ditimbulkan oleh adanya perubahan ﬂuks magnetic yang dinamakan gaya gerak listrik induksi GGL induksi, sedangkan arus yang timbul disebut arus induksi. Arah arus induksi yang timbul karena adanya perubahan ﬂuks magnetic dalam kumparan dapat ditentu- kan dengan menggunakan Hukum Lenz. Menurut Hukum Lenz, arah arus induksi dalam suatu penghantar adalah sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang arahnya melawan perubahan garis gaya yang men- imbulkannya. Jadi, ketika magnet mendekati kumparan, jumlah garis gaya yang dilingkupinya bertambah sehingga timbul arus induksi. Medan magnet yang ditimbulkan arus induksi berlawanan arah dengan medan magnet dari magnet batang. Jika Anda tinjau dari gambar di atas, timbulnya arus listrik pada kumparan sesuai dengan Hukum Lenz. Pada saat kutub U magnet batang didekatkan pada ujung kump- aran A, ujung kumparan A akanmenjadi kutub magnet U dan ujung ku,mparan B akan menjadi kutub magnet S. Dengan demikian, kumparan AB bersifat magnetik. Untuk menentukan arah arusnya dapat digunakan aturan sebagai berikut. Ibu jari sebagai arah kutub U pada kumparan danjari-jarin lainnya dilipatkan sebagai arah arus listrik. Dengan menggunakan aturan tersebut dapat ditentukan arah arus dalam kumparan. Jika kumparan dijauhi oleh kutub U dari magnet batang, ujung kumparan A menjadi kutub magnet S dan ujung kumparan B menjadi kutub magnet U. Ini berarti bahwa jika didekati oelh kutub magnet apa pun, kumparan akan memebrikan gaya tolak, sedangkan jika dijauhi oleh kutub magnet apa pun, kumparan itu akan Gambar 3.35 Eksperimen hukum Lenz Di unduh dari : Bukupaket.com 165 Kemagnetan memberikan gaya tarik. Inilah penemuan awal dari Hukum Lenz untuk menentukan arah arus dalam kumparan.

a. GGL Induksi pada Kawat Dalam Me- dan Magnet

Coba Anda perhatikan gambar berikut ini. Bagaimanakah cara untuk mendapatkan arus induksi pada sebuah konduktor PQ? Medan magnet homogen dengan rapat garus gaya B, arahnya tegak lurus masuk bidang kertas. Sebuah penghantar PQ dapat digerakkan bebas ke kiri ataupun ke kanan pada kawat melengkung berbentuk U. Jika penghantar PQ digerakkan ke kanan dengan kecepatan v dan sejauh s, akan terjadi perubahan jumlah garis gaya yang dilingkupi oleh penghantar PQ dengan kawat U sehingga akan timbul arus induksi pada rangkaian. Arah arus induksi pada PQ dan kawat, dapat diten- tukan dengan menggunakan Hukum Lenz. Arah medan magnet B masuk dan arah kecepatan v ke kanan maka muatan positif pada batang PQ mendapat gaya ke atas dari Q ke P, sedangkan muatan negatif mendapat gaya ke bawah dari P ke Q. Arah arus listrik sesuai dengan arah muatan positif sehingga arus induksi mengalir dari Q ke P. Oleh karena arah arus ke atas dari Q ke P, akan timbul pula gaya Lorentz F yang arahnya ke kiri dicaridengan kaidah tangan kanan. Persamaan besar gaya Lorentz dapat ditulis sebagai berikut. Agar kecepatan penghantar PQ konstan, pada PQ harus diberikan gaya sebesar F’ untuk melawan gaya Lorentz F atau F’ = -F. Untuk mempertahankan kecepatan v, gaya F’ Gambar 3.36 a Kawat penghantar PQ disusun sejau s a dalam medan magnet B. b Target batang ditarik ke luar kumparan. Di unduh dari : Bukupaket.com 166 Fisika untuk SMAMA kelas XII sama besar dengan gaya Lorentz F ke kanan. Penghantar PQ berpindah sejauh s, dengan kecepatan v dalam waktu t . Besarnya usaha yang harus dilakukan untuk melawan gaya Lorentz adalah sebagai berikut. Usaha yang dilakukan berubah menjadi energi listrik yang besarnya sebagai berikut. Usaha itu berubah menjadi energi listrik. Besarnya energi listrik yang dihasilkan Berdasarkan hokum kekekalan energi maka persamaan akan sama dengan persamaan . Jarak tempuh s per satuan waktu t adalah kecepatan v sehingga besarnya GGL induksi yang dihasilkan oleh kawat PQ adalah Tanda negatif - menunjukkan persesuaian arah gaya gerak listrik induksi dengan Hukum Lenz. Apabila sebuah penghantar dengan panjang l dan memi- liki hambatan R digerakkan dengan kecepatan v dalam induksi magnetik homogen B, besarnya gaya perlawanan yang diberikan oleh penghantar memenuhi persamaan , dengan Telah diketahui bahwa B v E = l sehingga didapatkan Dengan E adalah beda potensial antara P dan Q yang disebut GGL induksi. Di unduh dari : Bukupaket.com 167 Kemagnetan Induksi magnetik homogen B = Wbm -2 tegak lurus masuk bidang kertas. Kertas PQ dengan panjang 2 m diegrakkan ke kanan dengan kecepatan 20 ms. Tentukanlah GGL induksi yang timbul pada kawat PQ. Penyelesaian: Diketahui: B = Wbm -2 l = 2 m v = 20 ms Maka, diperoleh Jadi, GGL induksi pada kawat PQ sebesar 2 volt dengan arah ar- usnya dari Q ke P. Contoh Soal 3.7

a. GGL Induksi karena Perubahan Fluks Magnetik

Hukum Faraday yang menyatakan bahwa besarnya gaya gerak listrik bergantung pada kecepatan perubahan ﬂuks magnetic. Ini berarti bahwa 1 jika jumlah ﬂuks magnetik yang memasuki kumparan berubah, pada ujung-ujung kumparan akan timbul GGL induksi; 2 besarnya GGL induksi bergantung pada laju peruba- han ﬂuks dan banyaknya lilitan pada kumparan. Coba Anda tinjau kembali gambar berikut ini. Setelah PQ bergeser sejauh ds, besarnya perubahan ﬂuks magnetik yang terjadi adalah Di unduh dari : Bukupaket.com 168 Fisika untuk SMAMA kelas XII Dari persamaan B v E = − l sehingga akan berlaku persa- maan Untuk N lilitan persamaannya menjadi Apabila perubahan ﬂuks magnetiknya konstan terhadap waktu, persamaannya dapat menjadi Tanda - menyatakan arah arus induksi seperti yang dijelaskan oleh Hukum Lenz. Jika positif, E ber- nilai negatif. Ini berarti arah arus ﬂuks magnetik induksi berlawanan dengan arah ﬂuks magnetic utama. Jika negatif, bernilai positif. Ini berarti, arah ﬂuks magnetic induksi searah dengan arah ﬂuks magnetik utama. Jika suatu kumparan dengan 2.000 lilitan berada dalam medan magnet. Apabila pada suatu kumparan terjadi perubahan ﬂuks mag- netik sebesar 2 × 10 -4 weber dalam waktu 0,02 sekon, tentukanlah besarnya gaya gerak listrik induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan itu. Tentukan pula arah arus induksi yang terjadi. Jawab: Diketahui: N = 2.000 lilitan ∅ = weber t = 0,02 sekon Jadi, GGL induksi yang timbl pada ujung-ujung kumparan adalah 20 volt. Contoh Soal 3.8 Di unduh dari : Bukupaket.com 169 Kemagnetan

3. Induktansi

Istilah “indukstansi” seringkali Anda mendengarnya, na- mun kita sering tidak mengetahui istilah ini. Induktansi itu sndiri artunya “imbasan”. Kita akan membahas mengenai induktansi atau imbasan dalam suatu medan magnetik. Dalam pembahasan induktansi taua imbasan ini kita akan membahas 2 jenis induktansi, yaitu:

a. Induktansi Diri

Coba Anda perhatikan rangkaian listrik tertutup berikut ini. Gambar 3.37 Rangkaian pada saat a. saklar s terbuka lampu pada; b. saklar s ditutup, lampu men- yala. Suatu rangkaian tertutup yang terdiri atas sebuah lampu, induktor L, dan sumber tegangan E dilengkapi dengan sakelar s. Pada awalnya, sakelar s dalam keadaan terbuka Gambar a dan lampu dalam keadaan padam. Kemudian, sakelar s ditutup pada Gambar b dan secara perlahan-lahan lampu menyala. Pada saat arusnya diputus lagi, lampu tetap menyala beberapa saat, kemudian men- jadi padam lagi Gambar c. Peristiwa ini menunjuk- kan timbulnya arus induksi yang disebabkan oleh adanya perubahan ﬂuks magnetik pada induktor. Dari peristiwa di atas diperoleh bahwa perubahan arus pada sebuah kumparan dapat menimbulkan GGL in- duksi. Besarnya GGL induksi ini berbanding lurus dengan kecepatan perubahan kuat arusnya pada kumparan. Jika perubahan arusnya konstan, persamaannya dapat ditulis sebagai berikut. Untuk perubahan yang kecil, persamaannya akan menjadi Di unduh dari : Bukupaket.com 170 Fisika untuk SMAMA kelas XII dengan: E = GGL induksi diri volt L = induktansi diri kumparan henry = kecepatan perubahan kuat arus As -1 Tanda - merupakan penyesuaian dari Hukum Lenz. Dalam sebuah kumparan dengan 2.000 lilitan dan induktansi diri 0,1 H, mengalir arus listrik sebesar 200 mA dan kemudian berubah menjadi 80 mA dalam waktu 0,02 sekon.Tentukanlah GGL induksi yang timbul pada kumparan tersebut. Jawaban: Diketahui: N = 2.000 lilitan i 1 = 200 mA = 0,2 A t = 0,02 L = 0,1 H i 2 = 80 mA = 0,08 A Dengan menggunakan persamaan maka, Contoh Soal 3.9 Induksi diri berharga 1 henry adalah besarnya induk- tansi yang dimiliki sebuah kumparan apabila pada kump- aran timbul GGL induksi sebesar 1 volt yang diakibatkan oleh adanya perubahan kuat arus satu ampere dalam waktu satu sekon. Oleh karena kecepatan perubahan kuat arus ditentukan oleh kecepatan perubaan ﬂuks magnetic , besar induktansi dari suatu kumparan dapat diten- tukan dengan menggunakan persamaan dan GGL induksi yang ditimbulkan oleh perubahan ﬂuks magnetik sama dengan GGL induksi yang ditimbulkan oleh perubahan arus sehingga akan diperoleh persamaan Di unduh dari : Bukupaket.com 171 Kemagnetan dengan: L = induktansi diri kumparan henry N = jumlah lilitan kumparan ∅ = ﬂuks magnetik kumparan i = kuat arus kumparan ampere Apabila sebuah induktor dilalaui oleh arus listrik, be- sarnya energi listrik yang dapat dimanfaatkan tersimpan dalam inductor sama dengan energi listrik yang diambil oleh induktor Ketiak pengisian inductor, arus berubah dari 0 → i dalam selang waktu dt . Energi yang dimanfaatkan menjadi , dengan Oleh sebab itu, akan diperoleh Kemudian, kedua ruas kiri dan kana diintegralkan sehingga diperoleh dengan: W = energi yang dimabil oleh inductor J U = energi yang tersimpan dalam inductor J L = induktansi diri H i = kuat arus yang melalui inductor A Di unduh dari : Bukupaket.com 172 Fisika untuk SMAMA kelas XII Induksi magnetic pada suatu toroida telah diturunkan, coba Anda lihat kebali pembahasan mengenai induksi magnetic pada toroida. Induksi magnetic suatu toroida memenuhi persamaan sebagai berikut. Flusk magnetic dalam suatu toroida dirumuskan sebagai berikut. Dengan cara mensubtitusikan harga induksi magnetic B pada persamaan tersebut akan diperoleh persamaan sebagai berikut. Dari persamaan Dari persamaan dan . Maka, akan diperoleh persamaan sebagai berikut. dengan: L = induktansi diri H M = permeabilitas magnetic untuk ruang hampa 7 4 10 P − × WbA -1 m -1 N = jumlah lilitan l = panjang toroida m A = luas penampang m 2 Jika sebuah toroida dengan luas penampang 8 cm 2 dan panjang 80 cm memiliki 800 buah lilitan. Tentukanlah induktansi toroida. Contoh Soal 3.10 Di unduh dari : Bukupaket.com 173 Kemagnetan

a. Induktansi Silang

Coba Anda perhatikan gambar di bawah ini, kumparan primer P dihubungkan dengan sumber tegagan E dan hambatan variabel R, sedangkan kumparan sekunder S dihubungkan dengan sebuah galvanometer G. Apabila pada kumparan primer dilakukan perubahan kuat arus dengan mengubah-ubah harga R, akan terjadi perubahan ﬂuks magnetic pada kumparan primer. Perubahan pada kumparan primer ini akan menimbulkan perubaan ﬂuks magnetic pada kumparan sekunder dan akan menimbulkan GGL induksi. Jadi, peristiwa ini disebut induktnasi silang atau induksi timbal-balik. Jawaban: Diketahui: A = 8 cm 2 = 4 8 10 − × m 2 N = 800 lilitan l = 80 cm = 0,8 m M = 7 4 10 P − × WbA -1 m -1 Maka, Besarnya GGL induksi yang timbul pada kumparan sekunder karena pengaruh perubahan ﬂuks magnetik ∅ pada kumparan primer dalam waktu dt adalah sebagai berikut Gambar 3.38 Kumparan primer dihubung- kan dengan sumber tegangan dankumparan sekunder dengan galvanometer Di unduh dari : Bukupaket.com 174 Fisika untuk SMAMA kelas XII GGL pada bagian kumparan sekunder ini juga dapat ditentukan karena pengaruh arus di kumparan primer sebesar di 1 dalam waktu dt. M dideﬁnisikan sebagai induktansi silang sehingga dari persamaan dan akan diperoleh persamaan sebagai berikut. 1 1 2 2 1 di d M N Mdi N d dt dt ∅ = − → = ∅ Apabila kedua ruas kiri dan kanan dari persamaan tersebut diintegrasikan akan diperoleh persamaan berikut ini. dengan: 1 ∅ = ﬂuks magnetic yang dilingkupi oleh sekunder dan ditimbulkan oleh primer i 1 = kuat arus primer M = induktansi silang N 2 = jumlah lilitan sekunder Induktansi silang M dapat juga ditentukan dengan meng- gunakan persamaan sebagai berikut. Jadi, induktansi silang dapat dibuat persamaannya sebagai berikut. dan Di unduh dari : Bukupaket.com 175 Kemagnetan

4. GGL Induksi pada Generator

Dari pembahasan yang lalu, Anda sudah memahami cara menimbulkan arus induksi seperti yang dikemukakan Faraday, yaitu dengan menggerakkan konduktor dalam medan magnet. Kamu juga telah melakukan pengamatan dengan cara menggerakkan magnet keluar masuk konduk- tor yang berbentuk kumparan sehingga timbul arus induksi pada konduktor. Dari pendapat Faraday dan pengamatan yang telah kamu lakukan maka dapat disimpulkan bahwa baik kumparan ataupun magnet yang digerakkan sama-sama menghasilkan arus induksi. Perubahan energi yang terjadi adalah dari energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip perubahan energi seperti inilah yang menjadi dasar pem- buatan dinamo dan generator. Generator adalah mesin yang mengubah energi gerakkinetik menjadi energi listrik. Generator yang berukuran kecil disebut dinamo. Untuk memahami cara kerja dinamo atau generator sehingga dapat menghasilkan arus listrik, ikuti penjelasan berikut ini. Pada prinsipnya, generator akan lebih eﬁsien apabila kumparannya yang dibuat berputar dalam medan magnet tetap sehingga ﬂuks magnet yang menembus kumparan itu berubah-ubah secara periodik. Besarnya GGL induksi yang dihasilkan sesuai dengan jumlah lili- tan kumparan yang digunakan serta laju perubahan ﬂuks magnet yang menembus kumparan itu. Sesuai dengan arah arus induksi yang dihasilkan, generator di kelompokkan menjadi dua, yaitu generator yang menghasilkan arus bolak-balik dan generator yang menghasilkan arus searah. Generator yang menghasilkan arus bolak-balik disebut generator AC atau alternator. AC berasal dari kata alternating current yang artinya arus bolak-balik. Generator yang menghasilkan arus searah disebut juga generator DC, yang berasal dari kata diorect current yang artinya arus searah. Perbedaan antara generator arus bolak-balik dengan generator arus searah adalah pada bentuk cincin lucurnya. Generator arus bolak-balik memiliki dua cincin luncur yang masing-masing dihubungkan dengan ujung- Di unduh dari : Bukupaket.com 176 Fisika untuk SMAMA kelas XII ujung kumparan, sedangkan generator arus searah hanya memiliki satu cincin yang terbelah di bagian tengahnya dan disebut cincin belah atau komutator. Komponen generator yang bergerak disebut rotor dan yang diam disebut stator. Jika sebuah kumparan penghantar digerakkan dalam medan magnet dan memotong garis-garis gaya magnet pad akumpran tersebut akan timbul GGL induksi yang memenuhi persamaan sebagai berikut. Persamaan tersebut telah diperkenalkan oleh Faraday da- lam menentukan GGLinduksi pada sebuah kumparan.

a. Generator Arus Bolak-Balik AC

Coba kamu perhatikan gambar generator AC berikut ini. Gambar 3.39 Generator arus bolak-balik AC Pada generator arus bolak-balik AC, kumparan dibuat berputar dalam medan magnet yang diam. Apabila kumparan diputar, timbullah GGl induksi pada ujung- ujung kumparan yang dihubungkan dengan cincin-cincin generator. Arus listrik mengalir melalui sikat-sikat yang terbuat dari karbon yang dihubungkan dengan cincin- cincin generator. Selama kumparan berputar, arus listrik yang dihasilkan adalah arus bolak-balik. Bagian generator yang berputar disebut rotor, sedangkan bagian yang diam disebut stator.

a. Generator Arus Searah DC

Sebuah generator arus searah DC sederhana ditunjukkan pada gambar berikut ini. Di unduh dari : Bukupaket.com 177 Kemagnetan Berbeda dengan generator AC yang memiliki dua cincin, generator DC hanya memiliki satu cincin yang terbelah di tengahnya sehingga dinamakan cincin belah atau komutator. Salah satu belahan komutator selalu berpolari- tas positif dan belahan komutator yang lain berpolaritas negatif. Hal ini menyebabkan arus listrik induksi yang mengalir melalui rangkaian luar lampu selalu memiliki satu arah, yaitu dari komutator berpolaritas positif mela- lui lampu ke komutator berpolaritas negatif. Arus listrik semacam ini dinamakan arus searah atau DC Direct Cur- rent .

c. Dinamo Sepeda

Dinamo sepeda menggunakan magnet yang berputar dekat kumparan. Magnet permanen berputar di dekat sebuah kumparan diam yang dililitkan pada inti besi. Akibat perputaran magnet, garis-garis gaya magnet yang memotong kump- aran berubah-ubah. Hal ini menyebabkan timbulnya GGL induksi pada ujung-ujung kumparan sehingga menghasil- kan arus listrik induksi. Arus listrik induksi akan mengalir melalui lampu sepeda. Makin cepat sepeda dikayuh maka makin besar laju perubahan garis-garis gaya magnetnya sehingga arus listrik induksi yang dihasilkan makin besar dan lampu tampak menyala lebih terang. Gambar 3.40 Generator arus searah DC Di unduh dari : Bukupaket.com 178 Fisika untuk SMAMA kelas XII

5. Transformator

Apakah transformator itu? Dalam kehidupan sehari-hari tentunya kamu sering mendengar atau mungkin telah menggunakan transformator. Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik AC dari satu nilai tertentu menjadi nilai yang diingin- kan. Transformator atau trafo terdiri dari pasangan kump- aran primer dan sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak. Kumparan primer berfungsi sebagai input dan kumparan sekunder berfungsi sebagai output. Prinsip dasar cara kerja transformator adalah hukum induksi Fara- day. Kumparan primer dihubungkan ke suatu sumber arus bolak-balik yang besar arus listriknya senantiasa berubah terhadap waktu. Arus pada kumparan primer ini bekerja seolah-oleh mengalirkan atau memutuskan arus searah secara berulang-ulang sehingga terjadi perubahan garis- garis gaya magnet yang memotong kumparan sekunder. Akibatnya, timbul GGL induksi dalam kumparan sekunder yang berfungsi sebagai output dengan mengalirkan arus listrik induksi. Dengan menentukan jumlah lilitan yang sesuai untuk tiap kumparan, dapat dihasilkan GGL kump- aran sekunder yang berbeda dengan GGL pada kumparan primer. Bagaimanakah hubungan antara tegangan dengan jum- lah lilitan kumparan pada sebuah transformator? Untuk memperoleh jawaban dari pertanyaan tersebut, coba kamu lakukan percobaan berikut ini. Gambar 3.41 Dinamo sepeda Di unduh dari : Bukupaket.com 179 Kemagnetan Tujuan Eksperimen: Menyelidiki hubungan antara tegangan dengan jumlah lilitan kumparan pada sebuah transformator. Alat dan Bahan: Sebuah inti besi lunak, sebuah kumparan 1.000 lilitan, dua buah kumparan 500 lilitan, sebuah kumparan 250 lilitan, sebuah catu daya sebagi sumber tegangan AC, sebuah voltmeter AC 0–100 V, serta kabel penghubung secukupnya. Langkah-langkah Eksperimen: 1. Coba kamu rangkai alat seperti pada gambar berikut. Gunakan kumparan pirmer 500 lilitan dan kumparan sekunder juga 500 lilitan. 2. Hubungkan kumparan primer dengan sumber tegangan Ac dari catu daya 12 volt. Coba amati dan catat angka yang ditunjuk oleh jarum voltmeter sebagai tegangan keluaran. Eksperimen 3.3 1. 500 lilitan 500 lilitan 12 volt ... V 2. 500 lilitan 1.000 lilitan 12 volt ... V 3. 500 lilitan 500 lilitan 12 volt ... V Lilitan Primer Np Lilitan Sekunder Ns Tegangan Primer Vp Tegangan Sekunder Vs No. 3. Ganti kumparan sekunder berturut-turut dengan kumparan 1.000 lilitan dan kumparan 250 lilitan. Catat tegangan keluaran tiap kumparan tersebut. Pertanyaan: Coba diskusikan bersama teman-teman Anda dan buatlah kesimpu- lannya. Hasil pengamatan menunjukkan hal-hal sebagai berikut. 1. Besarnya tegangan induksi pada kumparan sekunder bergantung pada besarnya tegangan pada kumparan primer. Di unduh dari : Bukupaket.com 180 Fisika untuk SMAMA kelas XII 2. Besarnya tegangan induksi sebanding dengan jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan kumparan sekunder maka makin besar tegangannya. 3. Perbandingan antara tegangan sekunder dengan tegangan primer sama dengan perbandingan jumlah lilitan kumparan sekunder dengan jumlah lilitan kumparan primer. Hubungan tersebut dapat ditulis secara matematis sebagai berikut. dengan: Vs = tegangan sekunder volt Vp = tegangan primer volt Ns = lilitan sekunder lilitan Np = lilitan primer lilitan Bagaimanakah hubungan antara perbandingan tegangan, per- bandingan kuat arus, dan perbandingan jumlah lilitan sebuah trans- formator? Untuk memperoleh jawaban dari pertanyaan tersebut, coba lakukan percobaan berikut bersama teman-teman Anda.

1. Persamaan Trafo untuk Transformator

Ideal Apakah jumlah energi yang masuk sama dengan jumlah energi yang keluar? Menurut hukum kekekalan energi, Sebuah tarfo step-up kumparan primernya terdiri atas 50 lilitan dan kumparan sekundernya 100 lilitan. Jika tegangan primernya 110 V, berapakah tegangan pada kumparan sekundernya? Jawab: Ditanyakan: Vs = ? Jawab: Jadi, tegangan pada kumparan sekunder adalah 220 V. Contoh Soal 3.11 Di unduh dari : Bukupaket.com 181 Kemagnetan apabila transformator itu adalah transformator ideal maka jumlah energi yang masuk ke dalam sebuah transformator sama dengan jumlah energi yang keluar dari transforma- tor itu. Akibatnya, daya listrik yang ada pada kumparan primer Pp adalah sama dengan daya listrik yang ada pada kumparan sekunder Ps. Dengan demikian, secara matematis dapat ditulis: Pp = Ps Karena Pp = Vp Ip dan Ps = Vs Is Maka, Vp Ip = Vs Is Keterangan: Pp = daya pada kumaparan primer watt Ps = daya pada kumparan sekunder watt Sebuah trafo step-down dihubungakan dengan sumber tegangan 220 V. Trafo ini digunakan untuk menyalakan lampu bertegangan 10 V. Jika kuatarus listrik yang melalui lampu 4 A, berapakah kuat arus listrik yang melalui kumparan primer? Penyelesaian: Diketahui: Vp = 220 V Vs = 10 V Is = 4 A Ditanyakan: Ip = ? Jawab: Jadi, arus listrik yang melewati kumparan primer adalah 0,182 A. Contoh Soal 3.12 Di unduh dari : Bukupaket.com 182 Fisika untuk SMAMA kelas XII

2. Efisiensi Transformator Rendemen

Inti transformator terbuat dari pelat-pelat besi. Ketika suatu tegangan bolak-balik dihubungkan pada transformator maka akan dihasilkan garis-garis gaya magnet yang selalu berubah. Hal ini dapat menyebabkan timbulnya arus pusat pada inti tarnsformator. Inti transformator terbuat dari besi yang bersifat sebagai penghantar yang memiliki hambatan listrik sehingga timbul kehilangan energi dalam bentuk kalor. Selain itu, kumparan primer dan sekunder yang terbuat dari kawat tembaga dan bersifat sebagai penghantar dengan nilai hambatan listrik tertentu juga menimbulkan kehilangan energi dalam bentuk kalor. Dalam trnsformator selalu timbul kalor sehingga energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada energi listrik yang masuk ke transformator. Sebagian energi listrik itu berubah menjadi kalor. Keadaan ini merupakan sesuatu yang tidak dapat dihindarkan. Eﬁsiensi transformator dideﬁnisikan sebagai per- bandingan antara daya listrik yang keluar dari transforma- tor dengan daya listrik yang masuk ke transformator. atau Transformator adalah alat atau mesin yang sangat eﬁsien. Eﬁsiensi transformator dapat mencapai 99. Sebuah tarnsformator memiliki tegangan primer 220 V dan tegan- gan sekunder 110 V. Apabila kuat arus yang mengalir melalui tegangan primer sebesar 0,2 A, ternyata kuat arus yang mengalir pada kumparan sekunder menjadi 0,3 A. Berapakah eﬁsiensi trans- formator itu? Jawaban: Diketahui: V p = 220 V V s = 110 V I p = 0,2 A Contoh Soal 3.13 Di unduh dari : Bukupaket.com 183 Kemagnetan I s = 0,3 A Ditanyakan: h = ? Jawab: Jadi, eﬁsiensi transformator adalah 75. Medan magnet adalah ruang disekita magnet tempat magnet lain atau benda lain yang dapat dipengaruhi magnet mengalami gaya magnet. Besarnya induksi magnetik disebuah titik karena pengaruh kawat lurus panjang d yang berarus listrik memenuhi persamaan. Induksi magnetik dipusat lingkaran memenuhi persamaan. Induksi magnetik pada sumbu solenoida, di tengah solenoida Di ujung solenoida. atau Induksi magnetik pada sumbu toroida memenuhi persamaan Besarnya gaya lorentz yang dialami penghantar dengan panjang l yang dialiri Ringkasan arus listrik i dalam medan magnet homogen B memenuhi persamaan Gaya Lorentz yang dialami muatan listrik q yang bergerak dengan kecepatan v dalam medan induksi magnetik B adalah Jari-jari lintasan sebuah partikel yang bergerak di dalam medan magnet homogen memenuhi persamaan Besarnya gaya timbal balik antara satu kawat dan kawat yang lain per satuan panjang adalah Pada bahan ferromagnetik, seperti besi, atom-atom yang bersifat magnetik berkumpul dalam kelompok–kelompok kecil yang disebut domain. Suhu ketika doamin magnetik mulai hilang disebut suhu Curie. Fluks magnetik dideﬁnisikan sebanyaknya garis gaya magnetik yang menembus suatu luas daerah tertentu dalam arah tegak lurus dengan ﬂuks magnetik Di unduh dari : Bukupaket.com 184 Fisika untuk SMAMA kelas XII Menurut hukum Faraday, gaya gerak listrik induksi yang terjadi dalam suatu rangkaian besarnya berbanding lurus dengan kecepatan perubahan ﬂuks magnetik yang dilingkupinya. atau Besarnya GGL induksi yang disebabkan perubahan arus suatu kumparansolenoida berbanding lurus dengan cepat perubahan kuat arusnya. Besarnya energi listrik pada induktor yang dialiri arus I adalah Persamaan induktansi diri pada toroida adalah Motor listrik mengubah energi litrik menjadi energi gerak. Momen gaya atau torsi yang timbul pada kumparannya memenuhi persamaan Generator adalah alat yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. GGL induksi yang dihasilkan memenuhi persamaan Di unduh dari : Bukupaket.com 185 Kemagnetan Tes Kompetensi Bab 3

A. Pilihlah satu jawaban yang benar

6. Dua kawat lurus sejajar masing-masing ar- usnya i1 = 3 A dan i2 = 12 A searah. Jarak antara kedua kawat 30 cm. Tentukanlah letak sebuah titik yang berada di antara kedua kawat yang memiliki induksi magnetic nol diukur dari kawat pertama. a. 6 cm d. 12 cm b. 8 cm e. 24 cm c. 9 cm 7. Suatu partikel bermuatan 0,04 C bergerak sejajar dengan kawat berarus listrik 10 A. Jika jarak partikel-partikel 5 cm, kelajuan partikel 5 ms dan = 10-7 TmA. Maka, gaya yang dialamu partikel-partikel tersebut adalah … N. a. 0 d. 6 b. 2 e. 8 c. 4 8. Sebuah toroida memiliki jari-jari lingkaran efektif 10 cm. Banyaknya lilitan pada tor- oida tersebut 400 lilitan. Apabila dialiri arus listrik sebesar 5 A, induksi magnetic pada sumbu toroida adalah …. a. 0,5 mT d. 2,5 mT b. 1,0 mT e. 4,0 mT c. 2,0 mT 9. Suatu muatan positif 0,2 C bergerak dengan kecepatan 2 ms dalam medan magnetic yang besarnya 5 Wbm2. Arah kecepatan muatan itu sejajar dengan arah medan magnetic. Gaya yang dialami muatan tersebut …. a. nol d. 2 N b. 0,08 N e. 50 N c. 0,5 N 10. Sebuah kawat beraus listrik 2 A berada dalam medan magnet homogen 10 –4 Wb m 2 . Jika panjang kawat 5 m dan arah arus berlawanan arah dengan arah medan mag- netiknya, gaya Lorentz yang mem pengaruhi kawat tersebut sebesar …. 1. Besar kuat medan magnetik di suatu titik yang letaknya sejauh r dari suatu penghantar lurus yang dialiri arus I adalah sebanding dengan …. a. I d. Ir b. rI e. 1rI c. rI 2. Kawat berarus listrik memanjang dari barat ke timur. APabila arah arus listrik pada ka- wat tersebut dari barat, arah medan magnet pada titik-titik yang berada di atas kawat akan menuju ke …. a. timur d. selatan b. bawah e. barat c. utara 3. Sebuah kawat yang berbentuk linkaran den- gan jari-jari L dialiri arus listrik I. Besarnya kuat medan magnetic pada pusat lingkaran itu adalah …. a. tidak bergantung pada L b. sebanding dengan L 2 c. berbending terbalik dengan L d. berbanding lurus dengan L e. berbanding terbalik L 2 4. Tempat kedudukan titik-titik yang memi- liki besar induksi magnetic yang sama dari sebiah kawat lurus panjang berarus listrik adalah berupa …. a. garis lurus d. kulit silinder b. lingkaran e. kulit bola c. dua garus sejajar 5. Dua kawat sangat panjang dipasang vertical sejajar dengan jarak d, Kawat pertama dialiri arus sebesar I ke atas. Titik P dalam bidang kedua kawat itu yang terletak di antaranya dan berjarak 13d dari kawat pertama. Jika induksi magnetic di titik P besarnya nol, ini berarti arus yang mengalir dalam kawat kedua adalah …. a. 13 ke bawah d. 2I ke atas b. ½ ke bawah e. 2I ke bawah c. 3I ke atas Di unduh dari : Bukupaket.com 186 Fisika untuk SMAMA kelas XII a. nol d. 10 -4 N b. 10 -2 N e. 10 -5 N c. 10 -3 N 11. Perhatikan gambar berikut ini. x dan y adalah dua kawat yang dialiri arus sama, dengan arah menuju pembaca. Agar tidak dipenagruhi oleh medan magnetic, sejauh kompas harus diletakkan di titik …. a. 5 d. 2 b. 4 e. 1 c. 3 12. Dua partikel q 1 : q 2 dan m 1 : m 2 = 1 ; 4 berg- erak memotong secara tegak lurus medan magnet homogen dengan kelajuan sama. Perbandingan jari-jari kelengkungan per- tama dan kedua adalah …. a. 1 : 1 d. 1 : 8 b. 1 : 2 e. 8 : 1 c. 2 : 1 13. Perhatikan gambar berikut. Sebuah loop arus berbentuk lingkaran berjari-jari r dialiri arus I yang menimbulkan medan induksi imbas magnetic B di pusat- nya P seperti pada gambar di atas. Besar dan arah B tersebut adalah …. a. , tegak lurus keluar bidang gam- bar b. , tegak lurus keluar bidang gambar c. , tegak lurus masuk bidang gambar d. , tegak lurus masuk bidang gambar e. nol 14. Jika sebuah kawat digerakkan sedemikina rupa sehingga memtong garis-garis gaya suatu medan magnet pada kedua ujung kawat itu timbul gaya gerak listrik induksi. KAidah itu dirumuskan oleh …. a. Maxwell d. Ampere b. Lenz e. Faraday c. Foucault 15. Perhatikan gambar berikut ini. Kawat ½ lingkaran dengan jari-jari 3 meter dialiri arus 6 ampere. Besar induksi magnetic pada pusat lingkaran P adalah …. a. d. b. e. c. 16. Berdasarkan Hukum Faraday, satuan weber indetik dengan …. a. volt per meter b. watt per meter c. ampere per sekon d. volt sekon e. ampere sekon 17. Sepotong kawat berarus listrik I dengan arah sejajar sumbu Y, berada di antara kutub mag- net. Kawat akan mendapat gaya Lorentz ke arah …. a. sumbu X + d. sumbu Z + b. sumbu Y - e. sumbu Z - c. sumbu X - Di unduh dari : Bukupaket.com 187 Kemagnetan 18. Tentukan besarnya GGL induksi pada kumparan sekinder, jika induktansi timbale balik kumparan tersebut 0,01 henry dan pada kumparan primernya terjadi perubahan arus listrik sebesar 5 A dalam selang waktu 0,1 sekon. a. 0,5 V d. 5,0 V b. 1,5 V e. 50 V c. 2,5 V 19. Pada gambar di atas terlukis bahwa kawat lurus pq dilalui arus listrik sebesar I 1 = 10 A dan kawat empat persegi panjang abcd dilalui arus I 2 = 5A. Resultan gaya yang dialami kawat empat persegi panjang abcd sebesar … mikronewton. a. 20 b. 60 c. 120 d. 180 e. 220 20. Sebuah kumparan dengan induktansi 0,5 H dialiri arus listrik yang merupakan fungsi waktu, menurut persamaan i = 10 + 4t ampere, dengan t dalam sekon. Besarnya GGL induksi pada kumparan adalah …. a. 2 V b. 4 V c. 5 V d. 6 V e. 8 V