bahan kuliah fisika dasar with ibu Fitri Wijayanti, S.Si, M.Eng

Kegunaan  Elektromagnet

Beberapa  peralatan  sehari-hari  yang  menggunakan  elektromagnet antara lain seperti berikut.

a.   Bel  listrik

Bel listrik terdiri atas dua elektromagnet dengan setiap solenoida  dililitkan  pada  arah  yang  berlawanan  (perhatikan  Gambar11.21). Apabila sakelar ditekan, arus listrik akan mengalir melalui solenoida. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik  kepingan besi lentur dan pengetuk akan memukul bel (lonceng) menghasilkan bunyi. Tarikan kepingan besi lentur oleh elektromagnet akan me- misahkan titik sentuh dan sekrup pengatur yang berfungsi sebagai interuptor.  Arus  listrik  akan  putus  dan  teras  besi  hilang  kemag- netannya. Kepingan besi lentur akan kembali ke kedudukan semula. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik  kepingan besi lentur dan  pengetuk  akan  memukul  bel  (lonceng)  menghasilkan  bunyi kembali. Proses ini berulang-ulang sangat cepat dan bunyi lonceng terus terdengar.

b.   Relai

Relai berfungsi sebagai sakelar untuk menghubungkan atau memutuskan  arus  listrik  yang  besar  pada  rangkaian  lain  dengan menggunakan arus listrik yang kecil. Ketika sakelar  S ditutup arus listrik  kecil  mengalir  pada  kumparan.  Teras  besi  akan  menjadi magnet  (elektromagnet)  dan  menarik  kepingan  besi  lentur.  Titik sentuh  C  akan  tertutup,  menyebabkan  rangkaian  lain  yang  mem- bawa arus besar akan tersambung. Apabila sakelar S dibuka, teras besi hilang kemagnetannya, keping besi lentur kembali ke kedudukan semula. Titik sentuh C terbuka dan rangkaian listrik lain terputus.

c.    Telepon

Telepon   terdiri   dari   dua   bagian   yaitu   bagian   pengirim (mikrofon)  dan  bagian  penerima  (telepon).  Prinsip  kerja  bagian mikrofon  adalah  mengubah  gelombang  suara  menjadi  getaran- getaran  listrik.  Pada  bagian  pengirim  ketika  seseorang  berbicara akan  menggetarkan  diafragma  aluminium.  Serbuk-serbuk  karbon yang  terdapat  pada  mikrofon  akan  tertekan  dan  menyebabkan hambatan  serbuk  karbon  mengecil.  Getaran  yang  berupa  sinyal listrik akan mengalir melalui rangkaian listrik.

Prinsip kerja bagian telepon adalah mengubah sinyal listrik menjadi gelombang bunyi. Sinyal listrik yang dihasilkan mikrofon diterima oleh pesawat telepon. Apabila sinyal  listrik berubah-ubah mengalir  pada  kumparan,  teras  besi  akan  menjadi  elektromagnet yang kekuatannya berubah-ubah (perhatikan Gambar 11.23). Dia- fragma  besi  lentur  di  hadapan  elektromagnet  akan  ditarik  dengan gaya yang berubah-ubah. Hal ini menyebabkan diafragma bergetar. Getaran  diafragma  memengaruhi  udara  di  hadapannya,  sehingga udara akan dimampatkan dan direnggangkan. Tekanan bunyi yang dihasilkan sesuai dengan tekanan bunyi yang dikirim melalui mi- krofon.

d.   Katrol  Listrik

Elektromagnet  yang  besar  digunakan  untuk  mengangkat sampah logam yang tidak terpakai. Apabila arus dihidupkan katrol listrik akan menarik  sampah besi dan memindahkan ke tempat yang dikehendaki. Apabila arus listrik dimatikan, sampah besi akan jatuh. Dengan cara ini sampah yang berupa tembaga, aluminium, dan seng dapat dipisahkan dengan besi. Kebaikan katrol listrik adalah:

a.    mampu mengangkat sampah besi dalam jumlah besar

b.   dapat  mengangkat/memindahkan  bongkahan  besi  yang  tanpa rantai

c .   membantu memisahkan antara logam feromagnetik dan bukan feromagnetik.

e. Speaker

Proses spaker coil bergerak, kembali ke posisi semula dan seterusnya adalah sebagai berikut. Elektromagnet diposisikan pada suatu bidang magnet yang konstan yang diciptakan oleh sebuah magnet permanen. Kedua magnet tersebut, yaitu elektromagnet dan magnet permanen, berinteraksi satu sama lain seperti dua magnet yang berhubungan pada umumnya. Kutub positif pada elektromagnet tertarik oleh kutub negatif pada bidang magnet permanen dan kutub negatif pada elektromagnet ditolak oleh kutub negatif magnet permanen. Ketika orientasi kutub elektromagnet bertukar, bertukar pula arah dan gaya tarik-menariknya. Dengan cara seperti ini, arus bolak-balik secara konstan membalikkan dorongan magnet antara voice coil dan magnet permanen. Proses inilah yang mendorong coil kembali dan begitu seterusnya dengan cepat. Sewaktu coil bergerak, ia mendorong dan menarik speaker cone. Hal tersebut menggetarkan udara di depan speaker, membentuk gelombang suara. Sinyal audio elektrik juga dapat diinterpretasikan sebagai sebuah gelombang. Frekuensi dan amplitudo dari gelombang ini, yang merepresentasikan gelombang suara asli, mendikte tingkat dan jarak pergerakan voice coil. Sehingga dapat disimpulkan bahwa frekuensi dan amplitudo dari gelombag suara diproduksi oleh diafragma.
Speaker tradisional memproduksi suara dengan cara mendorong dan menarik elektromagnet yang menyerang cone yang fleksibel. Walaupun drivers pada dasarnya memiliki konsep yang sama, namun ukuran dan kekuatan yang dimiliki berbeda-beda. Tipe-tipe dasar drivers antara lain : woofers, tweeters, dan midrange.
Woofers merupakan tipe drivers yang paling besar yang dirancang untuk menghasilkan suara dengan frekuensi rendah. Tweeters memiliki unit-unit yang lebih kecil dan dirancang untuk menghasilkan frekuensi paling tinggi. Sedangkan midrange, mampu menghasilan jarak frekuensi yang berada di tengah-tengah spektrum suara.

Untuk dapat membuat gelombang frekuansi yang lebih tinggi, diafragma drivers harus bergetar lebih cepat. Hal ini lebih sulit dilakukan dengan cone yang berukuran besar karena berarti, massa cone tersebut juga besar. Oleh sebab itu, sulit mendapatkan drivers yang kecil untuk dapat bergetar cukup lambat agar dapat menghasilkan suara dengan frekuensi sangat rendah.

f. kunci Pintu Listrik

Kunci pintu listrik bekerja didasarkan pada elektromagnetik. Kunci ini mempunyai kumparan dari jenis solenoida yang dihubungkan ke saklar di dalam rumah. Jika seseorang menekan sakelar, arus mengalir ke solenoida. Elektromagnetik yang dihasilkan akan menarik kunci besi ke dalam solenoida sehingga seorang di luar bisa membuka pintu.

g. Metal Detector

Sebuah detektor logam yang digunakan untuk mengecek senjata logam, terdiri atas kumparan besar lyang dapat dialiri/membawa arus listrik. Seseorang yang berjalan lewat di bawah pintu detektor yang membawa senjata logam dapat diketahui. Senjata logam dapat mengubah elektromagnetik yang dihasilkan oleh kumparan. Perubahan ini akan terdeteksi dan aarm akan berbunyi.

Generator listrik

Generator abad 20 awal

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain.

Sebelum hubungan antara magnet dan listrik ditemukan, generator menggunakan prinsip elektrostatik. Mesin Wimshurst menggunakan induksi elektrostatik atau “influence”. Generator Van de Graaff menggunakan satu dari dua mekanisme:

  • Penyaluran muatan dari elektrode voltase-tinggi
  • Muatan yang dibuat oleh efek triboelektrisitas menggunakan pemisahan dua insulator

Faraday

Cakram Faraday

Generator portabel (pandangan samping)

Generator portabel (pandangan sudut)

Pada 1831-1832 Michael Faraday menemukan bahwa perbedaan potensial dihasilkan antara ujung-ujung konduktor listrik yang bergerak tegak lurus terhadap medan magnet. Dia membuat generator elektromagnetik pertama berdasarkan efek ini menggunakan cakram tembaga yang berputar antara kutub magnet tapal kuda. Proses ini menghasilkan arus searah yang kecil.

Desain alat yang dijuluki ‘cakram Faraday’ itu tidak efisien dikarenakan oleh aliran arus listrik yang arahnya berlawanan di bagian cakram yang tidak terkena pengaruh medan magnet. Arus yang diinduksi langsung di bawah magnet akan mengalir kembali ke bagian cakram di luar pengaruh medan magnet. Arus balik itu membatasi tenaga yang dialirkan ke kawat penghantar dan menginduksi panas yang dihasilkan cakram tembaga. Generator homopolar yang dikembangkan selanjutnya menyelesaikan permasalahan ini dengan menggunakan sejumlah magnet yang disusun mengelilingi tepi cakram untuk mempertahankan efek medan magnet yang stabil. Kelemahan yang lain adalah amat kecilnya tegangan listrik yang dihasilkan alat ini, dikarenakan jalur arus tunggal yang melalui fluks magnetik.

Dinamo

Dinamo adalah generator listrik pertama yang mampu mengantarkan tenaga untuk industri, dan masih merupakan generator terpenting yang digunakan pada abad ke-21. Dinamo menggunakan prinsip elektromagnetisme untuk mengubah putaran mekanik menjadi listrik arus bolak-balik.

Dinamo pertama berdasarkan prinsip Faraday dibuat pada 1832 oleh Hippolyte Pixii, seorang pembuat peralatan dari Perancis. Alat ini menggunakan magnet permanen yang diputar oleh sebuah “crank”. Magnet yang berputar diletakaan sedemikian rupa sehingga kutub utara dan selatannya melewati sebongkah besi yang dibungkus dengan kawat. Pixii menemukan bahwa magnet yang berputar memproduksi sebuah pulsa arus di kawat setiap kali sebuah kutub melewati kumparan. Lebih jauh lagi, kutub utara dan selatan magnet menginduksi arus di arah yang berlawanan. Dengan menambah sebuah komutator, Pixii dapat mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.

Dinamo Gramme

Namun, kedua desain di atas menderita masalah yang sama: mereka menginduksi “spike” arus diikuti tanpa arus sama sekali. Antonio Pacinotti, seorang ilmuwan Italia, memperbaikinya dengan mengganti kumparan berputar dengan yang “toroidal”, yang dia ciptakan dengan mebungkus cincin besi. Ini berarti bahwa sebagian dari kumparan terus melewati magnet, membuat arus menjadi lancar. Zénobe Gramme menciptakan kembali desain ini beberapa tahun kemudian ketika mendesain pembangkit listrik komersial untuk pertama kalinya, di Paris pada 1870-an. Desainnya sekarang dikenal dengan nama dinamo Gramme. Beberapa versi dan peningkatan lain telah dibuat, tetapi konsep dasar dari memutar loop kawat yang tak pernah habis tetap berada di hati semua dinamo modern.

GALVANO METER

PRINSIP KERJA GALVANOMETER
Pengukuran arus searah pada mulanya menggunakan galvanometer suspensi dengan sistem gantungan, instrumen ini merupakan pelopor instrumen kumparan putar yang merupakan dasar dari alat penunjuk arus searah.
Menurut hukum dasar gaya elektro, magnetik kumparan akan berputar didalam medan magnet bila dialiri arus listrik. gantungan kumparan yang terbuat dari serabut halus berfungsi sebagai pembawa arus dari dan ke kumparan,keelastisan serabut yersebut akan membangkitkan suatu torsi yang melawan perputaran kumparan. kumparan ini akan terus berdefleksi sampai gaya elektro magnetiknya mengimbangi torsi mekanis lawan dari gantungan. dengan demikian penyimpangan kumparan merupakan ukuran bagi arus yang dibawa oleh kumparan tersebut. sebuah cermin yang dipasang pada kumparan menyimpangkan seberkas cahaya dan menyebabkan gintik yang telah diperkuat bergerak diatas sekala pada suatu jarak dari instrumen. efek optiknya adalah suatu jarus penunjuk yang panjang tetapi massanya nol.
walaupun galvanometer suspensi portabel, namun prinsip yang mengatur kerjanya diterapkan secara sama terhadap jenis yang relatif lebih baru, yaitu : PMMC(Permanent Magnet Moving-coil Mechanism).
Terdapat kumparan yang bergantung di dalam medan magnet permanent yang berbentuk sepatu kuda. kumparan digantung sedemikian rupa sehingga dapat berputar bebas di dalam medan magnet. bila arus mengalir di dalam kumparan, torsi elektromagnetik yang dibankitkannya akan menyebabkan perputaran kumparan tersebut. torsi ini diimbangi oleh torsi mekanis pegas pengatur yang diikat pada kumparan. keseimbangan torsi-torsi ini dan posisi sudut kumparan putar dinyatakan oleh jarus penunjuk terhadap referensi yang dinamakan sekala. persamaan pengembangan torsi dinyatakan dalam persamaan……..(1)
T=B . A . I . N
dimana : T = torsi dalam newton (N-m)
B = kerapatan fluksi di dalam senjang udara (Wb/m**)
A = luas efektif kumparan (m**)
I = arus didalam kumparan putar (A)
N = jumlah lilitan kumparan
Note:** adalah pengganti kuadrat

MOTOR LISTRIK

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Alat yang berfungsi sebaliknya, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik disebut generator atau dinamo. Motor listrik dapat ditemukan pada peralatan rumah tangga seperti kipas angin, mesin cuci, pompa air dan penyedot debu.

Motor listrik yang umum digunakan di dunia Industri adalah motor listrik asinkron, dengan dua standar global yakni IEC dan NEMA. Motor asinkron IEC berbasis metrik (milimeter), sedangkan motor listrik NEMA berbasis imperial (inch), dalam aplikasi ada satuan daya dalam horsepower (hp) maupun kiloWatt (kW).

Motor listrik IEC dibagi menjadi beberapa kelas sesuai dengan efisiensi yang dimilikinya, sebagai standar di EU, pembagian kelas ini menjadi EFF1, EFF2 dan EFF3. EFF1 adalah motor listrik yang paling efisien, paling sedikit memboroskan tenaga, sedangkan EFF3 sudah tidak boleh dipergunakan dalam lingkungan EU, sebab memboroskan bahan bakar di pembangkit listrik dan secara otomatis akan menimbulkan buangan karbon yang terbanyak, sehingga lebih mencemari lingkungan.

Standar IEC yang berlaku adalah IEC 34-1, ini adalah sebuah standar yang mengatur rotating equipment bertenaga listrik. Ada banyak pabrik elektrik motor, tetapi hanya sebagian saja yang benar-benar mengikuti arahan IEC 34-1 dan juga mengikuti arahan level efisiensi dari EU.

Banyak produsen elektrik motor yang tidak mengikuti standar IEC dan EU supaya produknya menjadi murah dan lebih banyak terjual, banyak negara berkembang manjdi pasar untuk produk ini, yang dalam jangka panjang memboroskan keuangan pemakai, sebab tagihan listrik yang semakin tinggi setiap tahunnya.

Lembaga yang mengatur dan menjamin level efisiensi ini adalah CEMEP, sebuah konsorsium di Eropa yang didirikan oleh pabrik-pabrik elektrik motor yang ternama, dengan tujuan untuk menyelamatkan lingkungan dengan mengurangi pencemaran karbon secara global, karena banyak daya diboroskan dalam pemakaian beban listrik.

Sebagai contoh, dalam sebuah industri rata-rata konsumsi listrik untuk motor listrik adalah sekitar 65-70% dari total biaya listrik, jadi memakai elektrik motor yang efisien akan mengurangi biaya overhead produksi, sehingga menaikkan daya saing produk, apalagi dengan kenaikan tarif listrik setiap tahun, maka pemakaian motor listrik EFF1 sudah waktunya menjadi keharusan.

Prinsip kerja motor listrik

Prinsip kerja motor listrik

Pada motor listrik tenaga listrik diubah menjadi tenaga mekanik. Perubahan ini dilakukan dengan mengubah tenaga listrik menjadi magnet yang disebut sebagai elektro magnet. Sebagaimana kita ketahui bahwa : kutub-kutub dari magnet yang senama akan tolak-menolak dan kutub-kutub tidak senama, tarik-menarik. Maka kita dapat memperoleh gerakan jika kita menempatkan sebuah magnet pada sebuah poros yang dapat berputar, dan magnet yang lain pada suatu kedudukan yang tetap.

semoga bermanfaat..