PEMANFAATAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK DALAM GENERATOR

PEMANFAATAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK DALAM GENERATOR

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Induksi elektromagnetik merupakan perubahan medan magnet menjadi arus listrik. Konsep ini di temukan oleh Michael Faraday dan kini konsep tersebut banyak digunakan dalam industri. Hal ini membuktikan bahwa kontribusi sains dalam perkembangan teknologi dan peradaban sangatlah penting. Faraday telah membuktikan bahwa arus listrik dapat dibangkitkan dengan menggunakan medan magnet yang  sedang bergerak pada sebuah kumparan. Timbulnya arus listrik dapat diamati dengan menyimpangnya jarum galvanometer.

Aplikasi induksi elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari dapat kita temui pada generator dan transformator. Generator merupakan perangkat yang berfungsi untuk membangkitkan energi listrik berdasarkan induksi elektromagnetik. Kemudian transformator dapat kita temui pada peralatan rumah tangga seperti TV, radio dan lainnya. Pada peralatan tersebut transformator banyak digunakan untuk menurunkan tegangan listrik komersial dan digunakan untuk menyalakan peralatan elektronik.

Generator merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Generator terbagi menjadi generator arus bolak-balik dan generator arus searah. Secara umum generator terdiri dari magnet, kumparan yang berinti besi, cincin luncur dan sikat karbon. Ketika kumparan berputar terjadi perubahan fluks magnet yang dilingkupi oleh kumparan tersebut, akibatnya pada kumparan akan mengalir arus induksi. GGL induksi dari kumparan dihubungkan dengan cincin sikat karbon ke rangkaian di luar generator. Selanjutnya listrik yang dihasilkan generator bisa ditransmisikan.

B. Tujuan

1.      Dapat memformulasikan konsep Faraday dan arus bolak-balik serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

2.      Untuk mengetahui Prinsip Induksi Elektromagnetik dalam generator listrik.

II. KAJIAN PUSTAKA

A. Generator

Generator  listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal, 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 apapun sumber energi mekanik yang lain.

B. GGL Induksi

Kelistrikan dapat menghasilkan kemagnetan. Menurutmu, dapatkah kemagnetan menimbulkan kelistrikan? Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan  magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan.

Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang  sangat  sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1. Sebuah  magnet  yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus  listrik pada kumparan  itu. Galvanometer merupakan  alat  yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk   pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam  di dalam  kumparan,  di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.

        Sehingga ditetapkan hukum Faraday yang berbunyi:

a.         Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (fluks) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi.

b.         Perubahan fluks medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.

Persamaan Ggl induksi (E_ind) yang memenuhi hukum Faraday adalah sebagai berikut:

Tanda negatif berati sesuai dengan Hukum Lenz, yaitu “Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik”. Fluks Magnetik adalah kerapatan garis-garis gaya dalam medan magnet, artinya fluks magnetik yang berada pada permukaan yang lebih luas kerapatannya rendah dan kuat medan magnetik (B) lebih lemah, sedangkan pada permukaan yang lebih sempit kerapatan fluks magnet akan kuat dan kuat medan magnetik (B) lebih tinggi. Satuan internasional dari besaran fluks magnetik diukur dalam Weber, disingkat Wb dan didefinisikan dengan, Suatu medan magnet serba sama mempunyai fluks magnetik sebesar 1 weber bila sebatang penghantar memotong garis-garis gaya magnetik selama satu detik akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) sebesar satu volt.

C. Penerapan Induksi Elektromagnetik

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang  berputar  menyebabkan  terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya  GGL  induksi  pada kumparan. Energi mekanik yang diberikan  generator  dan  dinamo diubah ke dalam bentuk energy gerak rotasi. Hal  itu menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara  terus-menerus dengan  pola  yang berulang secara periodic.

1.  Generator

Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di  dalam medan  magnet  tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa  arus  bolak-balik.  Ciri  generator  AC  menggunakan  cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri  generator  DC  menggunakan  cincin  belah  (komutator). 

Jadi, generator  AC  dapat  diubah  menjadi  generator  DC  dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah  generator  AC  kumparan  berputar   di  antara  kutub- kutub  yang  tak  sejenis  dari  dua  magnet  yang  saling  berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan  magnet.  Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon  yang  terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian  generator  yang berputar  (bergerak) disebut rotor. Magnet  tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak   disebut   stator.

2. Dinamo

Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator.

Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. 

3. Transformator

Di rumah mungkin kamu pernah dihadapkan persoalan tegangan listrik, ketika kamu akan menghidupkan radio yang memerlukan tegangan 6 V atau 12 V. Padahal tegangan listrik yang disediakan PLN 220 V. Bahkan generator pembangkit listrik menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Kenyataannya sampai di rumah tegangan listrik tinggal 220 V. 

IV. PEMBAHASAN

A. Penerapan Induksi Elektromagnetik

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik.Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik.Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo.Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi  mekanik  yang  diberikan  generator  dan  dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal  itu menyebabkan GGL  induksi  dihasilkan  secara  terus-menerus  dengan  pola  yang berulang secara periodik.       

Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap.Generator AC sering disebut alternator.Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator (AC) menggunakan cincin ganda. Generator-generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah.ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator  AC  dapat  diubah  menjadi  generator  DC  dengan  cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah  generator  AC  kumparan  berputar   di  antara  kutub- kutub  yang  tak  sejenis  dari  dua  magnet  yang  saling  berhadapan. Kedua  kutub  magnet  akan  menimbulkan  medan  magnet.  Kedua ujung  kumparan  dihubungkan  dengan  sikat  karbon  yang  terdapat pada  setiap  cincin.  Kumparan  merupakan  bagian  generator  yang berputar  (bergerak) disebut  rotor. Magnet  tetap merupakan bagian generator   yang   tidak   bergerak   disebut   stator.  

Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk  sudut  0 derajat),  belum  terjadi  arus  listrik  dan  tidak  terjadi GGL induksi  (perhatikan  Gambar  12.2).  Pada  saat  kumparan  berputar perlahan-lahan,  arus  dan  GGL  beranjak  naik  sampai  kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum.Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.

Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi  dengan  arah  yang  berlawanan.  Pada  saat  membentuk  sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnetPada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran  kumparan selanjutnya,  arus  dan  tegangan  turun  perlahanlahan  hingga  mencapai  nol  dan  kumparan kembali  ke  posisi  semula  hingga  memb entuk sudut 360 derajat.

B. Aplikasi Induksi Elektromagnetik Pada Generator

Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya adalah peristiwa induksi elektromagnetik. Jika kumparan penghantar digerakkan di dalam medan magnetik dan memotong medan magnetik, maka pada kumparan terjadi GGL induksi. Hal ini dapat dilakukan dengan memutar kawat di dalam medan magnet homogen.

1. Generator AC

Gambar diatas menunjukkan skema sebuah generator AC, yang memiliki beberapa kumparan yang dililitkan pada angker yang dapat bergerak dalam medan magnetik. Sumber diputar secara mekanis dan ggl diinduksi pada kumparan yang berputar. Keluaran dari generator tersebut berupa arus listrik, yaitu arus bolak-balik.

Skema induksi gaya gerak listrik dapat diamati pada gambar diatas, yang menunjukkan kecepatan sesaat sisi a – b dan c – d, ketika loop diputar searah jarum jam di dalam medan magnet seragam B. Ggl hanya dibangkitkan oleh gaya-gaya yang bekerja pada bagian a – b dan c – d. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan, dapat ditentukan bahwa arah arus induksi pada a – b mengalir dari a ke b. Sementara itu, pada sisi c – d, aliran dari c ke d, sehingga aliran menjadi kontinu dalam loop. Besarnya ggl yang ditimbulkan dalam a – b adalah:

ε = B.l.v

Persamaan tersebut berlaku jika komponen v tegak lurus terhadap B. Panjang a – b dinyatakan oleh l. Dari gambar diperoleh v = v sin θ , dengan θ merupakan sudut antara permukaan kumparan dengan garis vertikal. Resultan ggl yang terjadi merupakan jumlah ggl terinduksi di a – b dan c – d, yang memiliki besar dan arah yang sama, sehingga diperoleh:

ε = 2N.B.l.v sin θ

Dengan N merupakan jumlah loop dalam kumparan. Apabila kumparan berputar dengan kecepatan anguler konstan ω, maka besar sudutnya adalah θ =ωt . Diketahui bahwa:

v = ω.r   atau   v = ω 

dengan h adalah panjang b – c atau a – d.

Sehingga diperoleh :

ε = 2N.B.l. ω  sinωt

atau

ε = N.B.A. ωsin ωt

Dengan A menyatakan luas loop yang nilainya setara dengan lh.

Harga ε maksimum bila ωt = 90^o, sehingga sin ωt = 1.

Jadi, ε _maksimum= N.B.A. ω

2. Generator DC

Generator DC hampir sama seperti generator AC. Perbedaannya terletak pada cincin komutator yang digunakannya, yang ditunjukkan pada dibawah Keluaran generator dapat ditunjukkan oleh grafik hubungan V terhadap t, dan dapat diperhalus dengan memasang kapasitor secara paralel pada keluarannya. Atau dengan menggunakan beberapa kumparan pada angker, sehingga dihasilkan keluaran yang lebih halus gambar berikut.

Gambar Generator DC

1. Generator DC dengan 1 set komutator
2. Generator DC dengan banyak komutator

Generator elektromagnetik merupakan sumber utama listrik dan dapat digerakkan oleh turbin uap, turbin air, mesin pembakaran dalam, kincir angin, atau bagian dari mesin lain yang bergerak. Pada pembangkit tenaga listrik, generator menghasilkan arus bolak-balik dan sering disebut alternator.

IV. KESIMPULAN

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya adalah peristiwa induksi elektromagnetik. Jika kumparan penghantar digerakkan di dalam medan magnetik dan memotong medan magnetik, maka pada kumparan terjadi GGL induksi. Generator elektromagnetik merupakan sumber utama listrik dan dapat digerakkan oleh turbin uap, turbin air, mesin pembakaran dalam, kincir angin, atau bagian dari mesin lain yang bergerak. Pada pembangkit tenaga listrik, generator menghasilkan arus bolak-balik dan sering disebut alternator.

DAFTAR PUSTAKA

Supiyanto. 2006 . Fisika untuk SMA / MA kelas XII . Jakarta : PT Phibeta Aneka Gama

Purwanto, Budi. 2009. Fisika SMA Jilid 3Teori dan Implementasinya . Solo : PT Tiga Serangkai Pustaka Mandiri