LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA II CINCIN TERBANG
Oleh Kelompok A4 Ristiar Riwasa (F1B1 11 092) Mardiana Napirah (F1B1 12 002) Gusti Eric Sandra (F1B1 12 003) Yuliana (F1B1 12 004)
PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HALU OLEO KENDARI 2014
EKSPERIMEN II CINCIN TERBANG
A. Tujuan
Tujuan dari eksperimen cincin terbang adalah sebagai berikut. 1. Menjelaskan fenomena cincin terbang. 2. Menentukan rapat konduktivitas bahan cincin. 3. Menentukan permeabilitas µ medium.
B. Dasar Teori
Imbas elektromagnetik adalah terjadinya arus listrik dalam suatu penghantar akibat adanya perubahan medan magnet. Arus yang terjadi disebut arus imbas atau arus induksi, diselidiki oleh Faraday. Bila sebuah penghantar dengan panjang l digerakkan dengan kecepatan v di dalam medan magnet B, tegak lurus terhadap arah medan, maka akan timbul GGL induksi di ujung-ujung penghantar sebesar:
= (Anonim, 2012). Transformator
atau
transformer
atau
trafo
adalah
komponen
elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain. Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan
masukan
bolak-balik
yang
membentangi
lilitan
primer
menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder (Anonim, 2013). Konduktivitas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan ditempatkan
pada
arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik
ujung-ujung
sebuah
konduktor,
muatan-muatan
bergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus listrik. Konduktivitas listrik σ didefinsikan sebagai ratio dari rapat arus J terhadap kuat medan listrik E:
= Pada beberapa jenis bahan dimungkinkan terdapat konduktivitas listrik yang anisotropik. Lawan dari konduktivitas litrik adalah resistivitas listrik ρ atau biasa disebut sebagai resistivitas saja, yaitu:
= 1 (Anonim, 2013).
Konduktivitas menyatakan kemudahan – kemudahan suatu material untuk meneruskan arus listrik. Satuan konduktivitas adalah (ohm meter) -1. Konduktivitas merupakan sifat listrik yang diperlukan dalam berbagai pemakaian sebagai penghantar tenaga listrik dan mempunyai rentang harga yang sangat luas. Logam atau material yang merupakan penghantar listrik yang baik, memiliki konduktivitas listrik dengan orde 10 7 (ohm.meter)-1 dan sebaliknya material isolator memiliki konduktivitas yang sangat rendah, yaitu antara 10-10 sampai dengan 10 -20 (ohm.m)-1. Diantara kedua sifat ekstrim tersebut, ada material semi konduktor yang konduktivitasnya berkisar antara 10-6 sampai dengan 10 -4 (ohm.m)-1. Aluminium memiliki nilai konduktivitas 3,8 x 107 (ohm.m)-1 (Guntoro, 2012). Permeabilitas (permeability) adalah kemampuan suatu benda untuk dilewati garis gaya magnet. Permeabilitas dinyatakan dengan simbol μ (miu). Benda yang mudah dilewati garis gaya magnet disebut memiliki nilai permeabilitas tinggi. Untuk udara atau ruang hampa (vakum), permeabilitas dinyatakan sebagai permeabilitas ruang kosong (μo= 4л.10-7 H/m). Untuk bahan-bahan yang lain, besarnya permeabilitas ditentukan dengan perbandingan terhadap udara atau ruang hampa (yang dibandingkan adalah rapat fluks pada bahan dan rapat fluks pada ruang hampa), didapatkan permeabilitas relatif (relative permeability-μr ). Untuk menghitung μ, nilai permeabilitas relatif (μr ) harus dikalikan dengan permeabilitas udara (μo), sebagaimana rumus di bawah ini:
μ = μo . μr Sehingga pada ruang hampa, μ r = 1 dan μr . μo = μo ; dinamakan permeabilitas absolut (Pambudi, 2013).
C. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam eksperimen cincin terbang adalah sebagai berikut. No. 1.
2.
3.
Nama alat dan bahan
Fungsi
Unit eksperimen
Digunakan untuk melakukan
cincin terbang
eksperimen cincin terbang
Transformator
Mengatur jumlah tegangan
variabel
masuk
Amperemeter clamp
Mengukur kuat arus pada
NST
JU
-
-
5V
0 – 250 V
0,1 A
0 – 71 A
1 mm
0 – 15 cm
kumparan dan cincin 4.
Penggaris
Mengukur tinggi cincin terbang terangkat
5.
Cincin Aluminium
Sebagai bahan amatan
D. Prosedur Eksperimen
Langkah-langkah yang dilakukan dalam eksperimen cincin terbang adalah sebagai berikut: 1. Menyambung stiker unit cincin terbang pada transformator variabel. 2. Mengatur
tegangan
nol
pada
transformator
variabel
dan
menghubungkannya pada stopkontak. 3. Memasukkan cincin aluminium pada unit cincin terbang. 4. Memutar pengatur tegangan transformator variabel hingga cincin tepat mulai terangkat. 5. Mencatat arus kumparan dan arus cincin. 6. Memperbesar tegangan menjadi 125 V.
7. Mencatat arus kumparan, arus cincin, dan tinggi cincin terangkat. 8. Memperbesar kembali tegangan transformator hingga menjadi 135 V. 9. Mencatat arus kumparan, arus cincin, dan tinggi cincin terangkat untuk setiap kenaikan tegangan 10 V hingga tegangan mencapai 195 V.
E. Data Pengamatan
F. Analisis Data
1. Tanpa Ralat a. Menentukan Konduktivitas Aluminium
= 1 ; = ; = = ⁄1000 Sehingga konduktivitas τ adalah:
= 1000 Dimana: L
= 2πr = 2
× 3,14 × 0,0345 = 0,21666 m
IS
= arus kumparan sekunder (arus pada cincin)
VP
= besar tegangan primer
A
= 0,0000154 m 2
= 1000 = 1000×0,21666×31,9 125×0,0000154 = 6.911,454 0,001925 =3590365,714 ()− Dengan cara yang sama untuk data selanjutnya dapat dilihat pada tabel berikut No. 1
IS (A) 31,9
VP (V) 125
τ (Ωm)-1 3590365,714
2
36,2
135
3772531,025
3
44,8
145
4346783,699
4
48,4
155
4393105,991
5
58,5
165
4988040,142
6
79,9
175
6423426,345
7
80,1
185
6091423,657
8
85,5
195
6168641,359
b. Menentukan Permeabilitas Medium
= µ 2ℎ = µ 2ℎ µ = ℎ 2 = 2ℎ Nilai h, IS, dan IP yang digunakan adalah nilai rata-ratanya.
ℎ̅ = 0,025+0,031+0,04+0,042+0,048+0,086+0,1+0,117 8
= 0,525 8 = 0,065625 = 31,9 + 36,2 + 44,8 + 48,4 +8 58,5 + 79,9 + 80,1 + 85,5 = 465,3 8 =58,1625 = 0,38+0,4+0,91+1,85+1,96+2,0+2,12+2,24 8 = 11,86 8 = 1,4825 Maka nilai permeabilitas adalah:
µ = 2ℎ = 2×3,14×0,01147×9,8×0,065625 1,4825×58,1625×0,21666 = 0,002479716 ⁄.
2. Dengan Ralat
Menghitung ketidakpastian relatif permeabilitas
∆µ={|∆ℎℎ| + |∆ | + |∆|}×µ 0,0005 | + | 0,005 | + | 0,005 |}×0,002479716 = {|0,065625 1,4825 58,1625
= (0,007619048+0,003372681+0,000085966) ×0,002479716
=0,011077695×0,002479716 = 0,0000274695 ⁄. Menghitung kesalahan relatif
= ∆µµ ×100% = 0,0000274695 0,002479716 ×100% =1,107769494% ≈3 Maka nilai sebenarnya dari permeabilitas adalah:
µ =µ±∆µ = µ ∆µ ⁄ µ + ∆µ
= (0,0024797160,0000274695) ⁄ (0,002479716+0,0000274695)
= (0,002452246 ⁄ 0,002507186) ⁄. = (0,00245 ⁄ 0,00250) ⁄. Grafik hubungan antara mgh dan I PISL/2π
(mgh )/(IpIsL/2π ) 0.014 0.012 0.01
y = 0.0015x + 0.0021 R² = 0.9249
h 0.008 g m0.006
(mgh)/(IpIsL/2pi)
0.004
Linear ((mgh)/(IpIsL/2pi))
0.002 0 0
2
4 IpIsL/2π
6
8
G. Pembahasan
Cincin terbang merupakan suatu instrumen yang digunakan untuk mengamati peristiwa imbas elektromagnetik. Imbas elektromagnetik adalah terjadinya arus listrik dalam suatu penghantar akibat adanya perubahan medan magnet. Arus yang terjadi disebut arus imbas atau a rus induksi. Pada eksperimen cincin terbang, digunakan unit eksperimen cincin terbang yang memiliki lilitan kawat penghantar sebagai lilitan primer serta cincin aluminium sebagai lilitan sekunder. Unit eksperimen cincin terbang dihubungkan dengan transformator variabel untuk memvariasikan tegangan masukan yang akan mengaliri lilitan primer. Setelah transformator dihubungkan dengan sumber tegangan listrik PLN, besar tegangan keluaran transformator variabel divariasikan. Pada transformator variabel, tegangan masukan dari PLN berperan sebagai tegangan primer sedangkan tegangan sekundernya adalah tegangan keluarannya yang kemudian menjadi input pada lilitan primer unit cincin terbang. Dengan demikian terjadi aliran listrik dari transformator yang mengaliri lilitan primer unit cincin terbang. Ketika transformator diaktifkan, arus listrik akan mengaliri lilitan primer unit cincin terbang. Aliran arus listrik ini menimbulkan medan listrik. Dengan demikian terjadilah medan magnet. Hal ini sesuai dengan pernyataan Maxwell bahwa perubahan medan listrik dapat menimbulkan medan magnet. Kemudian, berdasarkan hukum Lorentz, muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet mengalami gaya magnet atau lebih dikenal dengan sebutan gaya Lorentz. Arah dari arus listrik (I), medan magnet (B), dan gaya Lorentz (F) ditentukan dengan kaidah tangan kanan.
Gambar 1. Kaidah tangan kanan untuk menyatakan arah I, B, dan F
Adanya medan magnet yang timbul dari lilitan primer menyebabkan cincin aluminium (lilitan sekunder) mengalami perubahan fluks magnetik. Cincin
aluminium
dapat
dipandang
sebagai
suatu
loop
konduktor.
Berdasarkan hukum Lentz, suatu loop konduktor yang mengalami perubahan fluks magnetik akan timbul gaya gerak listrik (ggl imbas Faraday). Polaritas ggl induksi sedemikian rupa hingga menimbulkan fluks magnet yang melawan perubahan fluks magnet eksternal yang menembus loop. Fluks magnet eksternal dalam kasus ini berasal dari lilitan primer. Fluks magnet yang timbul pada cincin aluminium berlawanan dengan arah fluks magnet lilitan primer. Lalu berdasarkan hukum induksi Faraday, perubahan medan magnet dapat menyebabkan timbulnya medan listrik. Hal ini merupakan proses kebalikan dari pernyataan Maxwell. Timbulnya medan listrik tersebut menyebabkan aliran arus listrik pada cincin aluminium. Kemudian, karena fluks magnet yang timbul pada cincin aluminium berlawanan arah dengan fluks magnet yang timbul pada lilitan primer, maka arah medan magnetnya pun akan berlawanan. Dengan demikian, arah arus listrik yang timbul pada cincin aluminium akan memiliki arah yang berlawanan dengan arus yang mengaliri lilitan primer sehingga terjadi gaya tolak menolak antara lilitan primer dan cincin aluminium. Hal inilah yang menyebabkan cincin aluminium terangkat melayang. Meskipun cincin aluminium melayang, posisinya tidak dalam posisi mendatar. Hal yang terjadi adalah cincin melayang miring. Hal ini disebabkan adanya gaya berat cincin yang dipengaruhi oleh gravitasi bumi. Seandainya eksperimen cincin terbang dilakukan di suatu ruang tanpa percepatan gravitasi, tentu saja cincin tidak akan mengalami gaya berat sehingga cincin akan melayang sempurna dalam posisi mendatar. Selanjutnya pada eksperimen cincin terbang dilakukan pengambilan data berupa arus primer, arus sekunder, dan ketinggian cincin aluminium terangkat. Pengambilan data dilakukan untuk besar tegangan primer yang divariasikan. Berdasarkan data yang diperoleh, semakin besar tegangan primer maka arus primer dan arus sekunder akan semakin besar dan
ketinggian cincin terangkat akan semakin besar pula. Disini dapat diamati bahwa cincin terbang mematuhi prinsip pada transformator dimana NP/NS sebanding dengan V P/VS dan berbanding terbalik dengan I P/IS. Lilitan primer jauh lebih banyak dibanding lilitan sekunder yang hanya terdiri dari satu lilitan (cincin dianggap sebagai satu buah lilitan). Karena lilitan dan kuat arus berbanding terbalik, maka arus sekunder (arus pada cincin) jauh lebih besar dibandingkan arus pada lilitan primer. Data yang diperoleh kemudian diolah untuk menghitung berapa besar konduktivitas dan permeabilitas dari cincin aluminium. Berdasarkan perhitungan untuk menentukan konduktivitas cincin aluminium, diperoleh hasil yang beragam, yaitu 3590365,714 (Ωm)-1, 3772531,025 (Ωm)-1, 4346783,699
(Ωm)-1,
4393105,991
(Ωm)-1,
4988040,142
(Ωm)-1,
6423426,345 (Ωm)-1, 6091423,657 (Ωm)-1, dan 6168641,359 (Ωm)-1. Namun nilainya mendekati nilai sebenarnya dari konduktivitas aluminium, dimana diketahui bahwa konduktivitas dari aluminium adalah 3,8 x 10 7 (Ωm)-1. Bila dibandingkan dengan konduktivitas isolator yang berkisar antara 10 -10 sampai dengan 10-20 (ohm.m)-1 dan konduktivitas semikonduktor yang berkisar antara 10-6 sampai dengan 10-4 (ohm.m)-1, hasil perhitungan yang diperoleh sangat mendekati nilai yang sebenarnya. Lalu dilakukan perhitungan untuk menentukan nilai permeabilitas cincin aluminium. Nilai yang diperoleh adalah sebesar 0,00245 Wb/A.m sampai dengan 0,00250 Wb/A.m. Setelah
dilakukan
perhitungan
terhadap
permeabilitas
cincin
aluminium, dibuat grafik hubungan antara mgh terhadap I PISL/2π. Grafik tersebut menyatakan hubungan yang cenderung linear antara keduanya. Gradien kemiringan garisnya adalah 0,001. Gradien ini merupakan nilai permeabilitas cincin aluminium. Nilai permeabilitas yang diperoleh dari hasil perhitungan mendekati nilai permeabilitas yang diperoleh dari gradien kemiringan garis pada grafik. Adapun perbedaan-perbedaan nilai yang diperoleh baik dalam perhitungan konduktivitas maupun permeabilitas kemungkinan disebabkan oleh kurang telitinya alat ukur yang digunakan saat
pengambilan data, menurunnya kinerja alat eksperimen yang digunakan, dan faktor penyebab lainnya.
H. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat ditarik pada eksperimen cincin terbang adalah sebagai berikut. 1. Pada fenomena cincin terbang berlaku gaya Lorentz dan hukum Lentz yang menyebabkan cincin aluminium melayang dan dialiri arus listrik. 2. Nilai
rapat
perhitungan 4346783,699
konduktivitas adalah
aluminium
3590365,714
(Ωm)-1, 4393105,991
yang diperoleh
(Ωm)-1,
dari
hasil
3772531,025
(Ωm)-1,
(Ωm)-1, 4988040,142
(Ωm)-1,
6423426,345 (Ωm)-1, 6091423,657 (Ωm)-1, dan 6168641,359 (Ωm)-1, mendekati nilai sebenarnya dari konduktivitas aluminium, yaitu 3,8 x 10 7 (Ωm)-1. 3. Nilai permeabilitas cincin aluminium berkisar antara 0,00245 Wb/A.m sampai dengan 0,00250 Wb/A.m.
I.
Tugas
1. Mengapa cincin saat terbang bila dipegang terasa panas? 2. Dapatkah cincin terbang keluar dari batang inti (jika arus listrik mantap)? 3. Jika unit eksperimen dibalik apakah cincin dapat terbang? Jawaban: 1. Karena arus listrik dari kumparan menginduksi cincin, dan
akan
menghasilkan suatu energi, energi tersebut timbul dari elektron bebas dalam cincin yang mengalami percepatan dan saling bertumbukan kemudian energi sisa tumbukan berubah menjadi energi panas. Semakin besar tegangan cincin akan semakin panas.
2. Bisa, karena bila arus listrik mantap. Gaya tolakan yang terjadi pada cincin dan kumparan akan lebih besar dari gaya grafitasi yang dialami oleh cincin sehingga cincin dapat keluar. 3. Tidak, karena kumparan dan cincin akan tolak menolak dan justru cincin akan makin tedorong kebawah.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2012. Imbas Elektromagnetik . http://bebas.vlsm.org/v12/sponsor/SponsorPendamping/Praweda/Fisika/0321%20Fis-2-5b.htm, diakses tanggal 15 April 2014. Anonim. 2013. Konduktivitas Listrik. http://id.wikipedia.org/wiki/Konduktivitas_listrik , diakses tanggal 19 April 2014. Anonim. 2013. Transformator . http://id.wikipedia.org/wiki/Transformator , diakses tanggal 15 April 2014. Guntoro, Hanif. 2012. Jenis Bahan Konduktor. http://tekniklistrikstemba.blogspot.com/2012/08/jenis-bahankonduktor.html, diakses tanggal 19 April 2014. Pambudi, Afief Dias. 2013. Permeabilitas Bahan. http://afb.blog.ittelkom.ac.id/blog/2013/02/19/permeabilitas-bahan/, diakses tanggal 15 April 2014.
