Homopolar Motor Kolokium 2012
HOMOPOLAR, SI BATERE AJAIB
Oleh : Fathur Rozy (083184034) Pendidikan Fisika Reguler 2008 ABSTRAK Artikel dengan judul “Homopolar, “ Homopolar, Si Batere Ajaib” Ajaib ” bertujuan untuk menganalisis gerak rotasi pada motor homopolar, dan menentukan persamaan gerak motor homopolar model ayun yang terdiri dari kawat temabaga, batere, magnet silinder, dan sekrup, serta menentukan parameter-parameter yang mempengaruhi gerak motor homopolar. Metode yang dilakukan yaitu dengan menempelkan salah satu sisi magnet silinder dengan sekrup, dan ujung sekrup ditempelkan pada salah satu kutub batere. Kemudian ujung kawat tembaga ditempelkan pada kutub batere yang lain dan ujung yang lain disentuhkan pada magnet. Setelah itu mengamati gerakan perputaran magnet silider. Dari hasil pengamatan dan analisa kajian literatur, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: Magnet berputar disebabkan karena adanya gaya lorentz yang dihasilkan oleh interaksi antara medan magnet dan arus listrik. Persamaan gerak perputaran magnet adalah
. Magnet silinder akan mencapai
kecepatan terminal. Kecepatan anguler motor meningkat seiring dengan bertambahnya waktu sampai mencapai kecepatan anguler terminalnya. Kata kun ci : gaya, gaya, magnte sil inder, motor h omopolar omopolar
I. PENDAHULUAN Sebuah motor sederhana dapat dibuat hanya dengan menggunakan 4 buah komponen, yaitu magnet silinder, paku/sekrup, baterei (1,5 V), dan kabel. Motor ini dibuat dengan konsep elektromagnetik. Motor ini dapat berputar sangat cepat secara kontinu tanpa memerlukan komutator pada motor listrik dc pada umumnya. Motor ini beroperasi menggunakan arus searah dengan polaritas yang sama sehingga disebut motor homopolar. Pada sebuah motor listrik dc, terdapat komponen rotor yang dihubungkan dengan sebuah cincin belah yang disebut komutator. Ujung-ujung dari komutator ini disambugkan pada sebuah sumber tegangan sehingga dihasilkan arus. Rotor ini akan berputar jika diletakkan pada medan magnet. Pada kesempatan ini penulis akan membahas bagaiman gerak rotasi pada motor homopolar tersebut dan juaga akan menentukan persamaan gerak dari motor homopolar tersebut. Setelah itu kemudian menentukan parameter yang mempengaruhi gerakannya.
II. TEORI
Untuk muatan yang mengalir pada kawat konduktor dengan panjang l , gaya Lorentz diberikan :
⃗ ⃗
……(2) Untuk menentukan arah gaya Lorentz mengikuti kaidah tangan kanan seperti pada gambar di bawah ini,
a.
b
Gaya Lorentz Gaya Lorentz merupakan gaya magnetik pada muatan yang bergerak dengan kecepatan dalam medan magnetik . …..(1)
⃗⃗ ⃗ ⃗
⃗
Gambar 1. (a) Aturan tangan kanan untuk menentukan arah gaya magnetik yang bekerja pada sebuah muatan yang bergerak dengan kecepatan v pada medan magnetik B, (b) Gaya magnet pada segmen kawat yang membawa arus pada medan magnetik B.
Pendidikan Fisika Reguler 2008
Homopolar Motor Kolokium 2012
Gaya dan Torka Pada Simpal (Loop) Arus Jika terdapat simpal arus segi empat sikusiku dalam medan magnetik homogen, seperti gambar 2 di bawah, maka, gaya total pada simpal arus tersebut sama dengan nol. Tetapi torka netto tidak sama dengan nol, yaitu τ = IAB , dengan A = ab.
Gambar 2. a) Sebuah simpal arus yang berada pada medan magnetik yang homogen. Gaya mabnet hanya terdapat pada kawat 2 dan kawat 4. b) Torka yang dihasilkan oleh F 2 dan F4 dengan arah searah jarum jam.
Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi
Tegangan GGL Induksi untuk sebuah konduktor untuk sebarang bentuk yang bergerak dalam medan magnetik (homogen ataupun tidak) secara umum diberikan,
(⃗⃗)⃗ ∮(⃗⃗) ⃗
Untuk menghasilkan putaran yang cepat harus menggunakan magnet dengan medan magnet yang kuat seperti magnet Neodymium (NeFeB). Terdapat dua model rangkaian homopolar, yaitu model “ayun/gantung” d an model “menggelinding”. Pada model ayun/gantung salah satu sisi dari magnet ditempelkan pada pangkal sebuah skrup, dengan demikian sekrup akan mempunyai sifat magnet. Ujung sekrup ditempelkan pada bagian bawah sebuah batere. Kemudian ujung kawat tembaga ditempelkan pada bagian atas batere menggunakan jari, dan ujung yang bawah disentuhkan pada magnet silinder sehingga akan terbentuk rangkaian tertutup yang akan menghasilkan arus dan menyebabkan magnet berputar (lihat gambar 3).
Gambar 3. Rangkaian motor homopolar model “ayun/gantung”.
Perputaran magnet dapat dijelaskan dengan aturan tangan kanan untuk menentukan arah gaya magnet pada sebuah kunduktor penghantar arus yang berada pada pengaruh medan magnet, seperti terlihat pada gambar 4.
……(3) Untuk sebarang simpal konduktor yang tertutup, tegangan GGL diberikan, ……..(4)
III. PEMBAHASAN Gerak Rotasi Motor Homopolar Michael Faraday (1792 – 1867), fisikawan asal Inggris yang pertama kali menemukan motor homopolar. Motor homopolar pada dasarnya merupakan sebuah piringan konduktor berputar secara bebas pada daerah medan magnetik yang dihasilkan oleh sebuah magnet permanen. Perputaran ini diakibatkan torka yang dihasilkan oleh gaya magnet yang bekerja pada piringan tersebut. Pada motor homopolar, piringan konduktor diganti dengan piringan konduktor yang menghasilkan medan mgnet itu senndiri, atau menggunakan magnet silinder.
Gambar 4. Arah arus, medan magnet dan gaya Lorentz. Torsi yang dihasilkan menyebabkan magnet berputar berlawan arah jarum jam jika dilihat dari atas.
Magnet silinder menjadi penghantar arus, dimana arus mengalir secara radial ke pusat. Berdasarkan aturan tangan kanan dihasilkan gaya Lorentz dalam komponen arah radial.
Pendidikan Fisika Reguler 2008
Homopolar Motor Kolokium 2012 Pada model menggelinding, magnet silinder di tempelkan pada kedua kutub batere. Kemudian membuat kabel tembaga mebentuk huruf U dan menghubungkannnya ujungujungnya pada magnet sehingga mebentuk rangkaian tertutup seperti pada gambar 5 di bawah ini. Arus akan mengalir melalui magnet silinder dan mengahsilkan gaya magnet pada pada magnet yang nantinya akan berfungsi sebagai roda. Resultan dari torsi yang dihasilkan pada kedua roda tersebut menyebabkan magnet dan batere mengelinding bersama kawat U.
̅
Gaya Lorentz yang dihasilkan adalah,
…….(5)
Dengan adanya gaya Lorentz ini menyebabkan magnet silinder berputar dengan paku sekrup sebaga poros perputarannya. Seperti pada gambar di bawah ini, Torka yang dihasilkan adalah,
∫ ∫ ∫ ̂ ̂ ∫
…..(6) Dengan memasukkan nilai F pada persamaan (5) pada persamaan (6), maka
..…(6)
Ketika magnet silinder berputar, maka pembawa arus juga akan ikut berputar sehingga akan menyebabkan perubahan fluks magnetik yang menyebabkan adanya ggl induksi. Besar ggl induksi yang dihasilkan oleh konduktor yang berputar dengan kecepatan sudut ω pada pengaruh medan magnetik yang konstan adalah
a.
|| | |
Sehingga arus yang rangkaian tersebut adalah,
Gambar 5. a)Rangkaian motor Homopolar model menggelinding. b)arah arus, medan magnetik, dan gaya magnetz. Torka menyebabkan rangkaian menggelinding ke depan. Persamaan Gerak Motor Homopolar
Untuk menganalisis persamaan gerak yang dihasilkan pada magnet silinder kita membuat anggapan bahwa torsi total pada motor didominasi oleh arus yang mengalir pada permukaan magnet yang mengalir secara radial ke pusat. Sehingga rangkaian dapat dibuat seperti pada gambar dibawah ini.
mengalir
b.
……..(7) dalam
……….. (8)
dengan R adalah hambatan total pada rangkaian. Berdasarkan hukum II Newton untuk gerak rotasi,
………(9)
Dengan I s merupakan inersia torsi motor dan k adalah koefisien gesek torsional . Dengan mensubtitusikan persamaan (8) ke persamaan (9), maka
Gambar 6. Arah gaya Lorentz dan perputaran magnet. Torsi yang dihasilkan menyebabkan magnet berputar berlawan arah jarum jam jika dilihat dari atas.
………..(10)
Pendidikan Fisika Reguler 2008
Homopolar Motor Kolokium 2012
Dengan .
-7
dan
Dengan menganggap mula-mula magnet diam, solusi persamaan (10) diperoleh,
………(11)
Dari persamaan (11) terlihat bahwa kecepatan anguler meningkat seiring bertambahnya waktu sampai mencapai kecepatan anguler terminal. Parameter Yang Mempengaruhi Gerak Motor Dari persamaan (11) kita dapat melihat parameter yang mempengaruhi gerak rotasi motor adalah, Kecepatan terminal Dari persamaan (10), kecepatan terminal dapat dituliskan
IV. SIMPULAN DAN SARAN A. Simpulan Gerak rotasi pada motor homopolar disebabkan karena adanya gaya lorentz yang dihasilkan oleh interaksi antara medan magnet dan arus listrik Persamaan gerak motor homopolar
adalah
Motor akan bergerak jika ω t > 0. Sehingga kita dapat memperoleh,
4
terjadi τ f ~ 5 x 10 Nm dan γ ~ 7 x 10 s. Jika kita mengabaikan gaya gesek torsional, maka kecepatan terminalnya ω t ~ 160 rpm. Berdasarkan dari percobaan sederhana yang telah dilakukan, motor akan berputar j ika menggunakan magnet permanen yang kuat (seperti NeFeB). Ukuran sekrup tidak mempengaruhi dari perputaran motor. Kabel, magnet, dan sekrup cepat panas karena arus yang mengalir cukup besar (terhubung singkat) sehingga menyebabkan tegangan batere cepat habis.
……….. (12)
Dari persamaan di atas, diperoleh bahwa kecepatan anguler berbanding lurus dengan tegangan batere. Kecepatan anguler berbanding terbalik dengan koefisien gesek torsional dan hambatan rangkaian. Akan tetapi pengaruh medan magnet dan jari-jari magnet belum dapat ditentukan pengaruhny a. Waktu hidup
Kecepatan anguler motor meningkat seiring dengan bertambahnya waktu sampai mencapai kecepatan anguler terminalnya Parameter yang mempengaruhi gerakan motor adalah kecepatan terminal yang dipengaruhi oleh tegangan batere, gaya gesek torsional, jari-jari magnet, medan magnet, hambatan dari rangkaian, dan waktu hidup yang dipengaruhi oleh momen inersia motor, medan magnet, jari-jari magnet, hambatan dari rangkaian
B. Saran Pengukuran secara kuntitaif belum dapat dilakukan, sehingga sangat dibutuhkan untuk mengkonfirmasi analisis yang dibangun. Untuk melakukan percobaan sebaiknya menggunakan magnet permanent yang kuat seperti NeFeB (Neodymium magnet)
Yang dimaksud waktu hidup dalam hal ini adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kecepatan terminal. Waktu hidup dari kecepatan anguler adalah
Dari persamaan diatas, motor akan mencapai kecepatan anguler lebih cepat (waktu hidup kecil) jika momen inersia motor kecil. Resistansi yang kecil dan medan magnet yang besar juga dapat mempercepat motor mencapai kecepatan terminal. Andaikan magnet yang digunakan -2 mempunyai jari-jari sebesar 10 m dan -2 massanya sebesar 2,3 x 10 kg, batere yang digunakan adlah batere alkaline dengan tegangan sebesar 1,5 V, besar medan magnetik yang mengalir pada bagian permukaannya sebesar 1 T, dan hambatan total yang mengalir sebesar 150,2 Ω. Maka kita dapat menentukan besar inersia total I s = -6 2 1,15 x 10 kgm . Gaya gesek torsional yang
V.
DAFTAR PUSTAKA H.D. Young and R.A. Freedman. 2004 University Physics, 11th ed. Addison Wesley, San Francisco How to make the simplest electric motor. http://evilmadscientist.com/article.php/Homop olarMotor, 14 Oktober 2011 Stewart SM. 2006. A Simple Rolling Homopolar Motor. The Petroleum Institute. Abu Dhabi : United Arab Emirates Stewat SM. 2006. Some simple demonstration experiments involving homopolar
Pendidikan Fisika Reguler 2008
Homopolar Motor Kolokium 2012 motors. The Petroleum Institute. Abu Dhabi : United Arab Emirates Stewart SM. Some simple demonstration experiments involving homopolar motors. Rev. Brasileira de Ensino de Fis., 29, 2, 275-281 (2007)
Pendidikan Fisika Reguler 2008
