Hukum Faraday dan Aplikasinya Fera Hartoyo
[email protected] Jurusan Teknik Elektro Polines Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang Indonesia Intisari Beberapa mesin listrik mempunyai prinsip kerja dengan menggunakan hukum-hukum dalam ilmu fisika.Hukum-hukum itu diantara lain adalah hukum faraday.Hukum faraday dalam ilmu mesin listik sangat penting pengaruhnya.Di dalam hukum faraday dijelaskan beberapa pokok bahasan yang menjelaskan pengadaan listrik dari suatu mesin atau alat.Maka dari itu sangatlah penting bagi mahasiswa mengetahui segala pembahasan yang berkaitan dengan hukum faraday yang dipakai dalam beberapa mesin listrik yang mengaplikasikan hukum tersebut.
C. Tujuan 1. 2. 3.
Mahasiswa dapat memahami bunyi Hukum Faraday. Mengetahui akibat yang ditimbulkan oleh medan magnet berdasarkan Hukum Faraday. Mengetahui mesin-mesin listrik yang meggunakan teori Faraday. II. ISI
A. Hukum Faraday Keywords— Hukum Faraday, GGL Induksi.
I.
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Michael Faraday (1791-1867),seorang ilmuan berkebangsaan Inggris membuat hipotesis bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik.Untuk membuktikan kebenaran hipotesis faraday melakukan percobaan.Berdasarkan percobaan ditunjukan bahwa gerakan magnet didalm kumparan menyebabkanjarum galvanometer menyimpang.jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan jarum galvanometer menyimpang kekanan.Jika magnet diam dalam kumparan jarum tidak menyimpang sedangkan saat dijauhkan jarum galvanometer menyimpang ke kiri.Penyimpangan jarum galvanometer tersebut menunjukan bahwa pada kedua ujung kumparan tersebut terdapat arus listrik.Peristiwa timbulnya arus listrik seperti itulah yang disebut induksi elektromagnetik.adapun beda potensial yang timbul pada kedua ujung kumparan dsebut gaya gerak listrik (GGL) induksi. Menurut faraday besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetic yang dilingkupi kumparan.Artinya semakin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik maka makin besar pula GGL induksi yang timbul.Adapun juga mesin dalam kelistrikan menggunakan prinsip hokum faraday dalam kerjanya.mesin listrik memiliki prinsip kerja adanya medan listrik atau GGL. B. Rumusan Masalah Adapun beberapa hal yang menjadikan permasalahan dalam pembahasan meteri Hukum Faraday 1. Pengertian dan Bunyi Hukum Faraday 2. Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL) 3. Aplikasi Hukum Faraday pada mesin listrik
Hukum Faraday menjelaskan tentang hubungan proses kimia dengan energi listrik.Proses ini sudah banyak dikenal diberbagai industri sebagai proses elektrolisis, yaitu proses perpindahan muatan listrik pada suatu larutan yang menghasilkan proses kimia pada larutan tersebut. Hukum Faraday ini dirumuskan dengan : W = e. F Dengan : W = massa zat hasil elektrolisis (gram) E = berat ekuivalen zat hasil elektrolisis F = jumlah arus listrik dalam satuan Faraday. Michael Faraday melaporkan juga hasil percobaannya tentang muatan listrik melalui gas- gas. Ia menggunakan alat yang menggunakan tabung gelas dan elektroda diujung-ujungnya. Lempeng logam yang disebut elektroda ditempatkan diujung tabung gelas yang divakumkan (hampa), sehingga arus listrik dapat melewati ruang tersebut. Salah satu elektroda disebut katoda, dihubungkan dengan sumberlistrik negatif dengan tegangan tinggi (beberapa ribu volts), sedang yang lain disebut anoda (kutub posotif). Dari percobaan Faraday dikembangkan oleh Rontgen yang memberikan pengaruh sinar katoda pada suatu permukaan menghasilkan suatu jenis radiasi. Radiasi yang dihasilkan ini yang sekarang dikenal dengan sinar X. Michael Faraday menerangkan hubungan kuantitatif antara banyaknya arus listrik yang digunakan pada elektrolisis dengan hasil elektrolisisnya dengan gambar 1.
elektromagnetik dan hubungan antara perubahan flux dengan tegangan induksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian. Faraday juga menunjukkan bahwa gejala listrik dapat dibangkitkan dari magnet. Dari kumpulan catatan hasil percobaan yang dilakukan oleh Faraday, suatu formulasi matematis telah diturunkan untuk menyatakan hukum Faraday, yaitu : e꞊dλ : dt dengan e menunjukkan tegangan induksi [volt] pada suatu kumparan,dan λ adalah fluksi lingkup yang dicakup oleh kumparan. Jika kumparan mempunyai Ν lilitan dan setiap lilitan mencakup fluksi magnit sebesar φ [weber], maka fluksi lingkup adalah λ = Ν φ [weber-lilitan] Gbr 1 Mekanisme Hukum Faraday dalam Elektrolisis
Proses elektrolisis dimulai dengan dialirkannya arus listrik dari baterai. Elektron dari kutub negative mengalir menuju ke katoda. Akibatnya, ion positif Cu2+ dalam lelehan akan tertarik ke katoda. Cu2+ akan tertarik ke katoda dan menyerap elektron untuk tereduksi menjadi logam Cu yang netral. Sementara itu ion negative Cl- dalam lelehan akan tertarik ke anoda. Ion Cl- akan teroksidasi menjadi logam Cl yang netral dengan melepas elektron. Elektron inilah yang akan diambil oleh anoda untuk diteruskan kembali ke kutub positif baterai Jadi reaksi redoks yang terjadi pada sel elektrolisis di atas dapat ditulis sebagai berikut:
B. Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL) Induksi Sebuah magnet batang yang dililit oleh suatu kawat penghantar, diharapkan pada kawat penghantar ini timbul arus yang nantinya diukur oleh sebuah Galvanometer. Akan tetapi arus yang diharapkan tidak terjadi, dan percobaan ini dianggap gagal. Akan tetapi pada tahun 1821 Faraday dan Henry mengamati hal yang lain, bahwa ketika batang magnet mulai dimasukkan ke dalam lilitan kawat, terjadi arus yang terukur oleh Galvanometer, namun arus tersebut setelah beberapa saat kemudian hilang. Hal yang sama terjadi ketika batang magnet dikeluarkan dari lilitan. Sehingga Faraday dan Henry mengambil kesimpulan bahwa perubahan medan magnetiklah yang menimbulkan arus listrik, bukan hanya medan magnet. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik).GGLyang 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. Fenomena perubahan medan magnet yang menimbulkan arus listrik ini dinamakan Induksi Elektromagnetik.
Hubungan kuantitatif itu disimpulkannya dalam dua hukum sebagai berikut : Hukum Faraday 1
1. Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi. Hukum Faraday 2
Gbr 2. Pada saat awal, tidak ada arus terukur pada Galvanometer karena tidak ada perubahan Fluks Magnet yang terjadi pada lilitan kawat.
2. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut. Kedua pernyataan beliau diatas menjadi hukum dasar listrik yang menjelaskan mengenai fenomena induksi
Gbr 3. Ketika magnet mulai didekatkan terjadi penambahan Fluks Magnet pada lilitan kawat sehingga timbul arus listrik yang menimbulkan medan magnet melawan arah medan magnet semula.
Faktor yang memengaruhi besar GGL Induksi sebenarnya dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer.Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar Ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu : 1. Kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik) 2. jumlah lilitan 3. medan magnet C. Merumuskan GGL Induksi dalam Hukum Faraday Faraday merumuskan kesimpulan GGL Induksi ini menjadi sebuah perumusan matematis, Ɛin꞊dφ/dt Yang artinya adalah bahwa Gaya Gerak Listrik yang dihasilkan adalah sama dengan negatif dari perubahan fluks magnetik terhadap waktu. Fluks magnetik φ adalah banyaknya garis gaya yang tegak lurus tiap satuan luas A, identik dengan fluks listrik dalam bagian elektrostatik. Subscript i menunjukkan jumlah lilitan.Tanda negatif berkenaan arah GGL dan induksi magnetik. Jika fluks magnetik yang masih pada kumparan dari medan magnet bertambah, yang artinya magnet didekatkan pada kumparan maka arah arus dari GGL induksi sedemikian sehingga melawan medan magnet.
Gbr 4. Arah arus induksi sedemikian sehingga melawan perubahan fluks magnet penginduksinya.
Demikian juga sebaliknya.Untuk kumparan dengan banyak lilitan N, maka GGL induksinya adalah : ɛ꞊-N dengan : φ꞊∫
.d
= ∫ B. cos θ . dA = B. A.cos θ
di mana θ adalah sudut antara B dengan A. Jadi GGL induksi terjadi bukan karena adanya medan magnet (B) atau fluks magnetik, akan tetapi karena perubahan fluks magnetiknya. D. Penerapan GGL Induksi Hukum Faraday Pada GGL Induksi sesuai Hukum Faraday terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang
menerapkannya 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. 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 kutubkutub 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. Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 0°), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi. Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90°. 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 membentuk sudut 180 °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°, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahan-lahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga membentuk sudut 360°. 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).
1.
Jarum Galvanometer akan bergerak, konduktor/magnet yang bergerak
2.
Arah gerak jarum sama dengan arah gerakan konduktor arah kutub-kutubnya Besarnya penyimpangan jarum akan sebanding dengan kecepatan potong. Jarum tidak akan bergerak bila gerakan dihentikan.
3. 4.
bila
Prinsip Kerja Generator
Gbr 5. a) Bagan dynamo AC , b) Bagan dynamo DC
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 semakin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan. E. Aplikasi Hukum Faraday dalam mesin listrik 1. Generator listrik: Generator listrik adalah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber mekanik dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Konsep generator pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday yang berkebangsaan Inggris, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Bila hanya sebuah konduktor saja yang diputar dalam sebuah medan magnet, maka gaya listrik yang dihasilkan juga sedikit (kecil). Bila konduktor yang digunakan semakin banyak maka akan dihasilkan gaya listrik semakin besar. Demikian pula bila konduktor diputar semakin cepat di dalam medan magnet, maka bertambah besar pula gaya listriknya. Konduktor yang berbentuk coil (kumparan), jumlah gaya listrik yang terjadi akan semakin besar.Perhatikan gambar prinsip kerja generator dibawah ini.
Gbr 7. Prinsip Kerja Generator Listrik.
Ada dua jenis generator listrik yang digunakan dalam kehidupan di dunia industry antara lain: 1. Generator arus searah (DC Generator) 2. Generator arus bolak balik (AC Generator). a. Generator arus searah (DC Generator): Generator arus searah (DC Generator) adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik searah (DC).
Gbr 6.Hukum Faraday
Dari gambar di atas, bila konduktor digerakkan maju mundur antara kutub utara dan kutub selatan maka jarum galvanometer akan bergerak. Gerakan tersebut menunjukkan adanya gaya listrik yang dihasilkan. Dari gambar di atas dapat juga diamati bahwa:
Gbr 8.Generator DC
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam/tidak bergerak, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari komutator, belitan
rotor, kipas rotor dan poros rotor. Prinsip kerja generator DC sama dengan generator pada umumnya. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator). Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodik/berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. b. Generator AC: Generator AC adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik bolak balik (AC). Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat.
kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.
Gbr 10.Bagian-bagian Transformator.
Prinsip Kerja Transformator Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek Gbr 11.Induktansi timbal-balik (mutual inductance).
Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang). Pada skema transformator di atas, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.
Gbr 9.Generator AC
2. Transformator (trafo): Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan
Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu: 1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np). 2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik tinggi menjadi
rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns). Pada transformator (trafo) besarnya tegangan dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah: 1. 2. 3.
yang
Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs ~ Ns). Sebanding dengan besarnya tegangan primer ( VS ~ VP). Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer.
Penggunaan Transformator Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN 220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin foto kopi, gardu listrik dan sebagainya. III. PENUTUP A. Kesimpulan Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut. REFERENSI [1]http://genius.smpn1.mgl.sch.id/file.php/1/ANIMASI/fisika/Transformator/i ndex.html. [2] http://qtussama.wordpress.com/materi-ajar-x-tkr/generator-listrik/ [3]http://bebas.vlsm.org/v12/sponsor/SponsorPendamping/Praweda/Kimia/0222%20Kim%202-9j.html. [4] http://www.slideshare.net/kimia12ipa1213/hukum-faraday [5] http://mediabelajaronline.blogspot.com/2011/09/hukum-faraday-i.html [6] http://ardhanapriadi.blog.com/2010/12/14/ggl-induksi/ [7] http://hukum-fisika.blogspot.com/ [8]http://www.abdn.ac.uk [9] http://www.ncert.nic.in [10] http://www.student.britannica.com [11] http://www.indonetwork.co.id [12] http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-smk/kelas_x/potensialelektroda-dan-hukum-faraday/ [13] http://simbos.web.id/berita-pendidikan/bahan-ajar-fisika-hukum-faraday/ [14]http://requestartikel.com/db/penerapan+induksi+elektromagnetik+dalam+ kehidupan+sehari+hari [15]Bernad Grad ( 2002) Basic Electronic Mc Graw Hill Colage New- York. [16]Stepen L. Herman (2005) Electrical Transformer John Wiley & Sons.Inc New- York.
