Halaman
Bab 12 Elektromagnetik
217
ELEKTROMAGNETIK
Bab
12
(Sumber:
Physics for You. Johnson,
Keith)
Kamu mungkin pernah melihat alat yang digunakan untuk
mengangkat dan memindahkan besi-besi tua. Ketika akan
mengangkat besi, alat tersebut didekatkan pada besi dan besi
menempel padanya. Kemudian besi dipindahkan ke tempat
lainnya, sesampainya di tujuan, besi tersebut terlepas. Kamu
mungkin bertanya-tanya, bagaimanakah sebuah benda dapat
menjadi magnet, namun kemagnetan benda itu dapat hilang
dengan segera? Pada bab ini kamu akan belajar tentang
konsep
elektromagnetik dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari
.
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
218
Peta Konsep
Kata-Kata Kunci
z
Elektromagnetik
z
Gaya Lorentz
z
Galvanometer
z
Generator
z
Transformator
z
Efisiensi
Soal Prasyarat
☺
Apakah yang dimaksud dengan elektromagnetik?
☺
Peralatan apa saja yang memanfaatkan elektromagnetik?
Gaya Lorentz
menyebabkan
Transformator
Elektromagnetik
disebabkan
interaksi
Step up
Step down
Kelistrikan
Kemagnetan
menimbulkan
terdiri atas
Generator
Induksi elektromagnetik
digunakan untuk
Bab 12 Elektromagnetik
219
(Sumber: Physics for You. Johnson, Keith)
Jika kamu ditanya apa saja sumber-sumber kemagnetan,
kamu mungkin menjawab batuan magnetit, magnet batang,
magnet ladam, atau Bumi. Namun jika kamu melakukan
Kegiatan 1
,
kamu akan mengetahui bahwa arus listrik dapat
menghasilkan magnet.
A. Kemagnetan dari Kelistrikan
K
egiatan
1
Membuat Magnet dari Rangkaian Listrik
Alat dan bahan
;
baterai
;
logam kecil
;
paku
;
kabel besi berisolator
Cara kerja
1. Hilangkan isolator pada ujung-
ujung kabel.
2. Lilitkan kabel tersebut pada
paku, paling sedikit 25 lilitan.
Perhatikan gambar berikut.
3. Hubungkan ujung-ujung
kabel pada kutub-kutub
baterai.
4. Dekatkan ujung paku tersebut pada benda-benda logam.
Apa yang terjadi?
Analisis dan diskusi
Coba jelaskan mengapa peralatan yang kamu rangkai
tersebut berperilaku seperti yang kamu amati.
Kamu dapat membuktikan sekali lagi dengan melakukan
percobaan sederhana. Dekatkan kompas pada kawat berarus.
Posisi terbaik untuk meletakkan kompas adalah di atas atau
di bawah kawat, dengan posisi kawat sejajar dengan jarum
kompas. Amatilah apa yang terjadi dengan jarum kompas ketika
kawat tersebut dialiri arus. Bagaimanakah hasil pengamatanmu?
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
220
Percobaan yang kamu lakukan ini mirip dengan yang
dilakukan Hans Christian Oersted, seorang guru fisika ber-
kebangsaan Denmark pada tahun 1820. Percobaannya
menghasilkan hubungan antara arus listrik dengan kemagnetan.
Hubungan itu kemudian
disebut elektromagnetik.
1. Penemuan Oersted
Selama bertahun-tahun Oersted percaya ada hubungan
antara kelistrikan dan kemagnetan,
namun ia tidak dapat
membuktikannya. Pada tahun 1829 akhi
rnya ia menemukan
buktinya.
Oersted mengamati, saat jarum
kompas didekatkan
pada kawat berarus, jarum kompas tersebut
menyimpang dari
kedudukan semula. Jika arah arus dibalik, maka jarum kompas
menyimpang ke arah sebaliknya. Jika arus ditiadakan, maka
jarum
kompas kembali menunjuk arah utara selatan. Karena
jarum kompas hanya dapat disimpangkan oleh medan magnet,
Oersted menyimpulkan bahwa arus listrik dapat menghasil-
kan medan magnet. Arus listrik
yang mengalir pada kawat meng-
hasilkan medan magnet yang
arahnya bergantung pada arah arus
.
Garis gaya magnet
yang dihasilkan
oleh arus listrik pada kawat lurus
diperlihatk
an pada
Gambar 12.1
.
2. Medan Magnet dari Solenoida
Jika kawat berarus dibuat melingkar-lingkar membentuk
kumparan, medan magnet yang dihasilkan oleh tiap-tiap
lingkaran kawat saling memperkuat. Sebagai hasilnya, di
dalam kumpar
an dan di kedua ujungnya terdapat medan
magnet yang kuat. Kumparan kawat yang panjang dan terdiri
atas banyak lilitan disebut solenoida.
Gambar 12.1
Arus listrik yang
mengalir melalui kawat
menghasilkan medan
magnet.
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
Sakelar
Kompas
Baterai
Gambar 12.2
Medan magnet dari
solenoida dapat diamati
dari kumparan dan
sepotong besi lunak
yang disisipkan di
dalam kumparan itu.
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
I
I
S
NSN
F
F
Bab 12 Elektromagnetik
221
Solenoida berlaku sebagai magnet pada saat ada arus
listrik. Kutub utara dan selatan magnet pada solenoida berubah
jika arah arus berubah. Seperti yang telah kamu amati dalam
kegiatan
Lab Saku
di samping, medan magnet pada solenoida
dapat diperbesar
dengan cara menambah jumlah lilitannya.
Medan magnet tersebut juga dapat diperbesar dengan mem-
perbesar arus yang mengalir
pada kawat solenoida. Selain kedua
cara di atas, medan magnet pada solenoida dapat diperkuat
dengan menempatkan besi di dalam solenoida. Medan magnet
solenoida akan membuat magnet-magnet elementer besi tersebut
searah. Sebagai hasilnya, medan magnet yang terjadi merup
akan
gabungan dari medan magnet kumparan dan medan magnet
besi. Peningkatan medan magnet dengan memberikan inti besi
pada solenoida ini bisa ratusan hingga ribuan kali daripada tanpa
menggunakan inti besi. Gejala yang terjadi pada solenoida
dengan bahan magnetik (misalnya besi) sebagai inti di dala
mnya
merupakan salah satu bentuk elektromagnet.
3. Gaya magnetik pada arus listrik
Kamu telah mengamati dan mempelajari bahwa arus
listrik dapat mengerjakan gaya pada magnet, misalnya kompas.
Ingatlah pula bahwa gaya selalu berpasangan. Berdasarkan
kenyataan ini, dapatkah medan magnet menghasilkan gaya
pada arus listrik?
Untuk menjawab pertanyaan tersebut, perhatikan percobaan
yang ditunjukkan
Gambar 12.3
. Kawat diletakkan pada medan
magnet di antara kutub-kutub magnet ladam. Jika aru
s listrik
dilewatkan pada kawat, ternyata kawat tersebut seperti ter-
tarik ke atas. Jika arah arus dibalik, kawat tertarik ke bawah.
Jadi, kesimpulannya medan magnet dapat menghasilkan gaya
pada arus listrik
.
Gaya ini disebut gaya Lorentz.
Gambar 12.3
Medan magnet meng-
hasilkan gaya pada
kawat berarus.
(a) Kawat berarus akan
tertarik ke bawah,
(b) Kawat berarus akan
tertarik ke atas jika
polaritas baterai dibalik.
Pengaruh jumlah lilitan
kumparan terhadap ke-
kuatan medan magnet.
Buat kumparan elektro-
magnet dengan melilitkan
kabel tipis pada paku besar,
sebanyak 20 lilitan.
Hubungkan ujung-ujung
kumparan dengan kutub-
kutub baterai.
Dekatkan ujung paku pada
penjepit kertas. Coba angkat
penj
epit kertas tersebut.
Hitung penjepit kertas
yang dapat diangkatnya.
Ulangi kegiatanmu untuk
kumparan 40 lilitan dan 60
lilitan.
Analisis dan diskusi
Bagaimana pengaruh jum-
lah lilitan kumparan terh
adap
kekuatan medan magnet
yang dihasilkan?
(a)
(b)
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
222
Besar dan arah gaya Lorentz yang bekerja pada sebuah
penghantar dalam suatu medan magnet ditentukan oleh kuat
medan magnet (B) yang mempengaruhi, kuat arus (
l
) yang
dibawa oleh penghantar, panjang penghantar (
l
), serta sudut
arah arus dan medan magnet yang mempengaruhi (
α
).
Secara matematis, besarnya gaya Lorentz dapat
dituliskan sebagai berikut.
dengan F
L
= besar gaya Lorentz ........................ Newton (N)
B
= kuat medan magnet ...................... Tesla (T)
I
= kuat arus......................................... Ampere (A)
l
= panjang penghantar ..................... meter (m)
α
= sudut antara arah arus dan arah medan magnet
Dengan demikian, gaya Lorentz yang bekerja pada sebuah
penghantar dalam suatu medan magnet akan maksimum jika
arus dan medan magnet saling tegak lurus (
α
= 90°). Pada
keadaan ini, besarnya gaya Lorentz dapat dituliskan sebagai
berikut.
F
L
=
B I
l
sin
α
Bagaimana menentuan arah gaya Lorentz? Menentukan
arah gaya Lorentz dapat dilakukan dengan menggunakan aturan
kaidah tangan kanan seperti
Gambar 12.4
.
F
L
=
B I
l
B
F
I
Gambar 12.4
Kaidah tangan kanan
penentuan arah gaya
Lorentz.
Jika tangan kanan kita terbuka, maka arah gaya Lorentz
sesuai gaya arah telapak tangan. Arah arus pada penghantar
ditunjukkan oleh ibu jari, sedangkan arah medan magnet yang
mempengaruhi sesuai dengan keempat jari yang lain.
Bab 12 Elektromagnetik
223
1 . Sebuah penghantar sepanjang 30 cm membawa arus sebesar
3 A dalam suatu medan magnet seragam. Kuat medan
magnet diketahui sebesar 4 T. Tentukan besarnya gaya
Lorentz yang berkerja pada penghantar tersebut jika:
a. arus yang mengalir tegak lurus terhadap medan magnet.
Diketahui :
B
=4 T
I
= 3 A
l
= 20 cm = 0,2 m
Ditanya
:
F
L
jika
a
= 90
Jawab
F
L
=
B I l
sin
α
=4
×
3
×
0,3
×
1
= 3,6 N
Jadi, besar gaya Lorenz adalah 3,6 N.
2. Tentukan arah gaya Lorenz pada gambar berikut.
a.
B
l
b.
B
l
c.
B
l
d.
B
l
Jawab
b.
B
l
F
L
c.
B
l
F
L
a.
B
l
F
L
d.
B
l
F
L
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
224
4. Penerapan elektromagnetik
Seperti telah kamu baca pada awal bab, elektromagnet
dapat digunakan untuk mengangkat dan memindahkan benda-
benda magnetik, seperti besi dan baja. Marilah kita bahas beberapa
pemanfaatan lain gejala elektromagnetik.
a. Alat ukur listrik
Karena elektromagnetik peka terhadap arus listrik, maka
elektromagnetik dapat digunakan untuk mendeteksi arus
listrik. Alat untuk mendeteksi dan mengukur arus listrik
disebut galvanometer, seperti
Gambar 12.5.
Galvanometer
terbuat dari kumparan yang dihubungkan dengan rangkaian
listrik yang hendak diukur arusnya. Kumparan tersebut
dapat berputar bebas pada tumpuannya, dan diletakkan
di daerah medan magnet oleh magnet permanen.
Gambar 12.5
Pada saat arus meng-
alir melalui kumparan
yang terletak di dalam
medan magnet, timbul
gaya yang membuat
kumparan tersebut
berputar dan
menyimpangkan jarum
penunjuk. Semakin
besar arus listrik,
semakin besar pula
penyimpangan yang
terjadi.
(Sumber: Physics.James S.
Walker)
Jika arus listrik mengalir pada kumparan, maka gaya
magnetik menyebabkan kumparan berputar. Kumparan
tersebut tidak dapat terus berputar karena ditahan pegas.
Saat kumparan berputar, jarum penunjuk yang dilekatkan
pada kumparan tersebut ikut berputar, dan menunjuk
angka tertentu. Karena kumparan akan berputar pada arah
yang berlawanan jika arus dibalik, maka galvanometer
dapat digunakan untuk mengukur besar serta menunjukkan
arah arus listrik dalam rangkaian.
Coil
B
Bab 12 Elektromagnetik
225
Gambar 12.6
Kipas angin
menggunakan motor
listrik.
(Sumber: Dok. Penerbit)
Kumutator
Sikat penghubung
b. Motor listrik
Tentunya kamu seringkali menggunakan
kipas angin listrik untuk membuat ruangan
sejuk. Kipas tersebut menggunakan motor
listrik, piranti yang dapat mengubah
energi listrik menjadi energi kinetik.
Energi kinetik yang berupa putaran bilah-
bilah kipas tersebut membuat tubuhmu
merasa sejuk.
Bagaimana cara kerja motor listrik? Coba kamu perhatikan
Gambar
12.7.
1) Jika arus listrik meng
alir
melalui kumparan, maka
timbul medan
magnet
induksi di dalam kumparan
itu. Gaya tarik
dan tolak
antara magnet kumparan
dengan magnet permanen
menyebabkan kumparan berputar.
2) Agar kumparan terus berputar, setelah kumparan
berputar setengah putaran, arah arus pada kumparan
harus dibalik. Alat yang dipergunakan untuk maksud
itu adalah komutator. Komutator merupakan sakelar
pembalik yang berputar bersama dengan kumparan.
Komutator secara berganti-ganti bersentuhan dengan
kutub positif dan negatif baterai, mengakibatkan arah
arus berubah. Perubahan arah arus ini menyebabkan
kutub-kutub magnet kumparan berubah, dan kumparan
meneruskan putarannya akibat gaya kutub magnet
permanen.
3) Proses ini berulang secara terus menerus.
Seperti halnya galvanometer, motor listrik memiliki elektro-
magnet yang dapat berputar bebas. Elektromagnet ini berada
di daerah medan magnet yang berasal dari magnet tetap. Jika
arus listrik mengalir melalui elektromagnet, maka elektro-
magnet tersebut menjadi magnet. Tarikan dan dorongan
antara kutub-kutub magnet kumparan dengan magnet
permanen menyebabkan kumparan berputar. Namun
kumparan akan berhenti saat medan magnet dari kumparan
searah dengan medan magnet dari magnet permanen.
Gambar 12.7
Pada saat arus meng-
alir melalui kumparan
yang terletak di dalam
medan magnet, timbul
gaya yang membuat
kumparan tersebut
berputar dan
menyimpangkan jarum
penunjuk. Semakin
besar arus listrik,
semakin besar pula
penyimpangan yang
terjadi.
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
226
Gambar 12.8
Bagan bel listrik
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
Sakelar
Klem
Kabel
Besi
Baut
Elektromagnetik
Pemukul
Lonceng
Bagaimana cara membuat kumparan berputar lagi?
Pelajari lebih lanjut penjelasan pada
Gambar 12.7.
c. Bel listrik
Coba kamu perhatikan rumahmu.
Apakah rumahmu mempunyai bel
listrik? Apakah yang kamu ketahui
tentang bel listrik? Bel listrik yang
sederhana memanfaatkan elektro-
magnet dengan inti besi yang
dapat
bergerak bebas. Perhatikan
Gambar 12.8
. Jika tombol bel
ditekan, maka rangkaian listrik
menjadi tertutup dan arus mengalir
melalui solenoida. Arus tersebut
menyebabkan solenoida mengerja-
kan gaya magnet. Gaya magnet ini menarik inti besi ke
dalam solenoida, sehingga inti besi tersebut memukul bel.
d Pengeras suara
Tentunya hampir setiap hari kamu mendengarkan musik,
berita, dan hiburan lainnya dari radio, tape, atau TV. Piranti
yang dapat membuat kamu mendengar bunyi dari radio,
tape, atau TV adalah pengeras suara. Pengeras suara juga
memanfaatkan elektromagnet yang digunakan untuk
mengubah sinyal-sinyal listrik menjadi energi yang meng-
gerakkan membran.
Tulis jawaban pada buku kerjamu.
1. Bagaimana cara membuktikan bahwa arus listrik dapat
menghasilkan medan magnetik?
2. Jika kawat lurus dan kawat melingkar dialiri arus yang
sama, maka kawat manakah yang menghasilkan medan
magnet lebih kuat? Jelaskan dengan menggunakan gambar.
3. Jelaskan bagaimana bekerjanya motor listrik.
4. Jelaskan bagaimana bekerjanya bel listrik.
5. Apakah perbedaan antara elektromagnet dengan magnet
permanen?
1
Bab 12 Elektromagnetik
227
Jika gejala kemagnetan dapat dihasilkan dari listrik,
dapatkah listrik dihasilkan dari magnet? Pertanyaan seperti
ini diajukan para ilmuwan setelah Oersted menemukan gejala
kemagnetan di sekitar arus listrik. Pada tahun 1831, Ilmuwan
Inggris Michael Faraday dan ilmuwan Amerika Joseph Henry
secara terpisah menjawab pertanyaan tersebut. Perlu kamu
ketahui, Henry merupakan orang pertama yang menemukan
lebih dulu. Namun karena Faraday mempublikasikan hasil
karyanya serta penyelidikannya lebih mendalam, kerja
Fara
day yang lebih dikenal orang.
1. Induksi elektromagnetik
Untuk dapat menghasilkan arus listrik dari medan
magnet, Faraday menggunakan peralatan seperti
Gambar 12.9
.
Kumparan sebelah kiri dihubungkan dengan baterai,
sedangkan kumparan sebelah kanan dihubungkan dengan
galvanometer untuk mendeteksi adanya arus. Kedua kumparan
itu tidak berhubungan langsung, sehingga arus di kumparan
kiri tidak dapat mengalir ke kumparan kanan. Inti besi di dalam
kumparan digunakan untuk memperkuat medan magnet
yang
terjadi.
B. Kelistrikan dari Kemagnetan
Gambar 12.9
Dengan menggunakan
rangkaian ini, Faraday
menemukan jika arus
pada kumparan kiri
berubah, terjadi arus
induksi (imbas) pada
kumparan kanan.
(Sumber: Physics. James S.
Walker)
ε
0
Lilitan primer
Lilitan sekunder
Faraday berharap arus listrik pada kumparan kiri
menghasilkan medan magnet yang cukup kuat, sehingga
dapat menimbulkan arus listrik pada kumparan kanan.
Namun bera
papun besar arus di kumparan kiri, Faraday
mengamati tidak ada
arus yang timbul pada kumparan kanan.
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
228
Medan magnet oleh arus listrik di kumparan kiri tidak me-
nimbulkan arus listrik di kumparan kanan.
Namun sesuatu yang aneh menarik perhatian Faraday.
Jarum galvanometer bergerak justru saat sakelar sedang ditutup
atau dibuka. Jadi, arus dapat terjadi pada kumparan kanan hanya
jika arus (atau medan magnet) pada kumparan kiri berubah.
Faraday menyimpulkan, meskipun medan magnet yang
tetap tidak menghasilkan arus listrik, namun perubahan medan
magnet dapat menghasilkan arus listrik. Arus listrik yang
dihasilkan oleh perubahan medan magnet ini disebut arus induksi
atau arus
imbas. Proses
timbulnya arus listrik akibat perubahan
medan magnet disebut induksi elektromagnetik.
K
egiatan
2
Membuat Elektromagnet
Alat dan bahan
;
kabel
;
tabung kertas
;
magnet batang
;
galvanometer
;
gunting
Cara kerja
1. Buat kumparan kabel meliliti tabung kertas, sebanyak
30 lilitan. Lepaskan tabung kertas dari lilitan tersebut.
2. Kupas ujung-ujung kabel kumparan, lalu hubungkan
dengan galvanometer. Berhati-hatilah ketika mengupas,
jangan sampai terkena tanganmu.
3. Sambil mengamati galvanometer, gerakkan magnet
batang mendekati dan menjauhi kumparan.
4. Lakukan seperti langkah 3, namun ubahlah kecepatan
gerak magnet batang.
5. Lakukan seperti langkah 3, namun ubahlah lilitan
kawat menjadi lebih banyak.
Bab 12 Elektromagnetik
229
US
Arus induksi
Galvanometer
Gambar 12.10
Jika kumparan
mendapatkan
perubahan medan
magnet, maka akan
timbul arus induksi
pada kumparan.
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
Seperti yang telah kamu
amati pada
Kegiatan 2
, terjadi-
nya arus imbas tidak harus
seperti rangkaian percobaan
Faraday
Gambar 12.9
. Perhatikan
Gambar 12.10
. Kumparan pada
gambar tersebut dijaga agar
tetap diam. Jika medan
magnet
digerakkan, tidak ada arus yang
mengalir melalui kumparan
tersebut. Namun jika magnet
digerakkan mendekati kumparan, maka arus mengalir. Jika
magnet digerakkan menjauhi
kumparan, maka arah arus yang
timbul berlawanan
dengan sebelumya. Hal ini menunjukkan
arus induksi yang timbul
pada kumparan bergantung pada
perubahan medan magnet.
Perubahan medan
magnet pada
kumparan juga dapat dihasilkan jika kumparannya digerakkan,
seperti
Gambar 12.11.
Kamu dapat pula menggunakan
garis gaya magnet untuk lebih
memahami peristiwa induksi
elektromagnetik. Jika kawat
konduktor
memotong garis gaya
magnet,
maka arus induksi
akan timbul pada kawat
tersebut.
Analisis dan diskusi
1 . Apa yang dapat kamu simpulkan tentang hasil pengamatan-
mu pada galvanometer dan kegiatanmu menggerakkan
magnet?
2. Perubahan apa yang timbul pada jarum galvanometer
jika kecepatan magnet batang diperbesar? Jika lilitan kawat
diperbesar? Apa yang dapat kamu simpulkan?
Magnet bergerak
masuk
Jarum menyimpang
Magnet bergerak
keluar
Jarum menyimpang
berlawanan
Gambar 12.11
Jika kumparan
digerakkan dalam
medan magnet diam,
maka kumparan akan
memotong garis gaya
magnet. Akibatnya
timbul arus induksi
dalam kumparan
tersebut.
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
230
Seperti yang telah kamu amati pada
Kegiatan 2
, besar
arus induksi yang terjadi ternyata bergantung pada kecepatan
kamu dalam menggerakkan magnet. Dengan kata lain besar
arus induksi yang terjadi bergantung pada kecepatan perubahan
medan magnet.
Jika semakin cepat medan magnet dalam
kumparan
berubah, maka arus induksi yang dihasilkan juga
semakin besar.
Selain itu besar arus induksi juga bergantung pada
jumlah
lilitan kawat.
Jika semakin banyak lilitan kawat, ternyata
arus induksi y
ang timbul juga semakin besar.
2. Generator
Bagaimana listrik untuk rumahmu dihasilkan? Sebagian
besar energi listrik yang kita gunakan sehari-hari dihasilkan oleh
generator. Generator memanfaatkan induksi elektromagnetik
untuk menghasilkan listrik.
Perhatikan bagan generator pada
Gambar 12.12
.
Generator
menghasilkan listrik melalui gerak putar kumparan
di dalam medan magnet. Jika kamu amati gambar tersebut, maka
generator
mirip dengan motor listrik, hanya saja kumparan
diputar oleh gaya luar.
Gambar 12.12
Bagan generator
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
Input gaya mekanik
Sikat penghubung
Cincin slip
Bab 12 Elektromagnetik
231
Pada saat kumparan berputar, kumparan memotong
garis gaya magnet. Seperti telah kamu temukan, jika
kumparan memotong garis gaya magnet, arus induksi akan
timbul pada kumparan tersebut.
Setelah kumparan berputar
1
2
putaran, sisi-sisi kumparan
melintas di dekat kutub magnet yang berlawanan dengan
semula, menyebabkan arah arus induksi berubah.
Sebagai
hasilnya arah arus yang dihasilkan kumparan tersebut
berubah-
ubah. Arus yang dihasilkan generator disebut arus bolak-balik
atau arus AC
(Alternating Current)
.
Apa yang dapat digunakan untuk memutar kumparan
generator? Pada generator kecil, misalnya generator untuk
lampu sepedamu, energi untuk memutarnya berasal dari putaran
roda sepedamu. Namun pada pembangkit listrik, orang
memanfaatkan turbin. Turbin memanfaatkan energi kinetik
air terjun, angin, atau uap untuk memutar kumparan generator.
3. Transformator
Sumber listrik AC di rumahmu berasal dari tempat yang
jauh. Arus listrik tersebut melalui kawat bertegangan listrik
sangat tinggi agar energi listrik yang terbuang sia-sia kecil.
Sebelum memasuki rumahmu, tegangan listrik tersebut
diturunkan hingga sebesar 220 Volt. Untuk maksud tersebut,
arus listrik dilewatkan pada alat yang bernama transformator.
Transformator
adalah alat yang dipergunakan untuk menaikkan
atau menurunkan tegangan arus bolak balik.Transformator
dapat berfungsi berdasarkan prinsip arus bolak balik pada suatu
kumparan dan menghasilkan arus induksi pada kumparan
kedua.
K
egiatan
3
Menyelidiki Fungsi Transformator
Alat dan bahan
;
baterai 6 V
;
kawat berisolasi
;
sumber tegangan AC
;
paku besar
;
bola lampu
;
sedotan
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
232
Cara kerja
1. Potong sedotan sesuai panjang paku.
2. Masukkan paku dalam sedotan sehingga paku tidak
dapat menghantarkan arus.
3. Lilitkan kawat pada separuh paku, sebanyak 300 lilitan.
Buat lagi 200 lilitan kawat pada paku itu, di sebelah lilitan
pertama. Kupas isolator pada ujung-ujung kawat.
4. Hubungkan ujung-ujung lilitan kedua dengan lampu,
untuk mendeteksi adanya arus yang mengalir.
5. Hubungkan ujung-ujung lilitan pertama dengan kutub-
kutub baterai. Amati lampu tersebut. Bagaimana hasil
pengamatanmu?
6 . Ganti baterai tersebut dengan sumber tegangan AC 6 Volt.
Amati lampu tersebut. Bagaimanakah hasil peng-
amatanmu?
Analisis dan diskusi
1. Apakah transformator berfungsi baik pada tegangan
searah maupun bolak-balik?
2. Dua lilitan kawat tersebut tidak bersentuhan, sehingga
tidak ada arus yang mengalir dari kawat pertama ke
kawat kedua. Darimanakah arus yang timbul pada kawat
kedua?
Transformator sederhana terdiri
atas
dua kumparan kawat,
yaitu kumparan primer
dan kumparan sekunder
.
Kumparan
tersebut dililitkan pada inti besi, seperti
Gambar 12.13
. Pada
saat arus bolak-balik melalui kumparan primer, kumparan
tersebut dan inti besi menjadi bersifat magnet. Karena arusnya
berubah-ubah (arus bolak-balik), maka medan magnet yang
dihasilkan juga berubah. Perubahan medan magnet ini meng-
hasilkan arus induksi pada kumparan sekunder.
Kumparan
primer
Input AC
Kumparan
sekunder
Tegangan
lebih tinggi
Inti besi
Kumparan
primer
Input AC
Inti besi
Tegangan
lebih rendah
Kumparan
sekunder
(a)
(b)
Gambar 12.13
Bagan transformator.
(a) Transformator
step
up
menaikkan tegangan,
(b) Transformator
step
down
menurunkan
tegangan.
Bab 12 Elektromagnetik
233
Arus induksi yang terjadi pada kumparan sekunder
menunjukkan pada ujung-ujung kumparan sekunder terjadi
beda potensial. Jika beda potensial pada kumparan sekunder
lebih besar daripada beda potensial kumparan primer, maka
transformator tersebut merupakan transformator penaik
tegangan
(step up).
Sebaliknya jika beda potensial kumparan
sekunder lebih kecil daripada beda potensial kumparan primer,
maka transformator tersebut merupakan transformator
penurun tegangan
(step down).
Besar beda potensial pada kumparan sekunder bergantung
pada jumlah lilitan kumparan sekunder dibandingkan dengan
jumlah lilitan pada kumparan primer. Jika jumlah lilitan pada
kumparan sekunder semakin banyak, maka beda potensial
pada kumparan sekunder juga semakin besar. Sebaliknya jika
jumlah lilitan pada kumparan sekunder semakin sedikit, maka
beda potensial pada kumparan sekunder juga semakin kecil.
Secara matematis hubungan antara jumlah lilitan dengan beda
potensial pada kumparan transformator dapat dirumuskan
dengan
V
s
= beda potensial pada kumparan sekunder ... volt
V
p
= beda potensial pada kumparan primer ....... volt
N
s
= jumlah lilitan kumparan sekunder
N
p
= jumlah lilitan kumparan primer
Sebuah transformator
step down
terdiri atas kumparan primer
yang memiliki 1.200 lilitan dan kumparan sekunder yang
memiliki 40 lilitan. Jika kumparan primer dihubungkan
dengan beda potensial 220 V, maka berapa beda potensial
pada kumparan sekunder?
Diketahui :
lilitan kumparan primer,
N
p
= 1.200
lilitan kumparan sekunder,
N
s
= 40
beda potensial primer,
V
p
= 220 V
Ditanya
: beda potensial sekunder,
V
s
=
?
V
s
V
p
N
s
N
p
=
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
234
Jawab
5. Efisiensi transformator
Mungkin kamu pernah menyentuh transformator yang
baru saja dimatikan. Transformator tersebut terasa panas.
Mengapa demikian? Pada transformator,
tidak semua
energi
listrik pada kumparan primer (energi masukan) dipindahkan
ke kumparan sekunder (energi keluaran) melalui induksi
elektro
magnetik. Sebagian energi tersebut berubah menjadi
energi
panas akibat adanya hambatan pada kawat dan arus
induksi pada inti besi. Arus induksi yang timbul ini disebut
arus putar atau arus Eddy. Agar hilangnya energi akibat arus
Eddy dapat dikurangi, maka inti transformator dibuat dari
sekumpulan lempengan-lempengan besi lunak yang disat
ukan,
seperti
Gambar 12.14
.
Gambar 12.14
Arus putar yang timbul
di dalam inti besi
menyebabkan inti besi
tersebut menjadi panas,
dan mengurangi
efisiensi transformator.
(Sumber: Physics for You. Johnson,
Keith)
V
s
V
p
N
s
N
p
=
V
s
220
V
40
1.200
=
dengan perkalian silang diperoleh
V
s
×
1.200 =
40
×
220 V
V
s
=
= 7,3 V
Jadi, beda potensial kumparan sekunder sebesar 7,3 V.
40
×
220 V
1.200
Bab 12 Elektromagnetik
235
Untuk menyatakan seberapa besar perbandingan energi
keluaran dibandingkan dengan energi masukan pada trans-
formator, kita dapat menggunakan istilah efisiensi. Jika semakin
besar efisiensi sebuah transformator, maka semakin sedikit
energi
listrik yang terbuang dari transformato
r menjadi energi
panas. Sebaliknya semakin kecil efisiensinya, maka semakin
besar
energi listrik yang berubah menjadi
energi
panas. Karena
energi keluaran tidak mungkin melebihi energi masukan, maka
harga efisiensi maksimum transformator adalah 100%.
Untuk transformator ideal (efisiensi 100%), energi listrik
pada kumparan primer dipindahkan seluruhnya ke kumparan
sekunder, atau
W
P
=
W
S
V
P
×
I
P
×
t
=
V
S
×
I
S
×
t
atau
Karena beda potensial sebanding dengan jumlah lilitan,
maka untuk transformator ideal berlaku
dengan
I
p
= kuat arus pada kumparan primer .... Ampere (A)
I
s
= kuat arus pada kumparan sekunder .. Ampere (A)
Sebuah transformator memiliki jumlah lilitan primer sebesar
900 lilitan dan kumparan sekunder 300 lilitan. Kumparan
sekunder
menghasilkan beda potensial 200 V. Ujung-ujung
kumparan
sekunder dihubungkan dengan pemanas
berhambatan 20 ohm. T
entukan kuat arus primernya.
Diketahui :
lilitan kumparan primer,
N
p
= 900
lilitan kumparan sekunder,
N
s
= 300
V
p
V
s
I
s
I
p
=
I
P
I
S
N
s
N
p
=
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
236
beda potensial primer,
V
s
= 220 V
hambatan,
R
= 20 ohm
Ditanya
: kuat arus primer,
I
p
?
Jawab
I
s
ditentukan dengan hukum ohm
Sebuah pemanggang kue
110 V hendak digunakan,
namun tegangan jala-jala
rumah tersebut 220 V.
Karena itu pemiliknya
menggunakan transformator
step down yang sesuai
untuk
maksud tersebut. Jika
hambatan pemanggang
tersebut 440 ohm, maka
tentukan kuat arus pada
kumparan primernya.
Setelah kamu mempelajari penggunaan transformator,
maka kamu dapat menjelaskan bagaimana cara “pengiriman”
listrik dari pembangkit listrik hingga sampai ke rumahmu.
Agar energi listrik tidak banyak terbuang saat melalui kawat
dari tempat yang jauh di pembangkit listrik menuju rumahmu,
maka beda potensialnya dinaikkan hingga beberapa puluh atau
ratus ribu volt dengan menggunakan transformator
step up
.
Sesampainya di dekat rumahmu, beda potensial listrik diturun-
kan lagi menjadi 220 V dengan menggunakan trans
formator
step down
.
dengan perkalian silang diperoleh
I
p
×
900
=
10 A
×
300
I
p
=
= 3,3 A
Jadi, beda potensial kumparan primer sebesar 3,3 A.
I
s
V
s
R
=
I
s
200
V
20 ohm
=
7,3
V
=
I
P
I
S
N
s
N
p
=
300
900
I
P
10A
=
Bab 12 Elektromagnetik
237
Tulis jawaban pada buku kerjamu.
1. Apakah yang dimaksud dengan induksi elektromagnetik?
2 . Sebuah transformator hendak digunakan untuk mengubah
tegangan bolak-balik 120 V menjadi 6 V. Berapakah per-
bandingan jumlah lilitan
output
(sekunder) terhadap lilitan
input
transformator yang harus digunakan?
3 . Sebuah transformator memiliki 20 lilitan primer dan 80 lilitan
sekunder untuk menyalakan lampu. Manakah yang lebih
besar, kuat arus primer ataukah kuat arus sekundernya?
2
Lengkapi peta konsep berikut dengan kata-kata:
sumber energi
,
kincir air, transformator step down, transformator step up,
dan
kipas angin;
sehingga proses perubahan energi kinetik
air terjun menjadi energi kinetik putaran kipas di
rumahmu dapat dipahami.
Turbin
( . . . . .)
. . . . .
(mengubah energi kinetik menjadi energi listrik)
. . . .
(men
aikkan tegangan AC)
. . . .
(men
urunkan tegangan AC)
. . . .
(mengubah energi listrik menjadi energi kinetik)
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
238
1. Arus listrik yang mengalir pada kawat akan menghasilkan medan magnet di
sekitar kawat itu. Arah medan magnet bergantung pada arah arus.
2. Elektromagnet adalah kumparan kawat dengan inti bahan magnetik. Jika
elektromagnet dialiri arus, maka elektromagnet itu berlaku seperti magnet batang,
kutub utara dan selatan magnet terletak pada ujung-ujungnya. Jika arus diputus,
maka elektromagnet tidak lagi bersifat magnet.
3. Jika kawat berarus terletak dalam medan magnet, maka kawat tersebut men-
dapatkan gaya Lorentz.
4. Beberapa penerapan gejala kemagnetan oleh arus listrik misalnya untuk
mengangkat benda-benda logam yang berat, pada motor listrik, alat ukur listrik,
bel listrik, dan pengeras suara.
5. Jika terdapat perubahan medan magnet dalam sebuah kumparan, maka timbul
arus induksi dalam kumparan itu. Peristiwa ini disebut induksi elektromagnetik.
6. Pada generator, induksi elektromagnetik diterapkan untuk mengubah energi
kinetik menjadi energi listrik.
7. Transformator digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik
bolak-balik (AC).
8. Pada transformator penaik tegangan (
step up
), jumlah lilitan kumparan
sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan kumparan primer.
9. Pada transformator penurun tegangan (
step down
), jumlah lilitan kumparan
sekunder lebih sedikit daripada jumlah lilitan kumparan primer.
10. Efisiensi transformator menunjukkan perbandingan energi keluaran terhadap
energi masukan pada transformator itu.
Bab 12 Elektromagnetik
239
valuasi
E
1. Kegiatan yang tidak menambah ke-
kuatan elektromagnet adalah ....
a. memperbesar arus listrik
b . mengubah arah arus listrik
c. memberi inti besi pada kumparan
d. menambah jumlah lilitan
2. Peralatan yang memiliki magnet tetap
serta kumparan yang terus berputar
karena arah arus listriknya berubah-
ubah adalah ....
a. bel listrik
c. galvanometer
b . solenoida
d.
motor listrik
3 . Ilmuwan yang menemukan arus listrik
dapat menghasilkan medan magnet
adalah ....
a. Faraday
c.
Henry
b . Oersted
d. a
dan c benar
4. Peristiwa timbulnya arus listrik akibat
perubahan medan magnet disebut ....
a. induksi elektromagnetik
b. elektromagnetik
c. transformator
d. generator
5. Generator dapat dipandang sebagai
kebalikan dari ....
a. galvanometer
b. transformator
c. motor listrik
d. elektromagnet
A. Pengecekan Konsep
6 . Sebelum arus listrik PLN dari jaringan
transmisi memasuki rumahmu, arus
tersebut melalui ....
a. komutator
b . transformator
step up
c. transformator
step down
d. voltmeter
7. Alat-alat di bawah ini menggunakan
prinsip kerja elektromagnetik,
kecuali
....
a. bel listrik
c.
relai
b . telepon
d.
setrika listrik
8. Sebuah transformator dihubungkan
dengan tegangan 120 volt. Jika lilitan
primernya 40 dan lilitan sekundernya
160, maka besar tegangan sekunder
adalah ....
a. 30 volt
c. 480 volt
b . 160 volt
d. 640 volt
9. Di bawah ini kegunaan induksi
elektromagnetik,
kecuali ....
a. menimbulkan arus induksi
b . mengubah arus bolak-balik
c. mengubah energi gerak menjadi
energi listrik
d. membangkitkan gaya gerak listrik
induksi
10. Gaya Lorentz yang terjadi pada kawat
lurus berarus listrik dapat diperbesar
dengan cara ....
a. memperpendek kawat
b . memperbesar kuat arus
c. diberi magnet yang lemah
d. memperbesar diameter kawat
Pilih salah satu jawaban yang tepat. Tulis jawaban pada buku kerjamu.
Mari Belajar IPA 3 untuk SMP/MTs Kelas IX
240
1. Jelaskan apa saja yang digunakan
untuk membuat galvanometer dan
motor listrik. Apa yang diperlukan
untuk membuat motor listrik, namun
tidak diperlukan dalam pembuatan
galvanometer? Mengapa alat tersebut
diperlukan?
2. Transformator menurunkan tegangan
1200 V menjadi 120 V. Jika kumparan
primer memiliki 100 lilitan, berapakah
jumlah lilitan kumparan sekundernya?
Buat daftar materi dalam bab ini yang kamu pahami.
Buat daftar materi dalam bab ini yang tidak kamu
pahami. Tanyakan materi tersebut pada gurumu.
Buat resume materi bab ini berdasarkan pemah
amanmu.
B. Pemahaman Konsep
3. Jelaskan bagaimana bekerjanya trans-
formator. Bagaimana perbedaan
jumlah lilitan pada transformator
step
up
dan
step down
?
4. Jelaskan pentingnya transformator
dalam pengiriman energi listrik dari
pembangkit menuju rumahmu.
5. Buat diagram untuk menunjukkan
bagaimana putaran kumparan dalam
generator menghasilkan arus induksi
yang arahnya bolak-balik.
Tulis jawaban pertanyaan di bawah ini di buku kerjamu.