Halaman
Induksi Elektromagnetik
283
P
eta
K
onsep
Setelah kalian memahami peta konsep di atas, perhatikan kata-kata kunci berikut
yang merupakan kunci dan cara memahami materi ini.
•
Induksi Elektromagnetik
•
GGL Induksi
•
Garis Medan Magnet
•
Generator
•Dinamo
•Transformator
Hubungan antara Garis
Medan Magnet dengan
GGL Induksi
1. Dinamo DC
2. Dinamo AC
3. Generator
Efisiensi Trafo:
=
×100%
K
s
p
P
P
1. Trafo Step-up
2. Trafo Step-down
Karakteristik Trafo
dan Penerapannya
Prinsip Kerja
Tra nsf o r m a t o r
Prinsip Kerja
Induksi
Elektromagnetik
antara lain
didapatkan
jenisnya
menjelaskan
Untuk mempermudah memahami materi ini, perhatikan peta konsep berikut ini.
Pada suatu malam, ketika Ani sedang belajar IPA. Tiba-tiba ayah Ani
mendekat sambil bertanya kepada Ani. Apa bedanya arus listrik yang ditimbulkan
oleh sebuah baterai dengan arus listrik dari PLN? Dan menggunakan alat apakah
arus listrik dari pembangkit listrik yang bertegangan besar dapat digunakan di
rumah-rumah dengan tegangan kecil? Ani diam sejenak, terlihat dari wajahnya
bahwa ia sedang berpikir sambil menyatakan tegangan yang ditimbulkan oleh
baterai itu kecil sehingga jika kesetrum tidak menyebabkan kecelakaan yang fatal
sedang untuk PLN sebaliknya bisa terbakar dan meninggal. Oleh karena itu, untuk
PLN mestinya ada alat yang bisa menurunkan tegangan. Bagaimana prinsip kerja
alat tersebut, untuk lebih jelasnya bisa kalian pelajari pada Bab 13 ini.
Induksi
Elektromagnetik
Bab
13
K
ata
K
unci
IPA Terpadu IX
284
A. Hubungan antara Pergerakan Garis
Medan Magnet dengan Terjadinya
Gaya Gerak Listrik Induksi
A. Tujuan
Mengetahui medan magnet dapat menghasilkan arus listrik.
B. Alat dan Bahan
1. Dua buah magnet batang
2. Galvanometer
3. Dua buah solenoida yang berbeda jumlah lilitannya
C. Cara Kerja
1. Susunlah alat seperti pada gambar.
2. Gerakkan kutub utara magnet batang masuk ke dalam
kumparan. Amatilah jarum galvanometer, lihat gambar (a),
apa yang terjadi?
3. Diamkan magnet batang di dalam kumparan, amati
galvanometer, apa yang terjadi?
4. Gerakkan kutub utara magnet batang keluar dari kumparan.
Amati apa yang terjadi pada jarum galvanometer, lihat
gambar (b).
5. Ulangi dengan menggerakkan magnet batang masuk-keluar
terus menerus. Amati jarum galvanometer, apa yang terjadi.
6. Ulangi langkah-langkah tersebut dengan mengganti magnet
batang yang lebih kuat. Amati terus jarum galvanometer,
apa yang terjadi.
Kegiatan
(b)
(a)
Induksi Elektromagnetik
285
7. Ulangi langkah-langkah tersebut dengan mengganti solenoida
yang lebih banyak jumlah lilitannya. Amati apa yang terjadi
pada jarum galvanometer.
8. Apabila yang digerakkan masuk-keluar adalah kutub selatan
magnet batang. Bagaimana arah penyimpangan jarum
galvanometer.
D. Hasil Pengamatan
Bagaimana kesimpulan kalian dari kegiatan di atas jika dikaitkan
pengaruh medan dengan pergerakan galvanometer?
Kalian telah mengetahui bahwa ada beberapa
bentuk energi antara lain: energi kalor, energi kimia,
energi cahaya, energi bunyi, dan energi listrik. Di antara
bentuk-bentuk energi tersebut, energi listriklah yang
paling mudah diubah menjadi bentuk energi lain. Oleh
karena itu, energi listrik banyak digunakan untuk
kepentingan manusia. Energi listrik diperoleh dari
mesin pembangkit listrik yaitu generator.
Generator menghasilkan energi listrik dengan
beda tegangan yang sangat tinggi yaitu dalam orde
megavolt, oleh sebab itu sebelum sampai ke rumah-
rumah perlu ada alat penurun tegangan. Alat yang
digunakan adalah trafo atau transformator. Dasar
kerja trafo dan generator adalah induksi
elektromagnetik.
Terjadinya GGL Induksi
Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernama
Michael Faraday
(1991 – 1867) memiliki gagasan
dapatkah medan magnet menghasilkan arus listrik?
Gagasan ini didasarkan oleh adanya penemuan dari
Oersted bahwa arus listrik dapat menghasilkan
medan magnet.
Karena termotivasi oleh gagasan tersebut
kemudian pada tahun 1822,Faraday memulai
melakukan percobaan-percobaan. Pada tahun 1831
Faraday berhasil membangkitkan arus listrik dengan
menggunakan medan magnet.
IPA Terpadu IX
286
Alat-alat yang digunakan Faraday dalam
percobaannya adalah gulungan kawat atau kumparan
yang ujung-ujungnya dihubungkan dengan
galvanometer. Jarum galvanometer mula-mula pada
posisi nol. Kalian pasti sudah mengetahui, bahwa
galvanometer adalah sebuah alat untuk menunjukkan
ada atau tidaknya arus listrik di dalam rangkaian.
Percobaan Faraday untuk menentukan arus listrik
dengan menggunakan medan magnet, dilakukan antara
lain seperti kegiatan di atas. Pada kegiatan tersebut
diketahui bahwa ketika kutub utara magnet bergerak
ke dalam kumparan maka jarum galvanometer,
menyimpang ke kanan. Ketika magnet ditarik dari dalam
kumparan maka jarum galvanometer menyimpang ke
kiri. Pada saat kutub selatan bergerak masuk ke dalam
kumparan, jarum galvanometer akan menyimpang ke
kiri, sedangkan ketika kutub selatan ditarik dari dalam
kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan.
Dari hasil percobaan di atas maka dapat diambil
kesimpulan bahwa arus induksi yang timbul dalam
kumparan arahnya bolak-balik seperti yang
ditunjukkan oleh penyimpangan jarum galvanometer
yaitu ke kanan dan ke kiri.
Karena arus induksi selalu bolak-balik, maka
disebut arus bolak-balik (AC =
Alternating Current
).
Faraday menggunakan konsep garis gaya magnet
untuk menjelaskan peristiwa di atas.
Perhatikan Gambar 13.1!
1. Magnet didekatkan pada kumparan maka gaya
yang melingkupi kumparan menjadi bertambah
banyak, sehingga pada kedua ujung kumparan
timbul gaya gerak listrik (GGL).
2. Magnet dijauhkan terhadap kumparan maka garis
gaya yang melingkupi kumparan menjadi
berkurang, kedua ujung kumparan juga timbul GGL.
3. Magnet diam terhadap kumparan, jumlah garis
gaya magnet yang melingkupi kumparan tetap,
sehingga tidak ada GGL.
Kesimpulan percobaan di atas adalah:
Timbulnya gaya listrik (GGL) pada kumparan hanya
apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya
magnet.
Induksi Elektromagnetik
287
SU
Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya
perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut
GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir
dinamakan arus induksi dan peristiwanya disebut
induksi elektromagnetik.
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besar
GGL induksi yaitu:
1. Kecepatan perubahan medan magnet.
Semakin cepat perubahan medan magnet, maka
GGL induksi yang timbul semakin besar.
2. Banyaknya lilitan
Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi
yang timbul juga semakin besar.
3. Kekuatan magnet
Semakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGL
induksi yang timbul juga semakin besar.
Untuk memperkuat gejala kemagnetan pada
kumparan dapat dengan jalan memasukkan inti besi
lunak.
GGL induksi dapat ditimbulkan dengan cara lain
yaitu:
1. Memutar magnet di dekat kumparan atau
memutar kumparan di dekat magnet. Maka kedua
ujung kumparan akan timbul GGL induksi.
2. Memutus-mutus atau mengubah-ubah arah arus
searah pada kumparan primer yang di dekatnya
terletak kumparan sekunder maka kedua ujung
kumparan sekunder dapat timbul GGL induksi.
Gambar 13.1
Gaya gerak listrik timbul akibat perubahan garis
gaya magnet
IPA Terpadu IX
288
3. Mengalirkan arus AC pada kumparan primer,
maka kumparan sekunder didekatkan dapat
timbul GGL induksi. Arus induksi yang timbul
adalah arus AC dan gaya gerak listrik induksi
adalah GGL AC.
B. Prinsip Kerja Dinamo dan Generator
Kalian sudah mengetahui bahwa terjadinya arus
induksi dan GGL induksi antara lain dengan cara
kutub magnet digerakkan di dekat kumparan atau
kumparan digerakkan di dekat kutub magnet. Karena
kita menggerakkan kutub magnet berarti terdapat
energi gerak atau energi kinetik.
Jadi, dalam proses terjadinya arus induksi
terdapat perubahan energi gerak menjadi energi
listrik. Akibat gerakan magnet di dalam suatu
kumparan menimbulkan arus induksi yang secara
langsung adanya energi lisrik yang ditimbulkan.
Beberapa contoh peralatan yang digunakan
dalam kehidupan sehari-hari sebagai penerapan GGL
induksi di antaranya adalah generator dan dinamo.
1. Dinamo
Bagian utama dinamo, lihat Gambar 13.2, adalah
a. Sebuah kumparan (C)
b. Sebuah cincin geser (A)
c. Sikat (B)
d. Magnet
Gambar 13.3
Dinamo dengan prinsip kumparan berputar
Induksi Elektromagnetik
289
Sedangkan langkah-langkah kerja dinamo adalah
sebagai berikut:
a. Sebuah kumparan berputar dalam medan
magnet.
b. Tiap-tiap ujung kawat kumparan dihubungkan
dengan sebuah “cincin geser”.
c. Cincin geser tersebut menempel sebuah sikat.
d. Bila kumparan diputar maka dalam kumparan itu
timbul GGL AC. GGL AC ini menimbulkan arus
AC di dalam rangkaian dinamo.
2. Dinamo Arus Searah
Dinamo arus bolak-balik dapat diubah menjadi
dinamo arus searah dengan menggunakan cincin
belah atau komutator seperti pada motor listrik, lihat
gambar 13.3!
Dinamo arus searah pada prinsipnya sama
dengan motor arus searah. Jadi dinamo arus searah
dapat dipakai sebagai motor arus searah. Demikian
pula sebaliknya.
3. Generator
Bagian utama generator, lihat Gambar 13.4, adalah:
a. Magnet
Untuk generator pembangkit tenaga listrik yang
besar biasanya menggunakan lebih dari satu magnet
yang berputar. Magnet yang digunakan biasanya
magnet listrik.
U
Sikat
Cincin belah
(komutator)
Kumparan
Gambar 13.3
Dinamo arus searah
IPA Terpadu IX
290
b. Rotor
Rotor adalah bagian generator yang berputar.
c. Stator
Stator adalah bagian generator yang tidak
berputar.
Arus yang ditimbulkan oleh generator juga arus
bolak-balik. Seperti yang kalian ketahui bersama
bahwa arus yang digunakan di rumah-rumah atau
di pabrik-pabrik bersifat arus bolak-balik, bukan?
C. Prinsip Kerja Transformator (Trafo)
Transformator adalah sebuah alat untuk
menaikkan atau menurunkan tegangan arus bolak-
balik. Transformator sering disebut
trafo
. Sebuah
transformator terdiri atas sebuah inti besi. Pada inti
besi digulung dua lilitan, yaitu kumparan primer dan
kumparan sekunder, lihat Gambar 13.5!
+
–
U
U
S
S
Gambar 13.4
Generator arus bolak-balik yang menggunakan
lebih dari satu magnet
Induksi Elektromagnetik
291
Kumparan sekunder
Kumparan primer
Sumber
tegangan
bolak-
balik
Prinsip kerja tranformator
adalah sebagai berikut.
1. Kumparan primer dihubung-
kan kepada sumber tegangan
yang hendak diubah besar-
nya. Karena tegangan primer
itu tegangan bolak-balik, maka
besar dan arah tegangan itu
berubah-ubah.
2. Dalam inti besi timbul medan
magnet yang besar dan
arahnya berubah-ubah pula.
Perubahan medan magnet ini
menginduksi tegangan bolak-
balik pada kumparan sekunder.
Dari sebuah percobaan dapat ditunjukkan, bahwa:
1. Perbandingan antara tegangan primer,
V
p
,
dengan tegangan sekunder,
V
s
sama dengan
perbandingan antara jumlah lilitan primer,
N
p
, dan
lilitan sekunder,
N
s
.
2. Perbandingan antara kuat arus primer,
I
p
, dengan
kuat arus sekunder,
I
s
, sama dengan
perbandingan jumlah lilitan sekunder dengan
lilitan primer.
Gambar 13.5
Transformator
Info
MEDIA
Pada tahun 1831, Faraday
menemukan bahwa penghentian
atau pengaliran arus dalam salah
satu kawat pada cincin besi ini
menyebabkan dorongan singkat
dari arus di kawat lainnya. Cincin
yang sekarang jadi terkenal ini
sebenarnya sama dengan trans-
formator modern yang tercipta
160 tahun kemudian.
IPA Terpadu IX
292
Dari kedua pernyataan tersebut dapat dituliskan
secara singkat dengan persamaan sebagai berikut:
V
p
:
V
s
=
N
p
:
N
s
I
p
:
I
s
=
V
s
:
V
p
I
p
:
I
s
=
N
s
:
N
p
Atau dapat ditulis:
ss
VN
=
VN
pp
p
s
sp
V
I
VI
=
p
s
sp
N
I
NI
=
Ada dua hal perlu dipahami untuk transformator
ini, yaitu:
1. Transformator hanya digunakan untuk menaikkan
atau menurunkan tegangan arus bolak-balik (AC)
dan tidak untuk arus searah (DC).
2. Transformator tidak dapat memperbesar daya
listrik yaitu tidak dapat memperbesar banyaknya
daya yang masuk ke dalam transformator
tersebut.
Efisiensi Tranformator
Kalian sudah mengetahui persamaan-persamaan
yang berlaku pada transformator. Persamaan di atas
dan didasarkan atas efisiensi transformator dianggap
seratus persen. Tetapi kenyataan sehari-hari efisiensi
transformator selalu kurang dari seratus persen.
Mengapa demikian? Selama penggunaan trans-
formator, besarnya daya yang dikeluarkan oleh
kumparan sekunder selalu lebih kecil daripada daya
yang diterima oleh kumparan primer.
Hal ini disebabkan selama transformator
digunakan ada sebagian energi listrik yang berubah
menjadi kalor. Dengan kata lain energi listrik yang
keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada
energi yang masuk ke dalam transformator.
Agar diperoleh efisiensi mendekati 100% pada
penggunaan transformator, biasanya dilakukan cara-
cara sebagai berikut:
1. Diberi bahan pendingin.
2. Untuk mengurangi panas, membuat inti besi untuk
transformator berbentuk pelat atau lempengan.
Induksi Elektromagnetik
293
3. Mengalirkan udara dingin, misal dengan
air
conditioning
atau kipas angin.
Selama 1 sekon, kumparan primer tranformator
menerima energi dari sumber yang akan diubah
sebesar
W
p
=
V
p
I
p
t
joule. Selama
t
sekon
transformator tersebut juga melepas energi melalui
kumparan sekunder sebesar
W
s
=
V
s
I
s
t
joule.
Efisiensi tranformator,
K
, adalah persentase
harga perbandingan antara besar energi yang dilepas
transformator tiap sekon pada kumparan sekunder
dengan energi yang diterima transformator setiap
sekon pada kumparan primer. Energi tiap sekon
disebut daya. Oleh karena itu, efisiensi dapat
dinyatakan dalam perbandingan daya sekunder,
P
s
dan daya primer,
P
p
, kali 100 % dan dapat ditulis
Efisiensi =
daya sekunder
daya primer
× 100%
K
=
s
p
P
P
× 100 %
Karena
P
=
VI
maka:
K
=
ss
pp
VI
VI
× 100 %
Contoh soal:
Sebuah transformator dihubungkan dengan
tegangan 200 V dapat menghasilkan tegangan 40
V. Jika kumparan input berjumlah 1100 lilitan.
Berapakah kumparan outputnya?
Penyelesaian:
Diketahui:
V
p
=200 V
V
s
=40 V
N
p
= 1100 lilitan
Ditanya:
N
s
= . . . ?
Jawab :
ss
VN
=
VN
pp
IPA Terpadu IX
294
D. Karakteristik Transformator dan
Penerapannya
Ada dua transformator, yaitu:
1. Transformator
step-up
(transformator penaik
tegangan)
2. Transformator
step-down
(transformator
penurun tegangan)
Ciri-ciri kedua jenis trafo adalah:
1. Trafo
step-up
a. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih
kecil dari jumlah lilitan kumparan sekunder,
(
N
p
<
N
s
)
b. Tegangan primer selalu lebih kecil dari
tegangan sekunder, (
V
p
<
V
s
)
c. Kuat arus primer selalu lebih besar dari kuat
arus sekunder, (
I
p
>
I
s
)
2. Trafo
step-down
a. Jumlah lilitan kumparan primer selalu lebih
besar dari jumlah lilitan kumparan sekunder,
(
I
p
>
N
s
)
b. Tegangan primer selalu lebih besar dari
tegangan sekunder (
V
p
>
V
s
)
c. Kuat arus primer selalu lebih kecil dari kuat
arus sekunder, (
I
p
<
I
s
)
Salah satu contoh penggunaan trans-
formator adalah pada pesawat penerima
radio jenis “tabung”.
200 V
40 V
=
s
1100 lilitan
N
200
s
N
= (40 x 1100) lilitan
s
N
= 220 lilitan
Induksi Elektromagnetik
295
Refleksi
Rangkuman
1. Beberapa faktor yang mempengaruhi gaya gerak listrik (GGL)
induksi:
a. kecepatan perubahan medan magnet
b. banyaknya lilitan
c. kekuatan magnet.
2. GGL induksi dapat ditimbulkan dengan cara:
a. memutar magnet di dekat kumparan atau memutar
kumparan di dekat magnet.
b. mengubah arah arus searah pada kumparan primer.
c. mengalirkan arus AC pada kumparan primer
3. Penerapan ggl induksi pada generator dan dinamo.
4. Bagian-bagian dinamo: sebuah kumparan, sebuah cincin geser,
sikat, dan magnet.
5. Bagian-bagian generator: magnet, rotor, dan stator.
6. Transformator: alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan
arus bolak-balik.
7. Persamaan-persamaan pada transformator:
pp
s
sp s
VN
I
VIN
8. Efisiensi transformator
s
p
ss
pp
100%
100%
u
u
K
K
P
P
VI
VI
Sekarang ini umumnya orang lebih suka membawa kartu kredit atau
kartu ATM daripada membawa uang tunai dengan alasan lebih praktis
dan lebih aman. Kartu kredit dan kartu ATM merupakan contoh
penerapan prinsip induksi elektromagnetik. Sebagai bahan refleksi,
jelaskan cara kerja kartu kredit atau ATM berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetik!
IPA Terpadu IX
296
A. Pilihlah satu jawaban yang benar dengan memberi tanda
silang (X) pada huruf
a, b, c,
atau
d
!
1. Arus induksi adalah berupa . . . .
a. arus searah
b. arus bolak-balik
c. arus DC
d. arus DC dan AC
2. Timbulnya gaya gerak listrik pada kedua ujung kumparan disebabkan
terjadi perubahan . . . .
a. tegangan
b. jumlah garis gaya magnet
c. jumlah lilitan
d. arus listrik
3. Berikut ini yang bukan merupakan faktor yang mempengaruhi besar
GGL induksi yaitu . . . .
a. banyaknya lilitan
b. kecepatan perubahan medan magnet
c. kekuatan magnet
d. masalah lilitan kumparan
4. Apabila
V
p
= tegangan primer,
V
s
= tegangan sekunder,
I
p
= kuat
arus primer dan
I
s
= kuat arus sekunder, maka hubungan yang
benar adalah . . . .
a.
p
s
s
p
V
I
=
VI
b.
pp
ss
VI
VI
=
c.
V
p
=
p
s
s
VI
I
d.
V
s
=
p
s
s
VI
I
Uji Kompetensi
Induksi Elektromagnetik
297
5. Pada trafo
step-up
yang
tidak benar
adalah . . . .
a. jumlah lilitan primer lebih kecil dari jumlah lilitan sekunder
b. tegangan primer lebih kecil dari tegangan sekunder
c. kuat arus primer lebih kecil dari kuat arus sekunder
d. kuat arus primer lebih besar dari pada kuat arus sekunder
6. Berikut ini adalah rumus efisiensi transformator adalah . . . .
a.
p
s
100%
u
K
E
E
b.
s
p
100%
u
K
E
E
c.
pp
ss
100%
u
K
VI
VI
d.
ss
pp
100%
u
K
VI
VI
7. Fungsi trafo
step-down
adalah . . . .
a. menurunkan tegangan
b. menaikkan tegangan
c. menetapkan tegangan
d. mengubah-ubah tegangan
8. Yang merupakan ciri trafo
step-up
adalah . . . .
a.
N
p
<
N
s
b.
I
p
<
I
s
c.
V
p
<
V
s
d.
I
p
>
I
s
9. Ciri trafo
step-up
adalah . . . .
a.
N
p
>
N
s
b.
I
p
>
I
s
c.
I
p
<
I
s
d.
V
p
>
V
s
10. Transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkan
tegangan . . . .
a. bolak-balik
b. bolak-balik dan searah
c. searah saja
d. sekunder saja
IPA Terpadu IX
298
B. Jawablah pertanyaan berikut dengan singkat dan jelas!
1. Sebuah trafo dihubungkan dengan tegangan 220 volt sehingga
mengalir arus listrik 0,25 A. Jika kuat arus yang keluar dari trafo
adalah 2 A, maka tentukan besar tegangan keluaran trafo tersebut!
2. Sebuah transformator dihubungkan dengan tegangan 200 V
menghasilkan tegangan 20 V. Jika kumparan input 1000 lilitan, maka
hitunglah jumlah lilitan kumparan output!
3. Sebuah trafo menggunakan kumparan dengan perbandingan jumlah
lilitan primer dan sekunder 1:5. Trafo tersebut dihubungkan dengan
tegangan 30 volt. Jika daya keluaran trafo 50 watt, maka tentukan
besar arus sekundernya!
4. Energi masukan dan keluaran dari sebuah trafo adalah 10.000 joule
dan 9000 joule. Tentukan efisiensi trafo!
5. Sebuah trafo dihubungkan dengan sumber 200 volt dan mengalir
arus listrik sebesar 0,2 ampere. Bila tegangan (GGL) keluaran dan
efisiensinya masing-masing 100 volt dan 80 %. Tentukan kuat arus
keluaran!
Proyek
Carilah informasi tentang prinsip induksi elektromagnetik pada
kartu ATM atau kartu kredit disertai gambar yang mendukung
informasi tersebut. Kumpulkan dalam bentuk kliping dan multimedia
untuk dipresentasikan di depan kelas!