Halaman
Induksi Elektromagnetik
175
VIII
Induksi Elektromagnetik
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
1234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901
Tenaga listrik dapat dibangkitkan dengan generator. Apa hubungannya generator dengan
induksi elektromagnetik? Arus listrik bagaimana yang dapat dihasilkan beberapa tiang listrik
ada yang dipasangi alat yang disebut transformator. Apa gunanya transformator.
Mari kita pahami penerapan konsep kemagnetan dalam kehidupan sehari-hari. Dalam
pembelajaran bab ini, kamu dapat menjelaskan prinsip kerja beberapa alat berdasarkan prinsip
induksi elektromagnetik.
176
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
Kata Kunci
Generator
>
>
Generator AC
>
Generator DC
>
Banyaknya
lilitan kumparan
>
Kecepatan
gerak magnet
>
Kuat medan
magnet
>
Ggl Induksi
Induksi
Elektromagnetik
Transformator
>
>
Step Up
>
Step Down
• generator
• induksi
• ggl
• transformator
dipengaruhi oleh
penerapan
penerapan
terdiri dari
terdiri dari
Induksi Elektromagnetik
177
A. Gaya Gerak Listrik Induksi
Agar dapat memahami bagaimana terjadinya induksi elektro-
magnetik, mari kita lakukan percobaan
Faraday
pada kegiatan
berikut!
Kegiatan 8.1
Percobaan Faraday
Alat dan bahan:
Sebuah kumparan yang mempunyai lilitan banyak, sebuah galvanometer, dan sebuah
magnet batang.
Prosedur kerja:
1. Hubungkan ujung-ujung kumparan dengan galvanometer.
2. Gerakkan kutub utara magnet batang ke dalam kumparan (Gambar a). Amatilah jarum
galvanometer.
3. Diamkan magnet batang beberapa saat di dalam kumparan (Gambar b). Amatilah jarum
galvanometer.
4. Keluarkan kutub utara magnet batang dari kumparan (Gambar c). Amatilah jarum
galvanometer.
5. Ulangi langkah 2 sampai langkah 4 dengan mengganti kutub utara dengan kutub selatan.
Amatilah gerakan jarum galvanometer.
Jawablah pertanyaan berikut
untuk menarik kesimpulan
!
1. Apakah jarum galvanometer menyimpang ketika kamu menggerakkan magnet
memasuki kumparan? Ke arah manakah jarum galvanometer menyimpang?
2. Apakah jarum galvanometer menyimpang ketika magnet batang diam di dalam
kumparan?
3. Apakah jarum galvanometer menyimpang ketika kamu menarik magnet keluar dari
kumparan? Ke arah manakah jarum galvanometer menyimpang?
4. Apa yang terjadi dengan jarum galvanometer ketika kamu mengganti kutub utara
dengan kutub selatan magnet batang, kemudian menggerakkan ke dalam kumparan?
5. Apakah kesimpulan dari percobaan Faraday di atas?
Dari
Kegiatan 8.1
kamu dapat mengamati bahwa ketika
kamu menggerakkan kutub utara magnet batang ke dalam
kumparan, jarum galvanometer menyimpang. Akan tetapi
ketika kamu mendiamkan magnet batang beberapa saat, jarum
galvanometer kembali menunjuk ke angka nol atau tidak
menyimpang. Jarum galvanometer kembali menyimpang ketika
a
b
c
178
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
kamu menggerakkan kutub utara magnet batang keluar dari
kumparan yang berlawanan arah dengan ketika kamu meng-
gerakkan kutub utara magnet batang ke dalam kumparan.
Saat kamu mengganti kutub utara dengan kutub selatan
magnet kemudian digerakkan masuk ke dalam kumparan,
maka jarum galvanometer menyimpang dengan arah yang sama
ketika kamu mengeluarkan kutub utara magnet batang keluar
kumparan.
Apa yang menyebabkan jarum galvanometer menyimpang?
Jarum galvanometer menyimpang karena adanya arus listrik
yang mengalir dalam kumparan. Arus listrik ini mengalir karena
timbulnya beda potensial di ujung kumparan saat kamu
menggerakkan kutub magnet batang masuk atau keluar dari
kumparan.
Beda potensial yang disebabkan oleh perubahan jumlah garis
gaya magnetik yang menembus kumparan dinamakan
gaya
gerak listrik induksi
atau
ggl induksi
.
Apakah penyebab timbulnya ggl induksi? Perhatikan
Gambar 8.1
!
Ggl induksi timbul ketika magnet batang digerakkan masuk
atau keluar kumparan. Ketika magnet batang digerakkan
mendekati kumparan, jumlah garis gaya magnetik yang
menembus kumparan bertambah. Sebaliknya, ketika magnet
batang dijauhkan dari kumparan, jumlah garis gaya magnetik
yang menembus kumparan akan berkurang. Jika magnet batang
terus-menerus digerakkan masuk dan keluar kumparan, jumlah
garis gaya magnetik yang menembus kumparan terus berubah.
Perubahan jumlah garis gaya magnetik yang menembus
kumparan menyebabkan beda potensial di ujung-ujung
kumparan berbeda pula. Timbulnya beda potensial di ujung-
ujung kumparan menyebabkan arus listrik mengalir di dalam
kumparan. Arus listrik yang disebabkan oleh perubahan jumlah
garis gaya magnetik yang memotong kumparan dinamakan
arus induksi
.
Besarnya gaya gerak listrik atau tegangan yang menimbulkan
arus listrik pada percobaan Faraday sebanding dengan laju
perubahan fluks magnetik yang melalui kumparan. Kesimpulan
tersebut jika dituliskan secara matematis adalah sebagai berikut.
Gambar 8.1
Garis gaya magnetik akan bertambah jika magnet batang digerakkan
mendekati kumparan.
magnet batang
kumparan
galvanometer
U
S
garis gaya magnet
Tokoh Sains
Michael Faraday
Michael Faraday (1791-1867),
adalah seorang ahli fisika dan kimia
asal Inggris. Penemuannya yang
terkenal adalah induksi elektro-
magnetik dan hukum elektrolisis.
Penelitian awal Faraday adalah
pada bidang kimia, di bawah
bimbingan Sir Humphry Davy dan
berhasil menemukan dua jenis karbon
klorida dan benzena. Dalam pe
-
nelitiannya, Faraday juga berhasil
mencairkan beberapa jenis gas.
Pada tahun 1821, Faraday
menyelidiki medan magnet di sekitar
konduktor yang dialiri arus listrik yang
pertama kali diketahui oleh Hans
Christian Oersted pada tahun 1819.
Pada tahun 1831 Faraday menemu-
kan induksi elektromagnetik dan
menunjukkan timbulnya arus induksi
pada suatu kumparan akibat adanya
arus listrik pada kumparan yang lain.
Pada waktu yang sama, Faraday juga
sukses mengadakan penelitian dalam
bidang elektrolisis.
Sumber: Microsoft Encarta.
Induksi Elektromagnetik
179
i
EN
t
ΔΦ
=− ⋅
Δ
......... (8.1)
Keterangan:
N
=
jumlah lilitan
ΔΦ
= fluks magnetik (Weber atau Wb)
Δ
t
= perubahan waktu/selang waktu (sekon)
E
i
= ggl induksi (volt)
Tanda negatif menunjukkan arah gaya gerak listrik (ggl)
Contoh
Sebuah kumparan dengan 3.000 lilitan, terjadi perubahan fluks
magnetik 1.500 Wb selama selang waktu 2 sekon. Hitunglah
besar ggl induksinya!
Jawab:
N
= 3.000
ΔΦ
= 1.500 Wb
Δ
t
=2 sekon
E
i
= .... ?
6
1.500
3.000
2
2, 25 10
i
EN
t
ΔΦ
=− ⋅
Δ
=−
⋅
=−
⋅
Jadi di dalam kumparan tersebut timbul ggl induksi sebesar
2,25 × 10
6
volt (tanda – menunjukkan arah ggl).
Nah, apa yang terjadi ketika jumlah lilitan dalam kumparan
ditambah? Jika jumlah lilitan dalam kumparan diperbanyak,
jarum galvanometer akan menyimpang lebih jauh. Hal ini
menunjukkan bahwa arus listrik induksi yang mengalir melalui
kumparan meningkat dan ggl induksi bertambah besar.
Selain dengan memperbanyak jumlah lilitan, ggl induksi
dapat bertambah lebih besar jika kecepatan magnet yang
memasuki kumparan dipercepat.
Jadi, besar kecilnya ggl induksi bergantung pada tiga faktor
berikut.
1. Banyaknya lilitan kumparan.
2. Kecepatan gerak keluar-masuk magnet ke dalam kumparan.
3. Kuat magnet batang yang digunakan.
Dari
Kegiatan 8.1
, kamu dapat mengamati bahwa jarum
galvanometer menyimpang ke kanan ketika kamu menggerak-
kan kutub utara magnet batang memasuki kumparan, dan
jarum galvanometer menyimpang ke kiri ketika kamu meng-
gerakkan kutub utara magnet batang keluar kumparan. Jika
kamu terus menggerakkan magnet batang keluar-masuk
kumparan, jarum galvanometer akan menyimpang ke kanan
dan ke kiri secara berulang. Hal ini membuktikan bahwa arus
listrik dalam kumparan mengalir dalam dua arah, arus listrik
180
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
seperti ini dinamakan arus listrik bolak-balik atau arus AC (
Al-
ternating Current
). Sama halnya seperti arus listrik yang
berubah-ubah, polaritas tegangan pada ujung-ujung kumparan
pun ikut berubah-ubah. Tegangan yang polaritasnya selalu
berubah-ubah dinamakan tegangan listrik bolak-balik.
Kegiatan 8.2
1. Apa yang dimaksud dengan arus induksi?
2. Apa yang dimaksud dengan gaya gerak listrik induksi?
3. Apakah yang dimaksud dengan arus listrik bolak-balik itu?
4. Jelaskan faktor-faktor yang memengaruhi besar kecilnya ggl induksi!
5. Sebuah kumparan memiliki 100 lilitan. Jika dalam selang waktu 2 sekon terjadi GGL
induksi 400 volt, berapakah perubahan fluks magnetik yang terjadi dalam rangkaian
tersebut?
B. Generator
Alat-alat elektronika, seperti televisi, setrika, radio, lemari
es, dan lampu memerlukan energi listrik dapat bekerja. Nah,
listrik dihasilkan oleh mesin pembangkit listrik yang dinamakan
generator atau dinamo. Apakah generator itu?
Generator
adalah
mesin yang mengubah energi kinetik atau energi gerak menjadi
energi listrik.
Generator menghasilkan arus listrik induksi dengan cara
memutar kumparan di antara celah kutub utara-selatan sebuah
magnet. Jika kumparan diputar, jumlah garis gaya magnetik
yang menembus kumparan akan berubah-ubah sesuai dengan
posisi kumparan terhadap magnet. Perubahan jumlah garis gaya
magnetik inilah yang menyebabkan timbulnya ggl induksi di
ujung-ujung kumparan sehingga menghasilkan energi listrik.
Ada dua jenis generator, yaitu generator arus bolak-balik
yang disebut juga
alternator
dan generator arus searah. Tahukah
kamu perbedaan antara generator arus bolak-balik dan genera-
tor arus searah? Perbedaan generator arus bolak-balik dengan
generator arus searah hanyalah pada bentuk cincin yang
berhubungan dengan kedua ujung kumparan. Pada generator
arus bolak-balik terdapat dua buah cincin, dengan tiap cincin
berhubungan dengan tiap ujung kumparan. Pada generator arus
searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya
yang dinamakan cincin belah atau komutator. Perhatikan
perbedaan antara generator arus searah dan generator arus
bolak-balik pada
Gambar 8.3
!
Nah, agar kamu lebih memahami prinsip kerja generator
arus bolak-balik dan generator arus searah pelajarilah uraian
berikut dengan baik!
Gambar 8.2
Generator mengubah
energi kinetik menjadi
energi listrik.
Sumber:
Ilmu Pengetahuan Populer
Gambar 8.3
a. Generator arus bo-
lak-balik.
b
. Generator arus sea-
rah.
Sumber:
Ilmu Pengetahuan Populer
magnet
cincin gesek
kumparan
sikat karbon
cincin belah (komutator)
sikat karbon
Induksi Elektromagnetik
181
Tugas
1. Generator Arus Bolak-Balik
Perhatikan prinsip kerja dari suatu generator arus bolak-balik
sederhana pada
Gambar 8.4
! Ujung-ujung kumparan yang
berada di dalam medan magnetik terhubung pada cincin 1 dan
cincin 2 yang ikut berputar jika kumparan diputar. Cincin-cincin
tersebut terhubung dengan sikat karbon A dan B. Kedua sikat
karbon ini tidak ikut berputar bersama cincin dan kumparan.
Ketika kumparan berputar, terjadi arus listrik induksi pada
kumparan. Arus induksi ini mengalir melalui sikat karbon
sehingga lampu menyala. Saat posisi kumparan tegak lurus
terhadap arah medan magnetik, arus induksi berhenti mengalir
sehingga lampu padam. Beberapa saat setelah kumparan
melanjutkan putarannya, arus listrik induksi kembali mengalir
dalam kumparan tetapi dengan arah yang berbeda sehingga
lampu kembali menyala.
Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa generator arus
bolak-balik menghasilkan arus bolak-balik yang dinamakan arus
AC (
alternating current
). Grafik arus bolak-balik yang dihasilkan
generator arus bolak-balik dapat dilukiskan pada
Gambar 8.5
.
2. Generator Arus Searah
Perhatikan prinsip kerja generator arus searah pada
Gambar
8.6
! Generator arus searah hanya memiliki satu cincin yang
terbelah di tengahnya yang dinamakan komutator. Salah satu
belahan komutator selalu berpolaritas positif dan belahan
komutator lainnya berpolaritas negatif. Hal ini menyebabkan
arus listrik induksi yang mengalir hanya memiliki satu arah saja,
yaitu dari komutator berpolaritas positif menuju sikat karbon,
lampu, dan kembali ke komutator berpolaritas negatif. Arus
listrik yang mengalir dalam satu arah saja dinamakan arus
listrik searah atau
direct current
(DC). Grafik arus searah yang
dihasilkan generator arus searah ditunjukkan pada
Gambar 8.7
.
Dari uraian yang telah kamu pelajari, pada generator
terdapat dua bagian. Bagian yang pertama dinamakan
rotor
,
yaitu bagian-bagian generator yang bergerak, seperti kumparan
dan cincin konduktor. Bagian yang kedua dinamakan
stator
, yaitu
bagian-bagian generator yang tidak bergerak, seperti magnet
dan sikat.
Contoh generator sederhana adalah dinamo sepeda. Dinamo
sepeda mengandung kumparan kawat yang berputar di
antara dua magnet. Ketika berputar, roda sepeda akan memutar
kumparan di antara dua magnet tetap.
Carilah informasi cara kerja dinamo besarta gambar
penampang dinamo sepeda lengkap dengan bagian-
bagiannya!
Gambar 8.4
Prinsip kerja generator
arus bolak-balik.
Sumber:
Ilmu Pengetahuan Populer
magnet
kumparan
sikat
karbon
cincin gesek
rangkaian luar
Gambar 8.5
Grafik arus bolak-balik
yang dihasilkan genera-
tor arus bolak-balik.
arus
Gambar 8.6
Prinsip kerja generator
arus searah.
Sumber:
Ilmu Pengetahuan Populer
magnet
kumparan
sikat
karbon
cincin belah
(komutator)
rangkaian luar
Gambar 8.7
Grafik arus searah yang
dihasilkan generator arus
searah.
arus
182
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
Latihan 8.1
1. Apakah generator itu?
2. Jelaskan perbedaan antara generator arus bolak-balik dan generator arus searah!
3. Jelaskan prinsip kerja dari sebuah generator!
4. Gambarkan grafik arus listrik yang dihasilkan oleh generator arus bolak-balik dan gen-
erator arus searah!
5. Apakah rotor dan stator itu? Jelaskan!
C. Transformator
Pernahkah kamu memperhatikan berapa besar tegangan
yang dibutuhkan oleh sebuah radio agar dapat menyala? Jika
sebuah radio membutuhkan tegangan sebesar 9 volt, apa yang
harus dilakukan agar radio dapat menyala dengan baik jika
tegangan yang disediakan PLN sebesar 220 volt? Untuk
mengubah tegangan PLN sebesar 220 volt menjadi 9 volt kamu
dapat menggunakan transformator atau sering disingkat trafo.
Nah, pernahkah kamu melihat transformator? Perhatikan trans-
formator pada
Gambar 8.8
!
1. Prinsip Kerja Transformator
Transformator terdiri atas pasangan kumparan primer dan
sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak yang
terbuat dari plat besi yang disusun berlapis-lapis.
Prinsip dasar transformator adalah berdasarkan percobaan
yang dilakukan pertama kali oleh Faraday. Perhatikan skema
rangkaian percobaan Faraday berikut ini!
Pada
Gambar 8.9
, kamu dapat mengamati bahwa rangkaian
primer terdiri atas kumparan primer yang dililitkan di sebelah
kiri inti besi dan dihubungkan dengan sebuah aki. Rangkaian
sekunder terdiri atas kumparan sekunder yang dililitkan di
sebelah kanan inti besi dan dihubungkan dengan sebuah gal-
vanometer.
Nah, ketika arus mengalir melalui kumparan primer, arus
listrik yang mengalir pada kumparan primer berubah dari nol
ke nilai tetapnya. Arus listrik tersebut menghasilkan garis-garis
Gambar 8.8
Transformator.
Gambar 8.9
Skema rangkaian percobaan Faraday.
kumparan primer
kumparan sekunder
inti besi lunak
arus
bolak-balik
galvanometer
Induksi Elektromagnetik
183
gaya magnetik. Sesuai dengan kaidah tangan kanan, arus listrik
ini akan menghasilkan garis-garis gaya magnetik yang
memotong kumparan sekunder. Karena arus listrik dalam
rangkaian primer selalu berubah-ubah dari nol ke nilai tetapnya,
garis-garis gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder
pun berubah-ubah dari nol ke nilai tetapnya. Perubahan garis
gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder akan
membangkitkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan
sekunder. Dengan adanya arus listrik induksi yang mengalir
melalui galvanometer, jarum galvanometer akan menyimpang,
misalnya ke kanan. Setelah beberapa saat, garis gaya magnetik
sudah tetap sehingga ggl induksi pada ujung-ujung kumparan
kembali menjadi nol.
Ketika arus yang mengalir melalui kumparan primer
diputuskan, arus listrik yang mengalir pada kumparan sekunder
akan berkurang dari nilai tetapnya menuju ke nol. Hal ini
menyebabkan garis-garis gaya magnetik yang memotong
kumparan sekunder juga berkurang dari nilai tetapnya menuju
nol. Perubahan garis-garis gaya magnetik yang memotong
kumparan sekunder ini menyebabkan timbulnya ggl induksi
di ujung-ujung kumparan dengan polaritas yang berlawanan
dengan ggl induksi yang dihasilkan sebelumnya. Hal ini
menimbulkan arus induksi dengan arah yang berlawanan
dengan arah arus induksi sebelumnya sehingga jarum galva-
nometer juga menyimpang ke arah kiri.
Transformator biasanya digunakan untuk menaikkan atau
menurunkan tegangan listrik arus AC. Hal ini dapat dilakukan
dengan cara membedakan jumlah lilitan dari kumparan primer
dan kumparan sekunder. Bagaimana hubungan antara jumlah
lilitan, kuat arus dan besar tegangan dalam transformator?
Pada transformator, perbandingan tegangan sama dengan
perbandingan banyaknya lilitan. Secara matematis hubungan
antara tegangan dan banyaknya lilitan dituliskan sebagai
berikut.
pp
ss
VN
VN
=
......... (8.2)
Keterangan:
V
p
= tegangan pada kumparan primer
V
s
= tegangan pada kumparan sekunder
N
p
= banyaknya lilitan kumparan primer
N
s
= banyaknya lilitan kumparan sekunder
Dari
Persamaan (8.2)
dapat dikatakan bahwa besarnya
tegangan berbanding lurus dengan banyaknya lilitan.
Jika besarnya tegangan dan kuat arus listrik pada kumparan
primer dinyatakan dengan
V
p
dan
I
p
, maka besar daya listrik
pada kumparan primer (
P
p
) adalah sebagai berikut.
P
p
=
V
p
⋅
I
p
......... (8.3)
184
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
Jika besarnya tegangan dan kuat arus listrik pada kumparan
sekunder dinyatakan dengan
V
s
dan
I
s
, maka besar daya listrik
pada kumparan sekunder (
P
s
) adalah sebagai berikut.
P
s
=
V
s
⋅
I
s
......... (8.4)
Berdasarkan tegangan listrik yang dihasilkan, trafo dibedakan
menjadi dua macam, yaitu trafo
step up
dan trafo
step down.
Trafo
step up
adalah trafo yang menghasilkan tegangan arus
AC lebih tinggi. Bentuk dan simbol trafo
step up
ditunjukkan
pada
Gambar 8.10
. Sedangkan ciri-ciri trafo
step up
adalah
sebagai berikut.
a.
N
p
<
N
s
b.
V
p
<
V
s
c.
I
p
>
I
s
Trafo
step down
adalah trafo yang menghasilkan tegangan
arus AC lebih rendah. Simbol trafo
step down
ditunjukkan pada
Gambar 8.11
. Sedangkan ciri-ciri trafo
step down
adalah sebagai
berikut.
a.
N
p
>
N
s
b.
V
p
>
V
s
c.
I
p
<
I
s
Pada transformator ideal, efisiensi transformator dapat
dianggap 100%, hal ini berarti daya yang hilang dalam
transformator dapat diabaikan sehingga daya listrik pada
kumparan primer dapat diteruskan seluruhnya menuju
kumparan sekunder. Dengan pengertian tersebut dapat
diperoleh:
P
p
=
P
s
⇔
V
p
⋅
I
p
=
V
s
⋅
I
s
......... (8.5)
Sehingga hubungan antara besarnya tegangan dan besarnya
arus listrik dapat dituliskan sebagai berikut.
.......... (8.6)
Perbandingan tegangan pada
Persamaan (8.6)
sama dengan
perbandingan tegangan pada
Persamaan (8.2)
sehingga
hubungan antara arus listrik dengan banyaknya lilitan dapat
diperoleh sebagai berikut.
.......... (8.7)
Contoh
Sebuah radio memerlukan tegangan 9 volt dari catu daya
220 volt.
a. Jika kumparan primer trafo memiliki 440 lilitan, berapakah
jumlah lilitan yang dimiliki kumparan sekunder?
b. Jika arus 110 mA mengalir melalui radio, berapakah arus
yang ditarik dari catu daya 220 volt?
Gambar 8.10
a. Trafo step up.
b.
Simbol trafo step up.
a
kumparan
primer
kumparan
sekunder
tegangan
primer
tegangan
sekunder
inti besi lunak
220 V
12 V
b
Gambar 8.11
a. Transfo step down.
b
. Simbol trafo step
down.
b
tegangan
primer
tegangan
sekunder
kumparan
primer
kumparan
sekunder
inti besi lunak
220 V
12 V
a
Induksi Elektromagnetik
185
Jawab:
a. Dengan menggunakan
Persamaan (8.2)
diperoleh:
pp
ss
s
s
220 V
440
9 V
9 V
440
220 V
18
VN
VN
N
N
=⇔
=
⇔= ×
=
Jadi jumlah lilitan kumparan sekunder adalah 18 lilitan.
b. Dengan menggunakan
Persamaan (8.6)
diperoleh:
p
s
sp
p
p
220 V
110 mA
9 V
9 V
110 mA
220 V
4,5 mA
V
I
VI
I
I
=⇔
=
⇔=
×
=
Jadi arus yang mengalir pada kumparan primer adalah
4,5 mA.
Pada transformator energi listrik yang keluar selalu lebih kecil
daripada energi listrik yang masuk. Mengapa hal tersebut dapat
terjadi? Di kelas VII, kamu telah mempelajari hukum kekekalan
energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi
tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi
energi hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk
energi lainnya. Nah, hukum kekekalan energi ini juga berlaku
pada transformator.
Pernahkah kamu menggunakan transformator? Ketika kamu
selesai menggunakan transformator, coba kamu pegang bagian
besi yang terisolasi. Apa yang kamu rasakan? Ketika kamu
memegang bagian besi yang terisolasi setelah transformator
digunakan, kamu akan merasakan panas. Hal ini membuktikan
bahwa sebagian energi pada transformator diubah menjadi
energi panas sehingga energi listrik yang keluar dari
transformator selalu lebih kecil daripada energi yang masuk ke
transformator. Timbulnya energi panas pada transformator
tidak dapat dihindari.
Perbandingan antara daya listrik yang keluar dari trans-
formator dan daya listrik yang masuk ke transformator disebut
efisiensi transformator
. Nilai efisiensi transformator dinyatakan
dalam persentase. Efisiensi transformator dapat dinyatakan
sebagai berikut.
s
p
100%
P
P
η=
×
......... (8.8)
Keterangan:
η
=
efisiensi transformator
P
s
= daya listrik kumparan sekunder
P
p
= daya listrik kumparan primer
186
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
Karena daya listrik sama dengan hasil kali tegangan dan kuat
arus listrik, efisiensi transformator dapat juga dinyatakan sebagai
berikut.
ss
pp
100%
VI
VI
⋅
η=
×
⋅
.......... (8.9)
Keterangan:
η
=
efisiensi transformator
V
s
= tegangan sekunder (volt)
V
p
= tegangan primer (volt)
I
s
= arus pada kumparan sekunder (ampere)
I
p
= arus pada kumparan primer (ampere)
Contoh
Sebuah transformator menghasilkan daya sebesar 180 watt.
Berapakah efisiensi transformator tersebut jika daya masukan-
nya sebesar 200 watt?
Jawab:
Dengan menggunakan
Persamaan (8.8)
diperoleh:
s
p
180
100%
100% 90%
200
P
P
η=
×
=
×
=
Jadi efisiensi transformator tersebut adalah 90%.
2. Penggunaan Transformator
Setelah kamu memahami prinsip kerja transformator,
tahukah kamu bagaimana penerapan prinsip transformator
dalam kehidupan sehari-hari? Agar kamu memahaminya
pelajarilah uraian berikut dengan baik!
Transformator
step down
atau transformator yang tegangan
sekundernya lebih kecil daripada tegangan primernya sering
digunakan dalam alat-alat elektronik, seperti radio, televisi, CD
player,
tape
, dan lain-lain. Alat-alat ini membutuhkan tegangan
listrik cukup rendah, yaitu antara 3 V – 20 V arus searah (DC).
Jika kamu perhatikan, alat-alat listrik tersebut sering
dihubungkan langsung dengan listrik PLN yang mempunyai
tegangan 220 V arus bolak-balik (AC). Mengapa peralatan
tersebut tidak rusak/terbakar? Di dalam peralatan elektronik
tersebut terdapat transformator
step down
yang berfungsi untuk
menurunkan tegangan listrik. Selain transformator, juga terdapat
unit penyearah tegangan, sehingga arus bolak-balik (AC) pada
listrik PLN dapat berubah menjadi arus searah (DC) yang
diperlukan peralatan elektronik tersebut.
Transformator
step up
atau transformator yang tegangan
sekundernya lebih besar daripada tegangan primernya banyak
digunakan dalam pesawat televisi atau monitor komputer untuk
menghasilkan tegangan yang sangat tinggi. Tegangan ekstra
tinggi ini diperlukan untuk mengaktifkan tabung sinar katoda
(CRT). Jika CRT diberi tegangan ekstra tinggi, akan terpancar
Gambar 8.12
Peralatan elektronik
komputer dan radio tape
menggunakan transfor-
mator step down untuk
menurunkan tegangan
listrik.
Sumber
:
Dokumen Penerbit
Induksi Elektromagnetik
187
elektron. Pancaran elektron yang terus menerus dengan
intensitas yang berubah-ubah akan diterima pada layar pesawat
televisi sebagai gambar bergerak.
Transformator
step up
juga digunakan pada lampu TL (lampu
neon) untuk menaikkan tegangan listrik. Tegangan tinggi ini
dihubungkan ke elektroda lampu TL diberi tenganan tinggi,
akan terpancar elektron. Pancaran elektron akan menumbuk
gas yang ada dalam tabung sehingga menghasilkan sinar ultra-
violet. Sinar ini akan memancar ke segala arah dan menumbuk
lapisan fosfor pada dinding kaca tabung, sehingga menghasilkan
sinar putih yang terang.
Pada kendaraan bermotor, transformator
step up
digunakan
dalam koil untuk menaikkan tegangan listrik. Tegangan listrik
ekstra tinggi ini disalurkan ke busi sehingga menghasilkan
loncatan bunga api di dalam ruang bakar. Loncatan bunga api
akan membakar bahan bakar yang telah dicampur dengan
udara, sehingga timbul ledakan yang mendorong piston untuk
bergerak. Gerakan piston kemudian diubah menjadi gerak
berputar untuk menjalankan kendaraan bermotor.
Selain digunakan dalam alat elektronika, transformator juga
sering digunakan dalam penyaluran listrik dari pusat pem-
bangkit sampai ke rumah-rumah atau sering disebut transmisi
daya listrik jarak jauh. Perhatikan
Gambar 8.14
!
Pembangkit listrik umumnya terletak jauh dari perkotaan
dan pemukiman. Di pusat pembangkit tenaga listrik, dihasilkan
listrik dengan arus yang besar namun tegangannya tidak terlalu
tinggi (sekitar 3.000 volt). Untuk keperluan transmisi listrik jarak
jauh, tegangan listrik dinaikkan menggunakan trafo step-up
menjadi 150.000 volt. Mengapa penyaluran listrik jarak jauh
harus meng-gunakan tegangan tinggi?
Pusat pembangkit
listrik
Unit penaik
tegangan
saluran udara
tegangan ekstra
tinggi (150 kV)
Stasium
penerima
saluran
tegangan
tinggi (20 kV)
Stasium
distribusi
Jaringan
distribusi
(220 V)
Perumahan
Industri
Gedung dan
perkantoran
Unit penurun
tegangan
Gambar 8.14
Diagram transmisi daya listrik jarak jauh.
Sumber:
imadudd1n.files.wordpress.com
Gambar 8.13
Monitor komputer meng-
gunakan transformator
step up untuk menaikkan
tegangan guna meng-
aktifkan tabung sinar
katoda (CRT).
Sumber:
Dokumen Penerbit
188
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
Di negara kita, PLN menyalurkan daya listrik dari pusat
pembangkit hingga ke rumah-rumah dengan menggunakan
kabel-kabel yang dibentangkan di udara. Panjang kabel ini dapat
mencapai ratusan kilometer. Hal ini dapat menimbulkan
hambatan yang sangat besar sehingga energi listrik banyak yang
hilang. Perhatikan
Gambar 8.15
!
Nah, untuk mengurangi hilangnya energi listrik, harus
diusahakan agar arus listrik yang mengalir melalui kabel listrik
sekecil mungkin. Untuk menghasilkan arus listrik yang kecil,
pembangkit listrik harus menghasilkan tegangan yang besar.
Hal ini sesuai dengan persamaan:
P
PVI
I
V
=⋅ ⇔ =
.......... (8.10)
Daya yang hilang di perjalanan (transmisi) dapat dihitung
dengan rumus:
P
hilang
=
I
2
×
R
......... (8.11)
Dari
Persamaan (8.9)
, kamu dapat mengamati bahwa untuk
mempertahankan daya listrik dan memperkecil arus listrik,
maka tegangan listrik harus dinaikkan (karena nilai
V
berbanding terbalik dengan nilai
I
). Berdasarkan uraian tersebut,
maka PLN menyalurkan listrik setelah tegangannya dinaikkan
menggunakan transformator
step up
agar arus listrik yang
dialirkan kecil sehingga mengurangi energi yang hilang.
Transformator ini menaikkan tegangan yang dihasilkan oleh
generator besar di pusat pembangkit menjadi sekitar 150. 000
volt. Selain itu dapat memperkecil energi listrik yang hilang
dalam perjalanan, arus listrik yang rendah dapat ditransmisikan
melalui kawat yang kecil sehingga biaya pengadaan sarana
transmisi listrik menjadi lebih murah. Listrik tegangan tinggi
ini kemudian disalurkan menuju kota-kota yang letaknya jauh
dari pusat pembangkit.
Sebelum masuk kota, tegangan listrik diturunkan kembali
dengan menggunakan trafo step-down di gardu induk menjadi
sebesar 20.000 volt. Sebelum disalurkan ke industri atau rumah
tangga pelanggan, tegangan listrik kembali diturunkan dengan
trafo step-down di gardu listrik menjadi sebesar 220 volt. Untuk
keperluan menurunkan tegangan listrik ini diperlukan
transformator
step down
.
Gambar 8.15
Penyaluran listrik dari
pusat pembangkit
hingga ke rumah-rumah
menggunakan kabel-
kabel yang dibentang-
kan di udara.
Tugas
Carilah pemanfaatan transformator
step up
dan trans-
formator
step down
lainnya dalam kehidupan sehari-hari.
Kamu dapat mencari informasinya melalui perpus-takaan,
koran-koran, majalah, dan internet! Informasi yang kamu
peroleh dibuat dalam bentuk karya tulis, dan bacakan
hasilnya di depan kelas!
Gambar 8.16
Unit penurun tegangan
listrik PLN yang me-
nyalurkan dan meng-
atur tegangan listrik dari
pusat pembangkit untuk
digunakan di perumah-
an dan perkantoran.
Induksi Elektromagnetik
189
Rangkuman
• Gaya gerak listrik induksi atau ggl induksiBeda potensial yang disebabkan oleh
perubahan jumlah garis gaya magnetik yang menembus kumparan.
• Jadi, besar kecilnya ggl induksi bergantung pada tiga faktor berikut.
a. Banyaknya lilitan kumparan.
b . Kecepatan gerak keluar-masuk magnet ke dalam kumparan.
c. Kuat magnet batang yang digunakan.
• Generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik atau energi gerak menjadi energi
listrik. Ada dua jenis generator, yaitu generator arus bolak-balik yang disebut juga al-
ternator
dan generator arus searah.
• Generator arus bolak-balik menghasilkan arus bolak-balik yang dinamakan arus AC
(
Alternating Current
), sedangkan Generator arus searah menghasilkan arus searah yang
dinamakan arus DC (
Direct Current
)
• Transformator terdiri atas pasangan kumparan primer dan sekunder yang terpisah dan
dililitkan pada inti besi lunak yang terbuat dari plat besi yang disusun berlapis-lapis.
Pada transformator, perbandingan tegangan sama dengan perbandingan banyaknya
lilitan.
Dirumuskan:
pp
ss
VN
VN
=
• Besar daya listrik pada kumparan primer dan kumparan sekunder suatu transformator
adalah sebagai berikut.
Pada kumparan primer:
P
p
=
V
p
⋅
I
p
dan pada kumparan sekuner:
P
s
=
V
s
⋅
I
s
• Berdasarkan tegangan listrik yang dihasilkan, trafo dibedakan menjadi trafo
step up
dan trafo
step down.
• Efisiensi transformator adalah perbandingan antara daya listrik yang keluar dari trans-
formator dan daya listrik yang masuk ke transformator.
Dirumuskan:
Latihan 8.2
1. Apakah transformator itu?
2. Jelaskan prinsip kerja transformator!
3. Sebuah transformator digunakan untuk mengubah 240 volt AC ke 12 volt AC. Jika
kumparan primer transformator memiliki 1.000 lilitan, berapa jumlah lilitan yang
diperlukan dalam kumparan sekunder?
4. Sebuah transformator memiliki 300 lilitan dalam kumparan primernya dan 75 lilitan
dalam kumparan sekundernya. Jika arus dalam kumparan sekunder adalah 20 A,
berapakah arus listrik dalam kumparan primer?
5. Jelaskan pemanfaatan transformator dalam menyalurkan energi listrik dari pusat
pembangkit ke rumah-rumah!
190
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
1. Pembentukan arus listrik oleh suatu
perubahan medan magnet disebut ....
a.
induksi magnet
b. transformator
c.
gaya elektromagnet
d. induksi elektromagnetik
2. Di bawah ini yang
bukan
kegunaan
induksi elektromagnetik adalah ....
a. membangkitkan gaya gerak listrik
induksi
b. mengubah arus bolak-balik menjadi
arus searah
c.
menimbulkan arus induksi
d. mengubah energi gerak menjadi
energi listrik
3. Alat yang tidak menggunakan prinsip
induksi elektromagnetik adalah ....
a.
alternator
b. dinamo
c.
transformator
d. kapasitor
4. Pada generator terjadi perubahan energi ....
a.
potensial menjadi energi listrik
b . panas menjadi energi listrik
c.
gerak menjadi energi listrik
d. kimia menjadi energi listrik
Latih Kemampuan
I. Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!
8
5. Fungsi utama sebuah transformator
step up
adalah ....
a.
mengubah arus DC ke arus AC
b . mengubah arus AC ke arus DC
c.
meningkatkan arus listrik
d. meningkatkan tegangan listrik
6. Komponen yang
bukan
bagian dari
sebuah generator adalah ....
a.
medan magnet
b. cincin luncur
c.
sikat-sikat
d. resistor
7. Kumparan yang didekati dan dijauhi mag-
net menghasilkan arus. Arus induksi yang
muncul adalah ....
a.
arus AC
c.
arus searah
b . arus DC
d. tidak tentu
8. Ggl induksi yang diinduksikan dalam
suatu kumparan kawat yang diputar
dalam suatu medan magnet tidak ber-
gantung pada ....
a.
hambatan kumparan
b. kecepatan putaran
c.
banyaknya lilitan kumparan
d. kuat medan magnetik
Refleksi
Kamu telah selesai mempelajari materi
Induksi Elektromagnetik
dalam bab ini. Sebelum
melanjutkan pelajaran bab IX, lakukan evaluasi diri dengan menjawab beberapa pertanyaan di
bawah ini. Jika semua pertanyaan dijawab dengan ‘ya’, berarti kamu telah menguasai bab ini
dengan baik. Namun jika ada pertanyaan yang dijawab dengan ‘tidak’, kamu perlu mempelajari
lagi materi yang berkaitan dengan pertanyaan itu. Jika ada kesulitan atau ada hal-hal yang
sukar dimengerti, bertanyalah kepada Bapak/Ibu Guru.
1. Apakah kamu dapat menjelaskan pengertian induksi elektromagnetik dan pengaruhnya?
2. Dapatkah kamu menjelaskan faktor yang mempengaruhi besar induksi elektromagnetik?
3. Dapatkah kamu menyebutkan contoh-contoh alat yang bekerjanya memanfaatkan prinsip
induksi elektromagnetik?
4. Apakah yang kamu ketahui tentang generator? Dapatkah kamu menyebutkan jenis-jenis
generator dan menjelaskan cara kerjanya?
5. Apakah transformator itu? Dapatkah kamu menjelaskan cara kerjanya dan menghitung
besar efisiensinya?
Kerjakan di buku tugasmu!
Induksi Elektromagnetik
191
9. Pada gambar berikut ini yang merupakan
simbol trafo
step up
adalah ....
a.
c.
b.
d.
10. Sebuah transformator sederhana memiliki
20 lilitan pada kumparan primer dan
80 lilitan pada kumparan sekunder. Jika
kumparan primer diberi tegangan 4 V,
tegangan pada kumparan sekunder
adalah ....
a.
4 V
b. 16 V
c.
100 V
d. 240 V
11. Pada sebuah transformator, jumlah lilitan
primer dan sekunder masing-masing
1.000 lilitan dan 250 lilitan. Jika kuat arus
primer 0,5 A, maka besar kuat arus
sekunder adalah ....
a.
2 A
b. 3 A
c. 4 A
d. 5 A
12. Sebuah transformator memiliki jumlah
lilitan primer dua kali lebih banyak dari-
pada lilitan sekunder, digunakan untuk
mengubah 220 volt AC menjadi 110 volt
AC. Jika arus dalam kumparan sekunder
adalah 4 A, maka arus primer adalah ....
a.
1 A
b. 2 A
c. 8 A
d. 16 A
13. Magnet batang yang dilewatkan melalui
kumparan kawat, maka arus induksi da-
lam kumparan paling besar pada saat ....
a.
magnet digerakkan dengan cepat dan
berada dalam kumparan dalam waktu
singkat
b. magnet digerakkan secara perlahan-
lahan dan cukup lama berada dalam
kumparan
c.
kutub selatan magnet memasuki kum-
paran
d. kutub utara magnet memasuki kum-
paran
14. Perbandingan daya keluaran dan daya
masukan transformator dinamakan ....
a.
transformator ideal
b . efisiensi transformator
c.
persentase daya
d. efektivitas transformator
15. Daya pada kumparan primer dari sebuah
transformator
step up
adalah 300 watt. Jika
daya pada kumparan sekunder 225 watt,
efisiensi transformator tersebut adalah ....
a. 25%
b. 30%
c. 75%
d. 85%
B. Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut dengan benar!
1. Apakah perbedaan antara generator AC dan generator DC?
2. Jelaskan penyebab terjadinya induksi elektromagnetik!
3. Sebuah transformator didesain untuk menghasilkan tegangan 12 V dari suatu catu daya
220 V. Transformator tersebut memiliki 1.200 lilitan pada kumparan primernya.
a.
Berapakah jumlah lilitan pada kumparan sekunder?
b . Hitunglah kuat arus pada kumparan primer jika pada kumparan sekundernya mengalir
arus sebesar 2A!
4. Sebuah transformator digunakan untuk mengubah tegangan 220 V menjadi 110 V.
a.
Termasuk jenis apakah transformator yang digunakan?
b . Hitung perbandingan jumlah lilitan primer dan lilitan sekundernya.
c.
Jika jumlah lilitan primer 400, berapakah jumlah lilitan sekundernya?
5. Jelaskan pemanfaatan transformator
step up
dan transformator
step down
dalam kehidupan
sehari-hari!
192
Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX
Generator “Pisang”
Para insinyur
University of Queensland
di Brisbane, Australia, mereka berharap dapat
membangun sebuah pembangkit listrik berbahan bakar pisang. Ide itu muncul setelah
mereka melihat berlimpahnya pisang yang baru dipanen. Pisang tersebut sebagian besar
tidak dapat masuk toko buah karena ukurannya terlalu kecil.
Bill Clarke, dosen teknik University of Queensland telah berhasil membangkitkan listrik
dari pisang di laboratorium. Teknologi yang digunakan Clarke dibilang sederhana. Ia hanya
memasukkan pisang-pisang ke dalam peti penampungan yang tertutup rapat. Pisang-pisang
tersebut akan terdekomposisi sehingga menghasilkan gas metana. Kemudian gas yang
dihasilkan menjadi sumber tenaga untuk turbin yang menghasilkan listrik.
Kelemahan teknologi ini adalah membutuhkan pisang yang banyak untuk meng-
hasilkan sedikit listrik. Contohnya diperlukan 60 kg pisang untuk menyalakan alat
elektronik rumah tangga sekitar 1.000 watt selama 30 jam. Untuk pengembangan komersial
diperlukan pengujian lebih lanjut.
Sumber
:
Koran Tempo
, Rabu 1 September 2004
Wacana Sains