Gaya Gerak Listrik Induksi

Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Jarum galvanometer menyimpang karena adanya arus listrik yang mengalir dalam kumparan. Arus listrik ini mengalir karena timbulnya beda potensial di ujung kumparan saat kita 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.

Ggl induksi timbul ketika magnet batang digerakkan masuk atau keluar kumparan. 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.

Ei = - N .	ΔΦ	............(8.1)
	Δt

Keterangan:

N = jumlah lilitan

ΔΦ = fluks magnetik (Weber atau Wb)

Δt = 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
Δt = 2 sekon
E_i = .... ?

Ei = - N .	ΔΦ
	Δt

Ei = - 3.000 .	1.500
	2

= -2,25 . 10⁶

Jadi di dalam kumparan tersebut timbul ggl induksi sebesar 2,25 × 10⁶ volt (tanda – menunjukkan arah ggl).

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.

Arus listrik dalam kumparan mengalir dalam dua arah, arus listrik seperti ini dinamakan arus listrik bolak-balik atau arus AC (Alternating 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.

Generator

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.  Ada dua jenis generator, yaitu generator arus bolak-balik yang disebut juga alternator dan generator 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 (A) terdapat dua buah cincin, dengan tiap cincin berhubungan dengan tiap ujung kumparan. Pada generator arus searah (B) hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya yang dinamakan cincin belah atau komutator.  

1. Generator Arus Bolak-Balik

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.

2. Generator Arus Searah

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). 

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.

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. 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. Pada transformator, perbandingan tegangan sama dengan perbandingan banyaknya lilitan. Secara matematis hubungan antara tegangan dan banyaknya lilitan dituliskan sebagai berikut.

Vp	=	Np	.............(8.2)
Vs		Ns

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)

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. 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. 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.

Vp	=	Is	.............(8.6)
Vs		Ip

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.

Np	=	Is	.............(8.7)
Ns		Ip

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?

Jawab:

a. Dengan menggunakan Persamaan (8.2) diperoleh:

Vp	=	Np	⇔	220V	=	440	⇔
Vs		Ns		9V		Ns

Vp	=	n	⇔ Ns=	9V	x	440
Vs		nn		220V

                             = 18
Jadi jumlah lilitan kumparan sekunder adalah 18 lilitan.
b. Dengan menggunakan Persamaan (8.6) diperoleh:

Vp	=	Ip	⇔	220V	=	110mA
Vs		Is		9V		Ip

	=		⇔ Ip=	9V	x	110mA
				220V

                            = 4,5 mA

Jadi arus yang mengalir pada kumparan primer adalah 4,5 mA.

Perbandingan antara daya listrik yang keluar dari transformator dan daya listrik yang masuk ke transformator disebutefisiensi transformator. Nilai efisiensi transformator dinyatakan dalam persentase. Efisiensi transformator dapat dinyatakan sebagai berikut.

η =	Vs . Is	x 100%..........(8.9)
	Vp . Ip

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 masukannya sebesar 200 watt?

Jawab:

Dengan menggunakan Persamaan (8.8) diperoleh:

η =	Ps	x 100 %
	Pp

η =	180	x 100 = 90%
	200

Jadi efisiensi transformator tersebut adalah 90%.