Dasar Konversi Energi

1.   Magnetisme

Setiap magnet memiliki kutub magnet yang saling berlawanan, yaitu kutub utara (U) dan kutub selatan (S), yang keduanya memiliki daya untuk menarik sekeping besi atau semacamnya. Sama halnya dengan muatan listrik, kutub yang senama saling tolak-menolak dan kutub yang berlawanan saling tarik-menarik. Daerah di antara kutub utara dan kutub selatan disebut medan magnet. Medan magnet memiliki daya untuk menarik sekeping logam atau semacamnya. Medan magnet tersusun dari garis-garis yang keluar dari kutub utara menuju  kutub selatan, yang disebut garis-garis gaya magnet (ggm). Dengan demikian arah medan magnet juga dari kutub utara ke kutub selatan. Semakin kuat kemagnetan, semakin banyak jumlah garis gaya magnetnya. Jumlah garis gaya magnet yang keluar dari kutub utara suatu magnet disebut fluks  magnet (magnetic flux), yang dinyatakan dengan simbol  Π (phi).  Satuan internasional untuk fluks magnet adalah Weber (Wb). Satu Weber sama dengan 10⁸ garis gaya magnet. Satuan cgs untuk fluks magnet adalah Maxwell. Satu Maxwell sama dengan 10^-8 Weber.

2.   Kerapatan fluks magnet

Kerapatan fluks magnet (magnetic flux density) adalah fluks magnet per satuan luas pada bidang yang tegak lurus dengan fluks magnet tersebut. Kerapatan fluks magnet sering disebut juga dengan induksi magnet (magnetic induction). Kerapatan fluks magnet dapat dinyatakan dengan:

B =  Φ

                                                                                     A

Keterangan:

B  =   kerapatan fluks magnet dalam Weber/m² (Wb/ m²) atau  Tesla (T)

Φ  =   fluks magnet dalam Weber (Wb)

A  =   luas penampang dalam meter persegi (m²)

Dalam satuan cgs, kerapatan fluks magnet dinyatakan dengan Maxwell/cm² atau gauss. Dengan menggunakan metode konversi didapatkan 1 Maxwell/cm² = 10^-6 Wb/m².

3.   Permeabilitas

Permeabilitas (permeability) adalah kemampuan suatu benda untuk dilewati garis gaya magnet. Permeabilitas dinyatakan dengan simbul  m (mu). Benda yang mudah dilewati garis gaya magnet disebut memiliki permeabilitas tinggi. Pemeabilitas udara dan ruang hampa dianggap sama dengan satu. Untuk benda-benda yang lain, besarnya permeabilitas ditentukan  dengan perbandingan terhadap udara atau ruang hampa, didapatkan permeabilitas relatif (relative permeability). Nilai permeabilitas untuk udara adalah m_o = 4p x 10^-7 atau 1,26 x 10^-6. Untuk menghitung m, nilai permeabilitas relatif m_r harus dikalikan dengan permeabilitas udara m_o, sebagaimana rumus di bawah ini.

 µ = µ_{r .} µ_o

Keterangan:

µ    =   permeabilitas  suatu benda

µ_r =   permeabilitas relatif

µ_o = permeabilitas udara

 

Ditinjau dari permeabilitas relatifnya, benda-benda dikelompokkan dalam tiga kelompok, yaitu :

1. Benda-benda ferromagnetik, yang memiliki permeabilitas jauh lebih besar dari 1.   Benda-benda yang memiliki permeabilitas tinggi bila terletak di dalam medan magnet, garis-garis gaya magnet cenderung lewat pada benda tersebut. Dengan demikian benda-benda ferromagnetik mudah ditarik oleh magnet dan mudah dibuat magnet buatan. Yang tergolong benda ini antara lain besi, baja, nikel, cobalt, logam paduan seperti alnico dan permalloy.  Kutub magnet,  inti transformator dan bagian-bagian yang berhubungan dengan kemagnetan dibuat dari bahan ferromagnetik
2. Benda-benda paramagnetik, yang memiliki permeabilitas sedikit lebih besar dari 1.   Benda-benda yang tergolong pada jenis ini tidak begitu kuat ditarik magnet dan bila terletak di dalam  medan magnet, fluks yang mengalir di dalamnya sama dengan fluks magnet yang mengalir di dalam udara biasa. Yang tergolong  benda ini antara lain aluminium, khrom, mangaan dan platinum.
3. Benda-benda diamagnetik, yang memiliki permeabilitas kurang dari 1.   Benda-benda yang tergolong jenis ini sukar ditarik magnet dan bila terletak di dalam medan magnet cenderung dihindari oleh garis-garis gaya magnet. Yang tergolong beda ini antara lain bismuth, antimoni, tembaga, seng, merkuri, emas dan perak.

4.   Elektromagnetisme

Pada tahun 1819 seorang ilmuwan bernama Oersted menemukan hubungan antara magnetisme dan elektromagnetisme.  Dia menemukan bahwa arus listrik yasng mengalir di dalam konduktor menimbulkan medan magnet di sekitar konduktor tersebut.  Kuat medan magnet tergantung pada besar arus yang mengalir pada konduktor tersebut.  Semakin besar arusnya, semakin kuat medan magnetnya.

Untuk menentukan  hubungan antara arus yang mengalir di dalam  konduktor dengan arah medan magnet, digunakan kaidah tangan kanan (right-hand rule).  Kaidah tangan kanan dapat diperagakan seolah-olah telapak tangan kanan memegang konduktor berarus dengan ibu jari yang ditegakkan menunjukkan arah arus.  Maka arah keempat jari yang menggenggam konduktor itu menunjukkan arah medan magnet. Perhatikan gambar di bawah ini.
 

Gambar Kaidah Jari Tangan

Sesuai dengan hasil percobaan Oersted, bila sebuah kumparan dialiri arus, pada inti kumparan itu timbul  medan magnet.  Semakin besar arus yang mengalir, semakin kuat medan magnetnya. Bila inti kumparan diisi dengan bahan ferromagnetik, kerapatan fluks semakin besar.  Arah medan magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan (right-hand rule). Kaidah tangan kanan dapat diperagakan seolah-olah telapak tangan kanan  memegang kumparan. Bila  arus pada kumparan searah dengan jari-jari yang memegang kumparan itu, maka arah ibu jari yang diluruskan menunjukkan arah medan magnet pada inti kumparan. Perhatikan gambar di bawah ini.

Gambar  Arah Medan Magnet disekitar Konduktor Ber-arus

Semakin besar arus yang mengalir di dalam suatu kumparan, semakin besar kuat medannya. Begitu juga semakin banyak lilitan kawatnya, semakin banyak dihasilkan garis gaya magnet. Perkalian antara kuat arus dan jumlah lilitan disebut dengan ampere-turns (ampere-lilitan), dikenal dengan istilah magnetomotive force (mmf) atau gaya gerak magnet (ggm), dinyatakan dengan   rumus:

 F = N . I

 

Keterangan:

F = gaya gerak magnet (ggm)  dalam satuan At  (=Ampere turns)

N = jumlah lilitan

I  = kuat arus pada kawat kumpaaran dalam satuan Ampere

Bila suatu kumparan direnggangkan menjadi dua kali dari panjang aslinya, maka kuat medan magnetnya menjadi setengahnya. Field intensity (kuat medan magnet)  berbanding lurus dengan jumlah lilitan dan besar arus pada kawat kumparan dan berbanding terbalik dengan  panjang kumparan.  Hal ini dinyatakan dengan rumus:

 

H = NI

                                                                                    l  

Keterangan:

H       =   kuat medan magnet dalam satuan ampere-turns per meter (At/m)

NI     =   ampere-turns (lilitan-amlpere), dalam satuan At

l         =   panjang

Persamaan (4) berlaku untuk kumparan dengan inti udara. Bila digunakan inti yang lain, misalnya besi, maka H adalah kuat medan magnet pada inti, sedangkan  l adalah jarak antara ujung  kedua kutub inti (panjang inti) tersebut.

5. Kurva Magnetisasi

urva magnetisasi menggambarkan hubungan antara kerapatan fluks B dan kuat medan H. Maksudnya adalah seberapa jauh pengaruh kerapatan fluks B terhadap kenaikan kuat medan H. Perharikan gambar  di bawah ini.

Gambar Kurva Magnetisasi

Pada grafik terlihat bahwa untuk besi lunak 1, B naik dengan cepat diikuti kenaikan H sampai H mencapai nilai 2000 At/m dan B mencapai 0,2 T.  Pada titik ini terjadi saturasi (kejenuhan), sehingga kenaikan H tidak banyak berpengaruh terhadap kenaikan B, bahkan hampir tidak ada kenaikan B. Untuk besi lunak 2, diperlukan H yang lebih tinggi untuk mencapai saturasi, yaitu pada H 500 At/m dan B mencapai 0,3 T. Didapatkan kurva yang sama untuk benda-benda magnetik lainnya dengan nilai saturasi yang berrbeda. Udara bukan benda magnetik, memiliki profil BH yang sangat rendah.

Permeabilitas µ dari benda-benda magnetik adalah perbandingan antara B dengan H, dinyatakan dengan rumus:

µ = B  

                                                                               H

                   Keterangan:

µ     =   permeabilitas bahan (Tm/At)

B     =   kerapatan fluks per medter persegi (Tesla)

H     =   kuat medan magnet dalam satuan ampere-turns per meter (At/m)

6. Hysteresis

Hysteresis berarti tertinggal,  yaitu fluks magnet tertinggal oleh kenaikan  atau penurunan gaya magnetisasi. Bila arus di dalam suatu kawat kumparan berbolak-balok ratusan kali tiap detik, hysteresis yang dapat menyebabkan kehilangan energi.

Gambar Kurva Hysteresis

 

Kurva hysteresis pada gambar di bawah ini menunjukkan karakteristik bahan magnetik. Arah arus yang berbalik  menyebabkan berbaliknya arah medan magnet dari +H menjadi –H. Demikian juga kerapatan fluks juga mengalami polaritas terbalik menjadi +B atau –B. Arus berawal dari pusat 0 (nol) ketika bahan tidak mendapat pengaruh kemagnetan. Garis putus-putus pada gambar di bawah ini menunjukkan kurva magnetisasi. Nilai positip dari H menaikkan B menuju saturasi pada +B_max. Kemudian H turun menjadi 0,  tetapi B tidak menjadi 0,  turun   pada hanya  sampai nilai  B_r . Hal ini disebabklan karena  adanya hysteresis.  Sekarang arus yang menyebabkan magnetisasi arahnya dibalik sehingga H menjadi negatif.  B turun ke 0 (nol) dan berlanjut ke  -B_max.  Kemudian bila nilai –H turun,   B juga turun dan nilai B menjadi berkurang menjadi -B_r saat H bernilai 0.  Dengan kenaikan arus  positip,   dihasilkan nilai saturasi  +B_max lagi.  Sekarang jerat hysteresis sudah komplit. Kurva  tidak kembali ke 0 (nol) pada pusatnya karena hysteresis.

Nilai +B_r atau -B_r yang tersisa bila gaya kemagnetan nol (H=0), disebut retentivitas (retentivity) dari bahan magnetik.  Nilai -H_c yang membuat kerapatan fluks menjadi nol (B=0), disebut gaya koersif (coercive force) dari bahan magnetik.

7.  Rangkaian Magnet

Rangkaian magnet dapat dianalogikan dengan rangkaian listrik. Pada rangkaian listrik, ggl (gaya gerak listrik) menghasilkan arus listrik, sedangkan pada rangkaian magnet ggm (gaya gerak magnet) menghasilkan fluks magnet. Pada rangkaian listrik dikenal adanya hambatan (resistance), sedangkan pada rangkaian magnet dikenal adanya relaktansi (reluctance) yang  sama-sama sebagai hambatan. 

Pada rangkaian listrik, hambatan yang berbanding terbalik dengan daya hantarnya, begitu juga pada rangkaian magnet, relaktansi (Reluctance), berbanding terbalik dengan permeabilitasnya. Besi memiliki permeabilitas tinggi tetapi relaktansi rendah. Udara memliliki permeabilitas rendah tetapi memiliki relaktansi tinggi. Relaktansi dinyatakan dengan simbul Â. Hukum Ohm untuk rangkaian magnet analog dengan I=V/R pada rangkaian listrik, yaitu:  

 Φ  = F  = NI

                                                                                R       R

Keterangan:            

 Φ    =  fluks magnet (Wb)

F     = gaya gerak magnet  (At)

NI   = lilitan-ampere (At)

R     = relaktansi (At/Wb)

8. Konversi energi

Melalui media medan magnet, energi mekanik dapat diubah menjadi energi listrik. Demikian pula sebaliknya. Alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik  disebut generator, sedangkan alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik disebut motor. Melalui media medan magnet, energi  listrik dapat juga dipindahkan. Pemindahan ini biasanya disertai dengan perubahan tegangan, arus maupun impedansi. Alatnya disebut transformator (transformer). Gambar dibawah menunjukkan  diagram blok konversi energi.

Gambar Diagram Blok Konversi Energi

Sesuai dengan jenis arus listrik yang digunakan ataupun yang dihasilkan, dikenal beberapa mesin listrik sebagai berikut:

1.      Generator Arus Bolak-balik (Generator AC)

1.      Generator Arus Searah (Generator DC)

2.      Motor Arus Bolak-balik (Motor AC)

3.      Motor Arus Searah (Motor DC)

4.      Transformator.

Hukum yang mendasari konversi energi pada generator, motor maupun transformator adalah Hukum Faraday. Hukum Faraday menyatakan bahwa apabila kawat penghantar begerak memotong medan magnet, maka pada kawat penghantar dibangkitkan gaya gerak listrik (ggl) atau emf (electromotive force). Gaya gerak listrik ini disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi).  

Berdasarkan hukum Faraday, dapat dinyatakan bahwa mesin listrik dapat bekerja apabila dipenuhi adanya:

1.      Medan magnet

2.      Kawat penghantar

3.      Gerakan relatif (boleh kawat penghantar yang bergerak, boileh kutub magnet yang bergerak).

Pada konstruksi sebenarnya, kawat penghantar tidak hanya terdiri dari 1 (satu) batang saja, tetapi terdiri dari banyak kawat penghantar yang dililit pada  stator ataupun rotor (untuk gerator dan motor) atau dililit pada inti (untuk transformator). Demikian pula  kutub magnet, dapat terdiri lebih dari sepasang kutub. Untuk generator yang besar, kutub magnet dikuatkan dengan luilitan penguat magnet.

 

Hukum Faraday dapat juga diterapkan pada motor listrik. Bila kawat penghantar yang terlatak di medan magnet dialiri arus,  maka kawat penghantar akan ditolak/didorong. Pada  motor listrik terdapat  kawat penghantar yang  jumlahnya banyak dan  melingkar pada jangkar, sewhingga dorongan pada kawat penghantar akan menyebabkan jangkar berputar.

Pada transformator, ada 2 kelompok kumparan kawat yang dmemiliki  satu inti yang tertutup. Kumparan pertama disbut kumparan primer dan kuimpoaran kedua disebut kumparan sekunder. Bila pada kumparan primer mengalir arus bolak-balik, maka pada inti terbengkit garis-garis gaya magnet yang berbolak-balik pula. Garis -garis gaya magnet yang berbolak-balik memotong komparan sekunder, sehingga pada kumparan sekunder  timbul ggl.