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 mo = 4p x
10-7 atau 1,26 x 10-6. Untuk menghitung m, nilai
permeabilitas relatif mr harus dikalikan dengan permeabilitas udara
mo, sebagaimana rumus di bawah ini.
µ = µr . µo
Keterangan:
µ =
permeabilitas suatu benda
µr =
permeabilitas relatif
µo = permeabilitas
udara
Ditinjau dari permeabilitas relatifnya,
benda-benda dikelompokkan dalam tiga kelompok, yaitu :
- 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
- 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.
- 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 +Bmax.
Kemudian H turun menjadi 0, tetapi B tidak menjadi
0, turun pada hanya sampai
nilai Br . 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 -Bmax.
Kemudian bila nilai –H turun, B juga turun dan nilai B menjadi
berkurang menjadi -Br saat H bernilai 0. Dengan kenaikan
arus positip, dihasilkan nilai saturasi +Bmax
lagi. Sekarang jerat hysteresis sudah komplit. Kurva tidak kembali
ke 0 (nol) pada pusatnya karena hysteresis.
Nilai
+Br atau -Br yang tersisa bila gaya kemagnetan nol (H=0),
disebut retentivitas (retentivity) dari bahan
magnetik. Nilai -Hc 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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar