Bab. 6 Kemagnetan dan Pemanfaatannya (Materi 3 : Induksi Elektromagnetik)

Kompetensi Dasar :

Pengetahuan

3.6. Menerapkan konsep kemagnetan, induksi elektromagnetik, dan pemanfaatan medan magnet dalam kehidupan sehari - hari.

Keterampilan

4.6. Membuat rancangan karya sederhana yang memanfaatkan prinsip elektromagnet dan/atau induksi elektromagnetik.

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran daring, peserta didik dapat :

1. Menjelaskan konsep elektromagnet dengan benar.

2. Mengidentifikasi penerapan elektromagnet dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

3. Menjelaskan konsep induksi elektromagnetik dengan benar.

4. Menghitung besarnya GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dengan benar.

5. Mengidentifikasi alat-alat yang menggunakan prinsip kerja induksi elektromagnetik dengan benar.

6. Menganalisis prinsip kerja transformator dengan benar.

7. Menjelaskan transmisi daya listrik jarak jauh dengan benar.

Assalamualaikum Wr. Wb

Anak-anak, sebelum kita belajar IPA hari ini, jangan lupa untuk berdoa terlebih dahulu. Dengan doa dan upaya kalian yang sungguh-sungguh, Pak Arief yakin kalian akan mampu menguasai materi hari ini. Berikut Peta Konsep materi yang akan kita pelajari.

PETA KONSEP

APERSEPSI

Sebelum melanjutkan membaca ringkasan materi, silakan disimak dulu video berikut ini untuk memberikan gambaran mengenai materi yang akan kita pelajari.

RINGKASAN MATERI

A. Elektromagnet

Masih ingatkah kamu cara membuat magnet menggunakan arus listrik? Di bagian ini kamu akan lebih mendalami tentang magnet listrik tersebut. Magnet listrik atau elektromagnet sangat erat hubungannya dengan solenoida.

1. Konsep Elektromagnet

• Medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida berarus listrik tidak terlalu kuat. 
• Agar medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bertambah kuat, maka di dalamnya harus dimasukkan inti besi lunak. 
• Besi lunak merupakan besi yang tidak dapat dibuat menjadi magnet tetap. Solenoida berarus listrik dan dilengkapi dengan besi lunak itulah yang dikenal sebagai elektromagnet.
  
  
  
• Elektromagnet menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet sebuah magnet batang yang panjang. 
• Elektromagnet juga mempunyai dua kutub yaitu ujung yang satu merupakan kutub utara dan ujung kumparan yang lain merupakan kutub selatan. Cara menentukan letak kutub Utara dan kutub Selatan yang terbentuk dapat menggunakan kaidah tangan kanan yang sudah kita bahas pada materi sebelumnya.

2. Faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Elektromagnet

• Sebuah elektromagnet terdiri atas tiga unsur penting, yaitu jumlah lilitan, kuat arus, dan inti besi.
• Makin banyak lilitan dan makin besar arus listrik yang mengalir, maka makin besar medan magnet yang dihasilkan. 
• Medan magnet yang dihasilkan elektromagnet juga tergantung pada inti besi yang digunakan. Makin besar (panjang) inti besi yang berada dalam solenoida, makin besar medan magnet yang dihasilkan elektromagnet. 
• Jadi, kemagnetan sebuah elektromagnet bergantung besar kuat arus yang mengalir, jumlah lilitan, dan besar inti besi yang digunakan.
• Kekuatan elektromagnet akan bertambah, jika:
• arus yang melalui kumparan bertambah,
• jumlah lilitan diperbanyak,
• memperbesar/memperpanjang inti besi.

B. Penerapan Elektromagnet dalam Kehidupan Sehari-Hari

Gejala elektromagnet sering digunakan masyarakat dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa penerapan elektromagnet tersebut dapat ditemui pada bel listrik, saklar listrik, dan telepon kabel.

1. Bel listrik

• Pada saat tombol bel listrik ditekan, rangkaian arus menjadi tertutup dan arus mengalir pada kumparan.

(a) Skema Rangkaian Bel Listrik, (b) Bel Listrik

• Aliran arus listrik pada kumparan ini mengakibatkan besi di dalamnya menjadi elektromagnet yang mampu menggerakkan lengan pemukul untuk memukul bel sehingga berbunyi.

2. Saklar

• Di setiap rumah yang menggunakan aliran listrik, hampir semuanya menggunakan saklar.
• Saklar berfungsi untuk memutuskan dan menghubungkan arus listrik pada rangkaian listrik.
• Khusus untuk bentuk saklar seperti pada gambar berikut, mulai bekerja ketika saklar membentuk rangkaian tertutup.
• Lilitan kawat akan berfungsi sebagai elektromagnet yang menarik ujung besi ke bawah. Setelah besi tertarik ke bawah, ujung besi lainnya akan menyimpang ke kanan dan mendorong tangkai ke kiri sehingga tangkai kiri dan kanan akan saling bersentuhan untuk mengalirkan arus listrik. Ketika arus mengalir, maka beban (lampu atau alat elektronik lainnya) akan menyala.

(a) Diagram Saklar Elektromagnetik (b) Saklar Elektromagnetik

3. Telepon Kabel

• Saat menggunakan telepon, seseorang akan menerima pesan (mendengar) sekaligus mengirim pesan (berbicara).
• Prinsip kerja telepon pada dasarnya mengubah energi listrik menjadi energi bunyi.
• Pada saat ada pembicaraan, energi listrik mengalir pada kabel telepon menimbulkan efek elektromagnet yang kekuatannya berubah-ubah sehingga mampu menggetarkan diafragma besi lentur pada speaker telepon.
• Getaran pada speaker inilah yang akhirnya menggetarkan udara di sekitarnya dan memberikan efek “dengar” bagi telinga kita.

Telepon Kabel

C. Induksi Elektromagnetik

1. Konsep Induksi Elektromagnetik

• Induksi elektromagnetik merupakan peristiwa timbulnya arus listrik akibat perubahan fluks magnetik.
• Fluks magnetik dapat diartikan sebagai banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.
• Induksi elektromagnetik pertama kali diselidiki oleh seorang Ilmuwan dari Jerman bernama Michael Faraday dan berhasil membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik.
• Adanya induksi elektromagnetik dapat dipahami melalui sebuah percobaan sederhana menggunakan magnet, kumparan, dan galvanometer (alat yang digunakan untuk mendeteksi adanya arus listrik kecil).
• Perhatikan ilustrasi yang akan dijelaskan pada pembahasan di bawah ini.

• Awalnya, sebuah magnet berada posisi diam berada di dekat sebuah kumparan yang sudah terhubung dengan galvanometer. 
• Terdapat tiga garis gaya magnet yang menembus kumparan tersebut, artinya galvanometer tidak menunjukkan ada arus yang mengalir pada kumparan tersebut.

• Selanjutnya, magnet digerakkan memasuki sebuah kumparan. 
• Garis-garis gaya magnet yang melalui kumparan, yang awalnya berjumlah tiga, setelah magnet digerakkan bertambah menjadi lima. 
• Pertambahan jumlah garis-garis gaya listrik yang menembus kumparan menyebabkan arus listrik mengalir sehingga jarum pada galvanometer bergerak.
• Hal ini menunjukkan bahwa ada arus listrik yang mengalir. Arus listrik yang mengalir pada kumparan muncul karena adanya beda potensial pada ujung-ujung kumparan. 
• Beda potensial yang timbul pada ujung-ujung kumparan disebut gaya gerak listrik induksi atau sering disingkat dengan ggl induksi.

2 GGL Induksi

• Gaya gerak listrik induksi (GGL induksi ) merupakan beda potensial yang timbul pada ujung-ujung kumparan karena pengaruh induksi elektromagnetik. 
• GGL induksi dapat timbul melalui empat cara yaitu
• Memutar magnet di dekat kumparan
• Memutar magnet di dalam kumparan
• Menggerakkan magnet keluar/masuk dalam kumparan
• Memutus/menyambungkan arus listrik searah yang melalui kumparan
• Beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya GGL Induksi, sebagai berikut.
• Kecepatan perubahan medan magnet 
• Semakin cepat perubahan medan magnet, GGL induksi yang timbul semakin besar.
• Jumlah lilitan
• Semakin banyak jumlah lilitannya, GGL induksi yang timbul semakin besar.
• Kekuatan magnet
• Semakin kuat gejala kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.
• Besarnya GGL induksi dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan :
E = gaya gerak listrik (V)
ΔФ = perubahan fluks magnet (Wb)
N = jumlah lilitan
Δt = selang waktu (s)
• Tanda (-) menjelaskan bahwa GGL induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber fluks magnet.

Contoh Soal :

Sebuah kumparan memiliki jumlah lilitan 1.000 mengalami perubahan fluks magnetik dari 3 x 10^-5 Wb menjadi 5 x 10^-5 Wb dalam selang waktu 10 ms. Tentukan ggl induksi yang timbul !

Penyelesaian :

Diketahui


Ditanyakan : GGL induksi yang timbul pada kumparan (E)...?
Jawab :


*tanda (-) menunjukkan arah GGL
Jadi, besar GGL induksi yang ditimbulkan adalah E = 2 V.

D. Alat-alat yang Menggunakan Prinsip Kerja Induksi Elektromagnetik

1. Generator

• Generator adalah alat yang digunakan untuk merubah energi gerak (kinetik) menjadi energi listrik.
• Energi gerak yang dimiliki generator dapat diperoleh dari berbagai sumber energi alternatif, misalnya dari energi angin, energi air, dan sebagainya.
• Generator dibedakan menjadi generator AC (Alternating Current) dan generator DC (Direct Current).
  
  
  
• Generator AC atau alternator dapat menghasilkan arus listrik bolak-balik dengan cara menggunakan cincin ganda, sedangkan generator DC dapat menghasilkan arus listrik searah dengan cara menggunakan komutator (cincin belah).

2. Dinamo AC-DC

• Dinamo adalah generator yang relatif kecil seperti yang digunakan pada sepeda. Mengapa lampu sepeda kayuh dapat menyala meskipun tidak diberi baterai? Mengapa nyala lampu akan semakin terang apabila kita mengayuh pedal sepeda dengan lebih cepat?
• Ternyata pada sepeda terdapat dinamo yang berfungsi sebagai sumber energi listrik untuk menyalakan lampu.
• Dinamo adalah alat yang berfungsi untuk merubah energi gerak menjadi listrik. Cara kerja dinamo dan generator hampir sama, termasuk penggunaan satu cincin yang dibelah menjadi dua (komutator) pada dinamo DC dan cincin ganda pada dinamo AC.

  

  Dinamo AC/DC

• Perbedaan dinamo dengan generator terletak pada dua komponen utama dinamo, yaitu rotor (bagian yang bergerak) dan stator (bagian yang diam).
• Saat sepeda dikayuh dengan cepat, kumparan pada dinamo akan bergerak cepat, sehingga gaya gerak listrik (GGL) induksi yang dihasilkan menjadi lebih kuat dan energi listrik yang dihasilkan menjadi lebih banyak.

  

  Dinamo sepeda

  

• Selain dengan mempercepat putaran kumparan, penggunaan magnet yang kuat, memperbanyak jumlah lilitan, dan penggunaan inti besi lunak dalam dinamo juga dapat mengakibatkan GGL induksi yang dihasilkan menjadi lebih kuat.

3. Transformator/Trafo

a. Bagian dan Fungsi Transformator

• Transformator atau yang biasa disebut trafo adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan pada arus bolak-balik (AC = Alternating Current).
• Penggunaan trafo dalam kehidupan sehari-hari dapat ditemui pada alat-alat elektronika seperti komputer, bel listrik, radio, dan lain sebagainya. 
• Prinsip kerja trafo dapat digunakan untuk mendistribusikan listrik dari pembangkit listrik ke rumah-rumah masyarakat dengan tujuan melakukan penghematan biaya.

Transformator

• Transformator pada dasarnya terdiri atas lilitan/kumparan primer dan lilitan/kumparan sekunder yang dihubungkan dengan menggunakan inti besi.
• Peran kumparan primer adalah sebagai input sedangkan peran kumparan sekunder adalah sebagai output. 
• Perhatikan gambar trafo sederhana di bawah!
  

b. Jenis Transformator

• Berdasarkan penggunaannya, transformator dibagi menjadi dua jenis, yaitu transformator step-down dan transformator step-up.
• Transformator step-up berfungsi untuk menaikkan tegangan listrik.
• Ciri-ciri :

                    

                    

                    

• Transformator step-down berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik.
• Ciri-ciri :

                  

                  
                 

(a) Transformator Step Down, (b) Transformator Step Up

c. Persamaan Transformator 

• Pada transformator ideal, tidak ada energi yang diubah menjadi bentuk energi lain di dalam transformator sehingga daya listrik pada kumparan sekunder sama dengan daya listrik pada kumparan primer. Atau dapat dikatakan efisiensi pada transformator ideal adalah 100 %. 
• Untuk transformator ideal berlaku persamaan sebagai berikut:

            

• Pada kenyataannya, tidak pernah dapat dibuat tranformator dengan efisiensi mencapai 100% (ideal), karena biasanya sebagian besar energi listrik yang masuk ke dalam kumparan primer akan diubah menjadi kalor.
• Perubahan energi listrik menjadi kalor ini salah satunya disebabkan oleh adanya arus Eddy pada inti besinya
• Perhitungan efisiensi trafo (η) yang tidak ideal tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan rumus berikut.

      

  

Keterangan:
= kuat arus kumparan primer (A)
= kuat arus kumparan sekunder (A)
= tegangan kumparan primer (V)
= tegangan kumparan sekunder (V)
= jumlah lilitan/kumparan primer
= jumlah lilitan/kumparan sekunder
= daya kumparan primer/input (W)
= daya kumparan sekunder/output (W)
= efisiensi transformator

Contoh Soal :

1.  Sebuah trafo step-down memiliki tegangan primernya 220 V dan tegangan sekundernya 110 V. Jumlah lilitan pada kumparan primer adalah 1.500 lilitan. Tentukan jumlah lilitan pada kumparan sekunder!

Penyelesaian :
Diketahui:
Vp = 220 V

Vs = 110 V
Np = 1.500 lilitan
Ditanyakan: Ns …?
Jawab :

Jadi, jumlah lilitan pada kumparan sekunder adalah 750 lilitan.

2. Sebuah transformator step down mempunyai jumlah lilitan primer 1.000 dan lilitan sekunder 200, digunakan untuk menyalakan lampu 12 V, 48 W.

Tentukan:
a.arus listrik sekunder
b.arus listrik primer
Penyelesaian:
Diketahui: 

Np = 1.000 lilitan
Ns = 200 Lilitan
Vp = 12 V
Ps = 48 W
Ditanyakan:
a. Is = ?
b. Ip = ?
Jawab:

Jadi, kuat arus sekunder adalah 4 A


Jadi, kuat arus sekunder adalah 0,8 A

3. Tabel berikut adalah data dua buah transformator!

Jika efisiensi transformator 1 dan 2 sama besar, sebesar 40% . maka tentukan besar  P dan Q !

Penyelesaian :

a. Nilai P:

b. Nilai Q 

4. Sebuah transformator memiliki 300 lilitan primer dan 30 lilitan sekunder. Jika tegangan pada lilitan primer adalah 220 volt, tentukan:

a. tegangan pada lilitan sekunder

b. arus listrik yang mengalir pada lilitan sekunder, jika arus listrik yang mengalir pada lilitan primer sebesar 0,5 mA

c. efisiensi trafo
d. jenis transformator
Penyelesaian:
Diketahui:
Np = 300 lilitan
Ns = 30 lilitan
Vp = 220 volt
Ip = 0,5 mA
Ditanyakan:
a. Tegangan sekunder (Vs)
b. Arus sekunder (Is)
c. Efisiensi trafo (η)
d. Jenis transformator
Jawab :
a. Tegangan sekunder (Vs)

b. Arus sekunder (Is)

c. Efisiensi trafo (η)
 

   = 100 %

d. Jenis trafo

Karena Vp > Vs dan Np > Ns, maka transformator tersebut adalah transformator step down

5. Perhatikan skema trafo berikut! 

Jika efisiensi transformator 80%, maka tentukan besar kuat arus Ip besarnya !

Penyelesaian:
Diketahui:
Vp = 120 volt

Vs = 12 volt
Ps = 24 W
Ditanyakan: Ip

Jawab :

Jadi, kuat arus primer sebesar 0,25 A.

E. Transmisi Daya Listrik Jarak Jauh

• Pembangkit listrik biasanya dibangun jauh dari permukiman penduduk. Proses pengiriman daya listrik kepada pelanggan listrik (konsumen) yang jaraknya jauh disebut transmisi daya listrik jarak jauh. 
• Untuk menyalurkan energi listrik ke konsumen yang jauh, tegangan yang dihasilkan generator pembangkit listrik perlu dinaikkan mencapai ratusan ribu volt. Untuk itu, diperlukan trafo step up.
• Tegangan tinggi ditransmisikan melalui kabel jaringan listrik yang panjang menuju konsumen. Sebelum masuk ke rumah-rumah penduduk tegangan diturunkan menggunakan trafo step down hingga menghasilkan 220 V. 
  
• Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan besar dan arus yang kecil. Dengan cara itu akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu :
• Bila tegangan dibuat tinggi maka arus listriknya menjadi kecil.
• Dengan arus listrik yang kecil maka energi yang hilang pada kawat transmisi (energi disipasi) juga kecil.
• Juga dengan arus kecil cukup digunakan kawat berpenampang relatif lebih kecil, sehingga lebih ekonomis.

REFERENSI

Beberapa video referensi terkait materi bisa dilihat dengan cara klik pada gambar. 

PENUGASAN MANDIRI

• Tugas dikerjakan di buku tugas dilengkapi cara mengerjakan (Diketahui, Ditanyakan Jawab) kemudian difoto.
• Tugas dikumpulkan melalui WA ke nomor HP Pak Arief maksimal 1 hari setelah pemberian tugas.
• Jangan lupa sampaikan salam dan perkenalkan diri dulu saat mengirimkan tugas.

Soal Latihan 

1. Sebuah kumparan dengan jumlah lilitan 1.000 dalam waktu 0,01 sekon menimbulkan perubahan fluks magnet sebesar 10^-4 Wb. Tentukan ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan tersebut!

2. Sebuah trafo step down digunakan untuk mengubah tegangan AC dari 220 V menjadi 20 V. Tentukan :

a. perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder

b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 100 lilitan.

3. Perhatikan gambar transformator berikut!

Pada diagram transformator di atas, tentukan :

a. kuat arus primer jika trafo ideal 

b. efisiensi trafo

c. jenis trafo

~ Tetap Semangat Belajar IPA #dirumahaja ~