Medan Magnet dan Medan Listrik (Magnetic and Electric Field)

MEDAN MAGNET DAN MEDAN LISTRIK

            Medan magnet sangat berperan dalam proses konversi energy. Melalui media medan magnet, bentuk energy mekanik dapat diubah menjadi energy listrik, alat konversinya disebut generator, atau sebaliknya dari bentuk energy listrik menjadi energy mekanik, alat konversinya disebut motor. Pada transformator, gandengan medan magnet berfungsi untuk memindahkan dan mengubah energy listrik dari rangkaian primer ke sekunder melalui prinsip induksi elektromagnet.

            Dari sisi pandangan elektris, medan magnet dapat menginduksikan tegangan pada penghantar, sedangkan dari sisi pandangan mekanis, medan magnet dapat menghasilkan gaya dan kopel.

            Keutamaan medan magnet dalam proses konversi energy disebabkan terdapatnya bahan-bahan magnetic yang memungkinkan diperolehnya kerapatan energy yang tinggi; kerapatan energy yang tinggi ini akan menghasilkan kapasitas daya per unit volume mesin yang tinggi. Jelaslah bahwa pengertian kuantitatif tentang medan magnet dan rangkaian magnet merupakan bagian penting untuk memahami proses konversi energy listrik.

4.1.  MEDAN MAGNET DAN MEDAN LISTRIK

Medan magnet terbentuk dari gerak elektron. Meningkat arus listrik yang melalui suatu hantaran merupakan aliran electron, maka pada sekitar kawat hantaran listik tersebut akan ditimbulkan suatu medan magnet. Medan magnet memiliki arah, kerapatan, dan intensitas yang di gambarkan sebagai  “ garis – garis fluks “ dan dinyatakan dengan gambar symbol.

Φ∆ fluks dalam besaran weber

Besaran kerapatan medan magnet dinyatakan dengan banyaknya garis – garis fluks yang

menembus suatu luas bidang tertentu dan mempunyai sinyal.

B∆ kerapatan fluksi dalam weber/m2

Intensitas medan magnet disebut sebagai kuat medan dan dinyatakan dengan besarnya

fluksi sepanjang jarak tertentu, mempunyai symbol

B = μH

dimana 

μH∆ permeabilitas dalam henry/meter (H/M)

Permeabilitas pada ruang bebas (udara), μο , mempunyai nilai  4π x 10^-7 H/m. material seperti besi dan nikel mempunyai permeabilitas yang relative lebih tinggi dan biasanya disebut sebagai material yang mempunyai karakteristik feromagnet. Besaran fluks dapat juga dinyatakan dengan

Φ = ∫ B dA

Dimana dA  adalah unsur luas.

Gambar 4.1.

apabila, seperti terlihat pada gambar 4.1. suatu sumber tegangan (V) mengalirkan arus listrik (I) melalui suatu kumparan dengan jumlah lilitan (N), maka pada besi (core) akan di timbulkan suatu kuat medan (H). hubungan antara arus listrik dan medan magnet dinyatakan oleh hokum ampere, dan

untuk rangkaian sederhana seoerti pada gambar.

Persamaannya adalah : Ni = H l Ampere-turn

Dimana :

N = jumlah lilitan

i   = arus listrik (A)

H = kuat medan (A/m)

l = Panjang jalur (m)

4.2. INTENSITAS MEDAN MAGNET HUKUM AMPERE

Hukum ampere bersama dengan beberapa persamaan lain membentuk persamaan

Maxwell; menyatakan bahwa integral keliling kuat medan magnet berbanding lurus dengan

besar arus listrik yang berkurang oleh integral keliling itu.

Dimana dA = unsure luas

Dalam proses konversi energy listrik yang menyangkut mesin dengan elemen bergerak

(berputar) seperti transduser atau motor, pada inti besinya (core) akan terdapat celah udara.

Melalui celah udara ini dapat berlangsung proses konversi dari energy listrik ke energy

mekanik atau sebaliknya.

Gambar 4.2

Untuk inti yang bercelah udara berlaku hubungan

4.3. TRANSFORMATOR

Transformator adalah suatu alat listrik yg dapat memindahkan & mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yg lain, melalui suatu gandengan magnet & berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet.

Transformator utk di sistem tenaga, memungkinkan terpilihnya tegangan yg sesuai, dan ekonomis untuk tiap2 keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dlm pengiriman daya listrik jarak jauh.

Dlm bidang elektronika, transformator digunakan al. Sbg gandengan impedansi antara sumber dan beban, utk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian yg lain.

Dlm bid. Tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi :

            1. transformator daya

            2. transformator distribusi

            3. transformator pengukuran; terdiri atas trafo arus & trafo tegangan.

Prinsip kerja

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.

                                                            

Gambar 4.4.

Konstruksi transformer terdiri dari sebuah inti besi yg terdiri dari keping keping besi tipis yang disekat satu sama lain. Satu sisi kumparan sisi tegangan rendah kawatnya tebal dan jumlah lilitannya sedikit, sisi lain adalah kumparan sisi tegangan tinggi, kawatnya tipis dan jumlah lilitannya banyak.

Prinsip kerja trafo berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday, yaitu arus listrik dapat menimbulkan medan magnit dan sebaliknya medan magnit dapat menimbulkan arus listrik

Jika pada salah satu kumparan trafo diberi arus bolak balik, maka jumlah garis gaya magnet berubah ubah. Akibatnya pada primer terjadi induksi. Sekunder menerima garis gaya magnet dari primer yang jumlahnya berubah ubah pula. Maka di sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara dua ujung terdapat beda tegangan. Jumlah garis gaya ( Ø ) yang masuk kumparan sekunder = jumlah garis gaya (Ø) yg keluar dari kumparan primer.

e1 = -N1(dØ/dt) dan e2 = -N2 (dØ/dt)

e1/e2 = -N1(dØ/dt) / -N2 (dØ/dt) atau

E1/E2 = N1 / N2

Dimana :

e1 : GGL induksi sesaat pada sisi primer

e2 : GGL induksi sesaat pada sisi sekunder

E1 : GGL induksi pada primer efektif (volt)

E2 : GGL induksi pada sekunder (volt)

N1 : jumlah lilitan kumparan primer

N2 : jumlah lilitan kumparan sekunder

Berdasarkan hukum kekekalan energi, maka bila dianggap tidak ada kerugian daya yg hilang, daya yang dilepas oleh primer sama dengan daya yang diterima oleh sekunder :

E1 x I1 = E2 x I2

Jadi GGL Induksi di masing masing kumparan berbanding lurus dg jumlah lilitan. Kuat arus di masing  masing kumparan berbanding dengan jumlah lilitan

Sebuah transformator pd dasarnya terdiri atas dua buah lilitan, masing masing dsb sbg lilitan primer & sekunder yg terisolasi satu sama lainnya yg dililitkan pada inti yang sama yg umumnya terbuat dari baja atau besi.

Gambar 4.5.