medan magnet & medan listrik

12
MODUL 4 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. Dasar Konversi Energi Listrik Ir. Isworo Pujotomo, MT. Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana ‘11 1

Upload: hadianti-perwitasari

Post on 04-Jan-2016

291 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Medan Magnet & Medan Listrik

MODUL 4MEDAN 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)

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘111

Page 2: Medan Magnet & Medan Listrik

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

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘112

Page 3: Medan Magnet & Medan Listrik

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

Dimana adalah gaya gerak magnet (ggm), dan koefisien di sebelah kanan di kenal

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘113

Page 4: Medan Magnet & Medan Listrik

sebagai reluctance R.

Karena

Maka

Oleh karena pada umumnya maka sebagian besar rangkaian magnet hanya di

pengaruhi oleh reluktansi celah udara . Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa

sebagian besar ggm terkonsentrasi pada celah udara, yang merupakan potensi ebergi untuk

proses konversi.

Energy Dalam Medan Magnet

Energy listrik yang diberikan oleh sumber akan digunakan oleh inti besi beserta

belitannya untuk menghasilkan medan magnet. Dengan demikian energy yang di peroleh

akan tersimpan dalam medan magnet yang di timbulkan

Sedangkan

Jadi energy yang tersimpan pada medan magnet adalah

Persamaan integral di atas mengandung arti bahwa besar energy yang tersimpan dalam

medan magnet tersebut merupakan suatu luas daerah tertentu; sedangkan luas daerah tersebut

ditentukan oleh jenis bahan permagnetan inti.

Untuk bahan feromagnet, hubungan antara dan akan tidak linier dan dilukiskan seperti

pada gambar . dari gambar di ketahui bahwa untuk kurva menaik oa, jumlah energy yang dibutuhkan

sama dengan luas daerah oac. Dan apabila harga di kembalikan ke harga nolnya (kurva menurun

ab), sebagian energy yang besarnya sama dengan luas daerah abc di lepaskan ,sedangkan energy

sebesar luas daerah oab hilang sebagi panas (rugi hysteresis). Siklus penuh rugi hysteresis akan

membentuk suatu gelang (lingkar tertutup)seperti pada gambar 4.3

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘114

Page 5: Medan Magnet & Medan Listrik

Gambar 4.3

untuk rangkaian listrik R – L, dengan tegangan jepit V, berlaku

Atau

Artinya

Kerja yang dilakukan = panas yang hilang + energy yang tersimpan dalam medan magnet.

Energy dalam medan magnet adalah

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘115

Page 6: Medan Magnet & Medan Listrik

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘116

Page 7: Medan Magnet & Medan Listrik

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.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘117

Page 8: Medan Magnet & Medan Listrik

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

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘118

Page 9: Medan Magnet & Medan Listrik

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.

Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘119