Elektromagnet

Elektromagnet adalah prinsip pembangkitan magnet dengan menggunakan arus listrik. Aplikasi praktisnya kita temukan pada motor listrik, speaker, relay dsb. Sebatang kawat yang diberikan listrik DC arahnya meninggalkan kita (tanda silang), maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet melingkar, lihat gambar 1. Sedangkan gambar visual garis gaya magnet didapatkan dari serbuk besi yang ditaburkan disekeliling kawat beraliran listrik.


Gambar 1. Prinsip elektromagnetik.

Sebatang kawat pada posisi vertikal diberikan arus listrik DC searah panah, maka arus menuju keatas arah pandang (tanda titik). Garis gaya magnet yang membentuk selubung berlapis lapis terbentuk sepanjang kawat. Garis gaya magnet ini tidak tampak oleh mata kita, cara melihatnya dengan serbuk halus besi atau kompas yang didekatkan dengan kawat penghantar tsb. Kompas menunjukkan bahwa arah garis gaya sekitar kawat melingkar. Arah medan magnet disekitar penghantar sesuai arah putaran sekrup (James Clerk Maxwell, 1831-1879). arah arus kedepan (meninggalkan kita) maka arah medan magnet searah putaran sekrup kekanan. Sedangkan bila arah arus kebelakang (menuju kita) maka arah medan magnet adalah kekiri.

Gambar 2. Garis magnet membentuk selubung seputar kawat berarus.

Gambar 3. Prinsip putaran sekrup

Aturan sekrup mirip dengan hukum tangan kanan yang menggenggam, dimana arah ibu jari menyatakan arah arus listrik mengalir pada kawat. Maka keempat arah jari menyatakan arah dari garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan.

Arah aliran arus listrik DC pada kawat penghantar menentukan arah garis gaya elektromagnet. Arah arus listrik DC menuju kita (tanda titik pada penampang kawat), arah garis gaya elektromagnet melingkar berlawanan arah jarum jam. Ketika arah arus listrik DC meninggalkan kita (tanda silang penampang kawat), garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan melingkar searah dengan jarum jam (sesuai dengan model mengencangkan sekrup). Makin besar intensitas arus yang mengalir semakin kuat medan elektro-magnet yang mengelilingi sepanjang kawat tersebut.


Gambar 4. Elektromagnetik sekeliling kawat.

Elektromagnet pada Belitan Kawat

Jika sebuah kawat penghantar berbentuk bulat dialiri arus listrik I sesuai arah panah, maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet yang arahnya secara gabungan membentuk kutub utara dan kutub selatan. Makin besar arus listrik yang melewati kawat, maka akan semakin kuat medan elektromagnetik yang ditimbulkannya.

Gambar 5. Kawat melingkar berarus membentuk kutub magnet

Jika beberapa belitan kawat digulungkan membentuk sebuah coil atau lilitan, dan kemudian dipotong secara melintang maka arah arus ada dua jenis. Kawat bagian atas bertanda silang (meninggalkan kita) dan kawat bagian bawah bertanda titik (menuju kita).


Gambar 6. Belitan kawat membentuk kutub magnet.

Hukum Tangan Kanan

Hukum tangan kanan untuk menjelas kan terbentuknya garis gaya elektromagnet pada sebuah gulungan atau coil dapat dilihat pada gambar 7. Dimana sebuah
gulungan kawat coil dialiri arus listrik, maka arah arusnya ditunjukkan sesuai dengan empat jari tangan kanan, sedangkan kutub magnet yang dihasilkan ditunjukkan dengan ibu jari untuk arah kutub utara dan kutub selatan arah lainnya.

Gambar 7. Hukum tangan kanan.

Untuk menguatkan medan magnet yang dihasilkan pada gulungan dipasangkan inti besi dari bahan ferromagnet, sehingga garis gaya elektromagnet menyatu. Aplikasinya dipakai pada coil kontaktor atau relay.

Hukum-Hukum Dasar Listrik

Dalam dunia listrik dikenal beberapa hukum-hukum dasar listrik, yaitu:
1. Hukum Faraday
2. Hukum Ampere-Biot-Savart
3. Hukum Lenz
4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik

Kesemua hukum diatas, bersama dengan hukum kekekalan energi akan menjelaskan mengenai prinsip kerja dasar dari suatu mesin listrik dinamis.

Artikel kali ini akan menjelaskan secara sederhana hubungan kesemua hukum tersebut. Selamat membaca dan semoga bermanfaat.

Hukum Faraday

Michael faraday (1791-1867), seorang ilmuwan jenius dari inggris menyatakan bahwa:

1. Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi.
2. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.

Kedua pernyataan beliau diatas menjadi hukum dasar listrik yang menjelaskan mengenai fenomena induksi elektromagnetik dan hubungan antara perubahan flux dengan tegangan induksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian, aplikasi dari hukum ini adalah pada generator. Gambar 1 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.


Gambar 1. Hukum Faraday, Induksi Elektromagnetik.


Hukum Ampere-Biot-Savart

3 orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:

“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik”

Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.


Gambar 2. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik.


Hukum Lenz

Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa:

“arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)”

Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan.

Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor.



Gambar 3. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.


Konversi Energi Elektromekanik

Ketiga hukum dasar listrik diatas terjadi pada proses kerja dari suatu mesin listrik dan hal ini merupakan prinsip dasar dari konversi energi. Secara garis besar, elektromekanik dari mesin listrik dinamis dinyatakan:

“Semua energi listrik dan energi mekanik mengalir kedalam mesin, dan hanya sebagian kecil saja dari energi listrik dan energi mekanik yang mengalir keluar mesin (terbuang) ataupun disimpan didalam mesin itu sendiri, sedangkan energi yang terbuang tersebut dalam bentuk panas”

Sedangkan hukum kekelan energi pertama menyatakan bahwa:

“energi tidak dapat diciptakan, namun dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya”

Aplikasi dari 4 dasar prinsip kerja mesin listrik dinamis dan hukum kekalan energi digambarkan sebagai berikut:


Gambar 4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik.

Tanda positif (+) menunjukkan energi masuk, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan energi keluar. Panas yang dihasilkan dari suatu mesin yang sedang melakukan proses selalu dalam tanda negatif (-).

Sedangkan untuk energi yang tersimpan, tanda positif (+) menujukkan peningkatan energi yang tersimpan, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan pengurangan energi yang tersimpan.

Keseimbangan dari bentuk-bentuk energi diatas tergantung dari nilai efisiensi mesin dan sistem pendinginannya.