Percobaan Faraday
1. Prinsip Kerja Transformator
Transformator terdiri atas pasangan kumparan primer dan sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak yang terbuat dari plat besi yang disusun berlapis-lapis.
Prinsip dasar transformator adalah berdasarkan percobaan yang dilakukan pertama kali oleh Faraday. Perhatikan skema rangkaian percobaan Faraday berikut ini!
Pada Gambar 8.9, kamu dapat mengamati bahwa rangkaian primer terdiri atas kumparan primer yang dililitkan di sebelah kiri inti besi dan dihubungkan dengan sebuah aki. Rangkaian sekunder terdiri atas kumparan sekunder yang dililitkan di sebelah kanan inti besi dan dihubungkan dengan sebuah gal-vanometer.
Nah, ketika arus mengalir melalui kumparan primer, arus listrik yang mengalir pada kumparan primer berubah dari nol ke nilai tetapnya. Arus listrik tersebut menghasilkan garis-garis Gambar 8.8 Transformator.
Gambar 8.9 Skema rangkaian percobaan Faraday.
kumparan primer kumparan sekunder inti besi lunak
arus
gaya magnetik. Sesuai dengan kaidah tangan kanan, arus listrik ini akan menghasilkan garis-garis gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder. Karena arus listrik dalam rangkaian primer selalu berubah-ubah dari nol ke nilai tetapnya, garis-garis gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder pun berubah-ubah dari nol ke nilai tetapnya. Perubahan garis gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder akan membangkitkan ggl induksi pada ujung-ujung kumparan sekunder. Dengan adanya arus listrik induksi yang mengalir melalui galvanometer, jarum galvanometer akan menyimpang, misalnya ke kanan. Setelah beberapa saat, garis gaya magnetik sudah tetap sehingga ggl induksi pada ujung-ujung kumparan kembali menjadi nol.
Ketika arus yang mengalir melalui kumparan primer diputuskan, arus listrik yang mengalir pada kumparan sekunder akan berkurang dari nilai tetapnya menuju ke nol. Hal ini menyebabkan garis-garis gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder juga berkurang dari nilai tetapnya menuju nol. Perubahan garis-garis gaya magnetik yang memotong kumparan sekunder ini menyebabkan timbulnya ggl induksi di ujung-ujung kumparan dengan polaritas yang berlawanan dengan ggl induksi yang dihasilkan sebelumnya. Hal ini menimbulkan arus induksi dengan arah yang berlawanan dengan arah arus induksi sebelumnya sehingga jarum galva-nometer juga menyimpang ke arah kiri.
Transformator biasanya digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik arus AC. Hal ini dapat dilakukan dengan cara membedakan jumlah lilitan dari kumparan primer dan kumparan sekunder. Bagaimana hubungan antara jumlah lilitan, kuat arus dan besar tegangan dalam transformator?
Pada transformator, perbandingan tegangan sama dengan perbandingan banyaknya lilitan. Secara matematis hubungan antara tegangan dan banyaknya lilitan dituliskan sebagai berikut. p p s s V N V = N ... (8.2) Keterangan:
Vp = tegangan pada kumparan primer
Vs = tegangan pada kumparan sekunder
Np = banyaknya lilitan kumparan primer
Ns = banyaknya lilitan kumparan sekunder
Dari Persamaan (8.2) dapat dikatakan bahwa besarnya tegangan berbanding lurus dengan banyaknya lilitan.
Jika besarnya tegangan dan kuat arus listrik pada kumparan primer dinyatakan dengan Vp dan Ip, maka besar daya listrik pada kumparan primer (Pp) adalah sebagai berikut.
Jika besarnya tegangan dan kuat arus listrik pada kumparan sekunder dinyatakan dengan Vs dan Is, maka besar daya listrik pada kumparan sekunder (Ps) adalah sebagai berikut.
Ps = Vs
⋅
Is ... (8.4)Berdasarkan tegangan listrik yang dihasilkan, trafo dibedakan menjadi dua macam, yaitu trafo step up dan trafo step down.
Trafo step upadalah trafo yang menghasilkan tegangan arus AC lebih tinggi. Bentuk dan simbol trafo step up ditunjukkan pada Gambar 8.10. Sedangkan ciri-ciri trafo step up adalah sebagai berikut.
a. Np < Ns
b. Vp < Vs
c. Ip > Is
Trafo step down adalah trafo yang menghasilkan tegangan arus AC lebih rendah. Simbol trafo step down ditunjukkan pada Gambar 8.11. Sedangkan ciri-ciri trafo step down adalah sebagai berikut.
a. Np > Ns
b. Vp > Vs
c. Ip < Is
Pada transformator ideal, efisiensi transformator dapat dianggap 100%, hal ini berarti daya yang hilang dalam transformator dapat diabaikan sehingga daya listrik pada kumparan primer dapat diteruskan seluruhnya menuju kumparan sekunder. Dengan pengertian tersebut dapat diperoleh:
Pp = Ps ⇔ Vp
⋅
Ip = Vs⋅
Is ... (8.5)Sehingga hubungan antara besarnya tegangan dan besarnya arus listrik dapat dituliskan sebagai berikut.
... (8.6)
Perbandingan tegangan pada Persamaan (8.6) sama dengan perbandingan tegangan pada Persamaan (8.2) sehingga hubungan antara arus listrik dengan banyaknya lilitan dapat diperoleh sebagai berikut.
... (8.7)
Contoh
Sebuah radio memerlukan tegangan 9 volt dari catu daya 220 volt.
a. Jika kumparan primer trafo memiliki 440 lilitan, berapakah jumlah lilitan yang dimiliki kumparan sekunder?
b. Jika arus 110 mA mengalir melalui radio, berapakah arus yang ditarik dari catu daya 220 volt?
Gambar 8.10 a. Trafo step up. b. Simbol trafo step up. a kumparan primer kumparan sekunder tegangan primer tegangan sekunder
inti besi lunak
220 V 12 V
b
Gambar 8.11 a. Transfo step down. b. Simbol trafo step
down. b tegangan primer tegangan sekunder kumparan primer kumparan sekunder
inti besi lunak
220 V 12 V
Jawab:
a. Dengan menggunakan Persamaan (8.2) diperoleh:
p p s s s s 220 V 440 9 V 9 V 440 220 V 18 V N V N N N = ⇔ = ⇔ = × =
Jadi jumlah lilitan kumparan sekunder adalah 18 lilitan. b. Dengan menggunakan Persamaan (8.6) diperoleh:
p s s p p p 220 V 110 mA 9 V 9 V 110 mA 220 V 4,5 mA V I V I I I = ⇔ = ⇔ = × =
Jadi arus yang mengalir pada kumparan primer adalah 4,5 mA.
Pada transformator energi listrik yang keluar selalu lebih kecil daripada energi listrik yang masuk. Mengapa hal tersebut dapat terjadi? Di kelas VII, kamu telah mempelajari hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi energi hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Nah, hukum kekekalan energi ini juga berlaku pada transformator.
Pernahkah kamu menggunakan transformator? Ketika kamu selesai menggunakan transformator, coba kamu pegang bagian besi yang terisolasi. Apa yang kamu rasakan? Ketika kamu memegang bagian besi yang terisolasi setelah transformator digunakan, kamu akan merasakan panas. Hal ini membuktikan bahwa sebagian energi pada transformator diubah menjadi energi panas sehingga energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada energi yang masuk ke transformator. Timbulnya energi panas pada transformator tidak dapat dihindari.
Perbandingan antara daya listrik yang keluar dari trans-formator dan daya listrik yang masuk ke transtrans-formator disebut efisiensi transformator. Nilai efisiensi transformator dinyatakan dalam persentase. Efisiensi transformator dapat dinyatakan sebagai berikut. s p 100% P P η = × ... (8.8) Keterangan: η = efisiensi transformator
Ps = daya listrik kumparan sekunder
Karena daya listrik sama dengan hasil kali tegangan dan kuat arus listrik, efisiensi transformator dapat juga dinyatakan sebagai berikut. s s p p 100% V I V I ⋅ η = × ⋅ ... (8.9) Keterangan: η = efisiensi transformator
Vs = tegangan sekunder (volt)
Vp= tegangan primer (volt)
Is = arus pada kumparan sekunder (ampere)
Ip = arus pada kumparan primer (ampere)
Contoh
Sebuah transformator menghasilkan daya sebesar 180 watt. Berapakah efisiensi transformator tersebut jika daya masukan-nya sebesar 200 watt?
Jawab:
Dengan menggunakan Persamaan (8.8) diperoleh:
s p 180 100% 100% 90% 200 P P η = × = × =
Jadi efisiensi transformator tersebut adalah 90%.