LAPORAN
PRAKTIKUM LISTRIK MAGNET Praktikum Ke 1
KUMPARAN INDUKSI
A. TUJUAN
1. Mempelajari watak kumparan jika dialiri arus listrik searah (DC). 2. Mempelajari watak kumparan jika dialiri arus listrik bolak-balik (AC). 3. Menentukan resistansi kumparan dengan Wheatstone Bridge.
4. Menentukan induktansi diri suatu kumparan.
5. Menentukan reaktansi induktif dari sebuah kumparan.
B. DASAR TEORI
Bila fluks magnetik jatuh pada suatu penghantar berbentuk kumparan, maka dalam penghantar akan timbul gaya gerak listrik yang disebut gaya gerak listrik induksi atau imbas. Perubahan fluks magnetik pada kumparan dapat diperleh dengan cara menggerakkan magnet pada kumparan, sedangkan kumparan atau kawat dalam keadaan diam. Atau sebaliknya kumparan atau kawat yang bergerak, sedangkan magnet tetap diam.
Jika suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik DC, maka dia berperilaku seperti magnet batang. Dalam rangkaian tertutup dengan sumber tegangan DC, nilai resistansi dari induktor hanyalah resistansi ohmik.
1. Bagaimana penjelasanmu tentang watak magnet kumparan ini?
Jika suatu kumparan dihubungkan dengan sumber arus DC, maka dalam rangkaian tertutup kumparan tersebut dapat berprilaku seperti magnet batang, yang sifatnya adalah sementara, hanya jika ada arus yang lewat pada kumparan.
Berdasarkan hukumnya Biot Savart, kawat lurus panjang dialiri arus listrik maka akan timbul induksi magnet di sekitar kawat tersebut. Kalau kawat lurus tersebut kita buat kumparan (Solenoid) bagaimana arah medan magnetnya? Kita lihat pada gambar berikut.
Gambar 2. Arah arus kumparan dan arah garis gaya magnet.
Pada kumparan di atas arus dari atas keluar bidang menuju ke bawah masuk bidang. Sesuai dengan kaidah tangan kanan maka arah medan magnet mengumpul menjadi satu menuju ke arah kanan. Hal inilah yang menyebabkan kumparan bila dialiri arus DC seperti magnet batang.
2. Bagaimana cara menentukan kutub-kutub magnet kumparan?
Pada magnet batang arah medan magnet di luar batang dari kutup utara ke selatan, kalau di dalam batang dari selatan ke utara. Dari gambar di atas arah medan magnet di dalam kumparan, sehingga kutup utara kumparan sebelah kanan dan kutup selatan sebelah kiri. Atau metode yang lain menentukan kutub-kutub magnet kumparan, diuji dengan mendekatkan magnet batang yang telah di ketahui kutub-kutubnya. Dengan prinsip untuk kutup sejenis tolak-menolak, kutub tak sejenis tarik-menatik.
3. Bagaimana arah garis gaya magnet yang dibangkitkan oleh kumparan yang dialiri listrik DC?
Arah garis gaya yang magnet yang dibangkitkan oleh kumparan yang dialiri listrik DC, tergantung arah aliran arus DC yang mengalir. Sebagai contoh pada gambar 2 tersebut, tetap menggunakan kaidah tangan kanan yaitu ibu jari arah arus, empat jari yang lain arah medan magnet.
Maka pada gambar 2 arah medannya terpusat di dalam kumparan ke arah kanan. Kalau di luar kumparan pada gambar 2 dari kanan ke kiri. Sama halnya dengan arah garis gaya magnet pada magnet batang, di luar magnet batang dari kutub utara ke selatan, di dalam magnet batang dari selatan ke utara arah garis gaya magnetnya.
4. Faktor apa saja yang mempengaruhi besarnya kuat medan magnet yang dibangkitkan oleh kumparan yang dialiri listrik DC?
Kita tinjau secara rumusan besar medan magnet kumparan: Medan magnet di tengah kumparan :
B
=
µ
0n
i
Medan magnet di ujung kumparan :
2
0
n
i
B
=
µ
Dari kedua rumusan di atas tampak bahwa faktor yang mempengaruhi besarnya kuat medan magnet yang dibangkitkan oleh kumparan yang dialiri listrik DC adalah:
a. Jumlah lilitan (n)
b. Besar kuat arus yang mengalir (i)
5. Faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi nilai resistansi ohmik dari kumparan/penghantar?
Kita tinjau rumus
A l
R =ρ untuk kawat lurus (penghantar), bila lilitan maka akan ada pengaruh dengan banyak lilitan. Maka di dapat faktor yang mempengaruhi hambatan ohmik:
a. Hambatan jenis kawat yang digunakan sebagai kumparan (ρ ) b. Panjang kawat (l) yang ada hubungannya dengan Jumlah lilitan (n) c. Luas penampang kawat yang digunakan sebagai kumparan (A)
Jika suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik AC. maka, yang berpengaruh pada rangkaian tersebut tidak hanya hambatan ohmik tetapi juga hambatan yang muncul dari kumparan (reaktansi induktif). Nilai reaktansi induktif bergantung pada besarnya induksi diri kumparan. Reaktansi induktor/kumparan, banyak difungsikan pada rangkaian-rangkaian elektronik. 6. Apakah kumparan yang dialiri listrik AC juga berwatak sebagai magnet
batang? Jelaskan!
Jika kumparan dialiri listrik AC tidak berwatak sebagai magnet batang, karena arus listrik AC bersifat bolak-balik, setengah siklus pertama positif, setengah siklus berikutnya negatif, begitu seterusnya. Hal ini dapat mempengaruhi arah medan magnet yang di timbulkan oleh kumparan berubah-ubah sangat cepat yang dapat mengakibatkan hambatan dalam kumparan (reaktansi induktif) disamping itu juga muncul hambatan ohmik. 7. Apa reaktansi induktif itu? '
Reaktansi/hambatan yang muncul pada suatu induktor apabila induktor tersebut di aliri arus AC. Karena isyarat AC sesekali positif, sesekali negatif (berubah-ubah fasenya), menyebabkan perubahan fluks magnetik.
8. Jelaskan proses munculnya reaktansi induktif !
Pada saat arus bolak-balik mengalir ke dalam kumparan terjadi perubahan fluks magnet. Pada saat arus AC fase positif maka medan magnet yang ditimbulkan mempunyai arah tertentu, pada saat fase negatif, maka medan magnet yang ditimbulkan akan berlawanan arah pada saat fase positif. Adanya perubahan arus imbas dan medan magnetik yang saling berlawanan menyebabkan timbulnya reaktansi induktif.
9. Apakah induksi diri dari sebuah kumparan itu? Jelaskan!
Induksi diri dari subuah kumparan adalah besarnya GGL imbas yang timbul jika ada perubahan arus sebesar 1 A, fluks magnetik yang dihasilkan oleh kumparan itu sendiri. Induktansi diri berharga 1 henry bila
pada kumparan timbul GGL induksi sebesar 1 volt dengan perubahan kuat arusnya 1 ampere tiap detik. Besarnya induktansi diri dari sebuah kumparan dengan N lilitan:
i N
L= φ dan XL =2πfL
10. Bagaimana kaitan antara reaktansi induktif dengan koefisien induksi diri dari sebuah kumparan? .
Kaitan antara reaktansi induktif dengan koefisien induksi diri (L) dari sebuah kumparan semakin besar koefisien induksi diri, maka makin besar pula reaktansi induktifnya. Karena dari rumus di atas tampak XL
berbanding lurus dengan L.
11. Apakah yang dimaksud dengan V efektif?
Nilai tegangan pada listrik AC yang disetarakan dengan nilai tegangan pada listrik DC yang menghasilkan jumlah kalor yang sama pada penghantar dalam waktu yang sama. Apabila kita mengukur dengan osiloskop berlaku: max max 0,707 2 V V Veff = =
12. Apakah yang dimaksud dengan I efektif ?
Nilai arus pada listrik AC yang disetarakan dengan nilai arus pada listrik DC yang menghasilkan jumlah kalor yang sama pada penghantar dalam waktu yang sama. Apabila kita mengukur dengan osiloskop berlaku:
max max 0,707 2 I I Ieff = = C. ALAT-ALAT 1. Voltmeter AC 2. Wheatstone Bridge 3. Ampermeter AC 4. Power Supply AC 5. Frekuensimeter
D. LANGKAH EKSPERIMEN
1. Menyusun peralatan seperti pada gambar berikut:
(a) (b)
Pada rangkaian di atas berlaku hukum Ohm untuk rangkaian tertutup yaitu V=IZ. Dengan Z adalah reaktansi induktor, V dan I merupakan nilai efektif dari tegangan dan kuat arus.
2. Menentukan V dan I sedikitnya 5 kali (a)
3. Mengulangi langkah 1 dan 2 untuk rangkaian (b)
4. Menentukan resistansi kumparan dengan wheatstone bridge 5. Mengukur frekuensi tegangan AC dengan frekuensimeter.
E. DATA PERCOBAAN
1. Rangkaian penentuan induksi diri kumparan (L)
No. Rangkaian (a) Rangkaian (b) V (Volt) I (mA) V (Volt) I (A)
1. 0,5 30 2,2 0,1 2. 0,7 60 2,8 0,2 3. 0,8 90 3,4 0,3 4. 0,9 120 3,8 0,4 5. 1,1 150 4,2 0,5 6. 1,2 180 4,8 0,6 7. 1,3 210 5,2 0,7 8. 1,4 240 5,6 0,8 9. 1,5 270 6,0 0,9 10. 1,6 300 6,6 1,0
3. Frekuensi sumber AC : 50 Hz F. ANALISIS DATA
1. Menentukan reaktansi induktif kumparan
Dengan menentukan nilai V dan I maka akan didapatkan Z (impedansi), jika hubungan V dan I adalah linier, maka Z dapat ditentukan dengan menghitung koefisien arah kurva. Hubungan ini dirumuskan: V =ZI
V : tegangan (volt), sebagai sumbu y I : kuat arus (A) sebagai sumbu x
Z : impedansi kumparan (Ω) sebagai gradien kurva
Dari grafik yang telah kita fitting di Microsoft Excel diperoleh persamaan garis umum y=bx +a, koeffisien dari x yaitu b adalah gradien garis, bila kita hubungkan dengan rumus V =ZI , maka b=Z, a=0, V=y dan I=x. Kita buat grafik hubungan tegangan dan arus dari rangkaian (a) dengan data:
No. Sumbu x Sumbu y I (A) V (Volt) 1. 0.03 0.5 2. 0.06 0.7 3. 0.09 0.8 4. 0.12 0.9 5. 0.15 1.1 6. 0.18 1.2 7. 0.21 1.3 8. 0.24 1.4 9. 0.27 1.5 10. 0.30 1.6
GRAFIK HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN DAN ARUS PADA RANGKAIAN (a) y = 4x + 0.44 R2 = 0.99 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Arus (A) T eg an g an ( V o lt )
Dari grafik di atas kita peroleh persamaan garis y = 4x + 0.44, gradien garisnya b=4, sehingga impedansinya Z=4Ω.
Jadi impedansi daripada kumparan saat dilalui arus listrik bolak-balik (AC) adalah 4Ω.
Untuk menentukan reaktansi induktif dapat diperoleh dengan rumus :
2 2
L X R
Z = + dengan R=0,6Ω dan Z=4Ω, maka:
2 2 0,6 4 − = L X 36 , 0 16 − = 64 , 15 = Ω =3,95
Menentukan induktansi diri kumparan (L)
Untuk menentukan induktansi diri dari kumparan dapat diperoleh dengan rumus : XL =2πfL dengan XL=3,95Ω maka:
f X L L π 2 = 50 2 95 , 3 π = henry 0126 , 0 =
Jadi induktansi diri kumparan adalah 0,0126 henry.
2. Kita buat grafik hubungan tegangan dan arus dari rangkaian (b) dengan data:
No. Sumbu x Sumbu y I (A) V (Volt) 1. 0.1 2.2 2. 0.2 2.8 3. 0.3 3.4 4. 0.4 3.8 5. 0.5 4.2 6. 0.6 4.8 7. 0.7 5.2 8. 0.8 5.6 9. 0.9 6.0 10. 1.0 6.6
GRAFIK HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN DAN ARUS PADA RANGKAIAN (b) y = 4.72x + 1.87 R2 = 1.00 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Arus (A) T eg an g an ( V o lt )
Dari grafik di atas kita peroleh persamaan garis y = 4,75x + 1,87, gradien garisnya b=4,75, sehingga impedansinya Z=4,75Ω.
Jadi impedansi daripada kumparan saat dilalui arus listrik bolak-balik (AC) adalah 4,75Ω.
Untuk menentukan reaktansi induktif dapat diperoleh dengan rumus :
2 2
L X R
Z = + dengan R=0,6Ω dan Z=4,75Ω, maka:
2 2 0,6 75 , 4 − = L X 36 , 0 56 , 22 − = 20 , 22 = Ω =4,71
Menentukan induktansi diri kumparan (L)
Untuk menentukan induktansi diri dari kumparan dapat diperoleh dengan rumus : XL =2πfL dengan XL=4,71Ω maka:
f X L L π 2 = 50 2 71 , 4 π = henry 0150 , 0 =
Jadi induktansi diri kumparan adalah 0,0150 henry.
Dari hasil analisis data yang telah dilakukan di atas diperoleh hasil yang sedikit berbeda, pada rangkaian (a) diperoleh induktansi diri L=0,0126 henry dan reaktansi induktif XL=3,95Ω. Sedangkan pada rangkaian (b) diperoleh
induktansi diri L=0,0150 henry dan reaktansi induktif XL=4,71Ω.
G. PEMBAHASAN DAN DISKUSI
Perbedaan metode pengukuran yang dipergunakan pada rangkaian (a) dan rangkaian (b) adalah:
1. Pada rangkaian (a) tegangan yang diukur adalah beda potensial antara kedua ujung kumparan. Pemasangan voltmeter paralel dengan kumparan. Arus yang diukur oleh ampermeter adalah arus yang keluar dari kumparan (arus total dari rangkaian tertutup), dengan pemasangan ampermeter secara seri terhadap kumparan.
2. Pada rangkaian (b), tegangan yang diukur voltmeter adalah beda potensial antara kumparan dan ampermeter. Pemasangan voltmeter paralel dengan gandengan seri kumparan dan ampermeter. Arus yang diukur oleh ampermeter adalah arus yang melalui kumparan dan bukan arus total seperti pada rangkaian (a).
1. Sifat suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik DC, dia berperilaku seperti magnet batang, yang sifatnya sementara, bersifat magnet bila hanya ada arus DC yang mengalir dalam rangkaian tertutup, karena arah medan magnet yang dihasilkan bila dikaji dengan kaidah tangan kanan mempunyai garis gaya medan magnet yang arahnya searah. nilai resistansi dari induktor hanyalah resistansi ohmik bila dialiri listrik DC.
2. Sifat suatu penghantar berbentuk kumparan dialiri listrik AC, dia tidak
berperilaku seperti magnet batang, sebab isyarat AC mempunyai fase positif untuk setengah siklus dan fase negatif untuk setengah siklus berikutnya, sehingga arah garis gaya yang dibentuk induktor berubah-ubah yang menyebabkan adanya reaktansi induktif yang nilainya bergantung besar induktansi diri. Jadi kumparan dialiri listrik AC mempunyai hambatan ohmik dan reaktansi induktif.
3. Besarnya nilai resistansi suatu kumparan dapat ditentukan dengan menggunakan prinsip wheatstone bridge.
4. Induktansi diri akan berharga 1 henry, jika pada kumparan timbul GGL induksi sebesar 1 volt dengan perubahan kuat arusnya 1 ampere tiap detik, yang dirumuskan:
i N L= φ
5. Reaktansi induktif sebauah kumparan dapat ditentukan melalui hubungan:
2 2 2 fL Z R XL = π = − dimana I V Z = XL : Reaktansi induktif (Ω) f : Frekuensi (Hz)
L : Induktansi diri (henry)
Z : Reaktansi induktor (Ω)
R : Reaktansi ohmik kumparan (Ω)
V : Tegangan (Volt)
I : Arus (Ampere)
Supramono Eddy, dkk. 2003. Fisika Dasar II. Malang : JICA-Universitas Negeri Malang (UM).
Team. 2005. Petunjuk Praktikum Listrik Magnet. Malang : Laboratorium Elektromagnetik, Fisika FMIPA UM.
