PENGARUH INTI KOIL TERHADAP TEGANGANINDUKTOR DAN RESISTOR YANG DIRANGKAI SECARA SERI Salomo, Erwin,Surya Ningsih Jurusan Fisika - Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia. ABSTRAK Telah dibuat koil (solenoida) dan inti koil yang bervariasi. Koil divariasikan dengan jumlah lilitan: 50 lilitan, 100 lilitan, 150 lilitan dengan panjang 5 cm dan diameter 3,5 cm, sedangkan inti koil divariasikan dari beberapa material seperti Fe (besi), Cu (tembaga), dan Al (aluminium) dengan panjang 5 cm dan diameter 3 cm. Koil ini dirangkai secara seri dengan resistor yang memiliki resistansi 150 Ω, sumber tegangan dan saklar, kemudian dilakukan pengukuran tegangan induktor dan resistor pada koil. Pengukuran ini dilakukan untuk koil tanpa inti dan koil dengan tambahan inti Fe, Al, serta Cu. Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh tegangan induktor menurun seiring pertambahan waktu, besarnya tegangan tersebut juga dipengaruhi oleh medan magnet koil. Penambahan inti Fe pada koil 150 lilitan menghasilkan tegangan induktor sebesar 2,54 volt saat t = 5 detik, sedangkan penambahan inti Cu menghasilkan tegangan induktor sebesar 0,42 volt pada waktu yang sama. Tegangan resistor pada koil 100 lilitan dengan inti Fe adalah 0,21 volt pada t = 5 detik, namun begitu intinya diganti dengan Cu tegangannya menjadi 2.42 volt. Ini berarti koil dengan medan magnet besar akan menghasilkan tegangan induktor yang besar sedangkan tegangan resistor utuk koil dengan medan magnet besar akan bernilai kecil.
Kata Kunci:Inti Koil, Tegangan Resistor, Tegangan Induktor, Medan Magnet PENDAHULUAN Sebuah rangkaian sederhana yang terdiri dari kawat konduktor dan elemen rangkaian lainnya seperti resistor dan induktor yang dihubungkan secara seri dengan sebuah batrai (ε) maka tegangan listrik (V) akan timbul pada masing–masing elemen tersebut
Gambar 1. Skema rangkaian RL
dan arus listrik (I) akan mengalir melalui elemen-elemen tersebut. Rangkaian yang
Sesaat setelah saklar ditutup pada rangkaian
seperti ini sering disebut dengan rangkaian
tidak mengalir arus (karena sifat induktor
RL, secara prinsip skema rangkaian RL
yang tidak bisa berubah dengan seketika)
ditunjukkan oleh Gambar 1.
maka sesaat setelah penutupan saklar arus pada rangkaian adalah nol. Misalkan Iadalah 467
arus pada waktu t sesaat setelah saklar
Gambar 2. Respon transien rangkaian RL
ditutup maka laju perubahan arus pada waktu
tersebut
adalah
sebesar
Dari gambar 2 dapat dilihat mula-mula
di/dt,
arus sesaat i naik secara cepat, kemudian
sehingga besarnya tegangan yang melalui
bertambah
resistor pada waktu tersebut adalah
mendekati nilai akhir I= ε/R. Pada waktu
VR = IR ........................................... (1)
yang sama dengan L/R arus tersebut naik
sedangkan tegangan yang melalui induktor
menjadi (1 – 1/e) atau kira-kira 63% dari
adalah
nilai akhirnya. Kuantitas L/R menyatakan
VL = L
di dt
di dt
biasa
I t =𝑅 1− e
𝑅𝑡 𝐿
disebut
konstanta
waktu
dan
Induktor juga sering disebut dengan solenoida atau kumparan adalah sebuah koil
persamaan (3) adalah −
dan
dinyatakan dengan τ .
= 0 .......................... (3)
Solusi persamaan arus transier untuk
𝜀
lambat
itu bertambah menuju nilai akhirnya atau
yang berlaku untuk
rangkaian RL ini adalah 𝜀 − 𝐼𝑅 − L
lebih
sebuah ukuran mengenai seberapa cepat arus
.. .................................... (2)
Hukum Kirchhoff
secara
yang terdiri dari banyak lilitan dalam bentuk
....................... (4)
struktur silindris dengan jari-jari R dan panjang ℓ(Shen dan Kong, 1987). Fungsi
dimana: VR = Tegangan resistor (Volt)
utama
VL = Tegangan induktor (Volt)
sederhana RL ini adalah sebagai penyimpan
I
energi, dimana energi yang disimpan ini
= Arus (Ampere)
dari
induktor
dalam
rangkaian
R = Resistansi (Ω)
adalah dalam bentuk medan magnetik
L = Induktansi (Henry)
internal dengan garis-garis gaya magnet
di
merupakan gabungan dari garis-garis gaya
dt
= Laju perubahan arus
magnet dari kawat melingkar. Besarnya
Persamaan Respon transien rangkaian RL
medan magnet B yang dihasilkan induktor
dapat dilihat pada gambar 2.
dengan jumlah lilitan persatuan panjang n adalah : 𝐵 = µ0 ⋅ 𝑛 ⋅ 𝐼 .................................. (5) Induktor yang diberi tambahan inti apabila dialiri arus listrik dapat menghasilkan medan magnet yang lebih besar dibanding 468
induktor yang hanya memiliki inti udara.
sangat
kecil,
beberapa
Hal ini disebabkan medan magnet induktor
termasuk
golongan
akan membuat magnet-magnet elementer
Tembaga,
Intan,
(dipol–dipol magnet) material inti tersebut
Perak,Hidrogen (1 atm) dan Nitrogen
searah dan termagnetisasi. Sebagai hasilnya,
(Tipler,1996). Medan magnet luar yang
medan magnet yang terjadi merupakan
diberikan pada material diamagnetik akan
gabungan dari medan magnet selenoida (B0)
menyebabkan elektron-elektron dalam atom
dan medan magnet material inti (Binti),
akan
secara matematis ditulis dengan
sedemikian rupa sehingga menghasilkan
𝐵𝑇 = 𝐵0 + 𝐵𝑖𝑛𝑡𝑖 ........................... (6)
resultan medan magnet atomis yang arahnya
Besarnya medan magnet yang ditimbulkan
berlawanan dengan medan magnet luar
material inti adalah
tersebut (Young dan Freedman, 2002).
mengubah
ini
material adalah
Emas,
yang Timah,
Air
geraknya
raksa,
menjadi
Binti = µ0 ∙M..................................... (7) b. Paramagnetik
M menyatakan magnetisasi, untuk bahan paramagnetik dan feromagnetik magnetisasi
Material paramagnetik adalah material
mempunyai arah yang sama dengan B0.
yang memiliki suseptibilitas magnetik xm
Sehingga
berbanding lurus
yang positif dan sangat kecil (Tipler, 1996).
dengan medan magnetik solenoida yang
Apabila tidak terdapat medan magnetik luar
dikerahkan
dipol
momen magnetik ini tersusun secara acak,
magnetik pada material inti tersebut. Dengan
tetapi jika diberi medan magnet luar momen
demikian dapat ditulis
magnetik ini akan cendrung menyearahkan
M = 𝑥𝑚
B0 µ0
magnetisasi
untuk
meyearahkan
sejajar dengan medannya. Kecendrungan
...................................... (8)
momen magnetik untuk sejajar dengan
xm adalah suseptibilitas magnetik, yang
medannya ini dilawan oleh kecendrungan
nilainya berbeda-beda untuk masing-masing material.
Ada
beberapa
momen untuk bergerak secara acak akibat
jenis material
gerakan termalnya sehingga suseptibilitas
magnetik dilihat dari sifat-sifatnya, yaitu
paramagnetik semakin berkurang dengan semakin bertambahnya suhu
a. Diamagnetik Material diamagnetik ini mempunyai nilai suseptibilitas magnetik xm negatif dan
469
penambahan inti terhadap tegangan induktor
c. Feromagnetik Material
merupakan
dan resistor. Penelitian medan magnetik juga
material yang memiliki banyak spin elektron
dilakukan untuk medan magnet sebagai
yang tidak berpasangan dan masing-masing
fungsi arus dan medan magnet sebagai
spin elektron yang tidak berpasangan ini
fungsi jarak.
akan
feromagnetik
menimbulkan
sehingga
medan
medan magnet
magnetik, total
yang
METODELOGI PENELITIAN
dihasilkan oleh satu atom menjadi lebih besar
(Halliday
1998).
penelitian ini adalah sensor magnetik PS
golongan
2112 alat ini dilengkapi dengan software
feromagnetik adalah besi murni, kobalt dan
data studio yang harus diinstal sebelumnya,
nikel
Material
koil atau induktor dengan jumlah lilitan
feromagnetik ini terdiri dari daerah-daerah
50,100,dan 150 lilitan, inti koil yang terdiri
kecil yang disebut domain, yang berprilaku
dari beberapa material yaitu Fe, Al, dan Cu.
seperti magnet kecil dengan kutub utara dan
Resistor dengan resistansi 150 Ω, power
selatan (Giancoli, 1998). Medan magnet luar
supply, kabel penghubung, regulator sebagai
yang diberikan pada material ini akan
pengatur tegangan, penyangga sensor untuk
membuat domain dengan momen magnet
meletakkan sensor, dudukan kumparan,
paralel terhadap medan eksternal akan
laptop sebagai alat penyimpan data, dan
mengembang sementara yang lain mengerut.
multimeter untuk mengukur tegangan pada
Dalam penelitian ini telah dibuat sebuah
induktor dan resistor. Prosedur pengukuran
rangkaian sederhana yang terdiri dari batrai,
medan magnet dilakukan dengan meletakan
kawat konduktor, resistor dan koil yang
koil
dihububungkan secara seri. Jumlah lilitan
menghubungkannya ke regulator yang telah
dari koil divariasikan yaitu 50,100, dan 150
tersambung ke power supply. Sensor magnet
lilitan, sedangkan untuk inti koil dipilih dari
PS 2112 dipasang pada penyangga sensor
beberapa material yaitu Fe (besi), Al
dan hubungkan USB penghubung ke laptop,
(Aluminium), dan Cu (Tembaga). Variable
kemudian buka software data studio pada
yang diteliti adalah pengaruh penambahan
laptop. Tempatkan kepala sensor di dalam
inti terhadap medan magnet pada koil dan
koil, hidupkan swich pada regulator dan klik
pengaruh
tombol START pada software maka secara
Material
yang
serta
dan
Resnick,
masuk
pada
Alat dan bahan yang digunakan dalam
gabungannya.
penambahan
inti
terhadap 470
pada
dudukan
kumparan
dan
otomatis sensor akan mencatat besar medan
HASIL DAN PEMBAHASAN
magnet pada koil tersebut, jika data yang
Hasil pengukuran medan magnet pada
diambil selesai klik tombol STOP pada
koil sebagai fungsi arus dapat dilihat pada
software. Medan magnet sebagai fungsi arus
tabel 1.
diukur untuk koil 50,100, dan 150 lilitan
Tabel 1 Pengukuran medan magnet pada
dengan arus masukan yang divariasikan
koil sebagai fungsi arus
yaitu 2A, 4A, 6A, 8A, 10A. Medan magnet sebagai fungsi jarak diukur untuk koil 50 lilitan,
dengan
memvariasikan
jarak
pengukuran yaitu dengan mengambil titik tengah kumparan sebagai titik 0, kemudian
Tabel 1 menunjukkan semakin besar kuat
0,01 m, 0,015 m, 0,02 m, dan 0,025 m.
arus yang diberikan maka medan magnet
Untuk pengukuran medan magnet dengan
yang dihasilkan oleh koil tersebut semakin
penambahan inti dilakukan dengan arus
besar, hal ini dapat dilihat pada gambar 3.
masukan 2 Ampere, material inti diletakkan
Pertambahan besar medan magnet ini sesuai
didalam koil dan diukur medan magnetnya.
dengan yang diterangkan pada persamaan = µ0 ⋅ 𝑛 ⋅ 𝐼 . Pada gambar 3 juga dapat
Pengukuran tegangan pada induktor dan merangkai
dilihat arus masukan yang sama medan
induktor dan resistor secara seri, kemudian
magnetnya berbeda untuk koil dengan
menghubungkannya pada regulator yang
jumlah lilitan yang berbeda, semakin banyak
telah terhubung ke power supply. Tegangan
jumlah lilitan pada koil maka medan magnet
masukan pada regulator diatur 2,6 Volt,
yang dihasilkan oleh koil tersebut semakin
kemudian
pada
besar. Pertambahan ini dikarenakan garis-
regulator diONkan tegangan pada induktor
garis gaya magnet pada koil merupakan
dan resistor langsung diukur. Pengukuran ini
gabungan dari garis-garis gaya medan
dilakukan secara berulang dengan variasi
magnet dari kawat melingkar. Apabila lilitan
koil dan inti koil.
pada koil semakin banyak, maka garis-garis
resistor
dilakukan
sesaat
dengan
setelah
swich
gaya pada koil tersebut semakin banyak sehingga medan magnet yang dihasilkan semakin besar.
471
Gambar 4. Hubungan jarak terhadap besar medan magnet
Gambar 3. Medan magnetik (T) sebagai fungsi arus Hasil pengukuran medan magnetik sebagai fungsi jarak pada koil 50 lilitan dapat dilihat pada tabel 2. Tabel 2Pengukuran medan magnet pada koil sebagai fungsi jarak
Gambar 5. Pengaruh inti terhadap medan magnet pada koil Penambahan bahan inti pada koil juga Gambar 4 adalah grafik hubungan antara
akan
mempengaruhi
besarnya
medan
jarak terhadap kuat medan magnet pada koil
magnet dari
50 lilitan dengan arus masukan 2 ampere.
yang terlihat pada gambar 5. Koil yang
kumparan tersebut, seperti
diberi inti Fe menghasilkan medan magnet Semakin jauh jarak pengukuran medan
yang paling besar dibanding koil tanpa inti
magnet dari titik tengah koil maka medan
dan koil dengan inti Al dan Cu, pertambahan
magnet yang terukur semakin kecil.Hal ini
nilai yang sangat besar ini karena Fe
disebabkan semakin jauh jarak dari sumber
merupakan material
magnetik maka akan semakin kecil medan
mempunyai nilai suseptibilitas sangat besar.
yang berpengaruh pada daerah tersebut,
Sedangkan penambahan inti Cu pada koil
sesuai dengan yang diharapkan.
akan memperkecil medan magnet koil
feromagnetik yang
karena Cu adalah material diamagnetik yang nilai suseptibilitasnya negatif dan sangat kecil. Medan magnet pada koil yang diberi inti Al akan memperbesar medan magnet total 472
yang
dihasilkan
namun
pertambahannya tidak terlalu besar karena
dibanding
koil
tanpa
inti.
Al adalah material paramagnetik yang nilai suseptibilitasnya sangat kecil. Pada gambar 6 dapat dilihat dengan jelas bahwa tegangan induktor nilainya menurun seiring dengan pertambahan waktu dan pada gambar 7 tegangan resistor naik seiring dengan pertambahan waktu, penurunan nilai
Gambar 6. Tegangan Induktor sebagai fungsi waktu (t) untuk koil tanpa inti dan koil dengan inti Fe, Al, dan Cu
VL dikarenakan sesaat setelah saklar ditutup arus yang mengalir pada rangkaian adalah nol sehingga tegangan pada induktor sama dengan
tegangan
tegangan
pada
nol.Seiring maka
arus
sumber
resistor
dengan mulai
sedangkan
sama
dengan
pertambahan mengalir,
waktu
sehingga
tegangan resistor bertambah besar seiring
Gambar 7. Tegangan resistor sebagai fungsi waktu (t) untuk koil tanpa inti dan koil dengan inti Fe, Al, dan Cu
dengan pertambahan waktu. Sedangkan pada saat arus semakin besar kecepatan pertambahan arus semakin kecil sehingga
Keterangan:
mengakibatkan tegangan induktor senakin menurun seiring pertambahan waktu. Koil dengan inti Fe menghasilkan nilai tegangan induktor yang jauh lebih besar dibanding koil tanpa inti, sedangkan tegangan induktor pada koil dengan inti Cu lebih kecil dibanding koil tanpa inti. Perbedaan ini disebabkan ini oleh induktansi dari koil, penambahan inti Fe menyebabkan medan magnetnya semakin besar dan ini berarti koil
Induktansi
memiliki induktansi yang jauh lebih besar
koil
yang
besar
akan
menimbulkan gaya gerak listrik induksi yang besar dan menyebabkan laju perubahan 473
arus terhadap waktu lebih lambat sehingga
induktansi besar akan menimbulkan gaya
tegangan induktor dengan inti Fe sangat
gerak listrik yang besar, dengan begitu koil
besar dan relatif tetap dari tegangan
lebih
masukan. Koil dengan inti Cu memiliki
mengalir sehingga arus yang melalui resistor
medan magnet dan induktansi yang lebih
sangat kecil dan menyebabkan tegangan
kecil dibandingkan koil tanpa inti, sehingga
reristornya sangat kecil. Koil dengan inti Cu
laju perubahan arus yang lebih cepat terjadi
memiliki medan magnet yang lebih kecil
pada
daripada
koildan
induktornya
menyebabkan
akan
secara
koil
menghambat
tanpa
inti,
arus
ini
yang
berarti
cepat.
induktansi dan ggl induksinya juga lebih
Peristiwa yang sama terjadi pada koil
kecil dibanding koil tanpa inti. Koil dengan
dengan jumlah lilitan yang bervariasi, untuk
gaya gerak listrik induksi yang kecil lebih
koil 150 lilitan memiliki tegangan induktor
sukar menahan arus, dan menyebabkan arus
yang sangat besar sedangkan koil 50 lilitan
yang mengalir ke resistor akan bertambah
memiliki tegangan induktor yang sangat
dengan cepat sehingga tegangan resistornya
kecil. Ini berarti semakin besar induktansi
meningkat cepat. Peristiwa yang sama
pada koil maka semakin besar tegangan
terjadi pada koil dengan jumlah lilitan yang
induktornya, dan penambahan inti pada koil
bervariasi, untuk koil 150 lilitan memiliki
berpengaruh terhadap tegangan induktor
tegangan resistor lebih kecil dari koil 50
karena
lilitan. Ini berarti semakin besar medan
dengan
turun
tegangan
mudah
penambahan
inti
akan
mengubah besar induktansi koil. Keadaan
ini
berlawanan
magnet atau induktansi pada koil maka dengan
semakin kecil tegangan resistornya, dan
tegangan resistor. Pada gambar 7 terlihat
penambahan inti pada koil berpengaruh
tegangan resistor pada koil dengan inti Fe
terhadap tegangan resistor karena dengan
jauh lebih kecil dibanding koil tanpa inti,
penambahan inti koil akan mengubah besar
sedangkan tegangan resistor pada koil
induktansikoil.
dengan inti Cu lebih besar dibanding koil tanpa inti. Perbedaan ini dikarenakan medan
KESIMPULAN
magnet koil dengan inti Fe yang lebih besar
Berdasarkan
dibanding
koil
tanpa
inti
hasil
penelitian
yang
sehingga
dilakukan dapat ditarik kesimpulan: Medan
induktansi dari koil dengan inti Fe jauh lebih
magnet koil akan bertambah besar apabila
besar dibanding koil tanpa inti. Koil dengan
arus yang mengalir pada koil diperbesar dan 474
jumlah lilitan pada koil diperbanyak. Medan
Halliday,D. dan Resnick,R.1998. Fisika
magnet yang dihasilkan koil 50 lilitan
Cetakan Ketiga. Terjemahan. Penerbit
dengan arus masukan 2 Ampere adalah
Erlangga, Jakarta.
0,001180 Tesla, namun begitu jumlah
Reitz, J.R., Milford, F.J., Christy, R.W.
lilitannya ditambah menjadi 150 lilitan
1992. Foundation of Electromagnetic
dengan arus masukan diperbesar 10 Ampere
Theory.
medan magnetnya menjadi 0,038609 Tesla.
publishing company, Inc
Penerbit,
Addison-wesley
Shen, L.C. dan Kong, J.A.1987. “Applied
Medan magnetik paling besar dihasilkan
Electromagnetism”, PWS Publisher
oleh koil 150 lilitan dengan inti Fe yaitu 0,006071 Tesla, sedangkan medan magnet
Tipler,P.A. 1996, “Fisika Untuk Saint dan
paling kecil dihasilkan oleh koil 50 lilitan
Teknik” Jilid 2, Edisi ketiga, Penerbit
dengan inti Cu yaitu -0,000032 Tesla.
Erlangga,Jakarta
Besarnya tegangan induktor dan resistor
Young, H. D. dan Freedman, R. A,
dipengaruhi oleh medan magnet koil, koil
2002.Fisika
dengan medan magnet besar menghasilkan
(terjemahan).Penerbit
tegangan induktor yang besar. Penambahan
Jakarta.
inti Fe, dan Al memperbesar tegangan induktor, sedangkan dengan penambahan inti Cu memperkecil tegangan induktor. Koil yang mempunyai medan magnet besar maka tegangan resistornya akan bernilai kecil. Penambahan inti Fe dan Al pada kumparan memperkecil tegangan resistor sedangkan penambahan inti Cu memperbesar nilai tegangan resistor.
DAFTAR PUSTAKA Giancoli,D.C.1998. Terjemahan
Fisika
jilid
2.
Dra.Yuhilza
Hanum,M.Eng dan Ir.Irwan Arifin, M.Eng. Penerbit Erlangga, Jakarta 475
Universitas Erlangga,
