Alat Terapan Induksi Elektromagnetik: Generator, Dinamo, Transformator, Contoh Soal

Induksi elektromagnetik.(Freepik)

KITA sudah mendiskusikan tentang beberapa fenomena yang berkaitan dengan listrik dan magnet. Misal, di sekitar kawat berarus listrik terjadi medan magnet (induksi magnetik). Jika kamu ingat tentang kegiatan untuk memahami gaya Lorentz, tentunya kamu ingat bahwa gaya dapat terjadi pada arus listrik di sekitar medan magnet. 

Pembahasan lebih lanjut tentang elektromagnetik dilakukan dengan membahas konsep perubahan medan magnet dapat menghasilkan listrik, yang disebut induksi elektromagnetik. Menurut Faraday, listrik dapat dihasilkan dengan cara menggerakkan magnet batang keluar masuk kumparan. Temuan ini diterapkan pada generator listrik yang mengubah energi gerak menjadi energi listrik. 

Bagaimana dan di mana kamu menemukan penerapan induksi elektromagnetik? Alat-alat apa saja yang menggunakan prinsip kerja induksi elektromagnetik? Agar mengetahui jawabannya, ayo kita pelajari uraian berikut yang dilansir dari  Buku Ilmu Pengetahuan Alam/Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Untuk SMP/MTs Kelas IX Semester 2 yang ditulis Siti Zubaidah dkk.

a. Generator.      

Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi gerak (kinetik) menjadi energi listrik. Energi gerak yang dimiliki generator dapat diperoleh dari berbagai sumber energi alternatif, misalnya dari energi angin, energi air, dan sebagainya. 

Keterangan gambar: (a) Generator AC, (b) Generator DC.

Generator dibedakan menjadi generator AC (Alternating Current) dan generator DC (Direct Current). Generator AC atau alternator dapat menghasilkan arus listrik bolak balik dengan cara menggunakan cincin ganda. Sedangkan generator DC dapat menghasilkan arus listrik searah dengan cara menggunakan komutator (cincin belah).

b. Dinamo AC-DC.

Dinamo adalah generator yang relatif kecil seperti yang digunakan pada sepeda. Mengapa lampu sepeda kayuh dapat menyala meskipun tidak diberi baterai? Mengapa nyala lampu akan semakin terang apabila kita mengayuh pedal sepeda dengan lebih cepat? Ternyata pada sepeda terdapat dinamo yang berfungsi sebagai sumber energi listrik untuk menyalakan lampu. 

Dinamo adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi gerak menjadi listrik. Cara kerja dinamo dan generator hampir sama, termasuk penggunaan satu cincin yang dibelah menjadi dua (komutator) pada dinamo DC dan cincin ganda pada dinamo AC. 

Keterangan gambar: Dinamo AC/DC.

Perbedaan dinamo dengan generator terletak pada dua komponen utama dinamo, yaitu rotor (bagian yang bergerak) dan stator (bagian yang diam). Saat sepeda dikayuh dengan cepat, kumparan pada dinamo akan bergerak cepat sehingga gaya gerak listrik (GGL) induksi yang dihasilkan menjadi lebih kuat dan energi listrik yang 
dihasilkan menjadi lebih banyak. 

Selain dengan mempercepat putaran kumparan, penggunaan magnet yang kuat, memperbanyak jumlah lilitan, dan penggunaan inti besi lunak dalam dinamo juga dapat mengakibatkan GGL induksi yang dihasilkan menjadi lebih kuat.

 

Keterangan gambar: Dinamo sepeda.

c. Transformator. 

Masih ingatkah kamu bahwa sebelum dialirkan ke rumah-rumah penduduk, tegangan listrik dari PLN harus diturunkan? Bagaimana cara menurunkan atau menaikkan tegangan listrik? Salah satu caranya yaitu menggunakan transformator. 

Berdasarkan penggunaannya, transformator dibagi menjadi dua jenis, yaitu transformator step-down dan transformator step-up. Transformator step-down berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik. Sedangkan transformator step-up berfungsi untuk menaikkan tegangan listrik.

Keterangan gambar: (a) Transformator Step-Down, (b) Transformator Step-Up.

Transformator pada dasarnya terdiri atas lilitan primer dan lilitan sekunder yang dihubungkan dengan menggunakan inti besi. Lilitan primer yang mendapat tegangan AC akan menginduksi lilitan sekunder. 

Perubahan arah arus AC membuat medan magnet yang terbentuk berubah-ubah, sehingga menghasilkan tegangan AC pada ujung-ujung kumparan sekunder. Inti besi digunakan dengan tujuan untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Besar kecilnya tegangan keluaran yang dihasilkan transformator sangat dipengaruhi oleh jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder. Jika jumlah lilitan primernya lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder, tegangan pada kumparan sekunder juga akan lebih kecil daripada tegangan pada kumparan primer. Transformator tersebut disebut transformator step down. 

Namun, jika jumlah lilitan primernya lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder, tegangan pada kumparan sekunder akan lebih besar daripada tegangan pada kumparan primer. Transformator tersebut disebut transformator step-up. 

Pada transformator ideal, energi listrik yang masuk ke dalam kumparan primer akan dipindahkan seluruhnya ke dalam kumparan sekunder. Hal ini mengakibatkan besar efisiensi transformator menjadi 100% atau secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Wp = Ws

Vp × Ip × t = Vs × Is × t

Vp/Vs = Is/Ip

Is/Ip = Vp/Vs = Np/Ns

Wp = energi primer (J)

Ws = energi sekunder (J)

Ip = arus primer (A)

Is = arus sekunder (A)

Np = lilitan primer

Ns = lilitan sekunder 

Vp = tegangan primer (V) 

Vs = tegangan sekunder (V)

Pada kenyataannya, tidak pernah dapat dibuat transformator dengan efisiensi sebesar 100% (ideal). Ini karena biasanya sebagian energi listrik yang masuk ke dalam kumparan primer akan diubah menjadi kalor. 

Perubahan energi listrik menjadi kalor ini salah satunya disebabkan oleh adanya arus Eddy pada inti besinya. Lebih lanjut tentang arus Eddy akan kamu pelajari di SMA.

Perhitungan efisiensi trafo (η) yang tidak ideal tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan rumus berikut.

η = P_out/P_in x 100%

η = Vs.Is/Vp.Ip x 100%

P_out = daya listrik pada kumparan sekunder (W)

P_in  = daya listrik pada kumparan primer (W)

Contoh soal transformator

1. Transformator memiliki 300 lilitan primer dan 30 lilitan sekunder. Diketahui tegangan pada lilitan primer adalah 220 volt.

a. Tentukan besar tegangan pada lilitan sekunder.

b. Jika arus listrik yang mengalir pada lilitan primer sebesar 0,5 mA, berapakah arus listrik yang mengalir pada lilitan sekunder?

c. Tentukan efisiensi transformator.

d. Tentukan jenis transformator.

Diketahui:

Np = 300 lilitan.

Ns = 30 lilitan.

Vp = 220 volt.

Ip = 0,5 mA.

Ditanya:

a. Tegangan sekunder (Vs).

b. Arus sekunder (Is).

c. Efisiensi transformator (η).

d. Jenis transformator.

Jawab:

a. Tegangan sekunder (Vs).

Np/Ns = Vp/Vs

300/30 = 220 V/Vs

Vs = 220 V × 30/300 Vs = 22 volt.

b. Arus sekunder (Is).

Np/Ns = Is/Ip

300/30 = Is/0,5 mA

Is = 300 × 0,5 mA/30 = 5 mA.

c. Efisiensi transformator (η).

η = P_out/P_in x 100%

η = Vs.Is/Vp.Ip x 100%

η = 5 mA x 22 V/0,5 mA x 220 V x 100%

Persamaan Is/Ip = Vp/Vs = Np/Ns hanya berlaku pada transformator ideal. Karenanya, pada permasalahan ini efisiensinya pasti 100%, tetapi dalam kehidupan sehari-hari tidak pernah ada transformator dengan efisiensi 100% karena ada hambatan pada kawat penghantar sehingga sebagian energi listrik berubah menjadi kalor.

d. Karena Vp > Vs dan Np > Ns, transformator tersebut adalah transformator step-down. (Z-2)