Post on 17-Jan-2016
description
Tugas Metodologi Penelitian
“1 Persamaan Maxwell & Aplikasi/Manfaat Komersialnya
2 Penyajian Alat Ukur dalam Elektronik”
Fitriyanti Nakul [20214036]
Program Studi Fisika
FMIPA Institut Teknologi Bandung
2014
Soal:
I. Tuliskan dan jelaskan persamaan Maxwell serta aplikasi/manfaat
komersialnya?
II. Mengapa seluruh alat ukur penyajiannya dalam elektronik?
I. Persamaan Maxwell serta aplikasi/manfaat komersialnya
A. Persamaan Maxwell
Hukum-hukum tentang elektrostatik, magnetostatik dan elektrodinamik ditemukan
pada awal abad ke-19. Beberapa dari hukum-hukum itu, seperti hukum Faraday, hukum
Ampere, hukum Gauss dan konsep mengenai displacement current, secara sistematik telah
disusun oleh James Clerk Maxwell menjadi apa yang dikenal sekarang ini sebagai persamaan
Maxwell. Persamaan Maxwell ini ada karena dilakukan sintesis hasil-hasil eksperimen
(empiris) mengenai fenomena listrik-magnet yang didapatkan oleh penemu-penemu
sebelumnya. Jadi, persamaan Maxwell merupakan generalisasi dari hukum-hukum yang
terkait. Maxwell mengemukakan 4 buah persamaan yang mengatur hubungan antara
kelistrikan dan kemagnetan, khususnya pada gelombang elektromagnetik. Dari keempat
persamaan tersebut hanya satu persamaan yang merupakan temuannya yaitu koreksi
Maxwell pada Hukum Ampere.
Dalam bentuk integral dan bentuk differensial, persamaan Maxwell dapat dituliskan
sebagai berikut:
Persamaaan Maxwell Bentuk Integral Bentuk
Differensial
Hukum Faraday 𝐸 ∙ 𝑑𝐿 = −
𝑑
𝑑𝑡 𝐵 ∙ 𝑑𝑆
𝛁 x 𝑬 = −𝜕𝑩
𝜕𝑡
…(1)
Hukum Ampere dan
Arus Pergeseran
Maxwell
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆 +𝑑
𝑑𝑡 𝐷 ∙ 𝑑𝑆
𝛁 x 𝑯 = 𝑱 +𝜕𝑫
𝜕𝑡
…(2)
Hukum Gauss 𝐷 ∙ 𝑑𝑆 = 𝜌𝑣 ∙ 𝑑𝑉 = 𝑄
𝛁 ∙ 𝐃 = 𝜌𝑣
…(3)
Hukum Gauss (Medan Magnet
bersifat Dipol)
𝐵 ∙ 𝑑𝑆 = 0
𝛁 ∙ 𝑩 = 0
…(4)
Keterangan:
E : Medan listrik (Volt/m)
B : Fluks atau induksi magnetic (Weber/m2 atau Tesla)
H : Medan magnet (Ampere/m)
J : Rapat arus (Ampere/m2)
D : Perpindahan listrik (coulomb/m2)
𝜌𝑣 : Rapat muatan listrik (Coulomb/m3)
∇ : Operator nabla
Persamaan (1) diturunkan dari hukum Faraday yang menyatakan bahwa perubahan
fluks magnetik menyebabkan medan listrik dengan gaya gerak listrik berlawanan dengan
variasi fluks magnetik yang menyebabkannya. Persamaan (2) merupakan generalisasi
teorema Ampere dengan memperhitungkan hukum kekekalan muatan. Persamaan tersebut
menyatakan bahwa medan magnet timbul akibat fluks total arus listrik yang disebabkan oleh
arus konduksi dan arus perpindahan. Persamaan (3) menyatakan hukum Gauss yaitu fluks
elektrik pada suatu ruang sebanding dengan muatan total yang ada dalam ruang tersebut.
Sedangkan persamaan (4) yang identik dengan persamaan (5) berlaku untuk medan magnet,
namun dalam hal ini tidak ada monopol magnetik.
Penjelasan Persamaan Maxwell :
1. Hukum Faraday
Persamaan Maxwell I merupakan hukum Faraday:
𝐸 ∙ 𝑑𝐿 = −𝑑
𝑑𝑡 𝐵 ∙ 𝑑𝑆
Gambar 1
Arah rapat fluks magnetik (B) dan arah medan listrik (E), sesuai dengan aturan/
kaidah tangan kanan. Persamaan tersebut juga dapat menjelaskan bahwa medan
magnet yang berubah terhadap waktu akan menghasilkan medan listrik.
Bentuk diferensial dari Hukum Faraday yaitu:
𝛁 x 𝑬 = −𝜕𝑩
𝜕𝑡
Tanda negative (-) mengindikasikan arah dari ggl untuk melawan perubahan yang
menghasilkan ggl tsb.
Jika ada rapat fluks listrik (B) yang berubah
terhadap waktu dan menembus suatu bidang
yang dikelilingi lintasan tertutup, maka akan
menghasilkan medan listrik (E) yang arahnya
sesuai dengan arah lintasan tertutup tersebut
(mengelilingi bidang dS)
Definisi:
2. Hukum Ampere dan Arus Pergeseran Maxwell
Hukum Ampere
Medan magnet akibat distribusi arus memenuhi hukum Ampere :
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆
Namun hukum Ampere terkadang tidak dapat digunakan, karena itu perlu generalisasi
yang selalu berlaku. Pandang suatu sirkuit yang terdiri dari suatu kapasitor pelat
sejajar yang kecil diberi arus konstan I.
Gambar 2.
Sirkuit suatu kapasitor pelat sejajar yang kecil diberi arus konstan I.
Jika hukum Ampere diterapkan pada kontur C dan permukaan S1 :
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 𝑐
= 𝐽 ∙ 𝑛𝑑𝑎 𝑆1
= 𝐼 …(2.1)
Namun jika hukum Ampere diterapkan pada kontur C dan permukaan S2 :
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 𝑐
= 𝐽 ∙ 𝑛𝑑𝑎 𝑆2
= 0 …(2.2)
Kedua persamaan diatas kontradiktif, karena itu keduanya salah. Persamaan (2.1)
dianggap benar, karena ia tidak bergantung pada kapasitor, sedangkan persamaan
(2.2) perlu dimodifikasi karena kehadiran pelat kapasitor. Jika permukaan S2 dan S1
membentuk suatu permukaan tertutup S, maka n disetiap titik dibuat keluar dari
permukaan S, sehingga :
𝐽 ∙ 𝑛𝑑𝑎 𝑆
= −𝐼 …(2.3)
Dimana tanda minus datang dari perubahan arah normal. Disisi lain, integral
permukaan dari persamaan (1) dan (2) sama dengan integral garis H disekitar kurva C
yang sama.
lambang: 𝑑𝑆 = 𝑑𝑎
Dengan pendekatan ini, maka :
𝐽 ∙ 𝑛𝑑𝑎 𝑆
= 𝐻 ∙ 𝑑𝐿 𝑐
− 𝐻 ∙ 𝑑𝐿 𝑐
= 0 …(2.4)
Tanda minus timbul dari perubahan C dalam kasus permukaan S1. Sekarang
kontradiksi timbul dari bentuk arus I yang diasumsikan mengalir kedalam volume
yang dilingkupi permukaan S menjadi nol. Inilah ketidakkonsistenan dengan hukum
Ampere. Arus yang mengalir kedalam volume kenyataannya tidak sama dengan nol,
namun sama dengan laju perubahan muatan pada keping kapasitor (hukum kekekalan
muatan). Ketidakkonsistenan ini dapat diselesaikan dalam formulasi hukum Ampere
yang lain :
∇ x 𝐻 = 𝐽 …(2.5)
Namun divergensi dari curl sembarang vektor itu nol, sehingga :
∇ ∙ ∇ x 𝐻 = 0 …(2.6)
Di sisi lain dari hukum kekekalan muatan (kontinuitas arus listrik ) :
∇ ∙ J +𝜕𝜌
𝜕𝑡= 0
…(2.7)
sehingga ada ketidakkonsistenan antara hukum Ampere dengan persamaan kontinuitas
arus listrik, karena :
∇ ∙ ∇ x 𝐻 = ∇ ∙ J = 0
∇ ∙ J = −𝜕𝜌
𝜕𝑡
Sangatlah sulit untuk memodifikasi agar kedua persamaan diatas konsisten. Cara
untuk memodifikasi adalah dengan mengubah suku sebelah kanan dari hukum
Ampere dengan suatu vektor yang divergensinya nol. Dengan menggunakan hukum
Gauss :
∇ ∙ D = 𝜌𝑣 …(2.8)
Sehingga persamaan kontinuitas arus listrik menjadi :
∇ ∙ J = −𝜕
𝜕𝑡 ∇ ∙ D = 0
∇ ∙ J +𝜕
𝜕𝑡D = 0
…(2.9)
Hukum ampere
diasumsikan bahwa D adalah fungsi
kontinu dari ruang dan waktu dimana
turunannya dapat ditukar.
Kontinuitas Arus
Listrik
Sehingga hukum Ampere hasil koreksi Maxwell dapat ditulis:
∇ x 𝐻 = J +𝜕
𝜕𝑡D
…(2.10)
Jadi, dalam bentuk Integral Hukum ampere dan pergeseran Maxwell dapat ditulis
sebagai berikut:
Gambar 3.
Sama dengan hukum faraday, arah medanmagnet (H), rapat arus (J) dan rapat fluks
Listrik (D), adalah sesuai dengan aturan tangan kanan.
Ada 3 kemungkinan untuk menghasilkan medan magnet (H):
i. Medan magnet hanya dihasilkan oleh rapat arus (J) saja
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆 = 𝐼
ii. Medan magnet hanya dihasilkan oleh rapat fluks listrik (D) yang berubah
terhadap waktu
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 =𝑑
𝑑𝑡 𝐷 ∙ 𝑑𝑆 = 𝐼𝑑
iii. Medan magnet dihasilkan oleh kedduanya, baik oleh rapat arus maupun rapat
fluks listrik (D) yang berubah terhadap waktu
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆 +𝑑
𝑑𝑡 𝐷 ∙ 𝑑𝑆
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆 +𝑑
𝑑𝑡 𝐷 ∙ 𝑑𝑆 𝐻 ∙ 𝑑𝐿 = 𝐽 ∙ 𝑑𝑆 = 𝐼
Hukum Ampere
𝐻 ∙ 𝑑𝐿 =𝑑
𝑑𝑡 𝐷 ∙ 𝑑𝑆 = 𝐼𝑑
Arus pergeseran Maxwell
Jika ada rapat arus J dan rapat fluks
listrik D yang berubah terhadap waktu
yang menembus suatu bidang dS yang
dikelilingi lintasan tertutup, maka akan
dihasilkan medan magnet (H) yang
arahnya sesuai dengan lintasan tertutup
tersebut (mengelilingi bidang dS).
Id adalah arus pergeseran
dimana D adalah pergeseran Arus.
3. Hukum Gauss
Persamaan III, Hukum Gauss
Gambar 4.
Persamaan ini juga menjelaskan fenomena bahwa suatu medan listrik (Q) akan
menjadi sumber timbulnya medan listrik/ rapat flulks listrik. Jadi, fluks elektrik pada
suatu ruang sebanding dengan muatan total yang ada dalam ruang tersebut.
4. Hukum Gauss
Persamaan IV Hukum Gauss Untuk Medan Magnet
Persamaan keempat Maxwell di atas menjelaskan bahwa tidak ada yang
dinamakan muatan magnetik sebagai sumber medan magnetik. Adapun
muatan listrik hanyalah akan menghasilkan medan listrik.
Medan magnetik hanya dihasilkan medan listrik yang berubah terhadap waktu
seperti yang dijelaskan pada hukum ampere.
Bentuk lain dari persamaan di atas dapat ditulis sebagai:
yang merupakan bentuk matematik dari fenomena fisika, bahwa tidak ada medan
magnet satu kutub (monopol magnetik); selalu ada dua kutub yaitu kutub Utara dan
kutub Selatan.
𝐷 ∙ 𝑑𝑆 = 𝜌𝑣 ∙ 𝑑𝑉 = 𝑄
Jumlah total rapat fluks yang
meninggalkan suatu permukaan yang
tertutup sama dengan total muatan
yang dilingkupi oleh permukaan
tertutup sendiri
𝐵 ∙ 𝑑𝑆 = 0
Definisi :
𝛁 ∙ 𝑩 = 0
Sebelum adanya persamaan Maxwell, masing-masing persamaan tesebut diberlakukan
secara terpisah, masing masing digunakan untuk menjelaskan sifat-sifat listrik atau magnet
atau elektromagnet. Misalkan hukum Gauss yang merupakan persamaan dari persamaan
Maxwell, digunakan untuk menjelaskan hubungan antara distribusi muatan dengan medan
listrik yang ditimbulkannya. Ini diberlakukan pada medan elektrostatis dan tidak pernah
dikaitkan dengan persamaan lain dalam elektomagnetik. Tetapi dalam persamaan Maxwell,
persamaan ini tidaklah berdiri sendiri (meskipun dapat diterapkan secara terpisah) melainkan
bersama-sama dengan tiga persamaan lainnya membentuk suatu sistem persamaan yang
diberlakukan serentak pada gejala elektromagnetik.
Dari persamaan Maxwell ini (dengan pertolongan rumus identitas vektor) dapat
dibuktikan bahwa gelombang elektromagnetik merambat di udara atau ruang hampa dengan
kecepatan sama dengan kecepatan cahaya dan hubungan antara vektor medan listrik, vektor
medan magnet dan arah penjalarannya saling tegak lurus sesuai dengan aturan perkalian
silang dua buah vektor. Hasil penemuan inilah yang kemudian menyebabkan banyak aplikasi
bernilai komersial yang dapat dihasilkan dari penggunaan konsep persamaan Maxwell ini
terutama terkait dengan perambatan gelombang elektromagnetik.
B. Aplikasi / Manfaat Komersial dari persamaan Maxwell
1. Antena
Antena (antenna atau areal) adalah perangkat yang berfungsi untuk memindahkan
energi gelombang elektromagnetik dari media kabel ke udara atau sebaliknya dari udara ke
media kabel. Karena merupakan perangkat perantara antara media kabel dan udara, maka
antena harus mempunyai sifat yang sesuai (match) dengan media kabel pencatunya. Antena
didesain untuk memancarkan atau menerima energi elektromagnetik dengan arah dan sifat
polarisasi yang disesuaikan dengan keperluan. Untuk meminimalisir refleksi pada sambungan
saluran transmisi dan antenna, penting untuk diketahui impedansi antena dan me-match-
kannya dengan saluran transmisi.
Gambar 5.
Antena dibuat dalam berbagai bentuk dan ukuran dan digunakan pada pemancar dan
penerima siaran radio dan televise, system komunikasi gelombang radio, telepon seluler,
system radar, sensor mobil antikolisi dan banyak aplikasi lainnya. Sifat radiasi dan impedansi
dari sebuah antenna diatur oleh bentuk dan ukurannya serta material pembuatnya. Ukuran
antenna biasanya diukur dalam satuan panjang gelombang dan gelombang yang dipancarkan
atau diterima.
Radiasi Gelombang Elektromagnetik
Struktur pemancaran gelombang elektromagnetik yang paling sederhana adalah
radiasi gelombang yang ditimbulkan oleh sebuah elemen aus kecil yang berubah-ubah secara
harmonik. Elemen arus terkecil yang dapat menimbulkan pancaran gelombang
elektromagnetik itu disebut sebagai sumber elementer. Jika medan yang ditimbulkan oleh
setiap sumber elementer di dalam suatu konduktor antena dapat dijumlahkan secara
keseluruhan, maka sifat-sifat radiasi dari sebuah antena tentu akan dapat diketahui.
Timbulnya radiasi karena adanya sumber yang berupa arus bolak-balik ini diketahui
secara matematis dari penyelesaian gelombang Helmhotz. Persamaan Helmholtz tidak lain
merupakan persamaan baru hasil penurunan lebih lanjut dari persamaan-persamaan Maxwell
dengan memasukkan kondisi lorentz sebagai syarat batasnya. Dari hasil penyelesaian
persamaan differrensial Helmholtz dengan menggunakan dyrac Green’s function,
ditemukanlah bahwa potensial vektor pada suatu titik yang ditimbulkan oleh adanya arus
yang mempunyai distribusi arus J adalah :
1
1
1
1
1
44v
rrj
e
Rj
e dvrr
jdv
R
jAz
dimana :
Az : vektor potensial pada arah z
J : kerapatan arus
: bilangan gelombang (2/)
R : jarak titik pengamatan P dengan sumber elementer
v’ : sumber elementer.
z
J
r’
r
0 y
x
Gambar 6.
Vektor-vektor di dalam sistem radiasi
Volume Sumber v’
Titik pengamat
R = r’ - r P
Persamaan di atas berlaku umum untuk segala bentuk sumber dan di dalam semua
sistem koordinat, sehingga untuk mencari medan yang ditimbulkan oleh bermacam-macam
bentuk dapat dipilih sistem koordinat yang paling sesaui dengan bentuk antena. Dengan
diketahui potensial vektor A dari suatu sistem, maka medan magnet H dan medan listrik E
yang dipancarkan oleh sumber itu akan dapat diketahui pula. Untuk medan magnet H dapat
diperoleh dari persamaan :
H = x A
Sedangkan medan listrik E dapat diperoleh dari salah satu bentuk persamaan Maxwell :
x H = J + j E
Sehingga medan listrik E untuk daerah di dalam konduktor sumber adalah :
E = j
1 ( x H – J)
Dan untuk daerah di luar konduktor di mana J = 0, maka medan listrik E dari persamaan
menjadi :
E =j
1 x H
Apabila elemen sumber dan medana radiasinya berada di dalam koordinat bola, maka
arah propagasi gelombangnya akan searah dengan vektor jari-jarinya. Sedangkan medan
listrik dan medan magnet hanya mempunyai komponen atau , yang dalam ruang bebas
akan berlaku :
HI dan H
E
Dengan : =
( impedansi intrinsik medium)
z
O y
x
Pr
E R
E
Gambar 7.
Vektor medan dan poynting vektor pada koordinat bola
Untuk mengirimkan gelombang elektromagnetik ke dalam suatu medium, yang harus
dipertahankan adalah arus yang berosilasi di dalam medium. Hal ini terlihat jelas dalam
persamaan Maxwell seperti berikut:
Jika arus J diketahui, persamaan di atas dapat diselesaikan untuk E dan H. persamaan
Maxwell ini dapat diselesaikan dengan dua fungsi bantuan yaitu potensial vector dan scalar A
dan 𝜙.
2. Jaringan Wireless (Wireless Network)
Untuk menghubungkan sebuah computer yang satu dengan yang lain, maka
diperlukan adanya Jaringan Wireless. Ada tiga komponen yang dibutuhkan supaya
komputer-komputer yang berada dalam wilayah Jaringan Wireless bisa sukses dalam
mengirim dan menerima data, dari dan ke sesamanya, yaitu:
1. Sinyal Radio (Radio Signal).
2. Format Data (Data Format).
3. Struktur Jaringan atau Network (Network Structure).
Cara kerja wireless LAN dapat diumpakan seperti cara kerja modem dalam
mengirim dan menerima data, ke dan dari internet. Saat akan mengirim data, peralatan-
peralatan Wireless tadi akan berfungsi sebagai alat yang mengubah data digital menjadi
sinyal radio. Lalu saat menerima, peralatan tadi berfungsi sebagai alat yang mengubah sinyal
radio menjadi data digital yang bisa dimengerti dan diproses oleh komputer.
Gambar 8.
Skema sistem kerja Wireless
∇ x 𝑬 = −𝑗𝜔𝜇𝑯
∇ x 𝑯 = 𝑱 + 𝑗𝜔𝜇𝑬
Prinsip dasar yang digunakan pada teknologi wireless ini sebenarnya diambil dari
persamaan yang dibuat oleh James Clerk Maxwell di tahun 1964. Dalam persamaan tersebut,
Maxwell berhasil menunjukkan fakta bahwa, setiap perubahan yang terjadi dalam
medan magnet itu akan menciptakan medan-medan listrik. Dan sebaliknya, setiap
perubahan yang terjadi dalam medan-medan listrik itu akan menciptaken medan-
medan magnet. Lebih lanjut Maxwell menjelaskan, saat arus listrik (AC atau alternating
current) bergerak melalui kabel atau sarana fisik (konduktor) lainnya, maka, beberapa bagian
dari energinya akan terlepas ke ruang bebas di sekitarnya, lalu membentuk medan magnet
atau alternating magnetic field. Kemudian, medan magnet yang tercipta dari energy yang
terlepas itu akan menciptakan medan listrik di ruang bebas, yang kemudian akan
menciptakan medan magnet lagi, lalu medan listrik lagi, medan magnet lagi, dan seterusnya,
hingga arus listrik yang asli atau yang pertama terhenti (terputus, red). Bentuk energy yang
tercipta dari perubahan-perubahan ini disebut dengan radiasi elektromagnetik
(electromagnetic radiation), atau biasa dikenal sebagai gelombang radio. sehingga radio
dapat di definisikan sebagai radiasi dari energi elektromagnetik yang terlepas ke udara (ruang
bebas). Alat yang menghasilkan gelombang radio itu biasa dinamakan “Transmitter”.
sedangkan alat yang digunakan untuk mendeteksi dan menangkap gelombang radio yang ada
udara itu, biasa dinamakan”Receiver”. Agar kedua alat ini (transmitter dan receiver) lebih
fokus saat mengirim, membuat pola gelombang, mengarahkan, meningkatkan, dan
menangkap sinyal radio, ke dan dari udara, maka perlu dibantu dengan alat lain, yaitu
Antena.
Berkat persamaan dari Maxwell, transmitter, receiver, serta antena, yang kemudian
disatukan dalam semua peralatan wireless LAN sehingga komputer bisa berkomunikasi,
mengirim dan menerima data melalui gelombang radio, atau biasa disebut dengan wireless
netwok. Begitu banyak stasiun Radio dengan frequency yang berbeda-beda agar tidak saling
bertabrakan, gelombang radio yang akan dikirimkan ke udara itu bisa diatur frequencynya.
Yaitu dengan cara mengatur atau memodifikasi arus listrik yang berada pada peralatan
pengirim dan penerima tadi (transmitter, receiver).
3. Kipas Angin
Persamaan Maxwell II yakni hukum ampere dan arus pergeseran Maxwell
menjelaskan tentang keberadaan arus listrik (J) membangkitkan rotasi medan magnet (H).
Kipas angin merupakan salah satu aplikasi hukum ini yang sehari-hari sering kita jumpai.
Kipas angin adalah alat elektronik yang dipergunakan untuk menghasilkan angin. Fungsi
umum dari kiapas angin adalah untuk pendingin udara, penyegar udara, pengering (umumnya
memakai komponen penghasil panas). Kipas angin juga ditemukan di mesin penyedot debu
dan berbagai ornamen untuk dekorasi ruangan.
Prinsip kerja dari kipas angin dengan sumber AC yaitu: ketika arus bolak - balik
masuk menuju kipas angin, kipas akan langsung bergerak (berputar) karena dalam kipas
angin terdapat suatu motor listrik, motor listrik tersebut mengubah energi listrik menjadi
energi gerak. Hal ini terjadi karena dalam sebuah motor listrik terdapat suatu kumparan besi
pada bagian yang bergerak beserta sepasang pipih berbentuk magnet U pada bagian yang
diam (Permanen).
Gambar 9. Kipas angin
Jadi, ketika listrik mengalir pada lilitan kawat
dalam kumparan besi, hal ini membuat
kumparan besi menjadi sebuah magnet karena
sifat magnet yang saling tolak menolak pada
kedua kutubnya maka gaya tolak menolak
magnet antara kumparan besi dan sepasang
magnet tersebut membuat gaya berputar secara
periodik pada kumparan besi tersebut. Oleh
karena itu baling - baling kipas angin dikaitkan
ke poros kumparan tersebut. Penambahan
tegangan listrik pada kumparan besi dan
menjadi gaya kemagnetan ditujukan untuk
memperbesar hembusan angin pada kipas
angin.
Motor Listrik:
Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang berfungsi mengubah
energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik dari motor listrik ini digunakan pada
beberapa peralatan rumah tangga maupun di industri-industri, seperti kipas angin, mesin cuci,
pompa air dan penyedot debu, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll.
Pada motor listrik, tenaga listrik diubah menjadi tenaga mekanik. Perubahan ini
dilakukan dengan mengubah tenaga listrik menjadi magnet yang disebut sebagai elektro
magnit. Sebagaimana diketahui bahwa: “Kutub-kutub dari magnet yang senama akan tolak-
menolak dan kutub-kutub tidak senama, tarik-menarik. Maka gerakan dapat diperoleh jika
kita menempatkan sebuah magnet pada sebuah poros yang dapat berputar, dan magnet yang
lain pada suatu kedudukan yang tetap”.
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis
motor secara umum sama yaitu: Arus listrik
dalam medan magnet akan memberikan gaya
jika kawat yang membawa arus dibengkokkan
menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua
sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan
magnet, akan mendapatkan gaya pada arah
yang berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan
tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.
Motor-motor memiliki beberapa loop pada
dinamonya untuk memberikan tenaga putaran
yang lebih seragam dan medan magnetnya
dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang
disebut kumparan medan.
Gambar 10. Motor listrik
4. Generator
Persamaan Maxwell I yang merupakan hukum Faraday, menyatakan bahwa variasi
medan magnet B terhadap waktu akan membangkitkan medan elektrik E. aplikasi dari
persamaan Maxwell ini dapat dijumpai pada “Generator”. Generator merupakan sebuah
perangkat motor listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. mekanisme
kerja dari generator meggunakan prinsip percobaan faraday yaitu memutar magnet dalam
kumparan atau sebaliknya, ketika magnet digerakkan dalam kumparan maka terjadi
perubahan fluks gaya magnet (perubahan arah penyebaran medan magnet) di dalam
kumparan dan menembus tegak lurus terhadap kumparan sehingga menyebabkan beda
potensial antara ujung-ujung kumparan (yang menimbulkan listrik). Dalam hal ini yang
menjadi syarat utama yaitu harus ada perubahan fluks magnetik, jika tidak maka tidak akan
timbul listrik. Cara megubah fluks magnetik adalah menggerakkan magnet dalam kumparan
atau sebaliknya dengan energi dari sumber lain, seperti angin dan air yang memutar baling-
baling turbin untuk menggerakkan magnet tersebut.
Jika suatu konduktor digerakkan memotong medan magnet akan timbul beda
tegangan di ujung-ujung konduktor tsb. Tegangannya akan naik saat mendekati medan dan
turun saat menjauhi. Sehingga listrik yg timbul dalam siklus: positif-nol-negatif-nol (AC).
Generator DC membalik arah arus saat tegangan negatif, menggunakan mekanisme cincin-
belah, sehingga hasilnya jadi siklus: positif-nol-positif-nol (DC).
Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator
DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan menggunakan slip ring
sedangkan generator DC menghasilkan arus searah (DC) dan menggunakan kommutator.
Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat
pemanas.
Generator DC merupakan sebuah perangkat Motor listrik yang mengubah energi
mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator
DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau
penguat eksitasinya terhadap jangkar, jenis generator DC yaitu:
a. Generator penguat terpisah
b. Generator shunt
c. Generator kompon
Konstruksi Generator DC ;
Pada umumnya generator DC
dibuat dengan menggunakan magnet
permanent dengan 4-kutub rotor, regulator
tegangan digital, proteksi terhadap beban
lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing
dan rumah generator atau casis, serta
bagian rotor. Gambar 11 menunjukkan
gambar potongan melintang konstruksi
generator DC.
Gambar 11. konstruksi generator DC
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan
bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor,
belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari:
komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Bagian yang harus menjadi perhatian
untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti
secara periodik / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang
menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus
untuk membersihkan noda bekas sikat arang
Prinsip kerja Generator DC Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator ialah Percobaan
Faraday. Percobaan Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan
GGL Induksi apabila jumlah garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah-ubah. Ada 3 hal
pokok terkait dengan GGL Induksi ini, yaitu :
1. Adanya flux magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.
2. Adanya kawat penghantar yang merupakan tempat terbentuknya EMF.
3. Adanya perubahan flux magnet yang melewati kawat penghantar listrik.
Gambar 12.
Pada gambar tersebut, dengan memutar rotor ( penghantar ) maka pada penghantar
akan timbul EMF.
Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A-
B dan C-D terletak tegak lurus pada arah fluks magnet.
Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu
putarnya yang sejajar dengan sisi A-B dan C-D.
GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan
perubahan fluks magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik sebesar:
𝐸 𝑡 = 𝑁𝑑𝜙
𝑑𝑡
Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada
generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan
pada generator DC berupa cincin belah (komutator).Pembangkitan tegangan induksi oleh
sebuah generator diperoleh melalui dua cara:
Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada (Gbr 12)
dan (Gbr 13).
Gambar 2. Pembangkitan Tegangan Induksi.
Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan
medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi.
Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 12 (a) dan (c).
Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar.
Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 12.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal
ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau
rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
Gambar 13. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga
dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 13.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus
bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator
satu cincin Gambar 13.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua
gelombang positip.
Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah
komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.
Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan
banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).
5. Kapasitor
Persamaan Maxwell ke-empat atau yang dikenal dengan hukum Gauss, menunjukkan
bahwa keberadaan muatan listrik q merupakan sumber dari displacement current D.
Kapasitor merupakan pemanfaatan dari persamaan Maxwell ini.
Kapasitor adalah suatu komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan arus
listrik dalam bentuk muatan, selain itu kapasitor juga dapat digunakan sebagai penyaring
frekuensi. Kapasitas untuk menyimpan kemampuan kapasitor dalam muatan listrik disebut
Farad (F) sedangkan simbol dari kapasitor adalah C (kapasitor). Sebuah kapasitor pada
dasarnya terbuat dari dua buah lempengan logam yang saling sejajar satu sama lain dan
diantara kedua logam tersebut terdapat bahan isolator yang sering disebut dielektrik.
Gambar 14.
Bahan dielektrik tersebut dapat
mempengaruhi nilai dari kapasitansi kapasitor
tersebut. adapun bahan dielektrik yang paling
sering dipakai adalah keramik, kertas, udara,
metal film dan lain-lain. Kapasitor sering juga
disebut sebagai kondensator. Kapasitor
memiliki berbagai macam bentuk dan ukuran,
tergantung dari kapasitas, tegangan kerja, dan
lain sebagainya.
Cara kerja kapasitor dalam sebuah rangkaian adalah dengan mengalirkan elektron
menuju kapasitor. Pada saat kapasitor sudah dipenuhi dengan elektron, tegangan akan
mengalami perubahan. Selanjutnya, elektron akan keluar dari sebuah kapasitor dan
mengalir menuju rangkaian yang membutuhkannya. Dengan begitu, kapasitor akan
membangkitkan reaktif suatu rangkaian.
II. Penyajian Alat Ukur dalam Elektronik
Proses pengukuran adalah hal yang sangat diperlukan untuk mentukan suatu nilai
yang akan diukur dengan besaran satndar yang telah ditentukan. Tanpa adanya hasil ukur
yang di peroleh melalui proses pengukuran, orang tidak akan mungkin merumuskan sesuatu,
terutama dalam hal yag berhubungan dengan data eksperimentasi. Pengukuran dalam bidang
fisika merupakan hal yang esensi dan mendasar dalam menetapkan besaran-besaran fisika.
Dalam menetapkan suatu hasil pengukuran, haruslah ditunjang dengan peralatan yang tepat
dan dapat menyajikan suatu hasil ukur sebagaimana yang diharapkan. Dalam hal tersebut
terkadang orang merumuskan suatu hasil ukur dengan apa adanya sesuai dengan keterbatasan
alat ukur yang ada. Untuk itu, penggunaan alat ukur menjadi sangat penting. Dewasa ini,
hampir semua alat ukur penyajiannya dalam elektronik. Hal ini dikondisikan untuk
mempermudah dan mempercepat pengambilan data. Dengan bantuan peralatan elektronik,
pengukuran besaran-besaran fisis menjadi lebih efisien dan efektif sehingga hasil
pengukukuran menjadi lebih akurat dan presisi.
Secara umum sistem instrumentasi elektronik terdiri dari 3 bagian sebagai berikut:
Gambar 15. Sistem Instrumentasi Elektronik
1. Sensor / traduser adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu besaran fisis menjadi
besaran fisis lain. Untuk keperluan system instrumentasi elektronik, traduser yang
digunakan yang mempunyai output besran listrik.
Contoh : kuantitas yang akan kita ukur adalah temperature, supaya temperature dapat
dibaca secara elektronik maka digunakan sensor temo kopel (Thermocouple)
Gambar 16.
Beda potensial yang dihasilkan sebanding dengan temperature yang dihasilkan.
2. A signal Conditioner
Alat yang akan menangkap sinyal dari sensor dan dikonvert ke dalam kondisi yang
sesuai untuk display/tampilan.
Contoh keluaran dari sensor termokopel adalah tegangan yang masih lemah, maka
pada signal condition (pengkondisian) sinyal ini akan diperkuat, dalam hal ini alat
pengkondisian sinyal adalah penguat instrumentasi (Amplifier), lebih lengkap lagi
sinyal yang telah diperkuat tadi tumuh menjadi data digital (ADC) kemudian dicacah
secara digital untuk selanjutnya masuk ke bagian display.
3. A Display system
Sebuah system display yang menampilkan hasil keluaran atau output dari pengkondisi
sinyal.
Contoh-contoh display:
1) Printer
2) Layar monitor
3) Jarum
4) Seven segment
5) LCD
.
Gambar 17.
Pengukuran jarak dengan media ultra sonic dan pengolah sinyal