PENGHUBUNG MESIN PENGGERAK DENGAN GENERATOR

Agar dapat menghasilkan listrik yang berkualitas tinggi ( tegangan dan frekuensinya stabil ), maka generator harus bekerja pada kecepatan putar ( rpm ) tertentu sesuai rekomendasi pabrik. Agar dapat berputar, generator harus dihubungkan dengan mesin penggerak yang dapat berupa motor bakar, turbin air, turbin uap, kincir angin, kincir air, dsb. Agar pembangkit listrik memiliki kinerja dan efisiensi maksimal, perlu didesain sedemikian rupa sehingga mesin penggerak maupun generator bekerja pada kecepatan putar ideal ( peak speed ) masing-masing. Untuk mencapai keadaan ideal tersebut, diperlukan jenis penghubung yang sesuai dengan perbandingan kecepatan antara shaft mesin penggerak dengan shaft generator. Adapun perbandingan kecepatan putar tersebut ada 3 macam yaitu :









1. Kecepatan putar mesin penggerak sama dengan kecepatan putar generator.
Untuk keadaan ini, dapat digunakan sambungan langsung dimana poros mesin penggerak tersambung langsung ( coaxis ) dengan poros generator yang lazim digunakan pada genset motor bensin portable. Alternatif kedua, dapat digunakan direct couple seperti yang digunakan pada mesin pemotong rumput. Alternatif ketiga, dapat digunakan sambungan tidak langsung yaitu sistim pulley-belt atau sistim gear-rantai atau sistim gear to gear ( diameter kedua pulley atau jumlah gigi kedua gir musti sama ).
2. Kecepatan putar mesin penggerak lebih rendah daripada kecepatan putar generator.
Untuk keadaan ini, diperlukan sistim multiplikasi putaran sebagai penghubung. Jika perbedaan kecepatan putar tersebut tidak terlalu jauh ( lebih dari 1 : 3 ), dapat digunakan sistim multiplikasi tunggal yang cukup sederhana. Adapun sistim multiplikasi tersebut dapat berupa sistim pulley-belt yang terdiri dari sebuah pulley besar pada shaft mesin penggerak dan sebuah pulley kecil pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah belt. Alternatif kedua, dapat berupa sistim gear-rantai yang terdiri dari sebuah gear ( sproket ) besar pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear ( sproket ) kecil pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah rantai. Alternatif ketiga, dapat berupa sistim gear to gear yang terdiri dari sebuah gear besar pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear kecil pada shaft generator yang saling bersinggungan.
Jika perbedaan kecepatan putar tersebut cukup jauh ( kurang dari 1 : 3 ), perlu digunakan sistim multiplikasi bertingkat yang cukup rumit. Untuk keperluan itu, dapat digunakan gear box type HELICAL sebagai salah satu alternatif yang banyak dipakai. Sedangkan gear box type WORM tidak dapat dipakai untuk sistim multiplikasi karena bersifat irreversibel ( tidak dapat dibalik ). Alternatif lain, dapat juga digunakan sistim pulley-belt bertingkat atau sistim gear-rantai bertingkat. Adapun banyaknya tingkat, tergantung dari Total Multiplication Ratio ( TMR ) yang diperlukan.
3. Kecepatan putar mesin penggerak lebih tinggi daripada kecepatan putar generator.
Untuk keadaan ini, diperlukan sistim pereduksi putaran sebagai penghubung. Jika perbedaan kecepatan putar tersebut tidak terlalu jauh ( kurang dari 3 : 1 ), dapat digunakan sistim pereduksi tunggal yang cukup sederhana. Adapun sistim pereduksi tersebut dapat berupa sistim pulley-belt yang terdiri dari sebuah pulley kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah pulley besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah belt. Alternatif kedua, dapat berupa sistim gear-rantai yang terdiri dari sebuah gear ( sproket ) kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear ( sproket ) besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh sebuah rantai. Alternatif ketiga, dapat berupa sistim gear to gear yang terdiri dari sebuah gear kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear besar pada shaft generator yang saling bersinggungan.
Jika perbedaan kecepatan putar tersebut cukup jauh ( lebih dari 3 : 1 ), perlu digunakan sistim pereduksi bertingkat yang cukup rumit. Untuk keperluan itu, dapat digunakan gear box baik yang type HELICAL maupun type WORM sebagai salah satu alternatif yang banyak dipakai. Alternatif lain, dapat juga digunakan sistim pulley-belt bertingkat atau sistim gear-rantai bertingkat. Adapun banyaknya tingkat, tergantung dari Total Reduction Ratio ( TRR ) yang diperlukan.
Pada sebagian besar pembangkit listrik, kecepatan putar mesin penggerak tidak sama dengan kecepatan putar generator. Oleh karena itu, salah satu hal yang harus dilakukan dalam perencanaan sistim pembangkit listrik adalah menjembatani perbedaan kecepatan putar ( rpm ) ideal antara shaft generator dengan shaft turbin. Untuk itu, perlu dibuat desain suatu sistim pereduksi atau sistim multiplikasi yang berfungsi mentranformasi kecepatan putar ideal shaft turbin menjadi kecepatan ideal shaft generator tanpa banyak kehilangan daya. Secara prinsip, sistim pereduksi atau sistim multiplikasi adalah semua sistim mekanik mulai dari pulley atau gear yang terpasang pada shaft turbin, kemudian gear box ( jika ada ), sampai dengan pulley atau gear yang terpasang pada generator. Jadi bukan hanya gear box saja yang merupakan bagian dari sistim pereduksi atau sistim multiplikasi putaran. Demikian juga sebaliknya, sistim pereduksi atau sistim multiplikasi putaran tidak selalu berupa gear box.
Adapun perbedaan antara sistim pereduksi dan sistim multiplikasi adalah pada transformasi kecepatan yang dihasilkannya. Sistim pereduksi mentransformasikan kecepatan putar tinggi menjadi kecepatan putar yang lebih rendah. Sedangkan sistim multiplikasi mentransformasikan kecepatan putar rendah menjadi kecepatan putar yang lebih tinggi. Sistim pereduksi digunakan jika kecepatan putar mesin penggerak ( termasuk turbin ) lebih tinggi daripada kecepatan putar generator. Situasi seperti itu lazim ditemui pada PLTA, PLTU, PLTGU, dan PLTP. Sedangkan sistim multiplikasi digunakan jika kecepatan putar mesin penggerak lebih rendah daripada kecepatan putar generator. Situasi seperti itu lazim ditemui pada PLTMH yang menggunakan kincir lintasan sebagai tenaga penggerak. Dalam artikel ini hanya akan dibahas tentang sistim pereduksi saja. Adapun sistim multiplikasi akan dibahas dalam artikel tersendiri jika ada yang request.

SISTIM PEREDUKSI PUTARAN
Sistim pereduksi putaran yang dibahas di bawah ini dapat diterapkan pada semua jenis pembangkit listrik maupun pada proyek lainnya yang memerlukan sistim pereduksi putaran secara umum.
Untuk dapat menentukan jenis pereduksi yang paling tepat dengan kebutuhan, perlu diketahui dulu data teknis dari mesin penggerak dan generator yaitu antara lain :
a. Kecepatan putar mesin penggerak ( rpm ) yang memberikan efisiensi konversi tertingi ( peak speed ). Kalau diinginkan, boleh juga bukan peak speed ( biasanya diatasnya peak speed ) dengan maksud untuk memperoleh output daya yang lebih besar namun harus rela mengorbankan sedikit efisiensi.
b. Kecepatan putar generator ( rpm ) yang direkomendasikan oleh pabrik. Kecepatan putar generator musti mengikuti standar dengan toleransi sekitar 2-5 % saja. Jika terlalu tinggi atau terlalu rendah melewati batas toleransinya, maka kualitas listrik yang dihasilkan akan berkualitas rendah ( tegangan dan frekuensinya tidak sesuai standar ).
c. Daya yang yang dihasilkan mesin penggerak ( watt atau HP ) pada kecepatan kerja yang ditetapkan pada bagian a di atas
d. Daya dari generator ( watt atau HP ) pada kecepatan kerja yang direkomendasikan pabrik pada bagian b di atas
Setelah semua data bagian a-b-c-d tersebut di atas telah lengkap, maka langkah selanjutnya adalah melakukan analisis dan kalkulasi dengan mengikuti langkah-langkah berikut :
1. Memastikan bahwa daya mesin penggerak ( data c ) musti 5-10 % lebih besar dari pada daya generator ( data d ) agar sistem dapat bekerja normal sesuai harapan. Hal itu disebabkan oleh kehilangan daya akibat adanya slip dan atau gesekan pada sistim mekanik seperti bearing, gear, belt, rantai, dsb. Kehilangan daya tersebut bisa mencapai 5-10 persen dari daya total. Jika ternyata daya mesin penggerak tidak lebih besar daripada daya generator, maka musti dilakukan penggantian / perubahan rencana. Alternatif pertama adalah memperbesar daya mesin penggerak jika memungkinkan. Alternatif kedua adalah mengganti generator dengan daya yang lebih kecil.
2. Menghitung Total Reduction Ratio ( TRR ) ideal yang diperlukan berdasarkan data a dan b di atas.
3. Setelah mendapatkan TRR ideal, langkah selanjutnya adalah mendesain rangkaian sistim pereduksi yang memiliki TRR aktual yang sama dengan TRR ideal. Jika tidak bisa diperoleh yang betul-betul sama, maka bisa digunakan TRR aktual sedikit di atas TRR ideal denan toleransi maksimal 5 %. Adapun pemilihan jenis sistim pereduksi yang akan digunakan, perlu mempertimbangan besar kecilnya TRR dengan pedoman sebagai berikut :
• Jika TRR kurang dari 3, dapat digunakan sistim pereduksi sederhana ( lihat gambar ). Adapun sistim pereduksi tersebut dapat berupa sistim pulley-belt yang terdiri dari sebuah pulley kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah pulley besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh belt. Alternatif kedua, dapat berupa sistim gear-rantai yang terdiri dari sebuah gear ( sproket ) kecil pada shaft mesin penggerak dan sebuah gear ( sproket ) besar pada shaft generator yang dihubungkan oleh rantai.
• Jika TRR lebih dari dari 3, perlu digunakan sistim pereduksi bertingkat yang lebih rumit. Untuk keperluan itu, dapat digunakan sistim pereduksi bertingkat baik sistim pulley-belt maupun sistim gear-rantai. Adapun banyaknya tingkat, tergantung dari TRR yang diperlukan. Jika TRR kurang dari 3, cukup satu tingkat. Jika TRR antara 3 dan 9, bisa 2 tingkat. Jika TRR antara 9 dan 27, bisa 3 tingkat. Dan jika TRR lebih dari 9, perlu dipertimbangkan penggunaan gear box agar tidak terlalu rumit. Adapun gear box yang dapat digunakan dapat dipilih yang type HELICAL maupun type WORM. Selain harus memilih rasio yang tepat, pemilihan gear box juga wajib memperhitungkan kekuatan yang harus dipikulnya agar tahan lama dan efisien. Gear box yang terlalu kecil, akan cepat rusak. Kalau terlalu besar, boros biaya dan tidak efisien karena banyak kehilangan daya. Mengenai type gear box, yang type HELICAL relatif lebih aman dari pada type WORM jika digunakan untuk memutar beban yang mempunyai momentum anguler yang besar seperti generator. Karena bersifat irreversibel, gear box type WORM bisa rontok jika belt penghubung turbin dan gear box putus ketika sedang berputar kencang . Hal itu disebabkan oleh momentum anguler generator yang akan memaksa bagian output gear box untuk tetap berputar selama beberapa saat sebelum momentumnya habis dan berhenti. Hal itu tidak akan terjadi pada gear box type HELICAL jika belt tersebut putus karena bersifat reversible. Sifat irreversible pada gear box type WORM disebabkan oleh konstruksi gearnya yang berbentuk seperti mekanik pemutar senar gitar. Dengan konstruksi seperti itu, pemutar dapat menggerakkan penggulung senar, tapi penggulung senar tidak bisa menggerakkan pemutar dan jika dipaksa bisa rontok. Gear box pada mobil apapun, semuanya type HELICAL, jadi pasti aman dipakai untuk dinamo. Tetapi dapat dipakai hanya jika rasionya cocok. Rumus untuk menghitung rasio gear box type HELICAL ( jika tidak dicantumkan rasionya ) adalah :
Sedangkan rasio gear box type WORM lebih mudah dihitung karena rasionya sama dengan jumlah gigi pada gear outputnya.
Catatan :
Jika akan menggunakan sistim pulley-belt atau sistim gear-rantai baik tunggal maupun bertingkat, ada cara menghitungnya tersendiri ( lihat contoh pada gambar ). Demikian juga jika menggunakan sistim gear-rantai, TRR aktual bisa dihitung dengan cara yang sama hanya dengan mengganti diameter pulley menjadi jumlah gigi. Hal itu tidak diuraikan panjang lebar disini karena pilihan anda sudah mengarah kepada gear box mobil yang sudah diketahui rasionya. Jika seandainya rasio gear box mobil yang akan dipakai belum diketahui, bisa dibuatkan sketsanya dan keterangan jumlah gigi-giginya serta arah putarannya untuk dihitung secara tepat rasionya. Tentu saja harus dihitung sendiri-sendiri secara terpisah untuk tiap-tiap nomor speed ( perseneling ) mulai dari perseneling 1 sampai top speed ( perseneling tertinggi ) yang tersedia. Caranya sederhana asal ada sketsa dan datanya. Saya sendiri tidak punya data tentang rasio dari gear box mobil sehingga harus menghitungnya dulu ketika membutuhkan.
Terimakasih dan salam eksperimen.

SISTEM TATA SURYA BARU

Selain tertarik terhadap obyek-obyek langit yang amat jauh, terkait dengan bidang kosmologi, para astronom tampaknya terus punya perhatian besar terhadap Tata Surya - Sistem di mana planet-planet termasuk Bumi berevolusi mengelilingi Matahari. Tata Surya yang kini telah berumur sekitar lima miliar tahun rupanya masih banyak menyimpan misteri yang masih perlu untuk dieksplorasi.
Oleh sebab itu misi tak berawak pun terus dikirim untuk mendapatkan informasi baru mengenai keplanetan dan komponen-komponen Tata Surya lainnya. Antara lain, ini diwujudkan dengan pengiriman misi New Horizon ke Planet Pluto Januari 2006.
Sementara penyelidikan terus dilakukan untuk planet-planet di Tata Surya, berbagai penemuan baru juga terus bermunculan dalam penyelidikan planet di luar Tata Surya, atau yang lebih dikenal sebagai eksoplanet. Salah satu planet ini - Gliese 581 - disebut sebagai Bumi Super (ukuran besar), karena berbagai parameternya memperlihatkan planet ini layak huni.
Matahari banyak
Dalam tulisannya di Kompas (8 Desember 2006) alumnus astronomi Taufiq menyinggung tata surya dengan matahari lebih dari satu. Salah satu contohnya adalah tata-surya dengan tiga bintang seperti yang ada pada bintang HD188753 yang berada di Rasi Angsa (Cygnus). Pada sistem yang berjarak 149 tahun cahaya (1 tahun cahaya = 9.500 miliar km), bintang utama dikitari oleh dua bintang lain berukuran lebih kecil. Di luar itu masih ada sebuah planet gas berukuran lebih besar dari Yupiter mengorbit lebih dekat ke bintang induk dengan periode orbit 3,5 hari.
Pada sistem yang lain, ada pula planet yang ditemukan pada bintang ganda. Misalnya saja bintang ganda Gamma Cephei. Bintang utamanya yang bermassa 1,6 massa Matahari punya sebuah planet dengan massa 1,76 kali Yupiter yang mengorbit sejauh jarak Matahari-Mars (1,5 AU (Astronomical Unit) 1 AU = 150 juta km), dan punya bintang partner yang berukuran lebih kecil pada jarak sejauh Matahari-Uranus (19,2 AU).
Belum lama ini wahana teleskop antariksa Spitzer menemukan sistem yang memiliki empat bintang induk seperti tampak dalam ilustrasi pendamping tulisan ini.
Spitzer dengan peralatan inframerahnya telah diarahkan untuk meneliti piringan debu yang mengelilingi sistem empat bintang HD 98800. Piringan debu tersebut dipercayai bisa melahirkan planet. Dan memang dengan mengamati piringan di sistem bintang ini para astronom mendapati piringan tersebut tidak rata kontinu, tetapi sudah memperlihatkan celah yang seperti menyiratkan adanya planet yang sudah terbentuk.
Planet berperilaku seperti pembersih vakum kosmik. Ia menyerap semua kotoran yang ada di jalur lintasannya, ujar Elise Furlan dari Institut Astrobiologi di Universitas California di Los Angeles seperti diberitakan situs PhysOrg.com. Furlan merupakan penulis utama laporan yang disetujui penerbitannya oleh The Astrophysical Journal.
HD 98800 diperkirakan berumur 10 juta tahun, dan berada di Rasi TW Hydrae yang berjarak 150 tahun cahaya. Sebelum diteliti oleh Spitzer, astronom telah memiliki sejumlah informasi mengenai bintang ini dari pengamatan teleskop darat. Mereka sudah mengetahui, bahwa sistem ini punya empat bintang, dan keempat bintang yang ada berpasang-pasangan dalam sistem dua bintang (doublet, atau binary).
Bintang-bintang dalam sistem bintang ganda mengorbit satu terhadap yang lain, demikian pula dua pasang bintang ganda tersebut juga saling mengitari satu terhadap yang lain sebagaimana pasangan-pasangan penari balet. Salah satu pasangan bintang - yang disebut HD 98800B - memiliki piringan debu di sekelilingnnya, sementara pasangan satunya tidak.
Seperti dilaporkan oleh NASA, keempat bintang saling terikat oleh gravitasi dan jarak antara kedua pasang bintang tersebut adalah sekitar 50 AU, atau sedikit lebih jauh dibandingkan jarak Matahari - Pluto yang sekitar 40 AU. Karena masih terkendala teknologi, maka para astronom sebelum ini tidak dapat menyelidiki piringan debu di sekitar pasangan bintang HD98800B dengan detil.
Jasa Spitzer
Dengan teleskop Spitzer lah akhirnya astronom bisa melihat piringan tersebut dengan rinci. Dengan menggunakan spektrometer inframerah, tim Furlan bisa mendeteksi adanya dua sabuk dalam piringan debu yang terbuat dari butir debu berukuran besar. Satu sabuk berada sekitar 5,9AU dari bintang ganda HD98800B, atau pada jarak sekitar Matahari - Yupiter. Sabuk ini kemungkinan besar tersusun dari asteroid atau komet.
Sementara sabuk lain ada pada jarak 1,5 AU sampai 2,5AU, sebanding dengan letak planet Mars dan asteroid, dan kemungkinan besar tersusun dari bulir halus.
Umumnya kalau ada ruang kosong (gap) di piringan debu, astronom lalu bercuriga ada sebuah planet yang telah mengosongkan lintasan tersebut. Hanya saja, astronom belum terlalu yakin mengenai adanya planet di sistem HD 98800B.
Para astronom mempercayai, bahwa planet-planet terbentuk dalam kurun jutaan tahun, setelah butir debu kecil saling bergabung membentuk benda lebih besar. Dalam kasus tertentu, batuan-batuan kosmik saling bertumbukan untuk membentuk planet batuan seperti Bumi, sedang dalam kasus lain membentuk planet gas seperti Yupiter. Sementara itu, batuan-batuan besar yang tidak membentuk planet menjadi asteroid dan komet.
Ketika struktur-struktur batu tersebut bertumbukan dengan dahsyat, serpihan debu terlontar ke angkasa, dan ini terlihat oleh mata inframerah Spitzer yang sangat sensitif. Menurut Furlan, debu yang ditimbulkan oleh tumbukan obyek-obyek berbatu di sabuk luar semestinya akan pindah ke piringan debu di dalam. Hanya saja dalam kasus HD98800B, partikel debu tidak mengisi piringan dalam seperti diharapkan. Boleh jadi hal ini disebabkan oleh adanya planet atau oleh pasangan bintang lain yang tidak punya piringan debu tapi gravitasinya mempengaruhi gerakan partikel debu.

KEMAGNETAN

Pada uraian sebelumnya kamu sudah mempelajari medan magnet yang timbul pada penghantar lurus. Bagaimana jika peng- hantarnya melingkar dengan jumlah banyak? Sebuah penghantar melingkar jika dialiri arus listrik akan menghasilkan medan listrik seperti Gambar 11.19. Penghantar melingkar yang berbentuk kumparan panjang disebut solenoida. Medan magnet yang ditimbulkan oleh solenoida akan lebih besar daripada yang ditimbulkan oleh sebuah penghantar melingkar, apalagi oleh sebuah penghantar lurus. Tahukah kamu mengapa demikian?

Setiap benda magnetik pada dasarnya terdiri magnet-magnet kecil yang disebut magnet elementer. Cobalah mengingat kembali teori partikel zat di kelas VII. rinsip membuat magnet adalah mengubah susunan magnet elementer yang tidak beraturan menjadi searah dan teratur. Ada tiga cara membuat magnet, yaitu menggosok, induksi, dan arus listrik.

Pada era teknologi yang serba modern ini magnet memegang peranan yang sangat penting.
Dari pengembangan sains, telah berhasil membuat alat transportasi yang menggunakan magnet yang disebut kereta api monorel. Berbagai alat menggunakan magnet seperti alat-alat rumah tangga dan alat-alat komunikasi. Apakah sebenarnya magnet itu? Bagaimanakah prinsip kerja alat-alat itu berdasarkan kemagnetan?

KEMAGNETAN BAHAN

Kita dapat menggolongkan benda berdasarkan sifatnya. Pernahkah kamu melihat benda yang dapat menarik benda logam lain? Kemampuan suatu benda menarik benda lain yang berada di dekatnya disebut kemagnetan. Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda bukan magnet. Namun, tidak semua benda yang berada di dekat magnet dapat ditarik. Benda yang dapat ditarik magnet disebut benda magnetik. Benda yang tidak dapat ditarik magnet disebut benda nonmagnetik.

Benda yang dapat ditarik magnet ada yang dapat ditarik kuat, dan ada yang ditarik secara lemah. Oleh karena itu, benda dikelompokkan menjadi tiga, yaitu benda feromagnetik, benda paramagnetik, dan benda diamagnetik. Benda yang ditarik kuat oleh magnet disebut benda feromagnetik. Contohnya besi, baja, nikel, dan kobalt. Benda yang ditarik lemah oleh magnet disebut benda paramagnetik. Contohnya platina, tembaga, dan garam. Benda yang ditolak oleh magnet dengan lemah disebut benda diamagnetik. Contohnya timah, aluminium, emas, dan bismuth.
Benda-benda magnetik yang bukan magnet dapat dijadikan magnet. Benda itu ada yang mudah dan ada yang sulit dijadikan magnet. Baja sulit untuk dibuat magnet, tetapi setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya tidak mudah hilang. Oleh karena itu, baja digunakan untuk membuat magnet tetap (magnet permanen). Besi mudah untuk dibuat magnet, tetapi jika setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya mudah hilang. Oleh karena itu, besi digunakan untuk membuat magnet sementara.

1. Membuat Magnet dengan Cara Menggosok

Besi yang semula tidak bersifat magnet, dapat dijadikan magnet. Caranya besi digosok dengan salah satu ujung magnet tetap. Arah gosokan dibuat searah agar magnet elementer yang terdapat pada besi letaknya menjadi teratur dan mengarah ke satu arah.

2. Membuat Magnet dengan Cara Induksi

 

Besi dan baja dapat dijadikan magnet dengan cara induksi magnet. Besi dan baja diletakkan di dekat magnet tetap. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh atau terinduksi magnet tetap yang menyebabkan letaknya teratur dan mengarah ke satu arah. Besi atau baja akan menjadi magnet sehingga dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya.

Ujung besi yang berdekatan dengan kutub magnet batang, akan terbentuk kutub yang selalu berlawanan dengan kutub magnet penginduksi. Apabila kutub utara magnet batang berdekatan dengan ujung A besi, maka ujung A besi menjadi kutub selatan dan ujung B besi menjadi kutub utara atau sebaliknya.

3. Membuat Magnet dengan Cara Arus Listrik

Selain dengan cara induksi, besi dan baja dapat dijadikan magnet dengan arus listrik. Besi dan baja dililiti kawat yang dihu- bungkan dengan baterai. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh aliran arus searah (DC) yang dihasilkan baterai. Hal ini menyebabkan magnet elementer letaknya teratur dan mengarah ke satu arah. Besi atau baja akan menjadi magnet dan dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya. Magnet yang demikian disebut magnet listrik atau elektromagnet.

Besi yang berujung A dan B dililiti kawat berarus listrik. Kutub magnet yang terbentuk bergantung pada arah arus ujung kumparan. Jika arah arus berlawanan jarum jam maka ujung besi tersebut menjadi kutub utara. Sebaliknya, jika arah arus searah putaran jarum jam maka ujung besi tersebut terbentuk kutub selatan. Dengan demikian, ujung A kutub utara dan B kutub selatan atau sebaliknya.

Setelah kita dapat membuat magnet tentu saja ingin menyimpannya. Agar sifat kemagnetan sebuah magnet dapat tahan lama, maka dalam menyimpan magnet diperlukan angker (sepotong besi) yang dipasang pada kutub magnet. Pemasangan angker bertu- juan untuk mengarahkan magnet elementer hingga membentuk rantai tertutup. Untuk menyimpan dua buah magnet batang diperlukan dua angker yang dihubungkan dengan dua kutub magnet yang berlawanan. Jika berupa magnet U untuk menyimpan diperlukan satu angker yang dihubungkan pada kedua kutubnya.  

Kita sudah mengetahui benda magnetik dapat dijadikan magnet. Sebaliknya magnet juga dapat dihilangkan kemagnetannya. Bagaimana caranya? Sebuah magnet akan hilang sifat kemagnetannya jika magnet dipanaskan, dipukul-pukul, dan dialiri arus listrik bolak-balik. Magnet yang mengalami pemanasan dan pemukulan akan menyebabkan perubahan susunan magnet elementernya. Akibat pemanasan dan pemukulan magnet elementer menjadi tidak teratur dan tidak searah. Penggunaan arus AC menyebabkan arah arus listrik yang selalu berubah-ubah. Perubahan arah arus listrik memengaruhi letak dan arah magnet elementer. Apabila letak dan arah magnet elementer berubah, sifat kemagnetannya hilang. 

Latihan !

1. Apakah yang terjadi pada besi dan baja apabila arah gosokan ujung magnet tetap arahnya bolak-balik ?

2. Mengapa jika kaca digosok dengan magnet tetap, berapapun lamanya gosokan kaca tidak dapat menjadi magnet?

3. Mengapa magnet yang dibakar akan hilang sifat kemagnetannya?

KUTUB MAGNET

 

Di awal bab ini kamu sudah mengenal istilah kutub magnet. Selanjutnya di bagian ini kamu akan lebih memperdalam sifat-sifat kutub magnet. Jika magnet batang ditaburi serbuk besi atau paku- paku kecil, sebagian besar serbuk besi maupun paku akan melekat pada kedua ujung magnet. Bagian kedua ujung magnet akan lebih banyak serbuk besi atau paku yang menempel daripada di bagian tengahnya. Hal itu menunjukkan bahwa gaya tarik magnet paling kuat terletak pada ujung-ujungnya. Ujung magnet yang memiliki gaya tarik paling kuat itulah yang disebut kutub magnet. Bagai- manakah menentukan jenis kutub magnet? Sebuah magnet batang yang tergantung bebas dalam keadaan setimbang, ujung-ujungnya akan menunjuk arah utara dan arah selatan bumi. Ujung magnet yang menunjuk arah utara bumi disebut kutub utara magnet. Sebaliknya, ujung magnet yang menunjuk arah selatan bumi disebut kutub selatan magnet. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Alat yang digunakan untuk menunjukkan arah utara bumi atau geografis disebut kompas. Kompas merupakan magnet jarum yang dapat bergerak bebas pada sebuah poros. Pada keadaan setimbang salah satu ujung magnet jarum menunjuk arah utara dan ujung lainnya menunjuk arah selatan. Kamu sudah mengetahui bahwa magnet mempunyai dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Apabila dua kutub magnet didekatkan akan saling mengadakan interaksi. Jenis interaksi bergantung jenis-jenis kutub yang berdekatan. Apakah yang terjadi jika kutub utara sebuah magnet didekatkan dengan kutub utara magnet lain? Atau sebaliknya, apakah yang terjadi jika kutub utara sebuah magnet didekatkan dengan kutub selatan magnet lain?

Untuk mengetahui interaksi antarkutub dua magnet, cobalah melakukan kegiatan berikut secara berkelompok. Sebelumnya, bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

Tujuan: Mengetahui interaksi antarkutub

Alat dan Bahan:

- Magnet batang alnico

- Benang

- Spidol

- Statif

- benang

- magnet

- magnet kertas

Cara Kerja:

1. Ikatlah sebuah magnet batang di tengah-tengahnya dan gantungkan pada statif.

2. Setelah dalam keadaan seimbang, dekati kutub magnet dengan kutub sejenis magnet yang lain.

3. Amatilah keadaan magnet.

4. Ulangi cara kerja nomor 2-3, tetapi menggunakan kutub magnet yang berlawanan jenis.

Pertanyaan:

1. Apa yang terjadi jika dua kutub sejenis berinteraksi atau berdekatan?

2. Apa yang terjadi jika dua kutub berlawanan jenis berinteraksi?

3. Nyatakan kesimpulan kelompokmu di buku kerjamu.

Kamu sudah melakukan kegiatan berupa menginteraksikan dua magnet; jika kutubnya senama akan saling menolak tetapi jika kutubnya berbeda akan saling menarik. Pada saat dua magnet terpisah jarak yang jauh, belum terasa adanya gaya tarik atau gaya tolak. Makin dekat kedua magnet, makin terasa kuat gaya tarik atau gaya tolaknya.

Jika di sekitar magnet batang diletakkan benda-benda mag- netik, benda-benda itu akan ditarik oleh magnet. Makin dekat dengan magnet, gaya tarik yang dialami benda makin kuat. Makin jauh dari magnet makin kecil gaya tarik yang dialami benda. Ruang di sekitar magnet yang masih terdapat pengaruh gaya tarik magnet disebut medan magnet. Pada tempat tertentu benda tidak mendapat penga- ruh gaya tarik magnet. Benda yang demikian dikatakan berada di luar medan magnet. Medan magnet tidak dapat dilihat dengan mata. Namun, keberadaan dan polanya dapat ditunjukkan. Garis-garis yang menggambarkan pola medan magnet di- sebut garis-garis gaya magnet. Garis-garis gaya magnet tidak pernah berpotongan satu sama lainnya. Garis-garis gaya magnet keluar dari kutub utara, masuk (menuju) ke kutub selatan. Makin banyak jumlah garis-garis gaya magnet makin besar kuat medan magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan magnet yang digambar berupa garis lengkung.

Dua kutub magnet yang tidak sejenis saling berdekatan pola medan magnetnya juga berupa garis lengkung yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Bagaimanakah kerapatan pola medan magnet dua kutub magnet yang makin berdekatan?

Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik.

Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub utara masing-masing cenderung saling menolak. Mengapa? Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara garis-garis gaya yang keluar kedua kutub utara magnet. Hal itulah yang menyebabkan dua kutub yang sejenis saling menolak.

Latihan

1. Apakah perbedaan antara kutub utara dan kutub selatan sebuah magnet?

2. Sebutkan dua sifat-sifat kutub magnet yang saling berdekatan.

3. Apakah yang dimaksud medan magnet?

4. Bagaimanakah pengaruh jumlah garis gaya magnet terhadap kekuatan magnet?

KEMAGNETAN BUMI

1. Bumi Sebagai Magnet

Kamu sudah mengetahui sebuah magnet batang yang tergantung bebas akan menunjuk arah tertentu. Pada bagian ini, kamu akan mengetahui mengapa magnet bersikap seperti itu. Pada umumnya sebuah magnet terbuat dari bahan besi dan nikel. Keduanya memiliki sifat kemagnetan karena tersusun oleh magnet- magnet elementer. Batuan-batuan pembentuk bumi juga mengan- dung magnet elementer. Bumi dipandang sebagai sebuah magnet batang yang besar yang membujur dari utara ke selatan bumi. Mag- net bumi memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan selatan. Kutub utara magnet bumi terletak di sekitar kutub selatan bumi. Adapun kutub selatan magnet bumi terletak di sekitar kutub utara bumi. Magnet bumi memiliki medan magnet yang dapat memengaruhi jarum kompas dan magnet batang yang tergantung bebas.  

Medan magnet bumi digambarkan dengan garis-garis leng- kung yang berasal dari kutub selatan bumi menuju kutub utara bumi. Magnet bumi tidak tepat menunjuk arah utara-selatan geografis. Penyimpangan magnet bumi ini akan menghasilkan garis-garis gaya magnet bumi yang menyimpang terhadap arah utara-selatan geografis. Adakah pengaruh penyimpangan magnet bumi terhadap jarum kompas?

2. Deklinasi dan Inklinasi

Ambillah sebuah kompas dan letakkan di atas meja dengan penunjuk utara (N) tepat menunjuk arah utara. Amatilah kutub utara jarum kompas. Apakah kutub utara jarum kompas tepat menunjuk arah utara (N)? Berapakah sudut yang dibentuk antara kutub utara jarum kompas dengan arah utara (N)?

Jika kita perhatikan kutub utara jarum kompas dalam keadaan setimbang tidak tepat menunjuk arah utara dengan tepat. Penyim- pangan jarum kompas itu terjadi karena letak kutub-kutub magnet bumi tidak tepat berada di kutub-kutub bumi, tetapi menyimpang terhadap letak kutub bumi. Hal ini menyebabkan garis-garis gaya magnet bumi mengalami penyimpangan terhadap arah utara-selatan bumi. Akibatnya penyimpangan kutub utara jarum kompas akan membentuk sudut terhadap arah utara-selatan bumi (geografis). Sudut yang dibentuk oleh kutub utara jarum kompas dengan arah utara-selatan geografis disebut deklinasi (Gambar 11.15). Pernahkah kamu memerhatikan mengapa kedudukan jarum kompas tidak mendatar. Penyimpangan jarum kompas itu terjadi ka- rena garis-garis gaya magnet bumi tidak sejajar dengan permukaan bumi (bidang horizontal). Akibatnya, kutub utara jarum kompas me- nyimpang naik atau turun terhadap permukaan bumi. Penyimpangan kutub utara jarum kompas akan membentuk sudut terhadap bidang datar permukaan bumi. Sudut yang dibentuk oleh kutub utara jarum kompas dengan bidang datar disebut inklinasi (Gambar 11.16). Alat yang digunakan untuk menentukan besar inklinasi disebut inklinator.

MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK

Tujuan belajarmu adalah dapat:

menjelaskan sifat medan magnet di sekitar kawat berarus listrik.

Arah penyimpangan magnet jarum kompas ketika berada di sekitar arus listrik dapat diterang- kan sebagai berikut.

Anggaplah arus listrik terletak di antara telapak tangan kanan dan magnet jarum kompas. Jika arus listrik searah dengan keempat jari, kutub utara magnet jarum akan me- nyimpang sesuai ibu jari. Cara penentuan arah sim- pangan magnet jarum kom- pas demikian disebutkai- dah telapak tangan kanan.

Medan magnet di sekitar kawat berarus listrik ditemukan secara tidak sengaja oleh Hans Christian Oersted (1770-1851), ke- tika akan memberikan kuliah bagi mahasiswa. Oersted menemukan bahwa di sekitar kawat berarus listrik magnet jarum kompas akan bergerak (menyimpang). Penyimpangan magnet jarum kompas akan makin besar jika kuat arus listrik yang mengalir melalui kawat diperbesar. Arah penyimpangan jarum kompas bergantung arah arus listrik yang mengalir dalam kawat.

Gejala itu terjadi jika kawat dialiri arus listrik. Jika kawat tidak dialiri arus listrik, medan magnet tidak terjadi sehingga magnet jarum kompas tidak bereaksi.

Perubahan arah arus listrik ternyata juga memengaruhi perubahan arah penyimpangan jarum kompas. Perubahan jarum kompas menunjukkan perubahan arah medan magnet.

Bagaimanakah menentukan arah medan magnet di sekitar penghantar berarus listrik?

Jika arah arus listrik mengalir sejajar dengan jarum kompas dari kutub selatan menuju kutub utara, kutub utara jarum kompas menyimpang berlawanan dengan arah putaran jarum jam.

Jika arah arus listrik mengalir sejajar dengan jarum kompas dari kutub utara menuju kutub selatan, kutub utara jarum kompas menyimpang searah dengan arah putaran jarum jam.

1. Pola Medan Magnet di Sekitar Arus Listrik

Gejala penyimpangan magnet jarum di sekitar arus listrik membuktikan bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet.

Arah medan magnet yang ditimbulkan arus listrik dapat diterangkan melalui aturan atau kaidah berikut. Anggaplah suatu peng- hantar berarus listrik digenggam tangan kanan. Perhatikan Gambar

11.18. Jika arus listrik searah ibu jari, arah medan magnet yang timbul searah keempat jari yang menggenggam. Kaidah yang demikian disebut kaidah tangan kanan menggenggam. Tugas Individu !

Rancanglah suatu kegiatan untuk membuktikan adanya medan magnet di sekitar penghantar berarus listrik. Peralatan yang tersedia antara lain serbuk besi, penghantar, kertas, dan baterai. Gambarlah sketsa model kegiatanmu.

2. Solenoida 

Jika solenoida dialiri arus listrik maka akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bergantung pada kuat arus listrik dan banyaknya kumparan. Garis-garis gaya magnet pada solenoida merupakan gabungan dari garis-garis gaya magnet dari kawat melingkar. Gabungan itu akan menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet sebuah magnet batang yang panjang. Kumparan seolah-olah mempunyai dua kutub, yaitu ujung yang satu merupakan kutub utara dan ujung kumparan yang lain merupakan kutub selatan.

 

Latihan !

1. Apakah pengaruh arah arus listrik terhadap arah medan magnet?

2. Bagaimanakah pola medan magnet dari kawat berarus listrik?

3. Di manakah titik yang memiliki medan magnet paling kuat pada kawat me lingkar berarus listrik?

4. Tentukan letak kutub utara dan selatan

ELEKTROMAGNET

Tujuan belajarmu adalah dapat:

menjelaskan cara kerja elektromagnet dan penerapannya dalam bebera- pa teknologi.

Masih ingatkah kamu cara membuat magnet menggunakan arus listrik? Di bagian ini kamu akan lebih mendalami tentang magnet listrik tersebut. Magnet listrik atau elektromagnet sangat erat hubungannya dengan solenoida.

Medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida berarus listrik tidak terlalu kuat. Agar medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bertambah kuat, maka di dalamnya harus dimasukkan inti besi lunak. Besi lunak merupakan besi yang tidak dapat dibuat menjadi magnet tetap. Solenoida berarus listrik dan dilengkapi de- ngan besi lunak itulah yang dikenal sebagai elektromagnet.

1. Faktor yang Memengaruhi Kekuatan Elektromagnet

Apakah yang memengaruhi besar medan magnet yang dihasilkan elektromagnet? Sebuah elektromagnet terdiri atas tiga unsur penting, yaitu jumlah lilitan, kuat arus, dan inti besi.

Makin banyak lilitan dan makin besar arus listrik yang mengalir, makin besar medan magnet yang dihasilkan. Selain itu medan magnet yang dihasilkan elektromagnet juga tergantung pada inti besi yang digunakan. Makin besar (panjang) inti besi yang berada dalam solenoida, makin besar medan magnet yang dihasilkan elektromagnet. Jadi kemagnetan sebuah elektromagnet bergantung besar kuat arus yang mengalir, jumlah lilitan, dan besar inti besi yang digunakan.

Elektromagnet menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet sebuah magnet batang yang panjang. Elektromagnet juga mempunyai dua kutub yaitu ujung yang satu merupakan kutub utara dan ujung kumparan yang lain merupakan kutub selatan.

Dibandingkan magnet biasa, elektromagnet banyak mempu- nyai keunggulan. Karena itulah elektromagnet banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa keunggulan elektromagnet antara lain sebagai berikut.

a. Kemagnetannya dapat diubah-ubah dari mulai yang kecil sampai yang besar dengan cara mengubah salah satu atau ketiga dari kuat arus listrik, jumlah lilitan dan ukuran inti besi.

b. Sifat kemagnetannya mudah ditimbulkan dan dihilangkan dengan cara memutus dan menghubungkan arus listrik meng- gunakan sakelar.

c . Dapat dibuat berbagai bentuk dan ukuran sesuai dengan kebutuhan yang dikehendaki.

d. Letak kutubnya dapat diubah-ubah dengan cara mengubah arah arus listrik.

Kekuatan elektromagnet akan bertambah, jika:

a. arus yang melalui kumparan bertambah,

b. jumlah lilitan diperbanyak,

c. memperbesar/memperpanjang inti besi.

Latihan

1. Apakah yang dimaksud elektromagnet?

2. Sebutkan tiga cara memperbesar medan magnet yang dihasilkan elektromagnet.

2. Kegunaan Elektromagnet

Beberapa peralatan sehari-hari yang menggunakan elektromagnet antara lain seperti berikut.

a. Bel listrik

Bel listrik terdiri atas dua elektromagnet dengan setiap solenoida dililitkan pada arah yang berlawanan (perhatikan Gambar11.21). Apabila sakelar ditekan, arus listrik akan mengalir melalui solenoida. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik kepingan besi lentur dan pengetuk akan memukul bel (lonceng) menghasilkan bunyi. Tarikan kepingan besi lentur oleh elektromagnet akan me- misahkan titik sentuh dan sekrup pengatur yang berfungsi sebagai interuptor. Arus listrik akan putus dan teras besi hilang kemag- netannya. Kepingan besi lentur akan kembali ke kedudukan semula. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik kepingan besi lentur dan pengetuk akan memukul bel (lonceng) menghasilkan bunyi kembali. Proses ini berulang-ulang sangat cepat dan bunyi lonceng terus terdengar.

b. Relai

Relai berfungsi sebagai sakelar untuk menghubungkan atau memutuskan arus listrik yang besar pada rangkaian lain dengan menggunakan arus listrik yang kecil. Ketika sakelar S ditutup arus listrik kecil mengalir pada kumparan. Teras besi akan menjadi magnet (elektromagnet) dan menarik kepingan besi lentur. Titik sentuh C akan tertutup, menyebabkan rangkaian lain yang mem- bawa arus besar akan tersambung. Apabila sakelar S dibuka, teras besi hilang kemagnetannya, keping besi lentur kembali ke kedudukan semula. Titik sentuh C terbuka dan rangkaian listrik lain terputus.

c. Telepon

Telepon terdiri dari dua bagian yaitu bagian pengirim (mikrofon) dan bagian penerima (telepon). Prinsip kerja bagian mikrofon adalah mengubah gelombang suara menjadi getaran- getaran listrik. Pada bagian pengirim ketika seseorang berbicara akan menggetarkan diafragma aluminium. Serbuk-serbuk karbon yang terdapat pada mikrofon akan tertekan dan menyebabkan hambatan serbuk karbon mengecil. Getaran yang berupa sinyal listrik akan mengalir melalui rangkaian listrik.

Prinsip kerja bagian telepon adalah mengubah sinyal listrik menjadi gelombang bunyi. Sinyal listrik yang dihasilkan mikrofon diterima oleh pesawat telepon. Apabila sinyal listrik berubah-ubah mengalir pada kumparan, teras besi akan menjadi elektromagnet yang kekuatannya berubah-ubah (perhatikan Gambar 11.23). Dia- fragma besi lentur di hadapan elektromagnet akan ditarik dengan gaya yang berubah-ubah. Hal ini menyebabkan diafragma bergetar. Getaran diafragma memengaruhi udara di hadapannya, sehingga udara akan dimampatkan dan direnggangkan. Tekanan bunyi yang dihasilkan sesuai dengan tekanan bunyi yang dikirim melalui mi- krofon.

d. Katrol Listrik

Elektromagnet yang besar digunakan untuk mengangkat sampah logam yang tidak terpakai. Apabila arus dihidupkan katrol listrik akan menarik sampah besi dan memindahkan ke tempat yang dikehendaki. Apabila arus listrik dimatikan, sampah besi akan jatuh. Dengan cara ini sampah yang berupa tembaga, aluminium, dan seng dapat dipisahkan dengan besi.  

Kebaikan katrol listrik adalah:

a. mampu mengangkat sampah besi dalam jumlah besar

b. dapat mengangkat/memindahkan bongkahan besi yang tanpa rantai

c . membantu memisahkan antara logam feromagnetik dan bukan feromagnetik.

Latihan

1. Mengapa menambah jumlah lilitan dapat menghasilkan kemagnetan yang lebih besar?

2. Bagaimana cara penentuan elektromagnet?
GAYA LORENTZ

Di depan telah dijelaskan bahwa kawat berarus listrik menimbulkan medan magnet. Apakah yang terjadi jika kawat berarus listrik berada dalam medan magnet tetap?

Interaksi medan magnet dari kawat berarus dengan medan magnet tetap akan menghasilkan gaya magnet. Pada peristiwa ini terdapat hubungan antara arus listrik, medan magnet tetap, dan gaya magnet. Hubungan besaran-besaran itu ditemukan oleh fisikawan Belanda, Hendrik Anton Lorentz (1853-1928). Dalam penyelidikan- nya Lorentz menyimpulkan bahwa besar gaya yang ditimbulkan berbanding lurus dengan kuat arus, kuat medan magnet, panjang kawat dan sudut yang dibentuk arah arus listrik dengan arah medan magnet. Untuk menghargai jasa penemuan H.A. Lorentz, gaya tersebut disebut gaya Lorentz. Apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz dirumuskan.

Dengan: F = B . I . l

F = gaya Lorentz satuan newton (N)

B = kuat medan magnet satuan tesla (T).

l = panjang kawat satuan meter (m)

I = kuat arus listrik satuan ampere (A)

Berdasarkan rumus di atas tampak bahwa apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz bergantung pada panjang kawat, kuat arus listrik, dan kuat medan magnet. Gaya Lorentz yang ditimbulkan makin besar, jika panjang kawat, kuat arus listrik, dan kuat medan magnet makin besar. Kawat panjangnya 2 m berada tegak lurus dalam medan magnet 20 T. Jika kuat arus listrik yang mengalir 400 mA, berapakah besar gaya Lorentz yang dialami kawat?

Penyelesaian:

Diketahui: l = 2 m

B = 20 T

I = 400 mA = 0,4 A

Ditanya: F = … ?

Jawab: F = l . I . B

= 2 . 0,4 .20

= 16 N

Arah gaya Lorentz bergantung pada arah arus listrik dan arah

medan magnet. Untuk menentukan arah gaya Lorentz digunakan kaidah atau aturan tangan kanan. Caranya rentangkan ketiga jari yaitu ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah sedemikian hingga membentuk sudut 90 derajat (saling tegak lurus). Jika ibu jari menunjukan arah arus listrik (I) dan jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B) maka arah gaya Lorentz searah jari tengah (F). Dalam bentuk tiga dimensi, arah yang tegak lurus mendekati pembaca diberi simbol. Adapun arah yang tegak lurus menjauhi pembaca diberi simbol. Gaya Lorentz yang ditimbulkan kawat berarus listrik dalam medan magnet dapat dimanfaatkan untuk membuat alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Alat yang menerapkan gaya Lorentz adalah motor listrik dan alat-alat ukur listrik. Motor listrik banyak dijumpai pada tape recorder, pompa air listrik, dan komputer. Adapun, contoh alat ukur listrik yaitu amperemeter, voltmeter, dan ohmmeter.

Latihan !

Sebutkan tiga cara memperbesar gaya Lorentz yang ditimbulkan kawat berarus dalam medan magnet !

Apabila masih ada materi yang belum kamu pahami, tanyakan pada gurumu. Setelah paham, maka pelajarilah bab selanjutnya.

Istilah – istilah penting

interuptor : pemutus arus.

kemagnetan : gejala fisika pada bahan yang memiliki kemampuan menimbulkan medan magnet.

kutub magnet : kedua ujung besi (magnet) yang paling kuat daya tariknya.

magnet elementer : bagian terkecil dari magnet yang masih mempunyai sifat magnet.

motor listrik : alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak.

solenoida : kumparan yang panjang.

relai : alat yang bekerja atas dasar penggunaan arus yang kecil untuk menghubungkan atau memutuskan arus listrik yang besar.

EFEK FOTOLISTRIK

Pernahkah kamu melihat pelangi? Pernahkah kamu melihat warna-warni di jalan aspal yang basah? Pelangi terjadi akibat dispersi cahaya matahari pada titik-titik air hujan. Adapun warna-warni yang terlihat di jalan beraspal terjadi akibat gejala interferensi cahaya. Gejala dispersi dan interferensi cahaya menunjukkan bahwa cahaya merupakan gejala gelombang. Gejala difraksi dan polarisasi cahaya juga menunjukkan sifat gelombang dari cahaya.

pola warna-warni di atas aspal basah yang dikenai bensin terjadi akibat interferensi cahaya

Gejala fisika yang lain seperti spektrum diskrit atomik, efek fotolistrik, dan efek Compton menunjukkan bahwa cahaya juga dapat berperilaku sebagai partikel. Sebagai partikel cahaya disebut dengan foton yang dapat mengalami tumbukan selayaknya bola.
Efek Fotolistrik
Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.

Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut.

1. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu.
2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.
3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.

Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.
Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron

E = W₀ + E_km

hf = hf₀ + E_km

E_km = hf – hf₀

Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W₀ adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f₀ adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan E_km adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai

Dimana m adalah massa elektron dan v_e adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10⁻¹⁹ J.

Potensial Penghenti
Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol.
Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V₀ adalah potensial penghenti, maka

E_km = eV₀

Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10⁻¹⁹ C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).
Aplikasi Efek fotolistrik
Efek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti lampu LED (light emitting device) dan piranti detektor cahaya (photo detector).

---

Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.

Efek Zeeman

Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lecutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.

pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet

Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.

Model Atom Mekanika Kuantum

Sebelumnya kita sudah membahas tentang dualisme gelombang-partikel yang menyatakan bahwa sebuah objek dapat berperilaku baik sebagai gelombang maupun partikel. dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang.

Demi mendapatkan penjelasan yang lengkap dan umum dari struktur atom, prinsip dualisme gelombang-partikel digunakan. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.

posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom

Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.

Bilangan Kuantum Utama

Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar

Adapun untuk atom berelektron banyak (terdiri atas lebih dari satu elektron), energi elektron pada kulit ke-n adalah

Dimana Z adalah nomor atom. Nilai-nilai bilangan kuantum utama n adalah bilangan bulat mulai dari 1.

n = 1, 2, 3, 4, ….

Bisa dikatakan bahwa bilangan kuantum utama berkaitan dengan kulit elektron di dalam atom. Bilangan kuantum utama membatasi jumlah elektron yang dapat menempati satu lintasan atau kulit berdasarkan persamaan berikut.

Jumlah maksimum elektron pada kulit ke-n adalah 2n²

Bilangan Kuantum Orbital

Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.

 

Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai

Dimana

Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah

l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)

misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.

Bilangan Kuantum Magnetik

Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai L_z. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar L_z adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar L_z bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.

m = −l, … , 0, … , +l

misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.

Gambar

Bilangan Kuantum Spin

Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.

garis spektra atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron

Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika m_s adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai

S_z = m_sћ

Dimana

Spin ke atas dinyatakan dengan

Spin ke bawah dinyatakan dengan

Atom Berelektron Banyak

Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan m_s = −½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.

---

Spektrum Garis Atomik

Jika sebuah gas diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrik dialirkan ke dalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakan karakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinu.

Kenyataan bahwa gas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum garis diyakini berkaitan erat dengan struktur atom. Dengan demikian, spektrum garis atomik dapat digunakan untuk menguji kebenaran dari sebuah model atom.

spektrum garis berbagai gas

Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis. Seorang guru matematika Swiss bernama Balmer menyatakan deret untuk gas hidrogen sebagai persamaan berikut ini. selanjutnya, deret ini disebut deret Balmer.
Dimana panjang gelombang dinyatakan dalam satuan nanometer (nm).

Beberapa orang yang lain kemudian menemukan deret-deret yang lain selain deret Balmer sehingga dikenal adanya deret Lyman, deret Paschen, Bracket, dan Pfund. Pola deret-deret ini ternyata serupa dan dapat dirangkum dalam satu persamaan. Persamaan ini disebut deret spektrum hidrogen.

Dimana R adalah konstanta Rydberg yang nilainya 1,097 × 10⁷ m⁻¹.

- Deret Lyman (m = 1)

dengan n = 2, 3, 4, ….

- Deret Balmer (m = 2)

dengan n = 3, 4, 5 ….

- Deret Paschen (m = 3)

dengan n = 4, 5, 6 ….

- Deret Bracket (m = 4) dengan n = 5, 6, 7, ….

- Deret Pfund (m = 5) dengan n = 6, 7, 8 ….

Dalam model atom Rutherford, elektron berputar mengelilingi inti atom dalam lintasan atau orbit. Elektron yang berputar dalam lintasan seolah-olah bergerak melingkar sehingga mengalami percepatan dalam geraknya. Menurut teori elektromagnetik, elektron yang mengalami percepatan akan memancarkan gelombang elektromagnetik secara kontinu. Ini berarti elektron lama kelamaan akan kehabisan energi dan jatuh ke dalam tarikan inti atom. Ini berarti elektron tidak stabil. Di pihak lain elektron memancarkan energi secara kontinu dalam spektrum kontinu. Ini bertentangan dengan kenyataan bahwa atom memancarkan spektrum garis.

Ketidakstabilan elektron dan spektrum kontinu sebagai konsekuensi dari model atom Rutherford tidak sesuai dengan fakta bahwa atom haruslah stabil dan memancarkan spektrum garis. Diperlukan penjelasan lain yang dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen.

Model Atom Bohr

Model atom Bohr dikemukakan oleh Niels Bohr yang berusaha menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen yang tidak dapat dijelaskan oleh model atom Rutherford. Model atom Bohr memuat tiga postulat sebagai berikut.

1. di dalam atom hidrogen, elektron hanya dapat mengelilingi lintasan tertentu tertentu yang diijinkan tanpa membebaskan (melepaskan) energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu yang sesuai.
2. elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang lain. Energi dalam bentuk foton cahaya akan dilepaskan jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dalam, sedangkan Energi dalam bentuk foton cahaya akan diserapkan supaya elektron berpindah ke lintasan yang lebih luar. Energi dilepas atau diserap dalam paket sebesar hf sesuai dengan persamaan Planck.

E = hf

Dimana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi cahaya atau foton yang dilepas atau diserap.

3. lintasan-lintasan stasioner yang diijinkan untuk ditempati elektron memiliki momentum sudut yang merupakan kelipatan bulat dari nilai

(nilai ini biasa ditulis juga sebagai ћ)

Model atom Bohr

Model atom Bohr berhasil menjelaskan kestabilan elektron dengan memasukkan konsep lintasan atau orbit stasioner dimana elektron dapat berada di dalam lintasannya tanpa membebaskan energi. Spektrum garis atomik juga merupakan efek lain dari model atom Bohr. Spektrum garis adalah hasil mekanisme elektron di dalam atom yang dapat berpindah lintasan dengan menyerap atau melepas energi dalam bentuk foton cahaya.

Dengan demikian, struktur atom berdasarkan model atom Bohr adalah elektron dapat berada di dalam lintasan-lintasan stasioner dengan energi tertentu. Lintasan elektron dapat juga dianggap sebagai tingkat energi elektron.

Elektron yang berada di lintasan tertentu yang stasioner dengan jari-jari tertentu dikatakan memiliki energi tertentu. Elektron yang berada di lintasan ke-n berada pada jari-jari lintasan dan energi sebagai berikut.

Dalam persamaan ini, jari-jari r dinyatakan dalam satuan nanometer (nm) dan energi E dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV).

Misteri Efek Zeeman

Meskipun model atom Bohr dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen, model atom Bohr tidak dapat digunakan untuk menentukan spektrum atom berelektron banyak. Selain itu, terdapat garis-garis spektra misterius akibat efek Zeeman yang masih perlu penjelasan lebih lanjut. Ini adalah kelemahan model atom Bohr yang masih belum lengkap walaupun sudah lebih maju dibanding model atom Rutherford.