LISTRIK ALIRAN ATAS: RANGKAIAN MAGNET (bag.1)

Medan Magnet yang Disebabkan oleh Arus pada Penghantar

Sebuah kompas magnetis ditempatkan dekat penghantar yang tidak dialiri arus; jarumnya akan tetap diam dan menunjuk ke utara (Gambar 1).

Sekarang arus searah yang kuat mengalir melalui penghantar dan mengalir menurut arah panah; jarum magnet akan didefleksikan dari kedudukannya yang menunjuk ke utara (Gambar 2).

Defleksi jarum mencapai maksimum jika dekat ke penghantar; pergeseran tersebut menurun dengan bertambah besarnya jarak dari penghantar. Jadi dapat kita amati, bahwa pengaruh gaya magnet terdapat di sekitar penghantar yang dialiri arus.

Ruang yang menjadi tempat terdapatnya pengaruh gaya magnet dinamakan medan magnet. Jadi arus listrik menimbulkan medan magnet di sekitarnya.

Kerapatan dan Arah Medan Magnet

Medan magnet itu adalah suatu konsep. Ia tidak dapat dilihat. Medan magnet menunjukkan dirinya hanya dengan akibat-akibatnya. Medan magnet digambarkan sebagai deretan garis-garis fluks magnetik yang membentuk lingkaran-lingkaran tertutup dan yang secara simbolis menggambarkan medan magnet. Di bawah ini berlaku ketentuan-ketentuan sebagai berikut :

Arah garis fluks magnetik menunjukkan arah gaya magnet pada setiap titik sepanjang garis fluks.

Bila ditinjau penghantar yang dialiri arus, dalam arah aliran arusnya, maka garis-garis fluks magnetik akan timbul melingkari penghantar searah jarum jam.

Kerapatan garis-garis fluks magnetik, yaitu jaraknya satu terhadap yang lain, merupakan ukuran kuat medan magnet.

Jarum magnet yang diedarkan di sekitar penghantar,akan mengikuti lingkaran dengan kedudukan kutub utara selalu menunjuk ke arah putaran jarum jam. Jarak yang bertambah besar antara garis, secara simbolis menunjukkan menurunnya medan magnet dengan bertambah jauhnya jarak dari penghantar.

Pada jarak yang bertambah besar dari penghantar, medan magnet dari masing-masing penghantar bergabung dan menghasilkan medan magnet bersama yang melingkupi semua penghantar.

Makin dekat jarak-penghantar (lihat Gambar 6 dan 7), makin cepat medan magnet sendiri-sendiri bergabung guna menghasilkan medan magnet bersama, sehingga akhirnya resultan medan magnet akan muncul seperti jika dihasilkan oleh satu penghantar tunggal.

Kuat medan magnet bersama tergantung pada jumlah arus yang mengalir melalui penghantar-penghantar. Resultan arus yang seakan-akan mengalir melalui penghantar tunggal ini, melalui setiap garis fluks magnetik dan dinamakan gaya gerak magnetis (GGM). Gaya ini disimbolkan dengan huruf Yunani θ (teta). Karena gaya tersebut dihasilkan oleh aliran arus atau oleh jumlah dari berbagai arus, maka satuannya ialah ampere (A).

Medan Magnet yang Ditimbulkan oleh Kumparan

Marilah kita ambil sebuah penghantar logam, umpamanya kawat tembaga dan menggulungnya menjadi beberapa lilitan N yang melingkar secara rapat, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 8.

Gambar 9 memperlihatkan bahwa arus listrik I akan mengalir melalui semua gulungan N dalam arah yang sama. Pada bagian atas, arus mengalir ke dalam setiap gulungan; pada bagian bawah, arus mengalir ke luar dari setiap gulungan. Arus ini menimbulkan medan magnet, dengan arah yang ditunjukkan oleh kedua buah garis fluks magnetik.

Setiap garis fluks magnetik mengurung arus yang dijumlahkan I•N .

Jadi gaya gerak magnetisnya (GGM) ialah:

Θ = I•N (A) (ampere) atau lebih lazim dinamakan AT (ampere-turns)

GGM itu ialah perkalaian dari jumlah gulungan dan arus. Arus 5 A yang mengalir melalui 10 gulungan, dengan demikian menghasil GGM sebesar 50 AT, seperti arus 1A mengalir melalui 50 gulungan.

Cara membuat medan magnet dengan melewatkan arus listrik melalui penghantar yang digulung, dipergunakan dalam rekayasa listrik untuk membangkitkan medan magnet dalam instrument-ukur, dalam alat sakelar yang digerakkan secara magnetis, dalam magnet-angkat atau dalam mesin listrik.

Karena itu kumparan ini dinamakan kumparan eksitasi atau gulungan eksitasi.

Eksitasi berarti pembangkitan.

Fluks Magnetik

Gaya gerak magnetis kumparan eksitasi menghasilkan medan magnet yang memiliki garis-garis fluks magnetik berjarak dekat di sebelah dalam kumparan.

Di sebelah luar, medan magnet mengililingi seluruh kumparan. Kerapatannya menurun dengan cepat dengan bertambah besarnya jarak dari kumparan (Gambar 10)

Medan magnet itu tidak “mengalir” akan tetapi medan ini digambarkan dengan garis-garis fluks magnetik. Garis-garis fluks magnetik itu membentuk lingkaran tertutup; jadi banyak garis sama besar pada setiap penampang-lintang seluruh lintas fluks. Ini berarti bahwa fluks magnetik tersebut harus sama besar di mana-mana. Huruf besar Yunani Φ (phi) digunakan untuk menunjukkan fluks magnetik.

Satuan fluks magnetik ialah :

Weber (Wb) dan fluks itu memiliki ukuran

Volt-detik (Vs).

Dalam sistem satuan elektromagnet yang lama, satuan fluks magnetik ialah Maxwell (M) dan untuk konversinya.

1 Wb = 10⁸ M.

Medan Magnet Homogen dan Medan Magnet Non-homogen

Gamabar 11 memperlihatkan penampang sebuah kumparan eksitasi. Di sini terlihat bahwa garis-garis fluks magnetik di sebelah dalam kumparan terbagi merata pada seluruh penampang dalam kumparan.

Medan magnet di mana semua garis fluks magnetik sejajar dan berjarak sama dinamakan medan magnet homogen.

Akan tetapi garis-garis fluks magnetik di sebelah luar kumparan tidak sejajar lagi dan jaraknya tidak lagi sama besar. Jenis medan magnet semacam ini dinamakan non-homogen.

Pembahasan karakteristik dapat dibuat untuk medan magnet yang homogen dan untuk yang non-homogen. Akan tetapi peninjauan kita selanjutnya hanya menyangkut medan magnet yang homogen.

Induksi Magnet

Efek medan magnet semakin besar, bila garis-garis fluks magnetik lebih dekat satu terhadap yang lain atau dengan kata lain, bila lebih banyak garis fluks magnetik masuk ke dalam suatu bidang tertentu (Gambar 12).

Kerapatan fluks magnetik ini dinamakan induksi magnet dan dinyatakan sebagai B. Bila luas bidang magnet itu A, maka kita memiliki B = Φ / A.

Satuan induksi magnet ialah Tesla (T). Satuan luas bidang ialah m². Jadi kita mempunyai:

1 T = 1 Wb/m² ( atau 1 Vs/m²).

Dalam sistem satuan elektromagnet lama, satuan induksi magnet ialah Gauss (G). Konversinya ialah sebagai berikut:

1 T = 10⁴ G

Di dalam medan magnet homogen di sebelah dalam kumparan, luas bidang A adalah konstan, maka demikian pula halnya induksi magnet B. Di sebelah luar kumparan, luas bidang A yang merupakan penampang tembus fluks magnetik, semakin bertambah besar; karena itu induksi magnet B terus menurun.

Reluktansi Magnet

Untuk pembahasan medan magnet homogen selanjutnya, kita menggunakan sebuah kumparan kawat yang dibentuk menyerupai gelang (Gambar 13).

Praktis medan magnet di dalam kumparan adalah homogen.

Besarnya fluks magnetik yang dihasilkan dalam kumparan tergantung dari besaran yang disebut reluktansi magnet R_M dan yang ditentukan oleh :

Panjang ℓ rata-rata dari jejak fluks magnetik (dalam gambar garis melingkar dengan tanda panah)
Penampang - lintang bidang A (dalam contoh bidang itu dibatasi oleh gulungan)
Sifat magnet dari medium, tempat dibangkitkan medan magnet itu (dalam contoh ini udara di dalam gelang).

Dengan demikian anda menambahkan besaran keempat, di mana besaran lainnya adalah GGM (θ), fluks (Φ) dan induksi magnet (B). Besaran keempat itu ialah reluktansi magnet R_M.

Perbandingan Reluktansi magnet dan Tahanan Listrik

Reluktansi magnet jejak-fluks tergantung dari parameter yang sama dengan parameter dan sifat hantaran bahan. Marilah kita bandingkan :