Elektromagnet: Cara Kerja, Jumlah Lilitan, dan Inti Besi (Dasar Relay, Kontaktor, dan Stator)

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 04: Kemagnetan (artikel 1 dari 7)

Elektromagnet adalah kumparan kawat yang dialiri arus, dan kekuatannya ditentukan tiga hal: jumlah lilitan, besar arus, dan ada tidaknya inti besi. Medan dari tiap lilitan saling menjumlah di dalam kumparan, jadi seratus lilitan jauh lebih kuat daripada sepuluh lilitan pada arus yang sama. Inti besi menambah kekuatan itu berlipat, lalu melepaskannya lagi begitu arus diputus. Relay, kontaktor, solenoid, dan belitan stator motor semuanya bekerja dengan prinsip yang sama persis.

Kawat, lilitan, inti, dan arus. Empat hal itu saja yang membuat sebatang besi biasa jadi magnet.

Dari Satu Kawat ke Kumparan

Satu kawat lurus yang dialiri arus sudah menghasilkan medan magnet. Bentuknya lingkaran-lingkaran yang mengelilingi kawat itu, makin jauh makin lemah.

Masalahnya medan dari satu kawat lurus itu kecil dan arahnya melingkar, sehingga tidak banyak yang bisa dilakukan dengannya. Perlu bentuk lain.

Lalu kawat itu dibengkokkan menjadi satu lingkaran. Di dalam lingkaran, semua bagian medan tadi mengarah ke sisi yang sama, jadi di situ medannya menguat sementara di luar lingkaran medannya justru saling meniadakan sebagian.

Tambah lingkaran kedua, ketiga, sampai ratusan. Setiap lilitan menyumbang medan yang arahnya sama di dalam kumparan, dan sumbangan itu bertumpuk. Hasilnya satu medan yang kuat dan rapi di sepanjang sumbu kumparan, dengan kutub utara di satu ujung dan kutub selatan di ujung lainnya, persis seperti magnet batang.

Dasar hubungan arus dengan magnet ini sudah dibahas di artikel elektromagnetisme. Di sini saya masuk ke angkanya.

Tiga Hal yang Menentukan Kekuatannya

Modul menyebut dua, yaitu jumlah lilitan dan inti besi. Dalam praktik ada tiga, karena besar arus yang mengalir di kumparan itu sama menentukannya dan justru paling sering dilupakan orang saat membandingkan dua kumparan yang kelihatannya mirip.

Yang diubah	Pengaruh ke kuat medan	Batasnya di lapangan
Jumlah lilitan	Naik sebanding, dua kali lilitan berarti dua kali medan	Ruang di dalam alur dan tebal isolasi kawat
Besar arus	Naik sebanding, dua kali arus berarti dua kali medan	Panas, karena rugi daya naik mengikuti kuadrat arus
Inti besi	Menguatkan berlipat, bisa ratusan kali	Jenuh, setelah titik tertentu inti berhenti menambah

Perhatikan baris kedua. Menaikkan arus terdengar paling mudah, tetapi inilah yang paling cepat membakar kumparan, karena panas yang timbul naik mengikuti kuadrat arusnya. Menggandakan arus berarti medan dua kali lipat tetapi panas empat kali lipat.

Itu sebabnya perancang lebih suka menambah lilitan daripada menambah arus, selama ruangnya masih ada.

Contoh Hitungan

Bagian ini perluasan di luar modul, dipakai supaya angkanya terasa nyata.

Untuk kumparan panjang berinti udara, kuat medan di dalamnya dihitung dengan:

B = μ₀ × N × I ÷ L

dengan μ₀ = 4π × 10^-7 H/m, N jumlah lilitan, I arus dalam ampere, dan L panjang kumparan dalam meter.

Ambil kumparan 500 lilitan sepanjang 10 cm yang dialiri 2 ampere. Hasilnya:

B = 1,2566 × 10^-6 × 500 × 2 ÷ 0,1 = 0,01257 T, atau sekitar 12,6 mT

Angka itu untuk inti udara. Dengan inti besi lunak, nilainya bisa naik ratusan kali lipat pada arus yang sama, dan di situlah letak seluruh gunanya inti.

Satu catatan kejujuran. Rumus di atas berlaku untuk kumparan ideal yang panjangnya jauh melebihi diameternya, jadi hasilnya perkiraan kasar, bukan angka rancangan. Untuk pekerjaan nyata, data diambil dari lembar data pabrikan.

Inti Besi: Menyala dan Hilang

Kenapa besi memperkuat medan sebanyak itu? Jawabannya ada di dalam besinya sendiri.

Karena di dalam besi ada kelompok-kelompok kecil yang sudah bersifat magnet, cuma arahnya acak sehingga saling meniadakan. Medan dari kumparan menyejajarkan kelompok-kelompok itu ke satu arah, dan begitu sejajar, besi itu sendiri ikut menjadi magnet yang menumpang di atas medan kumparan. Jadi yang terukur di luar adalah jumlah keduanya.

Yang menarik justru saat arus diputus, karena di titik itulah dua jenis bahan yang dari luar sama-sama terlihat seperti sepotong logam abu-abu menunjukkan perbedaan yang menentukan dipakai untuk apa keduanya.

Pada besi lunak, susunan tadi langsung kembali acak begitu medan kumparan hilang, sehingga magnetnya ikut hilang hampir seluruhnya. Sifat inilah yang dibutuhkan pada relay, kontaktor, dan lifting magnet, karena alat itu harus benar-benar melepas saat dimatikan.

Pada baja keras, sebagian susunan bertahan, jadi baja itu tetap bermagnet setelah arus mati. Sifat itu merugikan pada relay tetapi justru dicari saat orang membuat magnet permanen.

Sisa magnet yang tertinggal disebut magnet sisa, dan jumlahnya tidak pernah benar-benar nol bahkan pada besi lunak sekalipun.

Di Mana Elektromagnet Dipakai

Hampir semua yang bergerak atau menyambung sendiri di panel adalah elektromagnet. Daftarnya pendek.

• Relay. Kumparan kecil menarik jangkar, jangkar menggerakkan kontak. Bagian-bagiannya sudah dibahas di artikel cara kerja relay.
• Kontaktor. Prinsipnya sama dengan relay tetapi untuk arus beban besar, dan pemasangannya dibahas di artikel instalasi kontaktor.
• Solenoid. Kumparan menarik batang besi ke dalam dirinya, dipakai pada katup, pengunci, dan tuas penggerak.
• Bel dan buzzer lama. Kumparan menarik pemukul, kontak terputus, pemukul kembali, lalu berulang.
• Belitan stator motor. Inilah pemakaian terbesarnya, dan juga yang paling sering saya tangani.

Inti sama, baterai sama, arus sama. Yang membedakan cuma berapa kali kawatnya melilit.

Sudut Pandang Workshop

Buat saya, kalimat paling berguna dari seluruh lesson ini cuma satu: belitan stator adalah elektromagnet. Sekali teknisi benar-benar memegang kalimat itu, cara dia membaca kerusakan motor berubah.

Contohnya begini. Motor yang sebagian belitannya hubung singkat antar-lilitan akan kehilangan sebagian jumlah lilitan efektifnya. Lilitan berkurang berarti medan di kutub itu melemah, dan medan yang melemah di satu kutub saja membuat tarikan antar-kutub jadi tidak seimbang. Gejalanya di lapangan bukan motor mati, melainkan motor yang bergetar, berisik, panas sebelah, dan arus tiga fasanya timpang. Banyak teknisi mencari penyebabnya di bearing atau kopling, padahal akarnya ada di jumlah lilitan yang tinggal sebagian.

Dari situ juga jelas kenapa jumlah lilitan wajib dicatat saat membongkar belitan lama. Bukan formalitas administrasi. Lilitan menentukan medan, medan menentukan torsi dan arus magnetisasi, jadi menggulung ulang dengan jumlah lilitan yang meleset berarti menyerahkan motor yang arusnya tidak akan pernah benar.

Saya pernah menerima motor hasil gulung ulang dari tempat lain yang arus tanpa bebannya hampir dua kali lipat dari seharusnya. Belitannya rapi, varnisnya bagus, tahanan isolasinya tinggi. Tetapi jumlah lilitannya kurang dari data aslinya, dan dengan lilitan yang kurang, inti besinya terdorong sampai mendekati jenuh pada tegangan kerja normal. Motor itu tidak rusak hari itu juga, cuma panas terus dan boros sepanjang umurnya.

Satu lagi soal inti besi yang sering diabaikan. Inti motor dibuat dari lembaran tipis yang disekat satu sama lain, bukan dari besi pejal. Kalau sekat antar-lembar rusak karena panas berlebih atau karena pengerjaan yang kasar saat membongkar belitan, lembaran itu mulai terhubung dan arus pusar mengalir di antara mereka. Hasilnya inti panas sendiri meski belitannya baru dan sehat. Jadi sebelum menggulung ulang, intinya diperiksa dulu, bukan langsung dililit.

Cek Pemahaman

1. Kumparan kawat yang dialiri arus disebut apa?
   Jawaban: elektromagnet.
2. Apa pengaruh menambah jumlah lilitan?
   Jawaban: kuat medannya bertambah, karena medan tiap lilitan saling menjumlah.
3. Kenapa inti besi memperkuat medan?
   Jawaban: karena medan kumparan menyejajarkan bagian-bagian magnet kecil di dalam besi, sehingga besi itu ikut menjadi magnet.
4. Kenapa relay memakai besi lunak, bukan baja keras?
   Jawaban: supaya magnetnya hilang begitu arus diputus sehingga kontaknya benar-benar melepas.
5. Apa yang terjadi kalau arus dinaikkan dua kali lipat?
   Jawaban: medannya dua kali lipat, tetapi panas yang timbul empat kali lipat.

Baca Juga

• Elektromagnetisme: Kenapa Arus Bisa Memutar Motor
• Cara Kerja Relay, Komponen, dan Fungsinya
• Instalasi Dasar Kontaktor untuk Pemula
• Pengertian Magnet: Kutub dan Hukum Tarik-Tolak

Ringkasan

• Elektromagnet adalah kumparan kawat yang dialiri arus.
• Medan tiap lilitan menjumlah di dalam kumparan sehingga lilitan banyak berarti medan kuat.
• Kuat medan ditentukan jumlah lilitan, besar arus, dan ada tidaknya inti besi.
• Menggandakan arus menggandakan medan tetapi melipatempatkan panas.
• Kumparan 500 lilitan sepanjang 10 cm pada 2 ampere menghasilkan sekitar 12,6 mT tanpa inti.
• Inti besi bisa menaikkan nilai itu ratusan kali lipat pada arus yang sama.
• Inti memperkuat medan karena bagian magnet kecil di dalamnya ikut disejajarkan.
• Besi lunak melepas magnetnya saat arus mati, baja keras menahan sebagian.
• Relay, kontaktor, solenoid, dan belitan stator semuanya elektromagnet.
• Jumlah lilitan wajib dicatat saat membongkar belitan karena menentukan arus dan torsi.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Apa itu elektromagnet?

Elektromagnet adalah kumparan kawat yang menjadi magnet ketika dialiri arus listrik, dan berhenti menjadi magnet ketika arusnya diputus. Medan magnet yang dihasilkan tiap lilitan mengarah ke sisi yang sama di dalam kumparan sehingga semuanya saling menjumlah, dan hasilnya adalah satu medan kuat dengan kutub utara di satu ujung serta kutub selatan di ujung lainnya seperti magnet batang.

Bagaimana cara memperkuat elektromagnet?

Ada tiga cara, yaitu menambah jumlah lilitan, menaikkan besar arus, dan memasang inti besi di dalam kumparan. Menambah lilitan biasanya pilihan pertama karena menaikkan arus membuat panas naik mengikuti kuadratnya, sehingga menggandakan arus berarti medan dua kali lipat tetapi panas empat kali lipat, dan panas itulah yang paling cepat membakar kumparan.

Kenapa inti besi memperkuat medan?

Karena di dalam besi ada kelompok-kelompok kecil yang sudah bersifat magnet tetapi arahnya acak sehingga saling meniadakan, lalu medan dari kumparan menyejajarkan kelompok itu ke satu arah. Setelah sejajar, besi tersebut ikut menjadi magnet yang menumpang di atas medan kumparan, jadi yang terukur di luar adalah jumlah dari keduanya dan nilainya bisa ratusan kali lipat medan tanpa inti.

Apa beda elektromagnet dan magnet permanen?

Elektromagnet hanya bermagnet selama ada arus yang mengalir, sehingga kekuatannya bisa diatur dan dimatikan kapan saja, sedangkan magnet permanen bermagnet terus tanpa catu daya apa pun. Perbedaan itu menentukan pemakaiannya, karena alat yang harus melepas bebannya seperti relay dan lifting magnet membutuhkan elektromagnet, sementara alat yang harus tetap bekerja tanpa listrik membutuhkan magnet permanen.

Kenapa elektromagnet hilang saat arus mati?

Karena yang menyejajarkan bagian magnet kecil di dalam inti adalah medan dari kumparan, jadi begitu arus berhenti medan itu hilang dan susunannya kembali acak. Pada inti besi lunak kembalinya hampir sempurna sehingga magnetnya praktis hilang, sedangkan pada baja keras sebagian susunan bertahan sehingga masih tertinggal magnet sisa yang tidak pernah benar-benar nol.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 4, bagian Electromagnets (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul nomor 7: kumparan yang dialiri arus disebut elektromagnet.
• Rumus B = μ₀NI/L dan contoh hitungan 12,6 mT adalah perluasan di luar modul, berlaku untuk kumparan panjang berinti udara.
• Praktik gulung ulang belitan stator dan pemeriksaan inti di bengkel servis motor listrik.