Elektromagnetisme: Kenapa Arus Listrik Bisa Memutar Motor dan Membuat Listrik di Generator

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 01: Pengantar Listrik (artikel 3 dari 7)

Arus yang mengalir di kawat menimbulkan medan magnet, dan kawat yang digerakkan memotong medan magnet menimbulkan arus. Dua kenyataan itu saling berkebalikan, ditemukan terpisah pada abad ke-19, dan hubungan dua arah inilah yang disebut elektromagnetisme. Dari situ lahir dua mesin yang memutar hampir seluruh industri: motor yang mengubah listrik menjadi gerak, dan generator yang mengubah gerak menjadi listrik. Keduanya memakai bahan yang sama, susunan yang mirip, dan hanya berbeda arah alirannya.

Ketiga jarum kompas menghadap arah berbeda. Itu yang membuktikan medannya melingkari kawat, bukan menuju satu titik.

Dua Temuan yang Mengubah Segalanya

Selama berabad-abad, listrik dan magnet dianggap dua gejala yang tidak berhubungan. Listrik urusan petir dan gosokan kain, magnet urusan batu yang menarik besi dan jarum kompas.

Dua percobaan mengubah anggapan itu.

Temuan pertama: arus menghasilkan medan magnet

Ketika arus dialirkan ke sebuah kawat, jarum kompas yang didekatkan ke kawat itu menyimpang. Begitu arusnya dimatikan, jarum kembali ke utara.

Artinya kawat berarus berperilaku seperti magnet. Bedanya, medan magnet di sekeliling kawat berbentuk lingkaran yang mengelilingi kawat, bukan punya kutub utara dan selatan seperti magnet batang.

Temuan kedua: gerak di medan magnet menghasilkan arus

Kebalikannya juga berlaku, dan inilah yang lebih mengejutkan. Kalau sebuah kawat digerakkan memotong garis medan magnet, muncul tegangan di ujung kawat itu, dan bila ujungnya dihubungkan ke rangkaian tertutup maka mengalirlah arus.

Syaratnya satu dan sering dilupakan: harus ada perubahan. Kawat yang diam di dalam medan magnet, betapapun kuat medannya, tidak menghasilkan apa-apa. Yang menghasilkan tegangan adalah gerakannya, atau medan yang berubah-ubah, bukan keberadaan medannya saja.

Bagaimana Medan Magnet Dibuat Lebih Kuat

Medan magnet di sekeliling satu kawat lurus sebenarnya lemah. Ada tiga cara memperkuatnya, dan ketiganya dipakai di dalam motor.

• Perbesar arusnya. Medan sebanding dengan besar arus yang mengalir.
• Gulung kawatnya menjadi kumparan. Setiap lilitan menambahkan medannya sendiri, dan medan seluruh lilitan saling menguatkan di bagian tengah kumparan. Kumparan dengan ratusan lilitan menghasilkan medan ratusan kali lipat dibanding satu kawat.
• Isi tengahnya dengan inti besi. Besi jauh lebih mudah dialiri medan magnet daripada udara, sehingga medannya terkumpul dan menguat berlipat-lipat.

Gabungan ketiganya menghasilkan elektromagnet, yaitu magnet yang bisa dinyalakan dan dimatikan. Inilah yang ada di dalam kontaktor, di dalam rem motor, di dalam solenoid, dan di dalam stator motor itu sendiri.

Dari Dua Temuan ke Motor

Sekarang gabungkan keduanya, dan motor akan muncul dengan sendirinya.

Taruh sebuah kawat berarus di dalam medan magnet. Kawat itu punya medannya sendiri, dan medan tersebut berinteraksi dengan medan di sekitarnya. Di satu sisi kawat kedua medan saling menguatkan, di sisi lain saling melemahkan, dan ketidakseimbangan itu menghasilkan gaya yang mendorong kawat ke arah sisi yang lemah.

Kalau kawat itu dibentuk menjadi lingkaran dan dipasang pada poros, gaya di sisi kiri dan sisi kanan arahnya berlawanan, sehingga yang terjadi bukan dorongan lurus melainkan putaran.

Itulah prinsip motor, dalam bentuk yang paling sederhana. Motor sungguhan jauh lebih rumit karena harus memutar terus-menerus dengan torsi yang rata, tapi gaya yang memutarnya tetap gaya yang sama. Rincian sifat magnet dan medannya dibahas lebih dalam pada lesson tentang kemagnetan.

Dari Dua Temuan ke Generator

Generator adalah motor yang dijalankan terbalik.

Alih-alih memberi arus lalu mendapat putaran, generator diberi putaran lalu menghasilkan arus. Kumparan diputar di dalam medan magnet oleh tenaga dari luar, entah turbin uap, turbin air, atau mesin diesel, dan karena kumparan itu terus memotong garis medan, tegangan muncul di ujungnya.

Kemiripan keduanya bukan kebetulan. Mesin listrik yang sama secara fisik bisa bekerja sebagai motor maupun generator, dan inilah dasar pengereman regeneratif: motor yang sedang diperlambat oleh bebannya berubah peran menjadi generator, mengembalikan energi ke sumbernya alih-alih membuangnya jadi panas.

Aspek	Motor	Generator
Yang diberikan	Energi listrik	Energi mekanik (putaran)
Yang dihasilkan	Putaran	Tegangan dan arus
Temuan yang dipakai	Arus di medan magnet menghasilkan gaya	Gerak memotong medan menghasilkan tegangan
Bagian utama	Stator dan rotor	Stator dan rotor
Bisa bertukar peran	Ya, satu mesin bisa menjalankan dua peran

Gambar mesinnya sama persis di kedua panel. Yang berbeda cuma arah panahnya.

Kenapa Listrik Bisa Murah dan Tersedia Luas

Sebelum generator ditemukan, satu-satunya sumber listrik yang bisa diandalkan adalah sel kimia, yaitu baterai. Baterai punya dua keterbatasan yang tidak bisa diatasi: dayanya kecil, dan bahan kimianya habis.

Generator mengubah keadaan itu sepenuhnya. Selama porosnya terus diputar, listriknya terus mengalir, dan yang memutar poros bisa berupa apa saja yang tersedia dalam jumlah besar: uap dari pembakaran batu bara, air terjun, angin, atau uap dari panas bumi.

Dari situlah listrik berubah dari barang laboratorium menjadi barang sehari-hari. Dan karena mesin yang membangkitkannya mirip dengan mesin yang memakainya, listrik menjadi bentuk energi yang paling mudah dipindahkan dari tempat ia dihasilkan ke tempat ia dibutuhkan.

Konteks Motor Academy: Stator adalah Elektromagnet

Bagi orang bengkel motor, elektromagnetisme bukan teori yang jauh. Ia adalah benda yang setiap hari dibongkar dan digulung ulang.

Stator motor induksi pada dasarnya adalah kumpulan elektromagnet yang disusun melingkar. Ketiga unsur penguat medan yang disebut tadi ada semua di situ:

• Arus yang mengalir lewat belitan.
• Lilitan yang jumlahnya ditentukan oleh rancangan, dan yang harus dihitung ulang dengan benar saat motor digulung ulang.
• Inti besi berupa tumpukan pelat silikon yang memusatkan medan.

Dari sudut pandang ini, beberapa hal yang kelihatannya detail jadi masuk akal. Jumlah lilitan yang meleset dari rancangan mengubah kekuatan medan, dan medan yang berubah mengubah arus serta torsi motor. Inti yang pelat-pelatnya rusak atau korsleting antar-pelat membuat medan tidak terkumpul dengan baik dan menimbulkan panas berlebih. Dan isolasi antar-lilitan yang tembus membuat sebagian lilitan terlewati, sehingga medannya berkurang di satu sisi dan motor berputar dengan getaran yang tidak wajar.

Ketiganya adalah gangguan yang berbeda, tetapi akarnya satu: medan magnet yang tidak lagi seperti yang dirancang.

Sudut Pandang Workshop

Saya biasa memulai penjelasan ke teknisi baru bukan dari rumus, melainkan dari satu pertanyaan: menurut kamu, apa yang sebenarnya memutar motor?

Jawaban yang paling sering muncul adalah "listriknya". Jawaban itu tidak salah, tapi juga tidak membantu, karena tidak memberi gambaran apa pun tentang apa yang harus diperiksa ketika motor bermasalah.

Jawaban yang berguna adalah: yang memutar motor adalah medan magnet, dan listrik cuma cara membuat medan itu. Begitu kalimat ini masuk, cara orang memeriksa motor berubah. Pertanyaannya bukan lagi "listriknya ada atau tidak", melainkan "medannya terbentuk dengan benar atau tidak", dan pertanyaan kedua itu yang mengarahkan ke belitan, ke inti, dan ke isolasi.

Ada satu demonstrasi murah yang saya pakai dan selalu berhasil. Ambil paku besar, lilitkan kawat berisolasi beberapa puluh lilit, lalu hubungkan ke baterai. Paku itu langsung bisa mengangkat klip kertas, dan begitu kabelnya dilepas, klipnya jatuh. Sepuluh detik, tanpa biaya, dan setelah itu tidak ada lagi yang menganggap stator sebagai gulungan kawat yang misterius.

Satu catatan terakhir soal arah. Setelah paham bahwa stator adalah elektromagnet, orang biasanya bertanya kenapa motor tiga fasa bisa tahu harus berputar ke arah mana. Jawabannya ada pada urutan fasa, yang membuat medan magnet di stator seolah berjalan berputar mengelilingi rongga. Rotor cuma mengikuti medan yang berjalan itu. Dan karena itulah, menukar dua kabel fasa membalik arah putaran motor, sesuatu yang kelihatan ajaib sampai bagian ini dipahami.

Cek Pemahaman

1. Fondasi mesin dan peralatan listrik modern adalah apa?
   Jawaban: elektromagnetisme.
2. Apa yang terjadi pada kompas yang didekatkan ke kawat berarus?
   Jawaban: jarumnya menyimpang mengikuti arah medan magnet melingkar di sekeliling kawat.
3. Apa syarat agar gerak di medan magnet menghasilkan tegangan?
   Jawaban: harus ada perubahan, yaitu gerak yang memotong garis medan atau medan yang berubah.
4. Sebutkan tiga cara memperkuat medan magnet sebuah elektromagnet.
   Jawaban: memperbesar arus, menambah jumlah lilitan, dan memakai inti besi.
5. Apa yang sebenarnya memutar rotor motor?
   Jawaban: medan magnet, dan listrik adalah cara membentuk medan itu.

Baca Juga

• Pengertian Listrik: Atom, Elektron, dan Proton
• Arti Tegangan, Arus, dan Hambatan dengan Analogi Air
• Arah Arus Listrik: Elektron vs Arus Konvensional
• Cara Membaca Name Plate Motor Listrik
• Apa Itu Ampere, Watt, dan Volt?

Ringkasan

• Arus yang mengalir di kawat menimbulkan medan magnet melingkar di sekelilingnya.
• Kawat yang digerakkan memotong medan magnet menimbulkan tegangan.
• Hubungan dua arah itu disebut elektromagnetisme.
• Tanpa perubahan tidak ada tegangan, karena medan yang diam tidak menghasilkan apa-apa.
• Medan diperkuat dengan memperbesar arus, menambah lilitan, dan memakai inti besi.
• Kawat berarus di dalam medan magnet mengalami gaya, dan gaya itulah yang memutar motor.
• Generator adalah kebalikannya, putaran dari luar menghasilkan tegangan.
• Satu mesin listrik bisa berperan sebagai motor maupun generator.
• Generator membuat listrik bisa dibangkitkan terus-menerus dalam jumlah besar.
• Stator motor adalah kumpulan elektromagnet, sehingga gangguan belitan dan inti selalu berujung pada medan yang menyimpang dari rancangan.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Apa itu elektromagnetisme?

Elektromagnetisme adalah hubungan dua arah antara listrik dan magnet, yaitu kenyataan bahwa arus yang mengalir di sebuah kawat menimbulkan medan magnet di sekelilingnya, dan sebaliknya kawat yang digerakkan memotong medan magnet menimbulkan tegangan di ujungnya. Hubungan inilah yang menjadi dasar kerja seluruh motor, generator, transformator, dan peralatan listrik modern lainnya.

Bagaimana motor listrik bisa berputar?

Kawat yang dialiri arus dan berada di dalam medan magnet akan mengalami gaya, karena medan dari kawat itu saling menguatkan dengan medan di sekitarnya pada satu sisi dan saling melemahkan pada sisi lainnya. Bila kawat tersebut dibentuk menjadi kumparan yang dipasang pada poros, gaya pada kedua sisinya berlawanan arah sehingga yang dihasilkan bukan dorongan lurus melainkan putaran.

Bagaimana generator menghasilkan listrik?

Generator bekerja dengan memutar kumparan di dalam medan magnet memakai tenaga dari luar seperti turbin uap, turbin air, atau mesin diesel. Karena kumparan itu terus memotong garis medan magnet, muncul tegangan di ujung kumparan, dan selama porosnya diputar listriknya terus dihasilkan tanpa ada bahan yang habis seperti pada baterai.

Apa beda motor dan generator?

Motor menerima energi listrik dan menghasilkan putaran, sedangkan generator menerima putaran dan menghasilkan energi listrik, sehingga keduanya adalah dua arah dari proses yang sama. Secara fisik bangunannya sangat mirip, dan satu mesin listrik bisa menjalankan dua peran tersebut, seperti yang terjadi pada pengereman regeneratif ketika motor yang sedang diperlambat berubah peran menjadi generator.

Kenapa stator motor disebut elektromagnet?

Karena stator terdiri dari belitan kawat yang digulung pada inti besi, dan ketika belitan itu dialiri arus ia menghasilkan medan magnet yang bisa dinyalakan dan dimatikan. Ketiga unsur yang memperkuat medan magnet ada semua di stator, yaitu arus yang mengalir, jumlah lilitan sesuai rancangan, dan inti besi berupa tumpukan pelat yang memusatkan medan.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 1 (modul internal Motor Academy).
• Prinsip induksi elektromagnetik dan gaya pada penghantar berarus di dalam medan magnet.
• IEC 60034-1 untuk mesin listrik berputar, bagian prinsip kerja motor dan generator.