Gaya Antar Dua Kabel Berarus: Kenapa Kabel Saling Tolak Saat Hubung Singkat

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 04: Kemagnetan (artikel 5 dari 7)

Dua kabel sejajar yang arusnya berlawanan arah saling menolak, dan yang arusnya searah saling menarik. Pada arus kerja normal gayanya kecil sekali sehingga tidak terasa. Pada arus hubung singkat, yang besarnya bisa ribuan ampere, gaya itu cukup untuk melempar kabel dan membengkokkan busbar. Inilah sebabnya penjepit kabel di panel bukan sekadar perapi tampilan.

Arah arusnya berlawanan, jadi gayanya saling mendorong keluar. Besarnya naik mengikuti kuadrat arus.

Kenapa Bisa Ada Gaya

Tidak ada yang baru di sini. Yang dipakai cuma dua aturan yang sudah dibahas di artikel kaidah tangan, dipakai berurutan.

Aturan pertama mengatakan kawat berarus menghasilkan medan magnet melingkar di sekelilingnya. Aturan kedua mengatakan kawat berarus yang berada di dalam medan magnet akan mendapat gaya. Dua kalimat itu saja.

Gabungkan keduanya. Kabel pertama menghasilkan medan, kabel kedua berada di dalam medan itu, jadi kabel kedua mendapat gaya, dan karena kabel kedua juga menghasilkan medannya sendiri yang menyelimuti kabel pertama, hal yang sama berlaku ke arah sebaliknya.

Langkah 1: Medan Kabel Kanan Mendorong Kabel Kiri

Ambil dua kabel sejajar dengan arus berlawanan arah. Kerjakan satu per satu.

Mulai dari kabel kanan. Pakai aturan pertama, dan dapatkan arah medan melingkar yang dihasilkannya. Di posisi tempat kabel kiri berada, medan dari kabel kanan punya satu arah tertentu.

Sekarang pakai aturan kedua pada kabel kiri. Arus di kabel kiri sudah diketahui, medan di tempatnya sudah diketahui, jadi arah gaya bisa dibaca. Hasilnya: kabel kiri terdorong menjauh dari kabel kanan.

Langkah 2: Medan Kabel Kiri Mendorong Kabel Kanan

Sekarang kebalikannya, dengan cara yang persis sama seperti langkah pertama, cuma peran kedua kabelnya ditukar sehingga yang tadi menghasilkan medan sekarang menjadi yang menerima gaya.

Kabel kiri menghasilkan medan melingkar. Di posisi kabel kanan, medan itu punya arah tertentu. Pakai aturan kedua pada kabel kanan, dan hasilnya kabel kanan terdorong menjauh dari kabel kiri.

Jadi keduanya saling menjauh. Gayanya sama besar dan berlawanan arah, persis seperti semua pasangan gaya aksi dan reaksi yang lain, dan itu masuk akal karena tidak ada alasan salah satu kabel diistimewakan.

Kalau arah arus pada salah satu kabel dibalik sehingga keduanya searah, seluruh pengerjaan diulang dan hasilnya berbalik: keduanya saling menarik. Kasus searah ini perluasan di luar modul, karena modul hanya membahas kasus berlawanan.

Saat Arus Bolak-Balik Berbalik

Ini bagian yang paling sering ditanyakan. Jawabannya tidak seperti dugaan banyak orang.

Pada suplai bolak-balik, arah arus berbalik lima puluh kali per detik. Pertanyaannya, apakah gaya antar-kabel juga ikut berbalik lima puluh kali per detik?

Tidak, dan alasannya sudah dibahas di artikel kaidah tangan. Gaya berbalik hanya kalau salah satu dari arus atau medan yang dibalik. Kalau dua-duanya dibalik bersamaan, gaya kembali ke arah semula.

Pada dua kabel yang mengaliri satu beban yang sama, arus di kedua kabel berbalik pada saat yang sama persis. Arus di kabel kiri berbalik, dan medan dari kabel kanan juga berbalik karena arus kabel kanan ikut berbalik. Dua pembalikan sekaligus, jadi gaya tetap mengarah ke sisi yang sama.

Akibatnya praktis: gaya antar-kabel pada suplai bolak-balik tidak berganti arah, melainkan berdenyut besarnya dari nol sampai puncak lalu kembali, dua kali tiap siklus. Arahnya tetap saling menjauh sepanjang waktu.

Seberapa Besar Gayanya

Bagian ini perluasan di luar modul, dipakai supaya skalanya terasa nyata, karena kata besar dan kecil tidak banyak berarti sampai ada angka yang bisa dibandingkan dengan sesuatu yang sudah kita kenal.

Untuk dua kabel lurus panjang yang sejajar, gaya per satuan panjang dihitung dengan:

F/L = 2 × 10^-7 × I₁ × I₂ ÷ d

dengan F/L dalam newton per meter, arus dalam ampere, dan d jarak antar-sumbu kabel dalam meter.

Yang penting dari rumus itu bukan angkanya melainkan bentuknya. Gaya naik mengikuti perkalian kedua arus, jadi pada dua kabel yang arusnya sama, gaya naik mengikuti kuadrat arus. Dan gaya turun berbanding terbalik dengan jarak, jadi kabel yang dirapatkan mendapat gaya lebih besar.

Keadaan	Arus	Jarak antar-kabel	Gaya per meter
Beban normal	100 A	5 cm	sekitar 0,04 N/m
Hubung singkat kecil	1.000 A	5 cm	sekitar 4 N/m
Hubung singkat besar	10.000 A	5 cm	sekitar 400 N/m
Hubung singkat besar, busbar rapat	25.000 A	10 cm	sekitar 1.250 N/m

Lihat lompatannya. Dari 100 A ke 1.000 A, arusnya sepuluh kali tetapi gayanya seratus kali. Pada 25.000 A, tiap meter busbar mendapat dorongan setara beban lebih dari seratus kilogram, dan dorongan itu muncul mendadak dalam hitungan milidetik.

Semua angka di tabel adalah hasil perhitungan untuk kabel lurus panjang yang sejajar sempurna. Susunan nyata di panel tidak pernah seideal itu, jadi angka di atas untuk merasakan urutan besarnya saja, bukan untuk perhitungan rancangan.

Kerjakan satu kabel dulu, baru kabel satunya. Hasilnya selalu sama besar dan berlawanan arah.

Apa Artinya di Panel

Bagian ini perluasan. Inilah alasan materi ini layak dibaca orang bengkel.

Pertama, penjepit kabel punya fungsi mekanis. Jarak antar-penjepit pada kabel daya dan antar-penyangga pada busbar bukan soal kerapian, melainkan penentu seberapa panjang bagian yang bebas melentur saat gaya hubung singkat datang. Makin panjang bentangan bebasnya, makin besar lenturannya.

Kedua, arah gaya selalu memisahkan kabel yang arusnya berlawanan. Jadi kabel fasa dan netral yang berdampingan cenderung terlempar saling menjauh, dan yang menahan mereka cuma penjepitnya.

Ketiga, kabel yang pernah mengalami hubung singkat perlu diperiksa, bukan sekadar dinyalakan ulang. Yang dicari bukan cuma bekas gosong, melainkan juga penjepit yang retak atau longgar, busbar yang berubah bentuk sedikit, dan terminal yang kendur karena tersentak.

Keempat, sekat pemisah dan penyangga busbar di panel tegangan menengah dirancang untuk menahan gaya ini. Mengganti penyangga dengan bahan seadanya karena yang asli sulit didapat adalah penghematan yang dibayar mahal pada gangguan pertama.

Sudut Pandang Workshop

Pertama kali saya benar-benar percaya pada angka-angka tadi bukan karena membaca rumusnya. Karena melihat akibatnya.

Ada panel yang mengalami gangguan hubung singkat di sisi keluaran. Pemutusnya bekerja, api padam, dan tidak ada yang terluka. Tetapi saat panel dibuka, dua kabel daya yang semula berdampingan rapi sudah berpindah posisi dan saling menjauh beberapa sentimeter, dan salah satu penjepit plastiknya pecah.

Yang membuat saya ingat kejadian itu adalah bekas gosongnya justru sedikit. Pemutusnya cepat, jadi panasnya tidak sempat merusak banyak. Yang rusak justru karena dorongan mekanis dalam waktu yang terlalu singkat untuk dilihat mata.

Sejak itu, pemeriksaan pasca-gangguan di tempat saya punya daftar mekanis, bukan cuma daftar listrik. Penjepit kabel diperiksa satu per satu, dudukan busbar diperiksa kekencangannya, dan posisi kabel dibandingkan dengan foto sebelum gangguan kalau fotonya ada. Kebiasaan memotret bagian dalam panel sebelum menutupnya ternyata sangat menolong di saat seperti itu.

Satu hal lagi yang pantas disebut buat pekerjaan di bengkel motor. Belitan stator juga terdiri dari penghantar berarus yang bersebelahan, jadi hukum yang sama berlaku di dalamnya. Pada saat start, arus bisa mencapai beberapa kali arus nominal, dan ujung belitan yang menonjol keluar dari alur mendapat dorongan mekanis setiap kali motor dihidupkan.

Itulah sebabnya ujung belitan diikat dan diberi penguat, bukan dibiarkan menggantung. Motor yang sering distart akan menguji ikatan itu ribuan kali, dan ikatan yang longgar membuat kawat bergesekan sampai isolasinya tipis. Kerusakan yang muncul kemudian terbaca sebagai gangguan isolasi, padahal akar penyebabnya mekanis.

Cek Pemahaman

1. Dua penghantar yang membawa arus dalam arah apa akan saling dijauhkan?
   Jawaban: arah yang berlawanan.
2. Apa yang terjadi kalau arus pada kedua kabel searah?
   Jawaban: keduanya saling menarik. Catatan: kasus ini perluasan di luar modul.
3. Apakah gaya antar-kabel ikut berbalik pada suplai bolak-balik?
   Jawaban: tidak, karena arus di kedua kabel berbalik bersamaan sehingga dua pembalikan saling meniadakan.
4. Kalau arus dinaikkan sepuluh kali lipat, gayanya naik berapa kali?
   Jawaban: seratus kali, karena gaya mengikuti perkalian kedua arusnya.
5. Kenapa penjepit kabel di panel penting secara mekanis?
   Jawaban: karena penjepit menentukan panjang bentangan bebas yang akan melentur saat gaya hubung singkat datang.

Baca Juga

• Kaidah Tangan Kiri dan Kanan untuk Listrik dan Magnet
• Elektromagnet: Lilitan, Inti Besi, dan Kuat Medan
• Cara Memilih Ukuran Kabel Listrik yang Tepat
• Pengertian Magnet: Kutub dan Hukum Tarik-Tolak

Ringkasan

• Kabel berarus berlawanan arah saling menolak, kabel berarus searah saling menarik.
• Gayanya muncul dari dua aturan berurutan: medan dari satu kabel, lalu gaya pada kabel lainnya.
• Gaya pada kedua kabel sama besar dan berlawanan arah.
• Pada suplai bolak-balik arah gaya tidak berbalik, hanya besarnya yang berdenyut.
• Penyebabnya arus di kedua kabel berbalik bersamaan sehingga saling meniadakan.
• Gaya naik mengikuti perkalian kedua arus dan turun berbanding terbalik dengan jarak.
• Pada 1.000 A dan jarak 5 cm, gayanya sekitar 4 newton per meter.
• Pada 25.000 A dan jarak 10 cm, gayanya sekitar 1.250 newton per meter.
• Penjepit kabel dan penyangga busbar menentukan panjang bentangan yang bebas melentur.
• Ujung belitan stator diikat karena mendapat dorongan mekanis setiap kali motor distart.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Kenapa dua kabel berarus berlawanan saling tolak?

Karena setiap kabel berarus menghasilkan medan magnet melingkar di sekelilingnya, dan kabel di sebelahnya berada di dalam medan itu sehingga mendapat gaya. Ketika arah arus kedua kabel berlawanan, pembacaan arah dengan kaidah tangan menghasilkan gaya yang mengarah keluar pada masing-masing kabel, jadi keduanya terdorong saling menjauh dengan besar gaya yang sama dan arah yang berlawanan.

Kenapa kabel panel bergerak saat korsleting?

Karena gaya antar-kabel naik mengikuti perkalian kedua arusnya, sehingga arus hubung singkat yang besarnya ribuan ampere menghasilkan gaya ratusan kali lebih besar daripada pada arus kerja normal. Dorongan sebesar itu datang mendadak dalam hitungan milidetik dan cukup untuk memindahkan kabel, memecahkan penjepit, atau membengkokkan busbar, bahkan ketika pemutusnya bekerja cepat sehingga bekas panasnya sendiri sedikit.

Apakah arus AC mempengaruhi arah gaya?

Tidak, arah gayanya tetap meskipun arus bolak-balik berbalik lima puluh kali per detik. Alasannya arus pada kedua kabel berbalik pada saat yang sama, sehingga arah arus dan arah medan sama-sama berbalik dan kedua pembalikan itu saling meniadakan, jadi yang berubah hanyalah besarnya gaya yang berdenyut dari nol sampai puncak dua kali tiap siklus.

Bagaimana menghitung gaya antar dua kabel?

Untuk dua kabel lurus panjang yang sejajar, gaya per satuan panjang dihitung dengan F/L sama dengan 2 kali 10 pangkat negatif 7, dikalikan arus pertama, dikalikan arus kedua, lalu dibagi jarak antar-sumbu kabel dalam meter. Hasilnya dalam newton per meter, dan sebagai gambaran dua kabel berjarak 5 cm yang masing-masing mengalirkan 1.000 ampere mengalami gaya sekitar 4 newton per meter.

Kenapa ujung belitan motor harus diikat?

Karena belitan stator terdiri dari penghantar berarus yang bersebelahan, sehingga gaya antar-penghantar yang sama juga bekerja di dalamnya. Pada saat start arus bisa mencapai beberapa kali arus nominal sehingga ujung belitan yang menonjol keluar dari alur mendapat dorongan mekanis setiap kali motor dihidupkan, dan ikatan yang longgar membuat kawat bergesekan sampai isolasinya menipis.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 4, bagian Using the Left-Hand Rules (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul: dua penghantar yang membawa arus dalam arah berlawanan saling dijauhkan.
• Rumus F/L = 2 × 10^-7 I₁I₂/d dan seluruh angka pada tabel adalah perluasan di luar modul, berlaku untuk kabel lurus panjang yang sejajar sempurna.
• Praktik pemeriksaan panel pasca-gangguan dan pengikatan ujung belitan stator di bengkel servis motor listrik.