Elektromagnet, Kumparan Elektromagnetik dan Permeabilitas
Sebuah elektromagnet sederhana dapat dibuat dengan melilitkan gulungan kawat di sekitar inti besi lunak, seperti paku besar.
Kita sekarang tahu dari tutorial sebelumnya tentang Medan Maget bahwa konduktor arus lurus menghasilkan medan magnet melingkar di sekelilingnya di semua titik sepanjang panjangnya dan bahwa arah rotasi medan magnet ini tergantung pada arah aliran arus melalui konduktor, Kaidah Tangan Kiri.
Dalam tutorial terakhir tentang Magnet kita melihat bahwa jika kita membengkokkan konduktor menjadi satu lingkaran, arus akan mengalir dalam arah yang berlawanan melalui lingkaran yang menghasilkan bidang searah jarum jam dan bidang berlawanan arah jarum jam yang bersebelahan.
Elektromagnet menggunakan prinsip ini dengan memiliki beberapa loop individu secara magnetis bergabung bersama untuk menghasilkan kumparan tunggal.
Elektromagnet pada dasarnya adalah gulungan kawat yang berperilaku seperti magnet batang dengan kutub utara dan selatan yang berbeda ketika arus listrik melewati coil.
Medan magnet statis yang dihasilkan oleh masing-masing putaran coil disimpulkan dengan tetangganya dengan medan magnet gabungan yang terkonsentrasi seperti putaran kawat tunggal yang kita lihat dalam tutorial terakhir di tengah coil.
Medan magnet statis yang dihasilkan dengan kutub utara di satu ujung dan kutub selatan di yang lain adalah seragam dan jauh lebih kuat di tengah coil daripada di sekitar eksterior.
Medan magnet yang dihasilkan ini terbentang dalam bentuk magnet batang yang memberikan kutub utara dan selatan yang berbeda dengan fluks yang sebanding dengan jumlah arus yang mengalir dalam coil.
Jika lapisan-lapisan kawat tambahan dililit pada kumparan yang sama dengan arus yang sama, kekuatan medan magnet akan meningkat.
Karena itu dapat dilihat dari sini bahwa jumlah fluks yang tersedia dalam setiap rangkaian magnet yang diberikan berbanding lurus dengan arus yang mengalir melaluinya dan jumlah putaran kawat di dalam coil. Hubungan ini disebut mmf (Magnet Motive Force), atau ggm (Gaya Gerak Magnet) dan didefinisikan sebagai:
Gaya Gerak Magnet dinyatakan sebagai arus, I mengalir melalui coil putaran N. Oleh karena itu, kekuatan medan magnet dari sebuah elektromagnet ditentukan oleh belitan ampere dari kumparan dengan semakin banyak belitan kawat di dalam kumparan, semakin besar kekuatan medan magnet tersebut.
Ketika arus mengalir ke arah yang sama (sisi kumparan yang sama) medan antara dua konduktor lemah menyebabkan gaya tarik seperti yang ditunjukkan di atas. Demikian juga, ketika arus mengalir dalam arah yang berlawanan, medan di antara mereka menjadi intensif dan konduktor ditolak.
Intensitas bidang ini di sekitar konduktor sebanding dengan jarak dari konduktor dengan titik terkuat berada di sebelah konduktor dan semakin lemah semakin jauh dari konduktor. Dalam kasus konduktor lurus tunggal, arus yang mengalir dan jarak darinya adalah faktor-faktor yang mengatur intensitas medan.
Oleh karena itu rumus untuk menghitung "Kekuatan Medan Magnet", H kadang-kadang disebut "Gaya Magnetis" dari konduktor pembawa arus lurus panjang berasal dari arus yang mengalir melaluinya dan jarak darinya.
Dimana:
H - adalah kekuatan medan magnet dalam ampere-turns/meter, At/m
N - adalah jumlah belitan coil
I - adalah arus yang mengalir melalui coil dalam amp, A
L - adalah panjang kumparan dalam meter, m
Kemudian untuk meringkas, kekuatan atau intensitas medan magnet coil tergantung pada faktor-faktor berikut.
Sejauh ini hanya kumparan berinti udara (berongga) yang telah dipertimbangkan tetapi pengenalan bahan lain ke dalam inti (pusat kumparan) memiliki efek pengendalian yang sangat besar pada kekuatan medan magnet.
Jika materialnya non-magnetik misalnya kayu, untuk keperluan perhitungan dapat dianggap sebagai ruang bebas karena memiliki nilai permeabilitas yang sangat rendah.
Namun, jika bahan inti terbuat dari bahan Feromagnetik seperti besi, nikel, kobalt atau campuran apa pun dari paduannya, perbedaan besar dalam kerapatan fluks di sekitar coil akan diamati.
Material Feromagnetik adalah yang dapat dimagnetisasi dan biasanya dibuat dari besi lunak, baja atau berbagai paduan nikel. Pengenalan jenis bahan ini ke dalam rangkaian magnetik memiliki efek memusatkan fluks magnetik sehingga lebih terkonsentrasi dan padat dan memperkuat medan magnet yang diciptakan oleh arus dalam coil.
Kita bisa membuktikan ini dengan melilitkan gulungan kawat di sekitar paku besi lunak besar dan menghubungkannya ke baterai seperti yang ditunjukkan.
Eksperimen ruang kelas yang sederhana ini memungkinkan kita mengambil klip atau pin dalam jumlah besar dan kita dapat membuat elektromagnet lebih kuat dengan menambahkan lebih banyak putaran pada coil.
Tingkat intensitas medan magnet ini baik oleh inti udara berongga atau dengan memasukkan bahan feromagnetik ke dalam inti disebut Permeabilitas Magnetis.
Jika bahan magnet memiliki permeabilitas tinggi maka garis fluks dapat dengan mudah dibuat dan melewati inti pusat dan permeabilitas (μ) dan itu adalah ukuran dari kemudahan dimana inti dapat dimagnetisasi.
Konstanta numerik yang diberikan untuk permeabilitas vakum diberikan sebagai: μo = 4.π.10-7 H/m dengan permeabilitas relatif ruang bebas (ruang hampa) umumnya diberi nilai satu. Nilai inilah yang digunakan sebagai referensi dalam semua perhitungan yang berhubungan dengan permeabilitas dan semua bahan memiliki nilai permeabilitasnya sendiri.
Masalah dengan hanya menggunakan permeabilitas dari inti besi, baja atau paduan yang berbeda adalah bahwa perhitungan yang terlibat bisa menjadi sangat besar sehingga lebih mudah untuk mendefinisikan material dengan permeabilitas relatifnya.
Permeabilitas Relatif, simbol μr adalah hasil dari μ (permeabilitas absolut) dan μo permeabilitas ruang bebas dan diberikan sebagai.
Bahan yang memiliki permeabilitas sedikit kurang dari ruang bebas (ruang hampa) dan lemah, kerentanan negatif terhadap medan magnet dikatakan Diamagnetik di alam seperti: air, tembaga, perak dan emas.
Bahan-bahan dengan permeabilitas yang sedikit lebih besar daripada ruang bebas dan itu sendiri hanya sedikit tertarik oleh medan magnet dikatakan Paramagnetik di alam seperti: gas, magnesium, dan tantalum.
Ketika bahan feromagnetik digunakan dalam inti, penggunaan permeabilitas relatif untuk menentukan kekuatan medan memberikan gagasan yang lebih baik tentang kekuatan medan magnet untuk berbagai jenis bahan yang digunakan.
Sebagai contoh, ruang hampa dan udara memiliki permeabilitas relatif satu dan untuk inti besi sekitar 500, sehingga kita dapat mengatakan bahwa kekuatan medan inti besi 500 kali lebih kuat dari coil udara berongga yang setara dan hubungan ini jauh lebih mudah dipahami daripada 0.628 × 10-3 H /m, ( 500.4.π.10-7).
Sementara, udara mungkin memiliki permeabilitas hanya satu, beberapa bahan ferit dan permalloy dapat memiliki permeabilitas 10.000 atau lebih.
Namun, ada batasan jumlah kekuatan medan magnet yang dapat diperoleh dari satu kumparan karena inti menjadi sangat jenuh karena peningkatan fluks magnet dan ini akan dilihat pada tutorial berikutnya tentang kurva B-H dan Histerisis.
Kita sekarang tahu dari tutorial sebelumnya tentang Medan Maget bahwa konduktor arus lurus menghasilkan medan magnet melingkar di sekelilingnya di semua titik sepanjang panjangnya dan bahwa arah rotasi medan magnet ini tergantung pada arah aliran arus melalui konduktor, Kaidah Tangan Kiri.
Dalam tutorial terakhir tentang Magnet kita melihat bahwa jika kita membengkokkan konduktor menjadi satu lingkaran, arus akan mengalir dalam arah yang berlawanan melalui lingkaran yang menghasilkan bidang searah jarum jam dan bidang berlawanan arah jarum jam yang bersebelahan.
Elektromagnet menggunakan prinsip ini dengan memiliki beberapa loop individu secara magnetis bergabung bersama untuk menghasilkan kumparan tunggal.
Elektromagnet pada dasarnya adalah gulungan kawat yang berperilaku seperti magnet batang dengan kutub utara dan selatan yang berbeda ketika arus listrik melewati coil.
Medan magnet statis yang dihasilkan oleh masing-masing putaran coil disimpulkan dengan tetangganya dengan medan magnet gabungan yang terkonsentrasi seperti putaran kawat tunggal yang kita lihat dalam tutorial terakhir di tengah coil.
Medan magnet statis yang dihasilkan dengan kutub utara di satu ujung dan kutub selatan di yang lain adalah seragam dan jauh lebih kuat di tengah coil daripada di sekitar eksterior.
Garis Gaya di sekitar Elektromagnet
Medan magnet yang dihasilkan ini terbentang dalam bentuk magnet batang yang memberikan kutub utara dan selatan yang berbeda dengan fluks yang sebanding dengan jumlah arus yang mengalir dalam coil.
Jika lapisan-lapisan kawat tambahan dililit pada kumparan yang sama dengan arus yang sama, kekuatan medan magnet akan meningkat.
Karena itu dapat dilihat dari sini bahwa jumlah fluks yang tersedia dalam setiap rangkaian magnet yang diberikan berbanding lurus dengan arus yang mengalir melaluinya dan jumlah putaran kawat di dalam coil. Hubungan ini disebut mmf (Magnet Motive Force), atau ggm (Gaya Gerak Magnet) dan didefinisikan sebagai:
Gaya Gerak Magnet, (g.g.m) = I x N ampere turn
Gaya Gerak Magnet dinyatakan sebagai arus, I mengalir melalui coil putaran N. Oleh karena itu, kekuatan medan magnet dari sebuah elektromagnet ditentukan oleh belitan ampere dari kumparan dengan semakin banyak belitan kawat di dalam kumparan, semakin besar kekuatan medan magnet tersebut.
Kekuatan Magnet dari Elektromagnet
Kita sekarang tahu bahwa jika dua konduktor yang berdekatan membawa arus, medan magnet diatur sesuai dengan arah aliran arus. Interaksi yang dihasilkan dari kedua bidang sedemikian rupa sehingga gaya mekanik dialami oleh dua konduktor.Ketika arus mengalir ke arah yang sama (sisi kumparan yang sama) medan antara dua konduktor lemah menyebabkan gaya tarik seperti yang ditunjukkan di atas. Demikian juga, ketika arus mengalir dalam arah yang berlawanan, medan di antara mereka menjadi intensif dan konduktor ditolak.
Intensitas bidang ini di sekitar konduktor sebanding dengan jarak dari konduktor dengan titik terkuat berada di sebelah konduktor dan semakin lemah semakin jauh dari konduktor. Dalam kasus konduktor lurus tunggal, arus yang mengalir dan jarak darinya adalah faktor-faktor yang mengatur intensitas medan.
Oleh karena itu rumus untuk menghitung "Kekuatan Medan Magnet", H kadang-kadang disebut "Gaya Magnetis" dari konduktor pembawa arus lurus panjang berasal dari arus yang mengalir melaluinya dan jarak darinya.
Kekuatan Medan Magnet untuk Elektromagnet
Dimana:
H - adalah kekuatan medan magnet dalam ampere-turns/meter, At/m
N - adalah jumlah belitan coil
I - adalah arus yang mengalir melalui coil dalam amp, A
L - adalah panjang kumparan dalam meter, m
Kemudian untuk meringkas, kekuatan atau intensitas medan magnet coil tergantung pada faktor-faktor berikut.
- Jumlah putaran kawat di dalam coil.
- Jumlah arus yang mengalir di coil.
- Jenis bahan inti.
Sejauh ini hanya kumparan berinti udara (berongga) yang telah dipertimbangkan tetapi pengenalan bahan lain ke dalam inti (pusat kumparan) memiliki efek pengendalian yang sangat besar pada kekuatan medan magnet.
Jika materialnya non-magnetik misalnya kayu, untuk keperluan perhitungan dapat dianggap sebagai ruang bebas karena memiliki nilai permeabilitas yang sangat rendah.
Namun, jika bahan inti terbuat dari bahan Feromagnetik seperti besi, nikel, kobalt atau campuran apa pun dari paduannya, perbedaan besar dalam kerapatan fluks di sekitar coil akan diamati.
Kita bisa membuktikan ini dengan melilitkan gulungan kawat di sekitar paku besi lunak besar dan menghubungkannya ke baterai seperti yang ditunjukkan.
Eksperimen ruang kelas yang sederhana ini memungkinkan kita mengambil klip atau pin dalam jumlah besar dan kita dapat membuat elektromagnet lebih kuat dengan menambahkan lebih banyak putaran pada coil.
Tingkat intensitas medan magnet ini baik oleh inti udara berongga atau dengan memasukkan bahan feromagnetik ke dalam inti disebut Permeabilitas Magnetis.
Permeabilitas Elektromagnet
Jika inti dari bahan yang berbeda dengan dimensi fisik yang sama digunakan dalam elektromagnet, kekuatan magnet akan bervariasi dalam kaitannya dengan bahan inti yang digunakan. Variasi dalam kekuatan magnet ini disebabkan oleh jumlah garis fluks yang melewati inti pusat.Jika bahan magnet memiliki permeabilitas tinggi maka garis fluks dapat dengan mudah dibuat dan melewati inti pusat dan permeabilitas (μ) dan itu adalah ukuran dari kemudahan dimana inti dapat dimagnetisasi.
Konstanta numerik yang diberikan untuk permeabilitas vakum diberikan sebagai: μo = 4.π.10-7 H/m dengan permeabilitas relatif ruang bebas (ruang hampa) umumnya diberi nilai satu. Nilai inilah yang digunakan sebagai referensi dalam semua perhitungan yang berhubungan dengan permeabilitas dan semua bahan memiliki nilai permeabilitasnya sendiri.
Masalah dengan hanya menggunakan permeabilitas dari inti besi, baja atau paduan yang berbeda adalah bahwa perhitungan yang terlibat bisa menjadi sangat besar sehingga lebih mudah untuk mendefinisikan material dengan permeabilitas relatifnya.
Permeabilitas Relatif, simbol μr adalah hasil dari μ (permeabilitas absolut) dan μo permeabilitas ruang bebas dan diberikan sebagai.
Permeabilitas Relatif
Bahan yang memiliki permeabilitas sedikit kurang dari ruang bebas (ruang hampa) dan lemah, kerentanan negatif terhadap medan magnet dikatakan Diamagnetik di alam seperti: air, tembaga, perak dan emas.
Bahan-bahan dengan permeabilitas yang sedikit lebih besar daripada ruang bebas dan itu sendiri hanya sedikit tertarik oleh medan magnet dikatakan Paramagnetik di alam seperti: gas, magnesium, dan tantalum.
Contoh Elektromagnet No.1
Permeabilitas absolut inti besi lunak diberikan sebagai 80 mili-henries/m (80,10-3). Hitung nilai permeabilitas relatif yang setara.Ketika bahan feromagnetik digunakan dalam inti, penggunaan permeabilitas relatif untuk menentukan kekuatan medan memberikan gagasan yang lebih baik tentang kekuatan medan magnet untuk berbagai jenis bahan yang digunakan.
Sebagai contoh, ruang hampa dan udara memiliki permeabilitas relatif satu dan untuk inti besi sekitar 500, sehingga kita dapat mengatakan bahwa kekuatan medan inti besi 500 kali lebih kuat dari coil udara berongga yang setara dan hubungan ini jauh lebih mudah dipahami daripada 0.628 × 10-3 H /m, ( 500.4.π.10-7).
Sementara, udara mungkin memiliki permeabilitas hanya satu, beberapa bahan ferit dan permalloy dapat memiliki permeabilitas 10.000 atau lebih.
Namun, ada batasan jumlah kekuatan medan magnet yang dapat diperoleh dari satu kumparan karena inti menjadi sangat jenuh karena peningkatan fluks magnet dan ini akan dilihat pada tutorial berikutnya tentang kurva B-H dan Histerisis.