Motor dan generator

Kawat sepanjang 5 cm yang dialiri 20 A melintang terhadap medan 1.5 T terdorong dengan gaya 1.5 N. Terapkan gagasan itu pada kawat berbentuk lingkaran agar berputar, dan terbentuklah motor.

Medan magnet mendorong arus

Unit 4 menunjukkan bahwa arus menghasilkan medan magnet. Dalam arti tertentu, kebalikannya juga benar: medan magnet mendorong arus. Gaya pada kawat lurus sepanjang l yang dialiri arus I melintang terhadap medan seragam B adalah F = I l B sin θ, dengan θ sudut antara kawat dan medan. Gaya paling besar ketika kawat tegak lurus terhadap medan, dan nol ketika kawat sejajar dengan medan. Arahnya tegak lurus terhadap kawat maupun medan, dan kaidah tangan kanan 1 dalam OpenStax menentukan arah itu.

OpenStax menghitung contoh dengan medan kuat: B = 1.50 T, panjang kawat 5.00 cm, dan arus 20.0 A. Dengan sin 90° = 1, F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, kira-kira seberat apel 150 g. Dorongan itu cukup terasa pada sepotong kawat pendek. Contoh ini juga menunjukkan asal satuan tesla: 1 T adalah medan yang membuat arus 1 A pada kawat sepanjang 1 m mengalami gaya 1 N.

Dari dorongan menjadi putaran: motor listrik

Letakkan kawat berbentuk persegi panjang di antara kutub magnet dan alirkan arus mengelilinginya. Arus pada satu sisi berlawanan arah dengan arus pada sisi seberangnya, sehingga kedua sisi terdorong ke arah berlawanan. Kawat pun berputar. Jika tidak ada perubahan, kawat akan berayun lalu berhenti menghadap medan. Karena itu, motor membalik arus setiap setengah putaran. Dalam motor arus searah, komutator cincin belah dan sikat melakukannya, sehingga kumparan terus berputar ke arah yang sama selama arus mengalir. Momen gaya bertambah dengan jumlah lilitan: OpenStax menghitung bahwa kumparan persegi 100 lilitan dengan sisi 10.0 cm, dialiri 15.0 A dalam medan 2.00 T, mengalami momen gaya maksimum 30.0 N·m, cukup untuk dimanfaatkan pada motor. Tabel efisiensi OpenStax mencantumkan motor listrik sekitar 98 persen, jauh di atas mesin yang membakar bahan bakar.

Mengubah gerak kembali menjadi listrik

Jika arus dalam medan dapat menghasilkan gerak, dapatkah gerak dalam medan menghasilkan arus? Michael Faraday menghabiskan bertahun-tahun untuk menjawabnya. Pada 29 Agustus 1831, di laboratorium bawah tanahnya di Royal Institution, London, ia melilitkan dua kumparan kawat pada sisi berlawanan sebuah cincin besi. Ketika ia menghubungkan baterai ke satu kumparan, jarum yang terhubung ke kumparan lain bergerak sesaat, lalu diam. Ketika baterai dilepas, jarum bergerak ke arah sebaliknya. Arus tetap pada kumparan pertama tidak memengaruhi kumparan kedua; hanya perubahan arus yang berpengaruh. Royal Institution, yang masih menyimpan cincin itu, menyebutnya transformator listrik pertama.

Inilah induksi elektromagnetik: medan magnet yang berubah menembus kumparan menghasilkan tegangan yang disebut GGL induksi. Dorong magnet batang ke dalam kumparan, dan jarum alat ukur yang terhubung ke kumparan menyimpang ke satu arah. Tarik magnet keluar, jarum menyimpang ke arah sebaliknya. Tahan magnet diam, alat menunjukkan nol. Gerakkan lebih cepat dan pembacaannya lebih besar. OpenStax menyatakan besaran penentunya sebagai fluks magnet, Φ = B A cos θ, yaitu medan dikalikan luas bidang yang dilingkupi kawat yang ditembusnya. Setiap perubahan fluks menimbulkan GGL, baik karena medan berubah, luas berubah, maupun kumparan berputar.

Generator menerapkannya dalam sebuah mesin. Kumparan berputar di antara magnet, sehingga sudut θ dan fluks terus berubah, lalu muncul tegangan bolak-balik di kedua ujungnya. Susunan generator hampir sama persis dengan motor: pada motor, energi listrik menjadi putaran; pada generator, putaran menjadi energi listrik. Turbin yang digerakkan uap, air yang jatuh, atau angin memutar generator yang memasok sebagian besar listrik di rumah kita.