BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Listrik telah menjadi elemen fundamental yang tidak terpisah dari kehidupan manusia. Hampir seluruh kegiatan kini bergantung pada ketersediaan energi listrik, menjadikannya kebutuhan primer di skala global. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya di bidang elektronika, inovasi teknologi yang menunjang kehidupan manusia pun semakin canggih.
Salah satu komponen krusial yang lahir dari kemajuan ini adalah solenoid. Meskipun sering kali tidak terlihat secara langsung tapi, aplikasinya sudah sangat luas dan vital dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari mekanisme penyalaan mesin mobil, pengaturan aliran bahan bakar, hingga pengoperasian peralatan rumah tangga seperti mesin cuci dan kompor gas.
Fenomena ini menunjukan betapa penting pemahaman mengenai konversi energi listrik menjadi gerak mekanik dalam teknologi tepat guna.
Dasar dari penggunaan solenoid berakar pada konsep-konsep fundamental dalam rangkaian listrik dan elektromagnetisme. Prinsip seperti konsep elektromagnetisme dan induksi yang memungkinkan perangkat solenoid bekerja secara efektif untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik linear pada rangkaian berarus besar.
Ketika arus listrik mengalir melalui konduktor seperti kawat tembaga menghasilkan medan magnet di sekitarnya. Medan magnet ini menjadi semakin kuat ketika kawat dibentuk menjadi kumparan kawat dengan banyak lilitan, sehingga terbentuklah solenoid yang mampu menghasilkan medan magnet terpusat di bagian dalam coil.
Aplikasi konsep teoritis tersebut dapat dilihat melalui praktikum sederhana seperti pembuatan solenoid engine. Mekanisme kerja mesin ini dimulai dengan mengalirkan arus listrik ke kumparan untuk menciptakan medan magnet yang menarik inti logam (piston) ke depan.
Gerakan bolak-balik atau linear (linear motion) yang dihasilkan oleh tarikan magnet ini kemudian dikonversi menjadi gerakan rotasi kontinu (berputar) dengan bantuan komponen mekanis berupa crankshaft dan flywheel.
Meskipun solenoid engine memiliki keterbatasan dalam hal efisiensi energi dan menghasilkan keluaran daya yang relatif rendah dibandingkan motor listrik konvensional, alat ini memiliki nilai edukasi yang sangat tinggi. Mesin ini menjadi media yang efektif untuk mendemonstrasikan secara nyata bagaimana fenomena elektromagnetisme mampu menciptakan gerakan fisik.
Berdasarkan paparan di atas, proyek pembuatan prototipe rangkaian solenoid engine ini menjadi sangat relevan untuk dilakukan. Proyek ini bukan sekadar tentang merancang alat, melainkan sebagai sarana pembelajaran langsung (hands-on lesson) untuk mengenal konsep kelistrikan, elektromagnetisme, dan mekanika secara bersamaan.
Melalui perancangan dan realisasi prototipe ini, diharapkan dapat tercipta sebuah alat peraga yang sederhana, terjangkau, dan menarik untuk eksperimen. Dengan demikian, pemahaman mengenai bagaimana energi listrik dikonversi menjadi gerakan mekanik dapat dipahami secara lebih mendalam melalui praktik nyata, bukan hanya sekadar teori di atas kertas.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka rumusan masalah dalam penyusunan proyek ini adalah:
- Bagaimana merancang dan membuat prototipe solenoid engine sederhana yang mampu beroperasi menggunakan prinsip hukum fisika?
- Bagaimana mekanisme penerapan gaya elektromagnetik pada kumparan (solenoida) untuk menghasilkan gerak linear pada piston?
- Bagaimana sistem mekanik crankshaft dan flywheel mengubah gerak linear dari solenoid menjadi gerak rotasi (berputar) yang kontinu?
1.3 Tujuan
Tujuan dari pelaksanaan proyek dan penyusunan laporan ini adalah:
- Untuk merealisasikan rancangan bangun solenoid engine sederhana sebagai bentuk aplikasi nyata dari teori rangkaian listrik.
- Untuk mendemonstrasikan secara langsung bagaimana induksi elektromagnetik dapat dikonversi menjadi energi mekanik.
- Untuk memahami dan menganalisis proses perubahan gerak linear menjadi gerak rotasi melalui komponen mekanik crankshaft dan flywheel.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Dasar Teori
1. Medan Magnet (Prinsip Oersted)
Salah satu komponen dasar yang diterapkan pada kerja solenoida dalam mobil mainan adalah prinsip medan magnet. Seperti yang diketahui, medan magnet adalah wilayah yang terbentuk di sekitar magnet. Salah satu ilmuwan yang memiliki kontribusi dalam memperkenalkan pengertian mengenai medan magnet adalah Hans Christian Oersted.
Dalam penelitiannya, Oersted mengamati bahwa jarum kompas mengalami pembelokkan saat berada di dekat kawat yang telah dialiri oleh arus listrik. Kawat yang telah dialiri arus listrik tersebutlah yang kemudian menciptakan medan magnet disekitar kawat.
Pengamatan Oersted membuahkan hasil berupa sebuah prinsip yang menyatakan bahwa antara arus listrik dan medan magnet memiliki suatu hubungan. Oersted menemukan bahwa, di sekitar arus listrik, terdapat medan magnet yang mempengaruhi posisi dari jarum kompas yang diamati.
Besar medan magnet yang timbul di sekitar kawat yang dialiri oleh arus listrik dipengaruhi oleh besarnya kuat arus listrik. Semakin kuat arus listrik yang digunakan maka medan magnet yang terbentuk juga semakin besar.
2. Induksi Elektromagnetik
Induksi Elektromagnetik dikenal sebagai peristiwa munculnya arus listrik yang disebabkan oleh adanya perubahan fluks magnetik. Fluks magnetik merupakan jumlah garis khayal yang terbentuk pada magnet yang mampu menembus suatu bidang.
Fluks magnet juga diketahui sebagai perubahan yang terjadi pada medan magnet. Dalam peristiwa induksi elektromagnetik, muncul arus listrik yang mengalir ke suatu benda melalui medan magnet. Induksi elektromagnetik merupakan proses yang muncul saat konduktor diletakkan di suatu medan magnet yang bergerak.
Pada perubahan fluks magnetik menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) induksi yang menyebabkan beda potensial dan arus listrik. Beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya gaya gerak listrik (GGL) adalah:
(1) Kecepatan perubahan medan magnet, yang dimana perubahan medan magnet yang cepat mendukung munculnya induksi yang semakin besar,
(2) Banyaknya lilitan, semakin banyak lilitan maka munculnya gaya gerak listrik juga semakin besar,
(3) Kekuatan magnet, mempengaruhi besarnya medan magnet yang timbul.
3. Gaya Lorentz
Gaya Lorentz adalah gaya yang dialami oleh benda yang menghantarkan arus listrik yang berada dalam medan magnet. Besar gaya Lorentz sebanding dengan kuat arus listrik, sebanding dengan kuat medan magnetik, dan sebanding dengan panjang penghantar.
Persamaan yang digunakan untuk menentukan besar gaya Lorentz yang terjadi pada kawat berarus dalam medan magnet adalah:
Keterangan :
F = Gaya Lorentz (N)
B = Induksi Magnet (T)
I = Arus Listrik (A)
L = Panjang Kawat (m)
4. Hukum Ampere
Hukum Ampere adalah salah satu hukum yang berpengaruh pada kerja solenoida. Hukum ini menjelaskan hubungan antara kuat arus listrik (I) dengan medan magnet yang terbentuk di sekitar kumparan. Medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor sebanding dengan kuat arus yang dialirkan.
5. Hukum Faraday
Hukum Faraday menyatakan bahwa perubahan yang terjadi pada medan magnet menghasilkan arus listrik induksi. Perubahan fluks magnetik ( jumlah total garis medan magnet yang menembus permukaan tertentu) menyebabkan munculnya gaya gerak listrik (GGL). Besar GGL yang timbul adalah sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik. Persamaan yang digunakan dalam hukum Faraday untuk menentukan besar GGL induksi adalah :
Keterangan:
𝜖 = GGL Induksi (Volt)
N = Jumlah lilitan kumparan
ΔΦ = Perubahan fluks magnetik (Weber)
Δt = Perubahan waktu (s)
6. Solenoida
Solenoida merupakan kawat yang bersifat sebagai konduktor yang disusun membentuk lilitan (loop) sehingga dapat digunakan untuk mengalirkan arus listrik. Kuat medan magnet di dalam solenoida (tepatnya pada sumbu) lebih besar dibanding kuat medan magnet pada luar solenoida.
Kuat medan magnet di dalam solenoida dapat dihitung menggunakan Hukum Ampere yang berprinsip bahwa medan magnet di dalam solenoida berbanding lurus dengan kuat arus aliran listrik dan jumlah lilitan. Untuk menentukan besar medan magnet pada solenoida di pusatnya digunakan rumus:
Keterangan:
B = Kuat medan magnet (T)
𝜇0= Permeabilitas hampa (4π x 10-7 T.m/A)
N = Jumlah lilitan
I = Kuat arus listrik (A)
L = Panjang solenoida (m)
n = Jumlah lilitan per satuan panjang (/m)
2.2 Alat dan Bahan
1. Alat
- Lem tembak
- Tang
- Solder listrik
- Gunting
- Multitester
2. Bahan
- Dua baterai 9 volt
- Empat baterai 3,7 volt
- Satu meter kabel kawat tembaga tunggal 1,5mm
- Satu meter kabel kawat tembaga tunggal 2,5mm
- Kawat enamel tembaga 0,15mm
- Satu saklar kotak
- Dua magnet neodymium
- Kabel serabut secukupnya
- Kardus secukupnya
2.3 Prosedur Kerja
- Pembentuk koil (kumparan) disiapkan, misalnya dengan menggunakan badan suntikan bekas yang bagian ujungnya telah dipotong agar berlubang.
- Kawat tembaga dililitkan pada pembentuk koil tersebut secara seragam dan rapat dari satu ujung ke ujung lainnya.
- Jumlah lilitan dipastikan mencapai kisaran >1000 putaran untuk menghasilkan medan magnet yang cukup kuat saat dialiri arus.
- Kawat pada kedua ujung kumparan disisakan beberapa sentimeter sebagai terminal koneksi.
- Lapisan enamel (isolator) pada ujung-ujung kawat dikikis atau dibakar hingga tembaga murni terlihat agar arus listrik dapat mengalir dengan sempurna.
- Poros engkol (crankshaft) dibentuk menggunakan kawat tunggal 2,5mm , dengan tekukan yang dibuat presisi agar putaran lancar dan minim getaran.
- Bagian piston dirakit dengan memasang inti magnet (atau baut besi) pada salah satu ujung batang penghubung.
- Ujung batang penghubung yang lain disambungkan ke bagian tekukan poros engkol.
- Penopang poros engkol dipasang pada papan dasar (baseboard) dengan posisi yang dipastikan sejajar dan kokoh.
- Koil solenoid dipasang pada papan dasar dan diposisikan agar sejajar lurus dengan jalur gerak maju-mundur piston.
- Poros engkol diletakkan pada penopangnya, kemudian roda gila (flywheel) dipasang di salah satu ujung poros dan dikencangkan.
- Sistem saklar pemutus arus (make and break) dibuat dengan memodifikasi langsung poros engkol (crankshaft).
- Sebagian permukaan kawat poros engkol dilapisi dengan bahan isolator (seperti selotip listrik atau cat) untuk memutus aliran listrik pada sudut putaran tertentu.
- Sebuah kawat kontak tunggal dipasang sedemikian rupa agar terus bergesekan dengan poros engkol, sehingga arus listrik hanya mengalir saat kawat menyentuh bagian poros yang tidak terisolasi (logam terbuka).
- Waktu (timing) kontak diatur agar sirkuit terhubung (arus mengalir) hanya ketika piston berada di posisi terjauh dari solenoid, sehingga tarikan magnet terjadi pada momen paling efektif.
- Salah satu terminal sumber daya (misalnya kutub positif) dihubungkan ke ujung pertama koil solenoid.
- Ujung kedua koil solenoid dihubungkan ke salah satu sisi kontak komutator.
- Sisi kontak komutator yang tersisa dihubungkan ke terminal sumber daya lainnya (misalnya kutub negatif) untuk melengkapi rangkaian seri.
- Seluruh sambungan kabel diperiksa kembali dan dipastikan terisolasi dengan baik untuk mencegah korsleting.
- Uji coba dilakukan dengan hati-hati, dengan tetap mewaspadai potensi panas pada kawat solenoid selama mesin beroperasi.
2.4 Cara Kerja Solenoida
Untuk melihat cara kerja solenoida pada mainan mobil-mobilan, dibuat sebuah prototype untuk memvisualisasikan dan mempermudah mengamati prinsip yang digunakan pada kerja solenoida.
Berdasarkan prototype yang telah dirancang, sumber arus listrik berasal dari 2 buah baterai bertegangan 9 volt dan 4 buah baterai bertegangan 3,7 volt yang disusun secara seri menghasilkan tegangan total sebesar 32,8 Volt . Dengan hambatan (R) sebesar 67Ω, dengan menggunakan rumus I = V/R, maka dapat ditemukkan kuat arus listriknya (I) sebesar 0,49 Ampere.
Melalui switch ON/OFF yang dihubungkan dari rangkaian baterai dengan kumparan berupa kawat tembaga yang dililitkan pada tabung, maka arus listrik dapat mengalir jika saklar dinyalakan. Pada saat arus listrik dialirkan dan bergerak di sepanjang konduktor berupa lilitan kawat, maka pada tahap ini berlaku hukum Ampere dan gaya Lorentz.
Arus listrik sebesar 0,49 Ampere dari baterai mengalir melalui kumparan kawat solenoida dan menciptakan medan magnet sesuai dengan bunyi dari Hukum Ampere. Besar medan magnet yang tercipta akan sebanding dengan jumlah lilitan pada kumparan solenoida.
Arus listrik yang berinteraksi dengan lilitan kawat dapat menghasilkan medan magnet karena pengaruh dari gaya Lorentz yang terjadi secara mikroskopis. Gaya Lorentz bekerja sebagai gaya yang dialami oleh kawat saat arus listrik dengan elektron I bergerak mengikuti bentuk spiral dari lilitan kawat.
Dengan dilewatinya elektron pada setiap lilitan kawat, maka setiap segmen akan timbul medan magnet kecil. Karena jumlah lilitan yang digunakan adalah banyak dan bertumpuk, maka medan magnet kecil yang terbentuk pada setiap lilitan akan menumpuk dan menjadikan medan magnet yang lebih kuat dan besar, sesuai dengan bunyi hukum Ampere yang menyatakan bahwa semakin banyak jumlah lilitan maka medan magnet yang tercipta akan semakin besar dan kuat.
Semakin lama, aliran arus listrik yang bergerak melalui lilitan akan semakin cepat, karena arus listrik bergerak dari I0 (kuat arus awal) menuju Imax (kuat arus maksimal). Ketika aliran arus listrik mengalami pertambahan kecepatan, maka terjadi perubahan yang cepat juga pada medan magnet.
Pada tahap ini, hukum Faraday mulai berlaku dan berperan sebagai pemicu induksi elektromagnetik menjadi gaya gerak listrik (GGL). Pada saat kecepatan arus listrik sudah mencapai kondisi stabil, maka medan magnet yang terbentuk juga akan berada dalam kondisi stabil dan tidak akan mengalami pertambahan kekuatan lagi.
Energi potensial timbul dan tersimpan pada medan magnet kumparan ketika arus listrik dialirkan. Medan magnet yang terbentuk memiliki 2 kutub yaitu kutub S dan kutub N seperti magnet berbentuk batang.
Kutub N pada medan magnet bertemu dengan kutub N pada magnet yang berada pada batang piston. Karena kedua kutub yang bertemu antara medan magnet dengan magnet pada piston adalah satu jenis kutub yang sama, maka akan terjadi gaya tolak-menolak antar kutub yang menghasilkan gaya dorong maju pada lengan piston.
Hal ini menggambarkan bahwa, energi potensial yang tersimpan pada medan magnet dilepas saat mengalami tolak-menolak dengan magnet piston, sehingga menciptakan energi kinetik linear pada piston. Gerak dorong pada piston menggerakan batang crankshaft dan menghasilkan gerakan putar (rotasi) sebesar 3600 yang membuat flywheel bergerak (energi kinetik rotasi).
Dalam kerja solenoida, terjadi perubahan gerak dari gerak linear menjadi gerak rotasi oleh crankshaft yang berfungsi sebagai katrol sederhana. Saat arus listrik dialirkan melalui kumparan solenoida maka akan menghasilkan medan magnet berkutub.
Kutub N pada medan magnet akan bertemu dengan kutub N pada magnet piston menghasilkan gaya tolakan yang berfungsi untuk mendorong maju piston. Gaya lorentz juga berlaku untuk memberi gaya dorong linear pada piston.
Bagian ujung piston yang terhubung dengan crankshaft akan menekan crankshaft untuk bergerak maju searah jarum jam. Hal ini lah yang menjadi gaya yang memicu rotasi awal pada poros roda yang terhubung dengan crankshaft.
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan
1. Rancangan Solenoid Engine
Rancangan solenoid engine berhasil direalisasikan dan berhasil untuk dijalankan dan bekerja sesuai prinsip fisika yang menjadi dasar dari cara kerjanya, meskipun terdapat beberapa kesulitan selama proses pembuatan.
2. Realisasi Prototype Solenoid Engine
Melalui realisasi prototype solenoid engine, diketahui bahwa induksi magnetik dapat dikonversi menjadi energi mekanik melalui serangkaian alur. Energi potensial pada solenoida terbentuk dari arus listrik yang mengalir sepanjang kumparan dan tersimpan pada medan magnet yang terbentuk.
Energi potensial dilepas saat kutub medan magnet dan magnet piston mengalami gaya tolakan dan menciptakan energi kinetik berupa gaya dorong pada piston. Gaya dorong menggerakan crankshaft yang tersambung dengan flywheel, menciptakan perputaran pada flywheel sebagai hasil dari energi mekanik pada solenoid engine.
3. Perubahan Gerak Linear
Perubahan gerak linear menjadi gerak rotasi terjadi saat gaya dorong pada piston menggerakan crankshaft yang tersambung dengan flywheel dan menciptakan gerak rotasi.
Penulis:
- Dewa Ayu Made Ardelly Pravitta (2508521002)
- I Made Ari Daniswara Wijaya (2508521004)
- Jessica Lucia Lumban Tobing (2508521010)
Mahasiswa Fisika, Universitas Udayana
Dosen Pengampu: Eirenne Pridari Sinsya Dewi, S.S., M.Ed.
Referensi
Ariyani, N., Sudrajat, H., Zulirfan, Sisyanto, R., Hernelis, R. (2019) The Development of Circular Wire Magnetic Induction Experiment Device as Physics Learning Media. Jurnal Geliga Sains. Vol 7 (1) 55-63.
Dahlan, E. A. (2017) Elektromagnetika, Analisis Vektor, dan Elektrostatika. Malang: Universitas Brawijaya Press (UB Press).
Fitrian, A., Noor, I., Jahrudin, A. (2023) Rancang Bangun Alat Peraga Gaya Lorentz. Journal of Physics Education. Vol 5 (1).
Harefa, A.E., Humendru, C.J. (2024) Kajian Medan Magnet dan Pemanfaatannya dalam Fisika Dasar. Jurnal Ilmu Ekonomi, Pendidikan, dan Teknik. Vol 1 (31).
Jati, B. M. E., Priyambodo, T. K. (2010) Fisika Dasar : Listrik-Magnet, Optika, Fisika Modern. Yogyakarta : C. V ANDI OFFSET (Penerbit ANDI).
Jhoni, M., Selvianna, O., Juniah, Damayanti, S. (2024) Menganalisis Gaya Lorentz dalam Sistem Listrik dan Magnetik. Journal of Islamic Education Studies. Vol 4 (1) 302-306.
Kustija, J., Mulyanti, B., Hasanah, L. (2019) Medan Elektromagnetik : Teori dan Aplikasinya. Bandung : PT Refika Aditama
Maghfiroh, A., Darsono, T. (2023) Pengembangan Perangkat Praktikum GGL Induksi Elektromagnetik Berbasis Discovery Learning Berbantuan Visual Analyser. Unnes Physics Education Journal. Vol 12 (2) 39-40
Editor: Salwa Alifah Yusrina
Bahasa: Rahmat Al Kafi
⚡ Baca Lebih Cepat Artikel MMI di Ponsel Anda!
Ikuti Channel WhatsApp
Media Mahasiswa Indonesia (MMI):
KLIK DI SINI
