Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

69Dari Pembangkit Listrik ke Rumah: Alternator

Kilowatt-jam senilai setahun telah mengalir menembus pemeriksaanmu — tetapi dari mana? Ikutilah kabelnya keluar dari rumahnya, di bawah jalannya, menyeberangi menara sutetnya, dan ia berakhir pada sebuah mesin yang berputar di sebuah aula yang besar: alternatornya. Rahasianya adalah kejutan yang terindah di dalam kelistrikan buku ini: penemuan arus-membuat-kemagnetan tahun lalu, yang dijalankan terbalik.

69.1 Induksi: efeknya dibalik

Proposisi 69.1 (Induksi elektromagnetik)

Gerakkan sebuah magnet dekat sebuah rangkaian tertutup — atau gerakkan rangkaiannya dekat magnetnya — dan selagi geraknya berlangsung, sebuah tegangan muncul lalu menggerakkan sebuah arus: listrik yang diinduksikan oleh kemagnetan yang berubah. Aturannya, dari mejanya:

hanya perubahan yang menginduksikan: magnet yang diam di samping gulungannya, tidak ada apa-apa — sekuat apa pun magnetnya;
gerak yang lebih cepat, magnet yang lebih kuat, lilitan gulungan yang lebih banyak: tegangan induksi yang lebih besar;
baliklah geraknya, terbaliklah arus induksinya — mendekat dan menjauh menggerakkan arak-arakan yang berlawanan.

Tahun lalu sebuah arus membuat kemagnetan; tahun ini kemagnetan yang bergerak membuat sebuah arus. Kedua efeknya adalah satu keping mata uang, yang dibaca dari kedua wajahnya — dan wajah yang kedua menenagai peradaban.

Metode 69.2 (Induksi di atas meja)

Sebuah gulungan berlilitan banyak, sebatang magnet, dan sebuah alat ukur peka yang bernol di tengah:

hubungkan alatnya melintang pada gulungannya; peganglah magnetnya diam di dalamnya: jarumnya tidur pada nol — kekuatan saja tidak menginduksikan apa pun;
sodokkan magnetnya masuk: jarumnya menendang ke satu arah — lalu kembali ke nol pada saat geraknya berhenti;
tariklah ia keluar: tendangan yang sama, ke arah yang lain;
sodokkan lebih cepat: tendangan yang lebih besar. Goyangkan magnetnya masuk dan keluar dengan berirama, dan jarumnya berayun ke kiri, ke kanan, ke kiri — kamu sedang memutar arus bolak-balik dengan tangan.

Induksi di atas meja: hanya magnet yang bergerak yang membangunkan gulungannya — dan tendangan jarumnya terbalik bersama geraknya. — Induksi di atas meja: hanya magnet yang *bergerak* yang membangunkan gulungannya — dan tendangan jarumnya terbalik bersama geraknya.

69.2 Alternatornya

Definisi 69.3 (Alternator)

Sebuah alternator adalah induksi yang dibuat tak kenal lelah: sebuah magnet yang diputar mantap di samping sebuah gulungan yang terpancang (atau sebuah gulungan yang diputar di dalam medan magnet). Tiap setengah putaran membawa sebuah kutub ke arah gulungannya, lalu membawanya menjauh — perubahan, yang diperbarui tanpa henti — sehingga tegangan induksinya berayun positif, negatif, positif: bolak-balik, menurut bangunannya, yang menggariskan persis sinusoid yang mulus pada bab osiloskopnya. Berputarlah lima puluh putaran tiap sekon dan keluarannya berbolak-balik pada $50\,\mathrm{Hz}$ : frekuensi jaringannya adalah sebuah kelajuan putaran, yang dijaga selangkah oleh setiap pembangkit di jaringannya.

Contoh 69.4 (Dinamo di atas rodamu)

Dinamo sepeda adalah alternator sebesar saku: rodanya memutar sebuah magnet kecil di dalam sebuah gulungan yang terpancang, dan lampunya pun menyala — lebih terang dan berfrekuensi lebih tinggi selagi kamu mengayuh lebih keras, tepat sebagaimana dijanjikan aturan mejanya (dan berkedip pada kayuhan yang merangkak, sebagaimana diamati bab bolak-baliknya). Harganya jujur pula: dinamonya menyeret — menyalakan lampunya menuntut upaya yang sungguhan dari kakimu. Induksi tidak memberi energi; ia mengubah gerak menjadi listrik, joule demi joule, dikurangi pajak gesekannya.

Sebuah pembangkit listrik tenaga air: air yang terangkat menyerbu turun, memutar turbinnya, dan alternatornya mengirimkan energinya pergi di sepanjang kawatnya.

69.3 Setiap pembangkit listrik adalah satu mesin

Proposisi 69.5 (Inti yang sama)

Boleh dikatakan seluruh listrik dunia, apa pun iklannya, dibuat dengan cara yang sama: sesuatu memutar sebuah turbin — sebuah kincir angin bersudu yang kekar — dan turbinnya memutar sebuah alternator. Pembangkit listrik hanya berbeda dalam hal apa yang mendorong sudunya:

pembangkit termal mendidihkan air dengan batu bara atau gas yang terbakar — semburan uapnya menggerakkan turbinnya;
pembangkit nuklir justru mendidihkan airnya dengan kalor dari pembelahan atom — uap lagi;
bendungan listrik tenaga air membiarkan sebuah danau gunung jatuh menembus sudunya — rantai bendungan masa kecilnya, yang dilengkapi;
turbin angin melewatkan perantaranya: anginlah dorongan sudunya, dengan sebuah alternator di dalam tiap rumah mesinnya.

Satu kekecualian membuktikan aturannya: panel surya membuat listrik sama sekali tanpa putaran — lewat sebuah efek cahaya yang menjadi milik tahun-tahun perguruan tinggi.

Setiap pembangkit, satu rantai: sesuatu memutar turbinnya, turbinnya memutar alternatornya, dan induksi melakukan sisanya. Hanya kotak pertamanya yang berbeda dari pembangkit ke pembangkit.

Contoh 69.6 (Rantainya, diperiksa)

Tuliskan tiap pembangkitnya sebagai rantai energi masa kecilnya, kini dengan kosakata yang profesional. Bendungannya: simpanan tinggi $\to$ gerak air yang jatuh $\to$ putaran $\to$ listrik — Matahari, ingatlah, yang mengangkat danau itu lewat penguapan: tenaga air adalah sinar matahari yang ditangguhkan sebagai hujan. Pembangkit batu baranya: simpanan kimia $\to$ kalor $\to$ gerak uapnya $\to$ putaran $\to$ listrik — dengan kehangatan yang bocor pada setiap anak panahnya, sebagaimana diakui bulu asap menara pendinginnya. Angin: udara yang bergerak (yang diaduk Matahari) langsung menjadi putaran. Sumber yang diisi ulang alam — air, angin, cahaya matahari — disebut terbarukan; simpanan yang dibakar dan yang dibelah habis untuk selamanya menurut skala waktu manusia.

Catatan 69.7 (Mengapa menara sutetnya berdengung pada 400000 volt)

Janji terakhir bab bolak-baliknya jatuh tempo. Sebuah kota memerlukan, misalnya, seratus juta watt. Menurut $P = U I$ , daya itu dapat bepergian sebagai arus yang raksasa pada tegangan yang sederhana — atau arus yang sederhana pada tegangan yang raksasa. Tetapi kawat memanas menurut arusnya (efek panas yang lama itu), dan setiap derajat pemanasan menara sutetnya adalah energi berbayar yang hilang kepada burung gagak. Karena itu jaringannya mengangkut pada tegangan yang mendebarkan — ratusan ribu volt, arus yang mungil, kehilangan yang paling kecil — lalu menurunkan tegangannya, lingkungan demi lingkungan, sampai ke $230\,\mathrm{V}$ yang jinak di dindingmu. Mesin penurunnya, yaitu trafo, adalah dua gulungan dan induksi sekali lagi — dan ia bekerja hanya pada arus yang berbolak-balik: seluruh jaringannya berbicara AC karena trafonya berbicara AC.

69.4 Latihan

Latihan 69.1 ★

Nyatakan ketiga aturan meja induksinya. Apa yang diinduksikan sebuah magnet yang kuat ketika diam?

Solusi

Solusi Latihan 69.1.

Hanya perubahan yang menginduksikan; gerak yang lebih cepat, magnet yang lebih kuat, dan lilitan yang lebih banyak memberi tegangan yang lebih besar; gerak yang terbalik membalik arusnya. Sebuah magnet yang diam, sekuat apa pun, sama sekali tidak menginduksikan apa-apa.

Latihan 69.2 ★

Mengapa keluaran sebuah alternator berbolak-balik? Ikatkan perubahan tandanya pada putarannya.

Solusi

Solusi Latihan 69.2.

Tiap setengah putaran rotornya membawa sebuah kutub ke arah gulungannya (menginduksikan ke satu arah), lalu membawanya pergi (menginduksikan ke arah yang lain): tegangannya harus berayun berganti tanda pada tiap setengah putarannya — bolak-baliknya terbangun di dalam putarannya.

Latihan 69.3 ★

Pada kelajuan putaran berapa sebuah alternator memberi makan jaringan $50\,\mathrm{Hz}$ ? Karena itu apa yang harus disepakati setiap pembangkit di jaringannya?

Solusi

Solusi Latihan 69.3.

Lima puluh putaran tiap sekon (untuk mesin sederhana berkutub dua). Setiap pembangkit harus menjaga irama putaran yang persis sama — seluruh jaringannya berputar selangkah, berbagi satu frekuensi.

Latihan 69.4 ★

Sebutkan kedua kotak yang semesta pada setiap pembangkit listrik, dan satu kotak yang berubah di antara batu bara, atom, bendungan, dan angin.

Solusi

Solusi Latihan 69.4.

Turbinnya dan alternatornya. Hanya pendorong sudunya yang berubah: uap nyala apinya, uap atomnya, danau yang jatuh, atau anginnya.

Latihan 69.5 ★

Tuliskan rantai tenaga airnya dari danau gunung sampai ke lampumu — lalu sebutkan mesin langit yang mengisi danaunya.

Solusi

Solusi Latihan 69.5.

Tinggi yang tersimpan di danaunya $\to$ gerak air yang jatuh $\to$ putaran turbinnya $\to$ listrik alternatornya $\to$ trafo dan jaringannya $\to$ lampunya. Matahari yang mengisi danaunya: penguapan mengangkat lautnya, hujan mengantarkannya ke pegunungannya.

Latihan 69.6 ★

Mengapa mengayuh menjadi lebih berat pada saat lampu dinamonya menyala? Asas yang mana yang melarangnya menjadi lain daripada itu?

Solusi

Solusi Latihan 69.6.

Energi lampunya harus datang dari suatu tempat, dan satu-satunya simpanan di atas sebuah sepeda adalah pengendaranya: dinamonya mengubah kerja kaki menjadi cahaya, sehingga joule lampunya muncul sebagai seretan tambahan. Energi diubah, tidak pernah disulap — hukum tertua pada pelajaran ini.

Latihan 69.7 ★

Pilahlah menjadi terbarukan dan bukan: angin; batu bara; danau bendungannya; uranium; cahaya matahari. Apa yang menentukan pemilahannya?

Solusi

Solusi Latihan 69.7.

Terbarukan: angin, danaunya (hujan mengisinya ulang), cahaya matahari. Bukan: batu bara, uranium — habis selamanya menurut skala waktu manusia. Pemilahannya bertanya: apakah alam mengisi ulang simpanannya selagi kita mengurasnya?

Latihan 69.8 ★

Mengapa jaringannya mengirimkan dayanya pada ratusan ribu volt? Sebutkan rumus yang menawarkan pilihannya dan efek yang memutuskannya.

Solusi

Solusi Latihan 69.8.

Rumus $P = U I$ membiarkan satu daya bepergian sebagai tegangan tinggi dengan arus yang kecil; efek panasnya membuat kehilangan pada kawatnya bertumbuh menurut arusnya. Arus yang kecil, kawat yang sejuk, energi yang terhemat — sehingga jaringannya mengirim tinggi lalu menurunkan tegangannya di depan pintunya.

Latihan 69.9 ★★

Sebuah alternator peraga yang diputar tangan dengan lambat menyalakan lampunya samar dengan kedipan yang terlihat; kalau diputar cepat, terang dan mantap. Jelaskan kedua perubahannya dengan aturan mejanya dan bab frekuensinya.

Solusi

Solusi Latihan 69.9.

Putaran yang lambat: tegangan induksi yang kecil (aturan dua) — lampu yang samar — pada beberapa daur tiap sekon: kedipan yang terlihat, di bawah laju peleburan matanya. Putaran yang cepat: tegangan yang lebih besar — terang — dan frekuensi yang dilebur matanya menjadi mulus. Dua tombol, satu putaran tangan.

Latihan 69.10 ★★

Sebuah pembangkit mengantarkan $1 \times 10^{8}\,\mathrm{W}$ . Bandingkan arus yang diperlukan pada $230\,\mathrm{V}$ dan pada $400\,000\,\mathrm{V}$ (dalam notasi ilmiah). Yang mana yang dapat dibawa kabel yang sesungguhnya?

Solusi

Solusi Latihan 69.10.

Pada $230\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 230 \approx 4.3 \times 10^{5}\,\mathrm{A}$ — empat ratus ribu ampere: tidak ada kabel di Bumi. Pada $400\,000\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 4 \times 10^{5} = 250\,\mathrm{A}$ — kabel transmisi yang biasa. Perkara trafonya, ditutup.

Latihan 69.11 ★★

Pembangkit termal dan nuklir pada dasarnya adalah cerek yang rumit. Belalah semboyan ini dengan rantainya — lalu tentukan satu mata rantai tempat keduanya berbeda.

Solusi

Solusi Latihan 69.11.

Kedua rantainya terbaca: simpanan $\to$ kalor $\to$ air yang mendidih $\to$ gerak uapnya $\to$ putaran $\to$ listrik — cerek yang rumit yang memberi makan turbin. Rantainya berbeda tepat pada satu mata rantai: apa yang membuat kalornya — kimia batu bara yang terbakar, atau pembelahan inti uraniumnya.

Latihan 69.12 ★★★

Perjalanan besarnya, dijalankan terbalik: malam ini lampumu menyala pada $230\,\mathrm{V}$ . Telusurilah energinya ke hulu menembus setiap kotak — trafo, menara sutet, alternator, turbin, dan satu simpanan primer pilihanmu — sambil menyebut bentuk energinya pada tiap tahapnya dan kebocorannya di sepanjang jalan. Lalu jawablah pertanyaan masa kecilnya dengan kalimat kelas sembilan: dari mana pada akhirnya cahaya di dalam kamarmu datang?

Solusi

Solusi Latihan 69.12.

Ke hulu: $230\,\mathrm{V}$ di dindingnya datang lewat trafo lingkungannya (tegangan yang diturunkan), di sepanjang menara sutet pada ratusan kilovolt (bentuk pengangkutannya: AC bertegangan tinggi, yang bocor sedikit kehangatan), dari sebuah alternator (putaran menjadi listrik, lewat induksi), yang diputar sebuah turbin (gerak uap atau air), yang diberi makan sebuah simpanan — misalnya danau bendungannya yang terangkat, yang diangkat penguapan Matahari. Maka kalimat kelas sembilannya: cahaya di dalam kamarmu adalah sinar matahari — tersimpan, jatuh, terputar, lalu terkirim.

69.5 Soal: Giliran Jaga Malam di Pembangkitnya

Soal 69.1

Soal akhir pekan — giliran jaga malam di pembangkit listrik tenaga air; induksi, selangkah, dan badainya; buku harian sang insinyur

Kamu membuntuti insinyur malam di bendungan lembahnya — danau di atas, kota di bawah, dan alternator yang berdengung di antaranya.

Bagian I — Aula mesinnya.

Insinyurnya membuka sebuah pintu air: airnya menggelegar menembus turbin tiga, dan alat ukur alternatornya pun bangun. Tuliskan rantai energinya dari danau ke rel dayanya.
Di dalam alternatornya, apa yang bergerak dan apa yang tetap diam — lalu mengapa sesuatu harus bergerak sama sekali?
Jaringannya berjalan pada $50\,\mathrm{Hz}$ . Insinyurnya memperhatikan sebuah papan ukur yang menjaga turbin tiga tepat pada putaran yang berpadanan. Apa yang salah pada kelajuan yang keliru? (Apa yang akan dilakukan frekuensi tegangannya?)
Seorang murid magang bertanya apakah magnet yang lebih kuat di dalam rotornya akan memberi daya tambahan yang “cuma-cuma”. Betulkan mimpinya dengan harga jujur milik dinamonya.

Bagian II — Permintaan kotanya.

Pada pukul 03:00 kotanya menarik $2 \times 10^{7}\,\mathrm{W}$ . Pada $200\,000\,\mathrm{V}$ milik jalur pengangkutannya, arus berapa yang meninggalkan pembangkitnya?
Daya yang sama pada $230\,\mathrm{V}$ akan memerlukan arus berapa — dan apa yang dikatakan perbandingannya tentang tugas trafonya?
Pada pukul 07:00, cerek dan pemanasnya bangun: permintaannya menggandakan diri. Insinyurnya harus memberi turbinnya lebih banyak apa, dan apa yang akan terjadi pada frekuensi jaringannya kalau ia memberi terlalu sedikit? (Mesinnya melambat di bawah beban, seperti pengendara sepeda di sebuah bukit.)
Pembangkit saudaranya — sebuah ladang angin di punggung bukit — berhenti ikut ketika anginnya mati. Kotak yang mana pada rantainya yang gagal, dan kotak yang mana yang berdiri sepenuhnya sehat?

Bagian III — Badainya.

Petir memutus sebuah jalur pengangkutan; pemutus arusnya menjeplak. Insinyurnya mengalihkan dayanya lewat jalur tetangganya. Sifat jaringan yang mana — satu jaringan paralel yang besar — yang membuat pengalihannya mungkin?
Selama kesibukannya, lampu sebuah gudang meredup kecokelatan selama semenit. Tafsirkanlah: apa yang melorot, dan motor serta lampu gudangnya sejenak kekurangan apa?
Fajar: buku hariannya harus menjelaskan kepada para murid magang mengapa listrik sepanjang malam itu, pada asalnya, berupa sinar matahari. Rancanglah penjelasan dua barisnya (danau, penguapan, hujan).
Baris terakhir buku hariannya, menurut kebiasaannya: fisika malam itu dalam satu kalimat — dengan gerak, kemagnetan, dan cerek pagi kotanya di dalamnya.

Solusi

Solusi Soal 69.1.

1. Tinggi danaunya $\to$ gerak air yang menyerbu $\to$ putaran turbinnya $\to$ tegangan bolak-balik yang diinduksikan alternatornya $\to$ rel daya pembangkitnya. 2. Magnet rotornya berputar; gulungannya berdiri terpancang. Tanpa gerak, tidak ada perubahan kemagnetan menembus gulungannya — dan tanpa perubahan, induksi sama sekali tidak memberi apa-apa. 3. Frekuensi tegangannya menyalin putarannya: kelajuan yang keliru, frekuensi yang keliru — dan sebuah mesin yang tidak selangkah dengan $50\,\mathrm{Hz}$ jaringannya melawan setiap alternator lain di jaringannya alih-alih menolong mereka. 4. Magnet rotor yang lebih kuat memang menginduksikan lebih banyak — dan turbinnya langsung bekerja lebih keras untuk menjaganya tetap berputar melawan seretan magnet yang lebih kaku: listrik yang lebih banyak keluar menuntut air yang lebih banyak masuk, joule demi joule. Danaunya, bukan magnetnya, yang membayar. 5. $I = 2 \times 10^{7} \div 2 \times 10^{5} = 100\,\mathrm{A}$ . 6. $I = 2 \times 10^{7} \div 230 \approx 8.7 \times 10^{4}\,\mathrm{A}$ — delapan puluh tujuh ribu ampere: kabel yang mustahil. Tugas trafonya justru pertukaran ini — tegangan naik, arus turun, dayanya tak berubah. 7. Air yang lebih banyak menembus pintu airnya. Kalau kurang makan, mesin yang berbeban melambat seperti pengendara sepeda di sebuah bukit — dan frekuensi jaringannya melorot di bawah lima puluh: jam dan mesin jaringannya semua merasakan jaringan yang lapar. 8. Hanya kotak yang pertama — yaitu anginnya, dorongan sudunya. Turbin, alternator, dan trafonya berdiri sempurna sehat, hanya terhenti karena tidak berangin. 9. Jaringannya adalah satu jaringan paralel yang besar: banyak jalan menghubungkan setiap pembangkit ke setiap kota, sehingga jatah sebuah jalur yang terputus dapat mengalir lewat cabang yang selamat — kemandirian paralel, pada skala kebangsaan. 10. Jalur yang dialihkan dan kelebihan beban itu membiarkan tegangan yang diantarkan melorot di bawah nominalnya selama semenit: lampu gudangnya meredup dan motornya berputar dengan malas — kurang makan, sebagaimana harus dialami alat mana pun di bawah tegangan nominalnya. 11. “Setiap watt malam ini datang dari air danau yang jatuh; Matahari menguapkan lautnya dan hujan membawanya ke pegunungan kita. Kami memutar sinar matahari di sini — yang tersimpan di dalam sebuah danau, lewat jalan langit.” 12. Misalnya: “Gerak yang melewati magnet membuat setiap volt malam itu — dan pada pukul tujuh, sepuluh ribu cerek meminta danaunya jatuh sedikit lebih cepat.”

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Alternator

Lihat semua 393 istilah di glosarium