Mekanisme Dan Cara Kerja Magnetic Levitation PDF

Preview

Summary

Mekanisme Dan Cara Kerja Magnetic Levitation Pada Kereta Api Super Cepat Junrevol Wicaksana Putra1 1 Program Studi S1 Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pancasila Jakarta, Indonesia [email protected] Abstrak—Teknologi saat ini merupakan hasil dari memungkinkan manusia untuk memanfaatkanya...

Description

Accelerat ing t he world's research.

Mekanisme Dan Cara Kerja Magnetic Levitation mhela mufida

Related papers

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

MAGNET IC LEVITAT ION T RAIN Mayt ika Sari

MAKALAH FISIKA DASAR PENERAPAN GAYA MAGNET PADA KERETA MEGLEV Nurul Aini MAGLEV Train Cahyani Damawat i

Mekanisme Dan Cara Kerja Magnetic Levitation Pada Kereta Api Super Cepat Junrevol Wicaksana Putra1 1

Program Studi S1 Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Pancasila Jakarta, Indonesia [email protected]

Abstrak—Teknologi saat ini merupakan hasil dari pengembangan dari berbagai aspek ilmu pengetahuan. Perpaduan ilmu pengetahuan tersebut menghasilkan berbagai teknologi yang dapat diterapkan ke berbagai bidang dan mempermudah kegiatan manusia. Ilmu fisika adalah salah satu yang mempengaruhi perkembangan teknologi hingga saat ini, sebagai contoh yaitu magnet. Magnet dibentuk oleh pergerakan muatan listrik yang menghasilkan gaya muatan listrik yang bergerak dan menimbulkan medan magnet. Pemanfaatan magnet dapat digunakan dalam berbagai hal. Pengembangan gaya magnet bersama bahan superkonduktor untuk menghasilkan Electrodynamic Suspension maupun pemanfaatan gaya tolak dari magnet yang menghasilkan Electromagnetic Suspension teknologi dikenal sebagai Magnetic levitation atau maglev. Cara kerja Maglev dapat diterapkan dalam bidang transportasi yang daplikasikan pada kereta api. Kata Kunci: Teknologi, Magnet, Electrodynamic Suspension, Electromagnetic Suspension, Magnetic levitation, kereta api

I.

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG perkembangan manusia semakin meluas, kepadatan kegiatan yang dilakukan manusia dari perkembangan zaman juga semakin banyak dari hal yang mudah dilakukan hingga yang hampir tidak mungkin untuk dilakukan. Kesulitan dalam melakukan dalam berbagai hal mendorong kita sebagai makhluk yang memiliki kecerdasan untuk membuat terobosan baru untuk memudahkan kegiatan sehari hari. Hingga saat ini perkembangan teknologi berkembang pesat seiring dengan banyaknya penemuan penemuan dalam berbagai bidang ilmu. Ilmu fisika merupakan salah satu bidang keilmuan yang sangat banyak mempengaruhi perkembangan teknologi saat ini, sebagai contoh penemuan magnet. Magnet atau magnet adalah suatu benda atau objek yang memiliki gaya dalam medan dalam jarak tertentu untuk menarik benda yang terbuat dari meta, medan ini disebut dengan medan magnet. Magnet berasal dari bahasa yunani magnitis lithos yang memiliki arti batu magnesian. Magnesia merupakan sebuah wilayah di yunani kuno dimana banyak ditemukan batu magnet sejak zaman dahulu [1]. Penemuan tersebut kemudian dikembangkan oleh manusia, dengan membuat medan magnet menggunakan arus listrik sehingga menghasil medan magnet yang disebut electromagnet. Dengan adanya elektromagnet ini

memungkinkan manusia untuk memanfaatkanya dalam berbagai bidang. Bidang transportasi merupakan salah satu penerapan teknologi elektromanget. Magnet yang diapudkan dengan berbagai teknologi lain seperti supekonduktor maupun elektromagnet mampu membuat suatu benda melayang, fenomena ini disebut Magnetic Levitation atau maglev. Dengan penggunaan maglev, memungkinkan terciptanya alat transportasi yang memiliki gaya gesek yang rendah sehingga pengurangan kecepatan gerak benda dapat dikurangi serta penggunaan energi juga lebih sedikit, hal ini menjadikan alat trasportasi menjadi lebih efisien dalam penggunaan energi serta lebih cepat dalam bergerak. Sebagai contoh adalah penerapan teknologi maglev pada kereta api super cepat di jepang. Dari hal tersebut penerapan mekanisme serta cara kerja maglev dapat diaplikasikan dalam alat transportasi kereta api super cepat sehingga ramah lingkungan dan efisien dalam waktu perjalanan. B. RUMUSAN MASALAH Perumusan masalah dalam paper ini “ Penerapan mekanisme serta cara kerja maglev dapat diaplikasikan dalam alat transportasi kereta api super cepat “. C. TUJUAN PENULISAN Tujuan dari Penulisan Paper ini untuk mengetahui penerapan mekanisme serta cara kerja dari maglev yang dapat diaplikasikan dalam alat trasnportasi kereta api super cepat. D. MANFAAT PENULISAN Manfaat yang dapat diambil dari penulisan paper ini adalah : 1. Mengetahui cara kerja magnetic levitation. 2. Mengetahui penerapan maglev pada kereta api super cepat. 3. Mengetahui teknologi yang terdapat pada kereta maglev. II.

DASAR TEORI

A. MAGNET Magnet atau magnet adalah suatu benda atau objek yang memiliki gaya dalam medan dalam jarak tertentu untuk menarik

benda yang terbuat dari logam, medan ini disebut dengan medan magnet. Magnet berasal dari bahasa yunani magnitis lithos yang memiliki arti batu magnesian. Magnesia merupakan sebuah wilayah di yunani kuno dimana banyak ditemukan batu magnet sejak zaman dahulu. Pada saat ini magnet merupakan suatau materi yang memiliki medan magnet, materi tersebut dapat berwujud magnet tetap maupun tidak tetap. Magnet memiliki dua kutub yaitu kutub utara (north/N) dan kutub selatan (south/S) [1]. B. MEDAN MAGNET

Gambar 1. Garis gaya magnetik. Pola garis-garis lengkung yang terbentuk diatas merupakan pola medan magnetik yang disebut garis gaya magnetik. Ruang di sekitar magnet yang mengalami gaya magnetik dinamakan medan magnetik. Medan magnet adalah daerah di sekitar magnet yang menyebabkan sebuah muatan yang bergerak di sekitarnya mengalami suatu gaya. Pada sebuah percobaan magnet buatan menggunakan kawat, medan magnetik di sekitar kawat yang dialiri arus listrik dapat memengaruhi kedudukan jarum kompas. Ketika arah arus listrik diubah dengan mengubah kedudukan kutub baterai, maka arah penyimpangan jarum kompas pun turut berubah karena arah garis gaya magnetik tergantung pada arah arus listrik yang mengalir pada kawat penghantar.

Gambar 2. Kaidah tangan kanan Oersted. Arah medan magnetik sebuah kawat yang dialiri arus listrik dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan Oersted. Arah arus listrik ditunjukkan dengan ibu jari dan garis gaya magnetik ditunjukkan dengan keempat jari tangan. Untuk menghasilkan medan magnetik yang cukup kuat dapat digunakan kumparan berarus listrik. Kumparan bersifat sebagai magnet yang kuat disebut elektromagnet. Elektromagnet memiliki sifat kemagnetan sementara. Jika arus listrik diputuskan, sifat kemagnetannya segera hilang.Kumparan berarus listrik dapat menghasilkan medan magnetik yang kuat karena setiap lilitan pada kumparan menghasilkan medan

magnetik yang akan diperkuat oleh lilitan lainnya. Semakin banyak lilitan suatu kumparan, medan magnetik yang dihasilkannya semakin besar [2]. C. HUKUM LENZ Berdasarkan hukum Faraday, perubahan fluks magnetik akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua ujung kumparan itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan tertentu akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial yang terjadi disebut GGL induksi.Arah arus induksi yang terjadi baru dapat dijelaskan oleh Friederich Lenz pada tahun 1834 yang lebih dikenal dengan hukum Lenz.

Gambar 3. Arah arus induksi berdasarkan hukum Lenz (a) magnet mendekati kumparan, (b) magnet menjauhi kumparan. Pernyataan hukum Lenz menyebutkan, jika GGL induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus induksi yang dihasilkan sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha mempertahankan fluks magnetik totalnya konstan) [3]. D. BAHAN MAGNETIK Magnetic materials atau bahan magnetik merupakan bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam bahan penyusunnya. Bahan magnetik dibedakan menjadi berdasarkan perilaku molekulnya di dalam medan magnetik luar yaitu diamagnetik , paramagnetik dan feromagnetik [4]. 1. Diamagnetik Diamagnetik adalah bahan yang sedikit menolak garis gaya magnetik seperti natrium, perak, bismut, raksa, dan intan. Ketika tidak ada pengaruh medan magnet luar, momen magnetik akibat gerak orbital dan spin elektron saling meniadakan. Saat ada pengaruh medan magnet luar, maka akan timbul medan magnet dalam tetapi masih lebih kecil. 2. Paramagnetik Paramagnetik adalah bahan yang sedikit menarik garis gaya magnetik seperti aluminium, magnesium, titanium, platina, dan fungston. Jika tidak ada pengaruh medan magnetik luar, bahan ini tidak memperlihatkan efek magnetlk karena momen magnetik total akibat gerak orbital dan elektron relatif kecil. Tetapi jika diberikan pengaruh dari medan magnet luar, maka akan timbul momen yang cenderung menyejajarkan medan magnetik dalam dengan medan magnetik luar.

3. Feromagnetik Feromagnetik adalah bahan yang sangat kuat menarik garis gaya magnetik seperti besi, nikel, kobalt, dan gadolinium jika dikenai medan maqnetik tersebut. Walaupun medan luar dihilangkan, sifat kemagnetan bahan masih tetap ada. Sifat kemagnetan bahan feromagnetik akan hilang jika dipukul-pukul ataupun dipanaskan. E. SUPERKONDUKTIVITAS Superkonduktivias adalah sebuah fenomena yang terjadi dalam beberapa material pada suhu rendah, dicirikan dengan ketiadaan hambatan listrik dan "dampin" dari medan magnetik interior (efek Meissner). Superkonduktivitas adalah sebuah fenomena mekanika-kuantum yang berbeda dari konduktivitas sempurna [5]. Superkonduktor memiliki dua tipe yaitu superkonduktor tipe 1 dan superkonduktor tipe 2. Pembagian tipe ini berdasarkan titik kritis yang dimiliki oleh superkonduktor itu sendiri. Pada superkonduktor tipe 1 hanya memiliki satu titik kritis sehingga medan magnet eksternal dapat menembus superkonduktor. Teori BCS hanya berlaku pada superkonduktor tipe 1. Karena berlaku toeri BCS, maka berlaku pula Efek. Pada tipe 1 ini juga berlaku pasangan Cooper. Pada tipe 2, superkonduktor memiliki dua titik kritis. Tidak berlaku teori BCS sehingga tidak berlaku pula efek Meissner [6].

1800-an beberapa ahli mesin uap berhasil memodifikasi mesin uap rancangan Watt, dengan merancang ruang bertekanan tinggi non-kondensasi yang memungkinkan mesin untuk mengkonversi lebih banyak energi uap menjadi energi mekanik [7]. Saat ini ada beberapa kereta api yang dikenal oleh masyarakat yaitu kereta api rel konvensional (kereta yang umum dijumpai dengan dua batang besi sebagai rel yang diletakkan di bantalan), kereta api monorel(terdiri dari satu batang besi sebagai rel), kereta api permukaan atau sufcace (yang berjalan di atas permukaan tanah), kereta api layang atau elevated (berjalan di atas dengan bantuan tiang-tiang) kereta api bawah tanah (subway), dan akhir-akhir ini dikembangkan teknologi kereta api terbaru yaitu kereta api Magnetically levitation yang dapat menempuh kecepatan hingga 500 km/jam (311 mph). B. Magnetiv Levitation Train Magnetic levitation merupakan metode untuk membuat sebuah objek melayang di udara tanpa bantuan selain medan magnet. Medan ini digunakan untuk menolak atau meniadakan gaya tarik gravitasi. Magnetic levitation train atau yang sering disebut dengan Maglev train adalah kereta api super cepat tanpa roda yang memanfaatkan gaya magnet untuk melayang, menggerakkannya dan mengontrol jalannya kereta.

F. MEISSNER EFFECT Efek Meissner adalah fenomena medan magnet tertolak pada suhu kritis karena keadaannya yang diamagnetis sempurna. Superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang arahnya berlawanan dengan medan magnet eksternal, dengan berlakunya Efek Meissner, medan magnet tertolak dan menyebabkan magnet dapat melayang [6]. Gambar 5. Kereta Maglev. Kereta maglev ini melayang sekitar 10 cm -15 cm di atas relnya. Hal ini menyebabkan tidak adanya gaya gesek antara rel dengan kereta yang dapat menghambat pergerakan kereta sehingga kereta dapat melaju dengan cepat mencapai 500 km/jam (310 mph). Gambar 4. Efek meissner. III.

PEMBAHASAN

A. Kereta api Kereta digunakan secara massal sejak 200 tahun lalu. Namun, penemuannya terjadi jauh sebelum itu semua. Kereta sederhana sebagai alat transportasi sudah mulai digunakan sekitar 2000 tahun yang lalu oleh masyarakat di peradaban Mesir kuno, Babylonia dan Yunani. Pada abad ke-18, setiap tambang di Inggris memiliki jaringan kereta api sederhana sendiri, dengan kuda sebagai tenaga penarik gerobak dari tambang ke pabrik. Perubahan kembali datang pada tahun 1774 setelah James Watt memperkenalkan penemuan mesin uap stasioner pertamanya ke seluruh dunia. Kemuadian pada tahung

C. Mekanisme dan Cara Kerja Kereta Maglev System kerja Magnetic Levitation Train memanfaatkan 2 prinsip magnet yaitu gaya tarik magnet dan gaya tolak magnet. Ada dua buah system kerja dari maglev train ini sehingga ia dapat mengambang atau melayang di atas rel nya yaitu Electromagnetic Suspension (EMS) yang dikembangkan di Negara Jerman dan Electrodinamic Suspension (EDS) yang dikembangkankan di Negara Jepang. Pada saat sekarang ini ada sebuah system baru yang sedang dikembangkan yaitu system Inductrack, yaitu menggunakan magnet tetap, namun cara ini belum diterapkan. 1. Electromagnetic Suspension (EMS) System kerja dari Electromagnetic Suspension (EMS) memanfaatkan gaya tarik magnet. Dimana bagian-bagian

pada rel kereta yaitu beam (balok rel) dan levitations rails yang merupakan bagian rel penuntun. Bagian-bagian pada gerbong kereta yaitu support magnet (magnet pendukung), guidance magnets (magnet penuntun),dan vehicle ( gerbonh kereta). Antara rel dengan gerbong terdapat air gap vertical dan air gap horizontal [8].

Gambar 6. Schematic diagram of EMS Maglev system Pada Electromagnetic suspension (EMS) magnet berada pada badan kereta. Electromagnet pada badan kereta berintekasi dan menarik levitation rails pada guideway (jalur pemandu), hal ini mempertahankan posisi kereta secara horizontal. Electromagnet pada bagian bawah kereta dipasang mengarah langsung ke jalur pemandu, yang mengambangkan kereta sekitar 1 cm di atas jalur pemandu dan menjaga kereta agar tetap mengambang bahkan di saat kereta tidak bergerak. Saat bergerak dorongan kedepan didapatkan melalui interaksi antara rel magnetic dengan mesin induksi. Namun cara ini kurang stabil sehingga jarak antara rel dengan gerbong harus selalu di kontrol kerena ketika daya magnet berkurang gerbong dapat turun dan menabrak rel.

sedangkan magnet terdapat pada relnya. Sistem EDS ini menggunakan nitrogen cair yang digunakan untuk mendinginkan bahan superkonduktor sehingga bahan superkonduktor mencapai suhu di bawah suhu kritis (Tc). Pada saat suhu bahan superkonduktor berada dibawah suhu kritisnya, maka bahan superkonduktor akan memiliki resistansi nol (0) dan akan menolak medan magnet disekitarnya

Gambar 8. Electrodinamic Suspension System Pada gerbong kereta bagian bawah terdapa Levitation Magnets yang berhadapan dengan magnet yang terdapat pada rel, magnet ini saling tolak-menolak sehingga membuat kereta melayang di atas relnya. Pada bagian rel kereta terdapat beam sebagai dinding pemandu, levitation and guidance coil (kumparan penuntun kereta), propulsion coil (kumparan penggerak kereta) dan wheel support path (bagian rel pendukung).

Gambar 9. Schematic diagram of EDS Maglev system

Gambar 7. Cara kereta EMS beroperasi. 2. Electrodinamic Suspension (EDS) EDS (2electrodinamic suspension) memanfaatkan gaya tolak magnet. System ini menggunakan magnet superkonduktor. Superkonduktor memiliki sifat yang menarik yaitu sifat Efek Meissner, yaitu efek pada bahan superkonduktor yang berada dibawah suhu kritisnya(Tc). Bahan superkonduktor menjadi bagian pada badan kereta

Pada saat diam kereta magnet ini tidak melayang di atas rel melainkan diam berdiri di atas rel nya. Saat akan bergerak magnet superkonduktor dinyalakan, kemudian kereta mulai mengambang sekitar 100 mm di atas rel. Magnet superkonduktor mengatur posisi kereta agar tepat berada di tengah jalur guideway kemudian computer pada sisitem control mengunci posisi kereta dan mengstabilkan magnet superkonduktor agar posisi kereta tidak berubah. Kemudian daya listrik diberikan ke kumparan dalam dinding-dinding jalur pemandu yang menciptakan medan magnet yang dapat menarik dan mendorong kereta sepanjang jalur pemandu. Arus listrik yang diberikan ke kumparan pada dinding jalur pemandu secara berganti-ganti mengubah polaritas kumparan magnet. Perubahan polaritas ini menyebabkan medan magnetik di depan kereta menarik kereta ke depan,

sementara medan magnet di belakang kereta menambahkan gaya dorong ke depan [8].

depan kereta ini dirancang seperti mulut lumba-lumba yang ramping untuk mengurangi hambatan udara (drag udara), sehingga maglev train dapat meluncur seperti peluru. IV.

Gambar 10. Sistem control EDS system. Polaritas kumparan yang berubah menghasilkan gaya megnet yang saling tarik menarik dan saling tolak menolak, seperti pada gambar A di atas interaksi antara magnet pada rel dengan kereta menghasilkan gaya tarik oleh magnet tidak sejenis di bagian depan terhadap gerbong yang menarik kereta ka arah depan (ditunjukkan oleh garis hijau) dan magnet di bagian belakang menghasilkan gaya tolak terhadap magnet sejenis pada gerbong yang menjadi gaya dorong dalam pergerakan kereta (ditunjukkan oleh garis biru). Pada gambar B ditunjukkan system yang membuat kereta tetap melayang di atas rel nya dengan gaya tolak yang dihasikan oleh magnet superkonduktor dari bagian badan kereta terhadap guideway nya, magnet pada sisi jalur pemandu menjaga agar kereta tetap melayang, apabila posisi kereta turun maka magnet berlawan pada sisi dinding pemadu bagian atas dengan magnet pada sisi gerbong akan menarik gerbong ke atas (ditunjukkan oleh garis hijau) dan magnet bagian bawah dinding pemandu yang sejenis dengan magnet pada sisi gerbong akan menolaknya (ditunjukkan oleh garis biru) sehingga posisi gerbong akan tetap terangkat atau melayang di atas rel nya. Selain itu dinding jalur pemandu ini juga berfungsi mempertahankan posisi kereta di jalur guideway nya, saat kereta oleng ke kiri maka dinding pemandu sebelah kiri akan memiliki sifat magnet yang akan menolak kereta dan sifat magnet pada dinding sebelah kanan akan menarik kereta, sehingga posisi kereta selalu dipertahankan. System ini lebih stabil karena daya angkat pada system tidak hanya dihasilkan dari rel atau guideway nya saja tetapi juga dihasilkan dari gerbong kereta itu sendiri [9]. Kecepatan kereta Maglev ini dari awal bergerak hingga akhir memiliki kecepatan yang bervariasi. Variasi kecepatan ini diatur dengan mengatur frekuensi dari arus bolak-balikyang melalui kumparan. Cara penghentian dari kedua system kereta maglev ini sama seperti dengan cara ia bergerak yaitu menggunakan induksi magnetic pada kumparan dengan memberikan tolakan antara kutub yang sama. Pada saat akan berhenti medan magnet dari kumparan ini dirubah atau dibalik, sehingga akan menimbulkan efek pengereman dan kereta akan berhenti. Maglev train memiliki system control (control room) yang terhubung dengan control pusat melalui system transmisi radio yang berfungsi menjaga keselamatan kereta, mengatur perpindahan jalur rel. Kereta maglev ini memiliki system rem dinamis, dengan bantalan rem untuk berhenti, untuk kebutuhan darurat setiap gerbong dilengkapi dengan empat cakram per sebagai rodanya, dan bantalan rem cadangan. Struktur atau bentuk dari bagian

KESIMPULAN

Magnetically levitation atau maglev ini bekerja dengan prinsip hukum lenz, efek meissner, medan magnetik serta induksi magnetik. Pada kereta maglev, terdapat dua teknologi yang banyak digunakan dalam pengaplikasiannya dalam industri yaitu elektromagnetic suspension (EMS), serta Electrodynamic Suspension (EDS). Cara kerja dari kereta maglev yang menggunakan EMS adalah dengan memanfaatkan gaya tarik magnet, sedangkan pada kerta maglev EDS memanfaatkan gaya tolak magnet. Dengan memanfaatkan gaya tarik dan gaya tolak magnet, kereta maglev dapat melayang atau mengambang sekitar 10cm dari rel sehingga tidak ada gaya gesek. Dengan begitu kecepatan kereta maglev dapat sangat cepat karena tidak ada penurunan percepatan akibat gaya gesek yang bisa ditimbulkan pada kereta konvensional. Kecepatan yang dihasilkan dari teknologi maglev ini dapat membawa kereta maglev melaju hingga 500 km/jam, dengan kecepatan tersebut maka perjalanan jauh seperti dari jakarta ke bandung dapat ditempuh hanya dalam waktu 30 menit. Sel...