GENERATOR VAN DE GRAFF
MAKALAH
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH Fisika Inti yang dibina oleh Bapak Dwi Haryoto
oleh Aliyyatus Sa’adah (100321400943) (100321400943) Ayu Ajeng Arif
UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM JURUSAN FISIKA November 2013
Elektrostatik pertama kali diketahui sekitar tahun 600 SM ketika filsuf Yunani Thales menemukan bahwa kuningan menarik benda ringan ketika digosok. Fenomena tersebut menunjukkan konsep dasar elektrostatika bahwa tegangan sangat tinggi dapat dihasilkan oleh gesekan. Hal ini merupakan fungsi dari generator Van de Graff. Generator Van de Graff dinamai oleh Dr Robert J. Van de Graaff yang mempatenkan Generator elektrostatik pada tahun 1935. Robert Jemison Van de Graaff lahir pada 20 Desember 1901 di Graaff Jemison-Van de Mansion di Tuscaloosa, Alabama , dari keturunan Belanda. Di Tuscaloosa, ia menerima gelar BS nya dan Master dari The University of Alabama di mana dia adalah anggota dari Castle Clu (kemudian menjadi Mu Bab of Theta Tau ). Setelah satu tahun di Alabama Power Company , Van de Graaff belajar di Sorbonne . Pada tahun 1926 ia memperoleh gelar BS kedua di Universitas Oxford pada Beasiswa Rhodes, menyelesaikan gelar PhD pada tahun 1928. Van de Graaff adalah desainer dari Van de Graaff Generator , sebuah perangkat yang menghasilkan tegangan tinggi . Pada tahun 1929, Van de Graaff mengembangkan pembangkit pertama (memproduksi 80.000 volt) dengan bantuan dari Nicholas Burke di Princeton University . Di tahun 1931, ia telah membangun sebuah generator yang lebih besar, menghasilkan 7 juta volt. Dia adalah seorang Research Fellow Nasional, dan 1931-1934 rekan penelitian di Institut Teknologi Massachusetts . Dia menjadi profesor pada tahun 1934 (tinggal di sana sampai 1960). Dia dianugerahi Medali Elliott Cresson pada tahun 1936. Selama Perang Dunia II, Van de Graaff adalah direktur dari Proyek radiografi
High Voltage. Setelah Perang Dunia II, ia
mendirikan Hight Voltage Engineering Corporation (HVEC). Selama tahun 1950, ia menemukan isolasi-inti transformator (memproduksi tegangan tinggi arus searah). Dia juga mengembangkan tandem teknologi generator. The American Physical Society diberikan kepadanya (1965) untuk pengembangan akselerator elektrostatik. Van de Graaff meninggal 16 Januari 1967 di Boston, Massachusetts. Ia mengembangkan Generator ini untuk mempelajari percepatan partikel bermuatan untuk menyelidiki atom. Generator Van de Graaff adalah generator elektrostatik yang mampu menghasilkan tegangan listrik statis sangat besar. Generator Van de Graaff raksasa dapat menghasilkan jutaan volt, biasanya
100.000 hingga 500.000 Volt. selain itu, generator van de graff juga berfungsi mempercepat elektron untuk mensterilkan bahan makanan, proses mempercepat proton untuk fisika nuklir eksperimen, dan mengemudi X- Ray tabung. Sebelumnya perlu diketahui bahwa generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal dengan menggunakan proses induksi elektromagnetik. Generator listrik mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit eksternal, tetapi generator tidak merupakan alat yang dapat menciptakan listrik yang sudah ada dalam kabel lilitannya. Generator Van De Graff diciptakan oleh Robert J. Van De Graff pada tahun 1932 yang menerapkan prinsip dasar bahwa muatan pada konduktor berongga hanya tersebar di permukaan luarnya. Apabila sebuah konduktor bermuatan disisipkan ke dalam sebuah konduktor rongga, lalu disentuhkan pada dinding dalamnya, maka seluruh muatan pada konduktor pertama berpindah ke konduktor kedua, tak perduli apakah konduktor kedua ini telah bermuatan sebelumnya. Sekiranya tak ada kesulitan akibat adanya faktor isolasi, muatan (dan kerena itu juga potensial) konduktor rongga itu bisa saja ditambah tanpa batas dengan cara mengulang-ulang proses tadi. Dengan naiknya potensial konduktor maka makin besar gaya tolak yang bekerja terhadapnya tiap kali muatan ditambahkan padanya sehingga pada suatu saat konduktor tersebut tidak dapat menampung muatan lagi. Generator yang diciptakan oleh Van De Graff menerapkan asas tersebut namun caranya bukan dengan berkali-kali memasukkan benda bermuatan ke dalam sebuah konduktor, melainkan muatan dimasukkan secara terus menerus dengan pita atau ben berjalan (belt conveyor ). BAGIA N-BAGIAN GENERATOR VAN DE GRAFF
Gambar 1 berikut merupakan sebuah diagram skematik generator Van De Graff kecil yang dirancang untuk peragaan.
gambar 1. CARA KERJA GENERATOR VAN DE GRAFF Secara umum, dua konduktor yang dipisahkan dengan suatu jarak tidak akan berada pada potensial yang sama. Beda potensial antara konduktor tersebut bergantung pada bentuk geometrinya, jaraknya dan muatan bersih masing-masing. Ketika dua konduktor disambung, muatan pada konduktor menyebar dengan sendirinya sehingga keseimbangan elektrostatik terbentuk dan medan listrik nol dalam konduktor. Ketika tersambung kedua konduktor dianggap sebagai konduktor tunggal dengan permukaan ekipotensial tunggal. Perpindahan muatan dari satu konduktor ke yang lain disebut pembagian muatan (charge sharing ). Pada gambar 2, konduktor kecil membawa muatan positif q berada di dalam lubang konduktor besar. Dalam keseimbangan, medan listrik nol di dalam material
menghantar
kedua
konduktor.
Garis-garis
medan
listrik
yang
meninggalkan muatan positif q dan harus berakhir pada permukaan dalam konduktor besar. Apabila konduktor dihubungkan dengan kabel (kawat penghantar yang baik), semua muatan yang semula berada di konduktor kecil akan mengalir ke yang besar.
gambar 2. Ketika hubungan ini putus, tidak ada muatan di konduktor kecil dalam lubang dan tidak ada garis medan pada bagian mana saja di permukaan luar konduktor besar. Mauatn positif dipindah dari konduktor kecil seluruhnya yang terletak di permukaan luar konduktor besar. Apabila diletakkan lagi muatan lebih positif pada konduktor dalam akan mengalir lagi ke konduktor luar. Prosedur ini dapat terulang untuk jangka waktu yang tak terbatas.Metode inilah yang digunakan oleh van de graff untuk menghasilkan potensial besar dalam generator, dimana muatan dibawa ke permukaan dalam konduktor bola besar dengan membawa muatan ke bola luar yang berada pada potensial tinggi. Muatan bersih yang lebih besar di konduktor luar, potensialnya lebih besar. Secara sederhananya, kerja generator Van De Graff yaitu apabila ujung runcing H dihubungkan dengan tegangan tinggi searah 2 x 104 V atau 20kV, mengandung muatan positif yang besar. Ujung runcing H bersentuhan dengan
sabuk yang digerakkan oleh motor penggerak atau engkol tangan yang terhubung melalui roller F. gesekan antar sabuk dan ujung runcing H bermuatan positif menyebabkan elektron-elektron (muatan negative) dari sabuk ditarik ke ujung runcing H. ini menyebabkan sabuk kiri yang tadinya netral akan mengandung sejumlah besar muatan positif. Sabuk ini bergerak membawa muatan positif menuju ke kubah setengah bola yang ditopang oleh sepasang tiang berisolasi. Saat melewati ujung runcing G sabuk meninduksikan muatan pada konduktor ini yang karena ujungnya runcing, menimbulkan intensitas medan yang tingginya cukup untuk menionisasi udara antara ujung runcing dan sabuk. Maka udara yang terionisasi ini menjadi “jembatan” penghantaran bagi muatan positif pada sabuk guna dapat mengalir ke konduktor A. Sehingga fungsi dari ujung runcing G yang terdapat dalam kubah ialah mengumpulkan muatan positif dari sabuk, dan memindahkannya ke permukaan luar kubah. Sebagai hasilnya pada kubah terkumpul muatan positif yang sangat besar. Ketika meninggalkan katrol E, sabuk itu menjadi bermuatan negative dan sisi kanannya mengangkut muatan negative ini ke luar dari terminal atas. Pengambilan muatan negatif ekuivalen dengan penambahan muatan positif, sehingga kedua sisi sabuk berperan menaikan muatan netto positif terminal A. Muatan negatif terambil dari sabuk pada ujung runcing H, lalu mengalir ke tanah. Pengumpulan muatan pada kubah tidak dapat berlanjut tanpa batas, karena akhirnya pelepasan muatan akan terjadi di udara. Untuk memahami hal ini, perhatikan bahwa lebih banyak muatan terkumpul pada permukaan luar kubah, besar medan listrik pada kubah juga meningkat. Akhirnya, kekuatan medan lsitrik menjadi cukup untuk mengionisasi sebagian molekul udara di dekat permukaan kubah. Ini membuat sebagian udara bersifat konduksi (dapat menghantarkan muatan listrik). Muatan-muatan pada kubah sekarang memilki jalan untuk bocor menuju udara di sekitarnya. Pelepasan muatan ke udara ini dapat menimbulkan ”ledakan petir”.
Kesimpulan
Generator Van de Graaff terdiri dari sabuk sutra, atau sejenis fleksibel dielektrik material, berjalan lebih dari dua puli logam, salah satu dari yang dikelilingi oleh bola logam berongga. Dua elektroda , dan dalam bentuk sisir berbentuk baris poin logam tajam, diposisikan masing dekat bagian bawah katrol bawah dan di dalam bola, di atas katrol atas. Sisir terhubung ke bola dan ke tanah. Sebuah potensi tinggi DC (dengan hormat ke bumi) diterapkan untuk rol. Sebuah potensi positif dalam contoh ini. Sebagai sabuk lewat di depan sisir yang lebih rendah, itu menerima muatan negatif yang lolos dari poin, karena adanya pengaruh medan listrik di sekitar katrol yang lebih rendah, yang mengionisasi udara pada titik-titik. Sabuk menyentuh roller atas itu transfer beberapa elektron, meninggalkan roller dengan muatan negatif (jika terisolasi dari terminal), yang ditambahkan ke muatan negatif di sabuk menghasilkan medan listrik yang cukup untuk mengionisasi udara pada titik-titik dari sisir atas. Elektron kemudian bocor dari sabuk ke sisir atas dan ke terminal, meninggalkan sabuk bermuatan positif karena kembali turun dan terminal bermuatan negatif. Perisai bola roller atas dan sisir dari medan listrik yang dihasilkan oleh biaya yang menumpuk di permukaan luar itu, menyebabkan debit dan perubahan polaritas sabuk pada rol atas terjadi hampir seolah-olah terminal yang membumi. Sebagai sabuk terus bergerak, konstan pengisian perjalanan arus melalui sabuk, dan bola terus mengakumulasi muatan negatif sampai tingkat yang muatan yang hilang (melalui kebocoran dan pembuangan korona ) sama dengan arus pengisian. Semakin besar lingkup dan jauh dari tanah, maka semakin tinggi potensial akhirnya.
DAFTAR PUSTAKA
Allonso, Finn. 1994. Dasar-dasar Fisika Universitas Edisi kedua Jilid 2 Medan dan Gelombang . Jakarta: Erlangga. Paul A. Tipler. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Sears, Zemansky.1992. Fisika untuk Universitas 2 Listrik Magnet . Jakarta: Binacipta.
