GENERATOR VAN DE GRAFF

MAKALAH

UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Fisika Inti

yang dibina oleh Bapak Dwi Haryoto

oleh

Aliyyatus Sa’adah (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).

BAGIAN-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.