Soal ini menyajikan fisika dapur yang sangat menarik: kompor induksi. Alat tersebut terutama terdiri dari kumparan, yang digerakkan oleh arus bolak-balik yang memanaskan panci logam di atasnya. Ini adalah alternatif modern untuk memasak yang memberikan beberapa manfaat seperti lingkungan memasak yang lebih aman (tidak ada api atau gas yang mudah terbakar), peralatan yang lebih bersih (tidak ada jelaga), memasak lebih cepat dan lebih ramah lingkungan (dapat ditenagai oleh listrik yang dapat diperbarui). Dalam percobaan ini, kita akan mengeksplorasi fisika dasar yang menarik dari kompor induksi.
Ada tiga bagian dalam percobaan ini. Pertama, kita akan mengukur induktansi kumparan ($L$) dan hambatan internalnya ($R_L$). Kedua, kita akan menyelidiki fenomena kedalaman kulit (skin depth) pada logam yang penting untuk memasak induksi. Ketiga, kita akan menentukan kalor jenis ($c$) dari pelat logam yang berbeda dan hambatan beban efektifnya ($R_{\mathrm{LOAD}}$).
Parameter / Konstanta Simbol Nilai Stefan-Boltzmann $\sigma_s$ $5.670\times10^{-8}\:{\rm W\:m^{-2}K^{-4}}$ Permeabilitas magnetik vakum $\mu_0$ $4\pi\times10^{-7}\: {\rm H/m}$ Massa jenis Al $\rho_{\textrm{Al}}$ $2700 \, \mathrm{kg/m^3}$ Massa jenis SS410 $\rho_{\textrm{SS410}}$ $7700 \, \mathrm{kg/m^3}$ Emisivitas Al $e_{\textrm{Al}}$ 0.65 Emisivitas SS410 $e_{\textrm{SS410}}$ 0.8
CATATAN:
Komponen kunci pertama dalam kompor induksi adalah koil. Dalam percobaan ini kita akan mengukur induktansi diri ($L$) dari koil # 1 (koil teratas) seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 3b. Kumparan ini dapat dimodelkan sebagai induktor ideal $L$ yang diseri dengan hambatan kumparan internal $R_L$.
Kita akan menggunakan rangkaian RLC seri dengan resistor logam kuning $R_1$, koil # 1 dan kapasitor. Ada empat kapasitor yang berbeda. Harap diperhatikan bahwa tegangan output Function Generator (FG) dapat bervariasi ketika Anda mengubah frekuensi karena impedansi beban dapat berubah.
Hambatan dari semua kabel ($R_C$), yang berkontribusi pada hambatan total ($R_{\mathrm{TOT}}$) dalam rangkaian, tidak dapat diabaikan. Tentukan $R_C$ menggunakan ohmmeter.
CATATAN:
A. Induktansi mutual
Pada percobaan # 2 ini kita akan menggunakan dua kumparan seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 4, tetapi tanpa pelat logam. Pertama, kita akan mengukur induktansi mutual $M$ antara kedua kumparan. Mengikuti hukum Faraday, perubahan arus pada kumparan pertama akan menginduksi tegangan pada kumparan kedua.
B. Eksperimen kedalaman kulit (skin depth)
Konsep "kedalaman kulit" memainkan peran penting dalam kompor induksi. "Kedalaman kulit" mencirikan kedalaman penetrasi medan elektromagnetik yang diinduksi arus bolak-balik (AC) ke dalam logam. Dalam percobaan ini, kita akan menyelidiki kedalaman kulit berbagai logam yang dapat digunakan sebagai panci masak. Kita akan menyelidiki ketergantungannya terhadap frekuensi dan mengukur konduktivitas listrik ($\sigma$) dari logam-logam tersebut.
Kita tetapkan koil#1 sebagai koil primer dan koil#2 sebagai koil sekunder. Karena ketebalan logam total ($\sim 3 \, \mathrm{mm}$) kecil dibandingkan dengan jarak kumparan-kumparan ($15 \, \mathrm{mm}$), kita dapat mengasumsikan bahwa medan magnet di bagian bawah, di dekat kumparan sekunder kira-kira konstan (jika tidak ada logam).
Mengikuti persamaan Maxwell, ketika medan listrik atau medan magnet yang berosilasi menembus konduktor, medan di dalam konduktor berkurang secara eksponensial dengan jarak penetrasi $z$:
$$B(z)=B_0\: e^{-z/\delta}\:\cos (\omega t-z/\delta + \phi)$$
di mana$B_0$ adalah amplitudo medan magnet sebelum memasuki konduktor, $\delta$ adalah "kedalaman kulit" dan $\phi$ adalah fase. Catatan: kita mengabaikan faktor fase $(-z/\delta+\phi)$ dalam percobaan ini.
Kedalaman kulit dalam konduktor diberikan sebagai:
$$\delta = \sqrt{\frac{\sigma^m f^n}{\pi \mu}}$$
di mana $\sigma$ adalah konduktivitas listrik, $f$ adalah frekuensi, $\mu = \mu_r \times \mu_0$ adalah permeabilitas magnetik, $m$ dan $n$ adalah faktor pangkat yang merupakan bilangan bulat dan akan ditentukan dalam percobaan ini.
Kita akan melakukan eksperimen pada empat logam: (1) Aluminium, (2) Tembaga, (3) Baja tahan karat "SS304" dan (4) Baja tahan karat "SS410". Dengan menyisipkan logam di antara kumparan, tegangan pada kumparan sekunder akan turun karena "shielding" medan magnet oleh arus eddy dalam logam.
Catatan: Pertama-tama, tinjau kisaran frekuensi yang sesuai untuk masing-masing pelat yang menghasilkan perubahan signifikan dalam tegangan kumparan sekunder.
Buat persamaan-persamaan dan lakukan percobaan untuk menentukan $n$ untuk setiap logam (dibulatkan ke bilangan bulat terdekat). Catat data Anda, gunakan regresi linear untuk memperoleh setiap titik data. Selanjutnya gunakan titik-titik data tersebut untuk memplot grafik akhir agar mendapatkan $n$ dan $\sigma$ (yang akan ditanyakan di Q2.6).
Identifikasi satu logam yang tidak menghasilkan data yang baik karena nilai kedalaman kulit yang ekstrim dan dengan demikian Anda dapat mengabaikannya untuk Q2.5 dan Q2.6.
CATATAN:
Dalam percobaan ini kita akan menggunakan Aluminium dan logam SS410 sebagai "panci masak". Pertama, Anda akan memasang "panci" Aluminium (item # 11), menjepitnya di platform atas dan kemudian Anda membaliknya seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5. Anda akan menggunakan koil # 2, yang terpisah dengan baik dari "panci", sehingga tidak ada perpindahan panas di antara keduanya melalui konduksi.
Tempatkan pengaturan di dalam kotak hitam (item #8) sehingga kehilangan konveksi dapat diabaikan. Karena "panci" logam berada di atas platform plastik (isolator termal), kita juga mengasumsikan tidak ada kehilangan panas karena konduksi. Dengan demikian, satu-satunya kehilangan panas adalah karena radiasi ke sekelilingnya. Daya radiasi benda dengan suhu $T$ diberikan sebagai:
$$P_{RAD}=e A \sigma_S T^4$$
di mana $e$ adalah emisivitas, $\sigma_S$ adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan A adalah luas permukaan yang memancar.
Kita dapat mengukur suhu "panci" logam dengan mengukur hambatan termistor NTC (terlampir), yang diberikan sebagai:
$$R_{NTC}=R_0\:\exp{[B(1/T-1/T_0)]}$$
dengan $R_0 = 10 \, \mathrm{k}\Omega$ adalah hambatan nominal pada suhu referensi $T_0 = 298 \, \mathrm{K}$, $B = 3950 \, \mathrm{K}$ adalah konstanta, dan $T$ adalah suhu termistor (dalam K).
Akhirnya, kita dapat memodelkan pemanasan "panci" logam dengan seolah-olah memperkenalkan "hambatan beban" $R_{\mathrm{LOAD}}$ ke sirkuit seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 6. Dengan kata lain, sistem koil dan panci logam dapat dimodelkan sebagai induktansi koil $L$, hambatan koil $R_L$ dan "hambatan beban" $R_{\mathrm{LOAD}}$.
Saran: Lakukan pengukuran sekitar 30 detik setelah pemberian daya untuk memastikan bahwa koil memberikan daya yang stabil dan agar panas didistribusikan secara lebih seragam.
D.1. KOTAK GENERATOR FUNGSI
Komponen:
D.2. OSILOSKOP DIGITAL
1. FUNGSI TOMBOL PANEL
Tombol-tombol ini memungkinkan Anda menavigasi pengaturan, memilih fungsi, dan menyesuaikan pengukuran.
2. MODE PENGUKURAN OSCILLOCOPE:
Dalam mode osiloskop, perangkat hanya mengukur tegangan dan menampilkan sinyal sebagai fungsi waktu. Mode ini dapat mengukur sinyal tegangan dengan frekuensi yang sangat tinggi hingga $1 \, \mathrm{MHz}$.
3. MODE PENGUKURAN MULTIMETER:
Dalam mode multimeter, perangkat ini digunakan untuk mengukur parameter listrik seperti tegangan dan hambatan. Dalam mode voltmeter AC, alat ini memberikan pembacaan numerik hingga 4 angka penting, namun frekuensinya hanya terbatas antara 40Hz hingga 1kHz.
4. FUNGSI TAMBAHAN
5. PENGISIAN DAYA OSCILLOSCOPE DIGITAL
Untuk memastikan perangkat selalu siap digunakan, selalu pantau indikator level baterai