Induksi Elektromagnetik

Medan Magnetik

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK PENDAHULUAN Dalam pembahasan mengenai medan magnet telah dijelaskan bahwa : - Arus listrik dapat menghasilkan medan magnetik - Medan magnetik mengerjakan gaya pada kawat berarus listrik atau pada muatan bergerak. Sekitar abad ke-19 kedua pernyataan itu menimbulkan pertanyaan : “jika arus listrik menghasilkan medan megnetik apakah medan magnetik dapat menghasilkan arus listrik ?”. Melalui serangkaian percobaan, Michael Faraday (1791-1867) berhasil menunjukkan bahwa sesungguhnya memang arus listrik dapat dihasilkan dari perubahan medan magnetik. Peristiwa dihasilkannya arus listrik akibat perubahan medan magnetik ini dinamakan induksi elektromagnetik, sedangkan arus yang dihasilkan dari induksi elektrobagnetik dinamakan arus induksi.

PERCOBAAN FARADAY Gambar dibawah melukiskan percobaan yang dilakukan oleh Faraday untuk menunjukkan adanya peristiwa induksi elektromagnetik. Saklar

Sumber Tegangan

Galvanometer

P

Q

Pada waktu melakukan percoaan ini Faraday melihat beberapa keanehan, yaitu : - Begitu saklar ditutup, jarum galvanometer menyimpang besar sekali. Setelah waktu yang singkat sekali, jarum galvanometer kembali menunjukkan angka nol,walaupun arus dalam kumparan P tetap mengalir. - Ketika arus sedang mengalir dengan stabil pada kumparan P lalu tiba-tiba saklar dibuka, terlihat jarum galvanometer menyimpang lagi. Namun arah simpangannya kali ni berlawanan dengan arah simpangan semula. Simpangan ini juga terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Setelah itu jarum kembali menunjukkan angka nol. Setelah mengamati lebih teliti lagi, Faraday membuat beberapa kesimpulan, diantaranya : - Perubahan medan megnetik yang memasuki suatu kumparan dapat menimbulkan arus pada kumparan itu. - Medan magnetik yang besarnya tetap tidak akan menimbulkan arus listrik. Untuk menopang kesimpulannya bahwa arus listrik disebabkan oleh perubahan medan magnetik, Faraday melakukan percobaan lebih lanjut seperti gambar berikut : a) Batang magnet diam terhadap kumparan. Ternyata jarum galvanometer tidak bergerak. Ini menunjukkan bahwa tidak ada arus yang mengalir.

G

Bayu Adipura

Page | 1

Medan Magnetik b) Batang magnet digerakkan mendekati kumparan dengan kecepatan v. Ternyata jarum galvanometer menyimpang.

G c) Batang magnet diletakkan didekat kumparan. Jarum galvanometer kembali diam.

G d) Batang magnet digerakkan menjauhi kumparan. Ternyata jarum galvanometer kembali bergerak tapi arah simpangannya berlawanan dengan arah simpangan ketika magnet digerakkan mendekati kumpatan.

G Percobaan ini mebuat Faraday yakin akan kesimpulannya bahwa arus induksi pada suatu loop atau suatu kumparan dapat dihasilkan pleh perubahan medan magnetik yang memasuki loop atau kumparan itu. Kesimpulan ini juga berlaku untuk semua perubahan medan magnetik baik yang berasal dari kumparan yang bergerak maupun dari magnet yang bergerak. TEGANGAN INDUKSI Seperti yang kita ketahui, arus listrik mengalir karena ada tegangan. Arus induksi yang dihasilkan pada percobaan Faraday juga berasal dari suatu tegangan yang dinamakan tegangan induksi atau ggl induksi. Dengan menggunakan istilah tegangan induksi, kesimpulan Faraday dapat dinyatakan dalam kalimat berikut : ”Perubahan medan magnet dalam suatu loop akan menimbulkan tegangan induksi” Kalimat diatas dikenal dengan hukum Faraday. Besar Tegangan Induksi Faraday mencoba mencari faktor-faktor yang mempengaruhi besar tegangan induksi. Untuk itu ia melakukan dua macam percobaan yang akan dijelaskan dibawah ini. A. Percobaan pertama dilakukan dengan menggerakkan batang magnet pada suatu loop atau kumparan yang diam. Faraday mengamati bahwa besarnya tegangan induksi yang timbul ketika batang magnet digerakkan dalam suatu loop dipengaruhi oleh 2 hal, yaitu : 1. Laju perubahan medan magnetik . Semakin cepat perubahan medan magnetik, semakin besar tegangan induksinya. Lajuperubahan medan magnetik ini dipengaruhi oleh kuat medan magnetik dari magnet batang itu dan kecepatan magnet batang. Kesimpulannya adalah tegangan induksi sebanding dengan perubahan medan magnet. Bayu Adipura

Page | 2

Medan Magnetik 2. Luas efektif (An), yaitu luas daerah yang ditembus secara tegak lurus oleh medan magnetik.

Semakin besar luas efektif yang ditembus oleh medan magnetik, semakin besar tegangan induksi yang dihasilkan. Kesimpulannya adalah tegangan induksi sebanding dengan luas efektif. Dari kedua kesimpulan diatas maka besar tegangan induksi yang diakibatkan oleh batang magnet yang digerakkan pada suatu loop atau kumparan yang diam dapat dinyatakan dalam bentuk :

B. Percobaan kedua dilakukan dengan memutar suatu loop dalam daerah yang mempunyai medan magnetik konstan. Faraday mengamati bahwa besarnya tegangan induksi yang timbul ketika loop digerakkan dalam medan magnet juga dipengaruhi oleh 2 hal, yaitu : 1. Kuat medan magnetik (B). Semakin besar kuat medan magnetik maka semakin besar pula tegangan induksinya. Dengan kata lain, tegangan induksi sebanding dengan kuat medan magnetik. 2. Laju perubahan luas efektif . Semakin cepat perubahan luas efektif maka tegangan induksinya juga makin besar. Dengan kata lain, tegangan induksi sebanding dengan laju perubahan luas efektif. Dari kedua kesimpulan diatas maka besar tegangan induksi yang diakibatkan oleh loop yang berputar dalam suatu medan magnetik yang konstan dapat dinyatakan dalam bentuk :

Untuk menyatukan hasil dari kedua percobaan diatas, Faraday memperkenalkan ide fluks magnetik Fluks magnetik didefenisikan sebagai perkalian kuat medan magnetik (B) dengan luas efektif (An).

.

Dengan demikain, hasil percobaaan A dan B di atas dapat dirangkum dengan mengatakan bahwa : besarnya tegangan induksi sama dengan laju perubahan fluks. Dan jika loop diganti dengan kumparan yang terdiri dari N lilitan, maka

Bayu Adipura

Page | 3

Medan Magnetik ARAH ARUS INDUKSI (HUKUM LENZ) Arah arus induksi dapat ditentukan dengan dua cara, cara pertama dengan menerapkan konsep gaya Lorentz dan yang kedua, kita dapat menentukannya dengan lebih sederhana melalui hukum Lenz.Untuk menentukan arah arus induksi dengan menggunakan konsep gaya Lorenzt, perhatikan gambar berikut :

X X X X X

X X

X X X X X

X X

G

X X X

X X X X X

X X

X X X X X

X X

X X X

Sebatang kawat konduktor bergerak pada sebuah gawat U dalam suatu daerah yang mempunyai medan magnet homogen. Ketika kawat konduktor digerakkan kekanan maka muatan – muatan listrik yang terdapat dalam kawat konduktor juga ikut bergerak. Sesuai dengan aturan tangan kanan, muatan positif (proton) akan mendapat gaya keatas dan muatan negatif (elektron) akan mendapat gaya kebawah. Karena muatan yang dapat bebas bergerak adalah elektron maka pergerakan muatan pada kawat konduktor akan didominasi oleh elektron sehingga menyebabkan aliran arus listrik yang arahnya ke atas (berlawanan dengan arah aliran elektron). Dengan cara yang sama kita juga dapat menentukan arah arus induksi jika kawat konduktor digerakkan kekiri. Sedangkan dengan hukum Lenz kita dapat menentukan arah arus induksi dengan cara yang lebih sederhana. Hukum Lenz menyatakan bahwa Arah arus induksi dalam suatu loop atau kumparan sedemikian sehingga menimbulkan medan magnet yang melawan penyebabnya. Untuk lebih memahami maksud dari hukum Lenz, perhatikan gambar berikut :

Gambar : a

Gambar : b

Pada gambar a, kutub U sebuah batang magnet digerakkan mendekati sebuah loop sehingga medan magnet yang memasuki loop akan makin besar. Sesuai dengan Hukum Lenz, pada loop akan timbul medan magnet yang arahnya keluar (melawan penyebabnya) sehingga sesuai dengan aturan tangan kanan, pada loop akan mengalir arus yang arahnya ditunjukkan seperti pada gambar. Pada gambar b, kutub U sebuah batang magnet digerakkan menjauhi loop sehingga medan magnet yang memasuki loop akan makin kecil. Sesuai dengan hukum Lenz, maka pada loop akan timbul medan magnet yang arahnya kedalam (karena medan magnet yang memasuki loop makin kecil maka loop akan menambah medan magnet yang masuk). Arah arus yang terjadi dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan. Hal yang sama juga dapat dijelaskan jika kutub magnet dibalik (kutub S yang digerakkan). Kesetaraan Hukum Lenz dengan Hukum Kekekalan Energi Pada intinya hukum Lenz didasarkan pada hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa energi tidak mungkin tercipta begitu saja. Untuk melihat hubungan ini marilah kita analisa apa yang akan terjadi jika hukum Lenz tidak benar dan arus induksi berlawanan dengan arah arus induksi menurut hukum Lenz. Misalnya pada gambar : a, jika hukum Lenz tidak benar maka sesuai dengan aturan tangan kanan arah medan magnet yang ditimbulkan oleh loop akan searah dengan medan magnet batang. Akibatnya medan magnet akan makin bertambah. Pertambahan medan magnet ini akan mengakibatkan lagi pertambahan arus induksi dan demikian seterusnya sehingga akan dihasilkan arus induksi yang sangat besar. Ini tentu saja tidak sesuai dengan hukum kekekalan energi. Bayu Adipura

Page | 4

Medan Magnetik PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK 1. Generator Listrik Generator listrik adalah alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Berdasarkan aruslistrik yang dihasilkan, generator dapat dibagi dua yaitu generator AC dan generator DC. Perbedaannya terletak pada bentuk dan jumlah cincin luncur. Pada generator AC terdapat dua buah cincin luncur dimana tiap cincin berhubungan dengan setiap ujung kumparan. Pada generator arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah ditengahnya yang disebut cincin belah atau komutator. GGL induksi yang dihasilkan pada generator arus bolak-balik berupa gelombang sinusuidal yang memenuhi persamaan :

  NBA  sin t Dimana :

 = GGL Induksi (volt) N = jumlah lilitan A = luas bidang kumparan (m2) B = medan magnetik ( T )  = kecepatan sudut kumparan (rad/s) t = waktu (s)

2. Transformator Transformator terdiri dari kumparan primer, kumparan skunder dan inti besi. Transformator hanya bisa bekerja pada arus AC. Padan transformator berlaku hubungan berikut :



Ps V I  s s Pp V p I p

Perbandingan arus pada trafo dapat dinyatakan sebagai berikut :

Np Is  Ip Ns Dimana :

Np = Kumparan primer Ns = kumparan skunder Ip = kuat arus primer Is = kuat arus skunder  = efisiensi trafo

INDUKTANSI DAN ENERGI DALAM SUATU KUMPARAN/INDUKTOR Joseph Henry telah melakukan penyelidikan tentang ggl induksi akibat perubahan fluks magnetik yang ditimbulkan oleh suatu kumparan dan diperoleh kesimpulan bahwa besarnya GGL induksi sebanding dengan laju perubahan arus terhadap waktu. Secara matematika pernyataan ini dapat dituliskan sebagai:

  L

dI dt

Dari persamaan diatas dapat didefenisikan bahwa kumparan memiliki induktansi diri sebesar 1 henry apabila perubahan arus listrik 1 A dalam 1 skon pada kumparan tersebut menimbulkan GGL induksi diri sebesar 1 V. Bayu Adipura

Page | 5

Medan Magnetik Induktansi diri pada selenoida dan toroida memenuhi persamaan :

Li  Dimana

 AN2 l

  r . o

 o  4 .10 7 Wb / A m

dan

ENERGI DALAM KUMPARAN / INDUKTOR Energi dalam induktor tersimpan dalam bentuk medan magnetik dan besar enrgi yang tersimpan dalam induktor memenuhi persamaan :

W Dengan,

1 LI2 2

L = Induktansi diri kumparan (H) I = arus yang mengalisr dalam kumparan (A)

INDUKTANSI SILANG DALAM KUMPARAN Induktansi silang (M) yang disebut juga induktansi bolak-balik adalah induktansi timbal balik antara kumparan primer dan kumparan skunder. Perubahan arus listrik yang mengalir pada kumparan primer akan menghasilkan GGL induksi pada kumparan skunder sehingga pada kumparan skunder akan timbul arus induksi begitu juga sebaliknya, arus listrik berubah-ubah yang terjadi pada kumparan skunder akan kembali menimbulkan GGL induksi pada kumparan primer. Jadi besar induktansi pada masing-masing kumparan memenuhi persamaan :

 1  M Dengan,

M

1 2 dI 1 dt

dI 2 dt

dan

 2  M

dI 1 dt

= Induktansi silang (H) = GGL induksi pada kumparan primer (V) = GGL induksi pada kumparan primer (V) = Perubahan arus pada kumparan primer (A/s)

dI 2 = Perubahan arus pada kumparan primer (A/s) dt

Induktansi silang pada dua buah kumparan memenuhi persamaan :

M Dengan,

Bayu Adipura

 o N1 N 2 A l

M = induktasi silang (H) N1 = Jumlah lilitan primer N2 = Jumlah lilitan skunder A = luas bidang yang dilewati fluks (m2) l = panjang kumparan (m)

Page | 6

Medan Magnetik

Bayu Adipura

Page | 7