Induksi Elektromagnetik

Pengertian Induksi Elektromagnetik

Induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya arus listrik pada kawat penghantar karena perubahan magnet/fluks magnetik. Fluks magnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.

Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernama Michael Faraday memiliki gagasan bahwa medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. Pada tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus induksi dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik.

Faktor yang mempengaruhi besar GGL induksi yaitu : (1) Kecepatan perubahan medan magnet, Semakin cepat perubahan medan magnet, maka GGL induksi yang timbul semakin besar. (2) Banyaknya lilitan, Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar. (3) Kekuatan magnet, Semakin kuat gejala kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.

Rumus Induksi Elektromagnetik

1. Fluks Magnetik

Fluks magnet diartikan sebagai perkalian antara medan magnet B dengan luas bidang A yang letakknya tegak lurus dengan induksi magnetnya.

Secara matematis rumus fluks yaitu :

Φ = BA

Jika ada sebuah induksi medan magnet yang membentuk sudut teta dengan garis normal maka besarnya fluks magnet yang dihasilkan yaitu :

Φ = BA cos θ

Φ = Fluks magnet
B = induksi magnet
A = luas bidang
θ = sudut antara arah induksi magnet B dengan arah garis normal bidang

2. Hukum Faraday

Percobaan Michael Faraday

Menurut Faraday “Perubahan medan magnet menimbulkan arus listrik”.

Beberapa cara membuat induksi elektromagnetik, yaitu :

• Menggerakkan keluar-masuk magnet batang ke dalam kumparan
• Memutar magnet ke depan kumparan atau sebaliknya
• Mengalirkan arus AC pada kumparan primer
• Mendekatkan kumparan berarus listrik dengan kumparan lain yang belum berarus

Faraday melakukan percobaan dengan sebuah galvanometer (alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir) dengan skala pada posisi nol. Lalu sebuah magnet batang digerakkan mendekati kumparan kawat dengan kutub utara menghadap pada kumparan, apakah yang terjadi pada jarum galvanometer? Ketika magnet sedang bergerak, jarum galvanometer menyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa suatu arus telah dihasilkan di dalam kumparan tersebut. Jika kita menggerakkan magnet menjauhi kumparan tersebut, maka galvanometer menyimpang lagi dalam arah yang berlawanan. Gejala ini disebut induksi elektromagnetik. Arus listrik yang dihasilkan dinamakan arus induksi. Beda potensial yang menyebabkan adanya arus induksi dinamakan gaya gerak listrik induksi (GGL-Induksi).

Faktor-faktor yang mempengaruhi GGL Induksi adalah

• Jumlah lilitan (N)
• Kecepatan gerak magnet (v)
• Kuat medan magnet (B) dan inti besi lunak

Hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahwa GGL Induksi berbanding lurus dengan laju perubahan fluka magnetik terhadap waktu yang dilalui. Hasil percobaan yang dilakukan oleh faraday menghasilkan sebuah hukum yang berbunyi :

Jika jumlah fluks magnet yang memasuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung-ujung kumparan timbul gaya gerak listrik induksi (ggl induksi)
Besarnya gaya gerak listrik induksi tergantung pada laju perubahan fluks dan banyaknya lilitan

Secara matematis GGL yang dihasilkan dapat ditentukan dengan menggunakan rumus yaitu :

ε = -N (ΔΦ/Δt)

(tanda negatif menunjukkan arah induksi)

Diketahui

ε = ggl induksi (volt)
N = jumlah lilitan
ΔΦ/Δt = laju perubahan fluks magnet

Berdasarkan rumus di atas, untuk membuat perubahan fluks magnet agar menghasilkan GGL Induksi dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu sebagai berikut :

• memperbesar perubahan induksi magnet B
• memperkecil luas bindang A yang ditembus oleh medan magnet
• memperkecil sudut

3. Hukum Lenz

Hukum Lenz menyatakan bahwa arus induksi akan muncul di dalam arah yang sedemikian rupa sehingga arah induksi menentang perubahan yang dihasilkan. Dengan kata lain, arah arus induksi yang terjadi dalam suatu penghantar menimbulkan medan magnet yang menentang penyebab perubahan medan magnet tersebut.
Hukum Lenz adalah akibat alami dari kekekalan energi. Ingatlah contoh pada arus induksi. Perhatikan bahwa arah arus induksi adalah terbalik (searah jarum jam) ketika batang bergerak ke kanan. Untuk jenis arus ini, gaya magnetik yang terbentuk arahnya ke kanan menurut aturan tangan kanan. Ketika gaya magnetik arahnya sama dengan kecepatan awal batang, batang dipercepat. Percepatan ini menambah perubahan fluks dalam rangkaian. Perubahan yang cepat dalam fluks menyebabkan arus induksi yang dihasilkan besar. Hasil tersebut menimbulkan kelebihan energi tanpa menggunakan gaya apapun, tentu saja ini tidak mungkin dan kita dapat menyimpulkan bahwa Hukum Lenz benar secara logika

Berdasarkan gambar di samping

Arah v merupakan arah dari penyebab perubahan
Arah gaya lorentz FL akan selalu berlawanan dengan arah v
Dengan menggunakan aturan tangan kanan, maka diperoleh arah I dari P ke Q

Perubahan GGL Induksi cenderung menghasilkan arus yang akan menghasilkan fluks magnetik yang berlawanan dengan fluks magnetik awal yang dilewati. Dengan kata lain arus induksi menghasilkan fluks yang saling meniadakan. Arus induksi dalam kumparan memenuhi Kaidah Tangan Kanan ke-2, yaitu genggaman tangan kanan menunjukkan arah arus induksi (i) dan ibu jari menunjukkan arah medan magnet (B)

Rumus Hukum Lenz

ε = B. l v

GGL Induksi Diri (Hukum Henry)

Apabila arus yang mengalir pada suatu penghantar berubah setiap waktu maka pada penghantar tersebut akan terjadi GGL Induksi diri dan oleh Josep Henry dirumuskan sebagai berikut :

ε = -L (dI/dt)

Keterangan

ε = ggl induksi diri (volt)
L = induktansi diri
dI/dt = besarnya perubahan arus tiap satuan waktu (A/s)

Induksi diri (L) adalah GGL yang terjadi dalam suatu penghantar dan terjadi perubahan kuat arus 1 A setiap detiknya. Besarnya induksi diri pada sebuah penghantar dirumuskan sebagai berikut :

L = NΦ/I

Keterangan :

L = induktansi diri
N = jumlah lilitan kumparan
Φ = fluks magnet (Wb)
I = kuat arus

4. Hukum Henry

Apapbila arus yang mengalir pada suatu penghantar berubah setiap waktu maka pada penghantar tersebut kan terjai ggl induksi diri dan oleh Josep Henry dirumuskan sebagai:

ε = -L (dI/dt)

Keterangan :

ε = ggl induksi diri (volt)
L = induktansi diri
dI/dt = besarnya perubahan arus tiap satuan waktu (A/s)

Induksi diri (L) adalah ggl yang terjadi dalam suatu penghantar dan terterjadi perubahan kuat arus 1 A setiap detiknya. Besarnya induksi diri pada sebuah penghantar dirumuskan:

L = NΦ/I

Keterangan :

L = induktansi diri
N = jumlah lilitan kumparan
Φ = fluks magnet (Wb)
I = kuat arus

Penerapan Induksi Elektromagnetik

1. Generator (Dinamo)

Fungsinya untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Ada 2 jenis generator yaitu generator DC (arus searah) dan generator AC (arus bolak-balik). Perbedaan keduannya terdapat pada cincinnya. Pada DC cincinnya belah dan pada AC cincin geser. Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap.

Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator DC dapat diubah menjadi generator DC dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah generator AC kumparan berputar di antara kutub-kutub yang tak sejenis dari dua magnet yang saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian generator yang berputar (bergerak) disebut rotor. Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator.

Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 0°), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi. Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90°. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan membentuk sudut 180° kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol. Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270°, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahan-lahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga membentuk sudut 360°.

Generator sebagai pembangkit listrik mampu menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Agar energi listrik yang dihasilkan oleh generator dapat digunakan untuk menyalakan lampu atau menyalakan alat-alat elektronik, tegangannya harus diturunkan dengan sebuah alat yang namanya transformator (trafo).

2. Transformator (Trafo)

Fungsinya untuk mengubah tegangan AC menjadi DC

Jenis transformator, yaitu

• Trafo step up, untuk menaikkan tegangan listrik
• Trafo step down, untuk menurunkan tegangahn listrik

3. Dinamo

Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo DC (arus searah) dan dinamo AC (arus bolak-balik). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor.

Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin).

Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

---

Contoh Soal

1. Sebuah Kumparan dengan Jumlah Lilitan 100 didalam Waktu 0.01 detik, dapat menimbulkan perubahan Fluks Magnet sebesar 10-4 Wb. Berapakah Gaya Gerak Listrik Induksi yang timbul di Ujung – Ujung Kumparan tersebut ?.

Diketahui :

N = 100 Lilitan

dΦ / dt = 10-4 Wb per 0.01 sekon = 10-2 Wb/s.

Jawaban :

ε = -N (dΦ / dt)

ε = – 100 (10-2)

ε = -1 Volt

(Tanda Negatif hanya menunjukkan Arah Arus Induksinya).

Jadi total Gaya Gerak Listrik Induksi Elektromagnet yg diperoleh dari Ujung – Ujung Kumparan tersebut sebesar 1 Volt.

2. Sebuah penghantar lurus panjang dialiri arus listrik sebesar 1,5 A. Sebuah elektron bergerak dengan kecepatan 5 x 104 m/s searah arus dalam penghantar, pada jarak 0,1 m dari penghantar tersebut. Jika muatan elektron ialah -1,6 x 10-19 C, maka besar gaya pada elektron oleh arus dalam penghantar itu ialah ??

Pembahasan :

Diketahui :

I = 1,5 A

v = 5 x 104 m/s

a = 0,1 m

e = -1,6 x 10-19 C

Penyelesaian

Kuat medan magnet:
⇒ B = μo.I
2πa
⇒ B = (4π x 10-7)(1,5)
2π(0,1)
⇒ B = 6 x 10-7
0,2
⇒ B = 3 x 10-6 Wb/m2

Gaya pada elektron:
⇒ F = e.v.B
⇒ F = (1,6 x 10-19)(5 x 104)(3 x 10-6)
⇒ F = 24 x 10-21
⇒ F = 2,4 x 10-20 N

Jadi besar gaya pada elektron oleh arus dalam penghantar yaitu 2,4 x 10-20 N

 Semoga apa yang telah diulas dapat bermanfaat bagi pembaca. Sekian dan terima kasih.

Sumber