MATERI INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
HUKUM FARADAY DAN HUKUM LENZ
- Induksi elektromagnetik
Induksi magnetik merupakan
salah satu cara pembuatan magnet dengan cara mengaliri listrik pada konduktor
untuk membuat medan magnet. Pembuatan medan magnet dengan cara induksi magnetik
dikenalkan pertama kali oleh Hans Christian Oersted dengan pembuktian merubah
arah yang ditunjuk oleh magnet kompas saat didekatkan pada batang konduktor
berarus listrik, sehingga magnet kompas tidak mengarah ke kutub magnet utara
dan selatan melainkan mengarah pada resultan dari medan kutub magnet dan medan
magnet yang dibuat dari batang konduktor berarus listrik.
Prinsip induksi
elektromagnetik ini dipelajari oleh
Michael Faraday dalam mengahasilkan arus listrik dari medan magnetik. Setelah
Oersted berhasil menemukan bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet,
maka Michael Faraday (1791-1867) seorang ilmuwan dari Jerman bertanya-tanya
dapatkah medan magnet menghasilkan arus listrik? Termotivasi hal tersebut,
kemudian Faraday pada tahun 1822 memulai melakukan percobaan-percobaan. Setelah
kurang lebih 9 tahun, barulah ia mendapatkan jawabannya yaitu pada tahun 1831
ia berhasil membangkitkan arus listrik dengan
menggunakan medan magnet.
Jarum galvanometer bergerak menyimpang ketika magnet dimasukkan ke
dalam kumparan dan akan menyimpang ke arah berlawanan ketika magnet tersebut
ditarik keluar dari kumparan. Pada saat magnet bergerak terhadap kumparan, pada
ujung-ujung kumparan timbul tegangan listrik dan pada penghantar timbul arus
listrik. Peristiwa tersebut dinamakan induksi elektromagnetik.
Tegangan yang dihasilkan pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL)
induksi dan arus listrik yang dihasilkan disebut arus induksi.
2. Fluks
magnetik
Kuat medan
magnetik dinyatakan dengan lambang B yang disebut dengan induksi magnet, induksi magnetik
menyatakan kerapatan garis gaya magnet. Sedangkan fluks magnetik
menyatakan banyaknya jumlah garis gaya yang menembus permukaan bidang secara
tegak lurus, yang dapat dinyatakan dalam persamaan, sebagai berikut.
Dalam hal ini , fluks magnetik didefinisikan sebagai pekalian
medan magnetik B dengan luasan A yang dibatasi oleh rangkaiannya :
Karena
medan magnetik sebanding dengan jumlah garis medan magnetik per satuan luas,
fluks magnetik tersebut sebanding dengan jumlah garis yang melalui luasan
tersebut .
Jika medan
magnetik tidak tegak lurus terhadap permukaannya, seperti pada gambar b , fluks
magnetik didefinisikan sebagai ,
Φ = fluks magnetik (Wb =
weber)
B = induksi magnet (T atau WB.m-2)
A = luas permukaan bidang (m2)
θ = sudut yang dibentuk antara arah
B dengan garis normal (radian atau derajat)
3.
GGL(Gaya Gerak Listrik) induksi
Istilah GGL Induksi sering kita dengar dalam metode Induksi Elektromagnetik
dengan menggerakkan batang magnet dalam kumparan. Ketika kutub utara batang
magnet digerakkan masuk kedalam kumparan, maka jumlah garis-garis gaya magnet
yang terdapat pada kumparan akan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis
gaya pada ujung-ujung kumparan inilah yang dinamakan Gaya Gerak Listrik (GGL)
Induksi. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL
Induksi. Namun, jarum galvanometer yang dihubungkan pada kumparan hanya
bergerak saat magnet digerakkan keluar masuk kumparan. Sehingga Arus listrik
hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan,
maka di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.
Faktor yang Mempengaruhi Besar GGL Induksi :
a.
Kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya
magnet.
b. Jumlah lilitan kumparan.
c. Medan magnet.
4. Hukum Faraday
Telah kita ketahui bahwa sebuah atau GGL akan mengalirkan arus
listrik melalui suatu rangkaian tertutup. jika arus listrik mengalir didalam
suatu rangkaian, disekitar arus tersebut akan timbul fluks magnet.
dari percobaan yang dilakukan faraday, diketahui bahwa GGL hasil
induksi bergantung pada laju perubahan fluks magnet yang melalui suatu
rangkaian. kesimpulan ini disebut hukum faraday, yang berbuyi :
“Ggl
induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan sebanding
dengan laju perubahan
fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop
penghantar atau kumparan tersebut”
5.
Hukum Lenz
Hukum Lenz ditemukan oleh
ilmuwan fisika bernama Friederich Lenz pada tahun 1834. Hukum Lenz merupakan
hukum fisika yang memberikan pernyataan tentang GGL (Gaya Gerak Listrik)
Induksi. Hukum ini menjelaskan arah arus induksi akibat adanya GGL induksi tersebut.
Berdasarkan hukum Faraday, perubahan fluks magnetik akan
menyebabkan timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua ujung
kumparan itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan
tertentu, maka akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial
yang terjadi disebut ggl induksi. Faraday pada saat itu baru dapat menghitung
besarnya ggl induksi yang terjadi, tetapi belum menentukan ke mana arah arus induksi
yang timbul pada kumparan. Lenz menyatakan bahwa :
“Jika ggl induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus induksi yang dihasilkan sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik
induksi yang menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha
mempertahankan fluks magnetik totalnya konstan)”
(a) magnet mendekati kumparan, (b) magnet menjauhi kumparan.
Ketika kedudukan magnet dan kumparan diam, tidak ada perubahan
fluks magnet dalam kumparan. Tetapi ketika kutub utara magnet digerakkan
mendekati kumparan, maka timbul perubahan fluks magnetik yang semakin membesar
akibatnya timbul fluks magnetik yang menentang pertambahan fluks magnetik
awal. Oleh sebab itu, arah fluks induksi harus berlawanan dengan fluks
magnetik. sehingga fluks total yang dilingkupi kumparan selalu konstan.
Begitu juga pada saat magnet digerakkan menjauhi kumparan, maka
akan terjadi pengurangan fluks magnetik dalam kumparan, akibatnya pada kumparan
timbul fluks induksi yang menentang pengurangan fluks magnet, sehingga fluks
totalnya selalu konstan.
6.
Aplikasi dalam teknologi
1.
Generator
Generator adalah alat untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik
Prinsip kerja generator ada dua macam, yaitu:
·
Magnet diputar di antara beberapa kumparan.
·
Kumparan diputar di antara kutub-kutub magnet (dalam medan magnet).
2.
Dinamo
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.
3.
Transformator
Transformator merupakan piranti untuk mengubah tegangan ( menaikkan
atau menurunkan) arus bolak – balik tanpa kehilangan daya yang cukup besar.
Dasar timbulnya GGL induksi adalah karena adanya perubahan fluks magnetik yang
menembus kumparan. Untuk menimbulkan perubahan fluks magnetik ini, kita dapat
membangkitkannya dengan mengalirkan arus listrik yang berubah setiap saat.
Prinsip seperti ini digunakan pada transformator (trafo).
Transformator terdiri atas dua kumparan
kawat yakni kumparan primer dan kumparan sekunder yang mengelilingi inti besi
yang berhubungan. Fungsi inti besi ini adalah untuk meningkatkan medan
magnetik untuk arus yang diketahui dan untuk mengarahkan medan magnetik
ini agar seluruh fluks magnetic yang melalui suatu kumparan masuk melalui
kumparan lain.
Kumparan primer dihubungkan dengan sumber
tegangan arus bolak-balik. Sedangkan kumparan sekunder menghasilkan tegangan
keluaran (output). Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber
tegangan maka pada kumparan akan mengalir arus listrik. Arus listrik ini akan
menyebabkan timbulnya medan magnetik induksi. Arus yang mengalir pada kumparan
adalah arus bolak-balik yang harganya selalu berubah sehingga medan magnetik
yang timbul akan selalu berubah seiring dengan perubahan arus pada kumparan
primer.
Medan magnetik selalu diteruskan oleh
teras kumparan sehingga kumparan sekunder akan ditembus oleh medan magnetik
yang berubah. Akibatnya, pada ujung-ujung kumparan sekunder timbul GGL induksi.
Jika jumlah lilitan kumparan primer adalah Np dan jumlah lilitan
kumparan sekunder adalah Ns maka berlaku hubungan:
Keterangan:
Np : jumlah lilitan primer
Ns : jumlah lilitan sekunder
Vp : tegangan primer (input)
Vs : tegangan sekunder (output)
Ip : arus primer
Is : arus sekunder
Jika Ns lebih besar
daripada Np dan tegangan pada kumparan sekunder lebih tinggi daripada tegangan
pada kumparan primer maka transformator ini disebut transformator penaik
tegangan ( Step Up). Jika Ns lebih kecil daripada Np dan tegangan pada kumparan
sekunder lebih kecil daripada tegangan pada kumparan primer maka transformator
ini disebut transformator penurun tegangan ( Step Down).
