FISIKA SMABI: Induksi Elektromagnetik

Induksi elektromagnetik adalah proses ketika konduktor yang diletakkan di suatu medan magnet yang bergerak/berubah (atau konduktornya yang digerakkan melewati medan magnet yang diam) menyebabkan terproduksinya voltase disepanjang konduktor. Proses induksi elektromagnetik ini menghasilkan arus listrik.

Gambar. Induksi elektromagnetik
[sumber gambar: http://ck-12.org/]

Michael Faraday merupakan ilmuwan yang menemukan fenomena ini pada tahun 1831 dan James Clerk Maxwell merupakan ilmuwan yang mendeskripsikannya secara matematik sebagai Hukum Induksi Faraday. Nama formal persamaan yang mendefinisikan karakteristik induksi medan elektromagnetik dari fluks magnetik (perubahan pada medan magnet) disebut sebagai Hukum Faraday, yang kemudian digeneralisasikan menjadi persamaan Maxwell-Faraday, satu dari empat persamaan pada teori elektromagnetik oleh James Clerk Maxwell; persamaan ini mendefinisikan hubungan antara perubahan medan listrik dan medan magnet. Selain itu, terdapat Hukum Lorentz yang mendeskripsikan arah dari medan induksi.

Proses induksi elektromagnetik dapat bekerja pula secara kebalikannya, jadi pergerakan arus listrik dapat menghasilkan sebuah medan magnetik. Faktanya, sebuah magnet biasa memiliki medan magnet akibat gerakan individual elektron-elektron dalam atom-atom penyusun magnet; elektron-elektron tersebut bergerak secara seragam sehingga menghasilkan medan magnet uniform.

Induksi elektromagnetik telah diterapkan pada berbagai teknologi seperti komponen-komponen elektrikal: induktor dan transformator, dan alat-alat yang sangat krusial: motor elektrik dan generator.

Rumus Induksi Elektromagnetik

Fluks Magnet

Fluks magnet adalah perubahan pada medan magnet. Fluks magnet dihasilkan dari perkalian antara medan magnet (B) dengan luas bidang (A) yang saling tegak lurus. Fluks magnet dapat dinyatakan dengan

$\phi = BA$

Rumus diatas adalah fluks magnet dimana medan magnetnya tegak lurus dengan luas bidangnya. Jika tidak tegak lurus, tapi membentuk sudut, maka besar fluks magnetnya dikalikan cosinus sudutnya

$\phi = BA \cos \theta$

Hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahwa jika jumlah fluks magnet yang memasuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung-ujung kumparan akan timbul GGL (gaya gerak listrik) induksi. Besarnya GGL induksi ini bergantung pada laju perubahan fluks magnet dan banyaknya lilitan kumparan. GGL induksi tersebut dapat dihitung secara matematis dengan rumus:

$\epsilon = - N (\frac{\Delta \phi}{\Delta t})$

dimana:

$\epsilon$ merupakan GGL induksi (volt);
N merupakan jumlah lilitan kumparan;
$\Delta \phi / \Delta t$ merupakan laju perubahan fluks magnet.

Tanda delta ( $\Delta$ mengungkapkan perubahan. Jadi, ( $\Delta \phi / \Delta t$ ) adalah perubahan fluks magnet terhadap perubahan waktunya, sehingga disebut sebagai laju perubahan fluks.

Hukum Lenz

Hukum Lenz menyatakan bahwa arus induksi akan muncul pada arah yang sedemikian rupa sehingga arah induksi menentang perubahan yang dihasilkan. Jadi, arah arus induksi yang terjadi dalam suatu penghantar menimbulkan medan magnet yang saling bertolak-belakang dengan penyebab perubahan medan magnet tersebut.

Tanda minus pada persamaan Faraday diatas menunjukkan bahwa GGL (\epsilon) yang terbentuk memiliki arah yang bertolak belakang dengan fluks magnet ( $\phi$ ).

Hukum Henry

Hukum Henry menyatakan bahwa apabila arus liktrik yang mengalir pada suatu penghantar berubah terhadap waktu, maka pada penghatar tersebut akan terjadi GGL induksi diri yang dirumuskan dengan

$\epsilon = - L (\frac{dI}{dt})$

di mana:

$\epsilon$ merupakan GGL induksi diri (volt)
L merupakan induktansi diri
dI/dt merupakan besar perubaha arus per satuan waktu (Ampere/sekon)

Induksi diri (L) merupakan besarnya GGL yang terjadi pada suatu kumparan dimana terjadi perubahan arus 1 Ampere setiap 1 detik yang dirumuskan dengan:

$L = \frac{N \phi}{I}$

dimana:

N merupakan jumlah lilitan kumparan
$\phi$ merupakan fluks magnet (Weber)
I merupakan kuat arus (Ampere)

Penerapan Induksi Elektromagnetik

Induksi elektromagnetik sangatlah krusial penerapan fenomena inilah yang mampu menghasilkan listrik (dan sebaliknya) sehingga kita dapat menjalani kehidupan di era modern.

Generator

Generator merupakan alat yang mempu mengubah putaran poros menjadi arus listrik dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Bagian generator yang berputar disebut rotor, dan bagian diam disebut stator. Terdapat dua tipe generator, yaitu generator AC (arus searah) dan generator DC (arus bolak-balik).

Gambar. Prinsip Kerja Generator AC
[sumber gambar: http://macao.communications.museum/]

Dinamo (motor listrik)

Dinamo merupakan alat yang bekerja kebalikan dari generator. Dinamo mampu mengubah arus listrik menjadi putaran poros yang mampu menggerakkan berbagai alat. Nama bagian-bagian dinamo sama seperti generator, begitu pula tipe-tipe dinamo.

Transfomator Listrik (trafo)

Trafo merupakan alat yang mampu mengubah arus listrik dan juga voltasenya. Kegunaan ini sangatlah penting karena sangat dibutuhkan baik dalam pendistribusian listrik maupun dalam berbagai alat elektrik.

Contoh Soal Induksi Elektromagnetik

Contoh Soal 1

Sebuah kumparan dengan jumlah 200 lilitan dalam waktu 0,1 detik menimbulkan perubahan fluks magnet sebesar $3 \times 10^{-4} Wb$ , berapa GGL induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan tersebut?

Pembahasan:

Kita dapat mencari nilai GGL induksinya dengan menggunakan Hukum Faraday:

$\epsilon = N (\frac{\Delta \phi}{\Delta t})$

$\epsilon = (200) (\frac{3 \times 10^{-3} Wb}{0,1 s})$

$\epsilon = 6 Volt$

Tanda minus (jika memakai persamaan sebenarnya) hanya menunjukkan arah arus induksi yang berlawanan dengan fluks magnetnya.

Contoh Soal 2

Sebuah kumparan flat berbentuk persegi memiliki jumlah lilitan sebanyak 5. Kumparan tersebut memiliki sisi sepanjang 0,5 m dan memiliki medan magnet sebesar 0,5 T. Kumparan tegak lurus dengan medan magnet. Medan magnet mengalami kenaikan dari 0,5 T menjadi 1 T dalam 10 sekon. Dengan menggunakan hukum faraday, hitunglah berapa GGL induksi yang timbul.

Pembahasan:

Fluks magnet adalah perubahan pada medan magnet dan dinyatakan dengan:

$\phi = BA$

Medan magnet awal kita simbolkan dengan B1

Medan magnet akhir kita simbolkan dengan B2

Kita dapat mencari nilai GGL induksinya dengan menggunakan Hukum Faraday:

$\epsilon = N (\frac{\Delta \phi}{\Delta t})$

$\epsilon = N (\frac{\phi_2 - \phi_1}{\Delta t})$

$\epsilon = N (\frac{B_2A - B_1A}{\Delta t})$

$\epsilon = N (\frac{A(B_2 - B_1)}{\Delta t})$

$\epsilon = N (\frac{(0,5)^2 (1 - 0,5)}{10})$

$\epsilon = 0,0625 Volt$

FISIKA SMABI

Rabu, 24 Juni 2020

Induksi Elektromagnetik