INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
PENDAHULUAN PENDAHULUAN
Dalam pembahasan mengenai medan magnet telah dijelaskan bahwa : Dalam pembahasan mengenai medan magnet telah dijelaskan bahwa :
-- Arus listrik dapat menghasilkan medan magnetikArus listrik dapat menghasilkan medan magnetik
-- Medan magnetik mengerjakan gaya pada kawat berarus listrik atau pada muatan bergerak.Medan magnetik mengerjakan gaya pada kawat berarus listrik atau pada muatan bergerak. Sekitar abad
ke-Sekitar abad ke-19 kedua pernyataan itu menimbulkan pertanyaan : “19 kedua pernyataan itu menimbulkan pertanyaan : “ jika arus listrik menghasilkan medan jika arus listrik menghasilkan medan megnetik apakah medan magnetik dapat menghasilkan arus listrik ?
megnetik apakah medan magnetik dapat menghasilkan arus listrik ? ”. Melalui serangkaian percobaan,”. Melalui serangkaian percobaan, Michael Faraday (1791-1867)
Michael Faraday (1791-1867) berhasil menunjukkan bahwa sesungguhnya memang arus listrik dapatberhasil menunjukkan bahwa sesungguhnya memang arus listrik dapat dihasilkan dari perubahan medan magnetik. Peristiwa dihasilkannya arus listrik akibat perubahan medan dihasilkan dari perubahan medan magnetik. Peristiwa dihasilkannya arus listrik akibat perubahan medan magnetik ini dinamakan
magnetik ini dinamakan induksi elektromagnetikinduksi elektromagnetik, sedangkan arus yang dihasilkan dari induksi, sedangkan arus yang dihasilkan dari induksi elektrobagnetik dinamakan
elektrobagnetik dinamakanarus induksiarus induksi..
PERCOBAAN FARADAY PERCOBAAN FARADAY
Gambar dibawah melukiskan percobaan yang dilakukan oleh Faraday untuk menunjukkan adanya Gambar dibawah melukiskan percobaan yang dilakukan oleh Faraday untuk menunjukkan adanya peristiwa induksi elektromagnetik.
peristiwa induksi elektromagnetik.
Pada waktu melakukan percoaan ini Faraday melihat beberapa keanehan, yaitu : Pada waktu melakukan percoaan ini Faraday melihat beberapa keanehan, yaitu :
-- Begitu saklar ditutup, jarum galvanometer menyimpang besar sekali. Setelah waktu yang singkatBegitu saklar ditutup, jarum galvanometer menyimpang besar sekali. Setelah waktu yang singkat sekali, jarum galvanometer kembali menunjukkan angka nol,walaupun arus dalam kumparan P sekali, jarum galvanometer kembali menunjukkan angka nol,walaupun arus dalam kumparan P tetap mengalir.
tetap mengalir.
-- Ketika arus sedang mengalir dengan stabil pada kumparan P lalu tiba-tiba saklar dibuka, terlihatKetika 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 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 arah simpangan semula. Simpangan ini juga terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Setelah itu jarum kembali menunjukkan angka nol.
jarum kembali menunjukkan angka nol.
Setelah mengamati lebih teliti lagi, Faraday membuat beberapa kesimpulan, diantaranya : Setelah mengamati lebih teliti lagi, Faraday membuat beberapa kesimpulan, diantaranya :
-- Perubahan medan megnetik yang memasuki suatu kumparan dapat menimbulkan arus padaPerubahan medan megnetik yang memasuki suatu kumparan dapat menimbulkan arus pada kumparan itu.
kumparan itu.
-- Medan magnetik yang besarnya tetap tidak akan menimbulkan arus listrik.Medan magnetik yang besarnya tetap tidak akan menimbulkan arus listrik.
Untuk menopang kesimpulannya bahwa arus listrik disebabkan oleh perubahan medan magnetik, Untuk menopang kesimpulannya bahwa arus listrik disebabkan oleh perubahan medan magnetik, Faraday melakukan percobaan lebih lanjut seperti gambar berikut :
Faraday melakukan percobaan lebih lanjut seperti gambar berikut : a)
a) Batang magnet diam Batang magnet diam terhadap kumparan. Ternyata jarum galvanometer tidak terhadap kumparan. Ternyata jarum galvanometer tidak bergerak. Inibergerak. Ini menunjukkan bahwa tidak ada arus yang mengalir.
menunjukkan bahwa tidak ada arus yang mengalir. Sumber Sumber Tegangan Tegangan Galvanometer Galvanometer P P Q Q Saklar Saklar G G
b) Batang magnet digerakkan mendekati kumparan dengan kecepatan v. Ternyata jarum galvanometer menyimpang.
c) Batang magnet diletakkan didekat kumparan. Jarum galvanometer kembali diam.
d) Batang magnet digerakkan menjauhi kumparan. Ternyata jarum galvanometer kembali bergerak tapi arah simpangannya berlawanan dengan arah simpangan ketika magnet digerakkan mendekati kumpatan.
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 ak an 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.
G
G G
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 sebandingdengan 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 fluksmagnetik . 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
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 :
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 :
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).
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X G X X X X X X Gambar : a Gambar : b
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 :
t
NBA
sin
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 :
p p s s p s I V I V P P
Perbandingan arus pada trafo dapat dinyatakan sebagai berikut :
s p p s N N I I
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:
dt dI L
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.
Induktansi diri pada selenoida dan toroida memenuhi persamaan : l N A Li 2
Dimana r . o dan
Wb
A
m
o 4 .10 /
7
ENERGI DALAM KUMPARAN / INDUKTOR
Energi dalam induktor tersimpan dalam bentuk medan magnetik dan besar enrgi yang tersimpan dalam induktor memenuhi persamaan :
2 2 1 I L W
Dengan, 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 :
dt dI M 2 1 dan dt dI M 1 2
Dengan, M = Induktansi silang (H)
1
= GGL induksi pada kumparan primer (V) 2
= GGL induksi pada kumparan primer (V)
dt dI
1 = Perubahan arus pada kumparan primer (A/s)
dt dI
2 = Perubahan arus pada kumparan primer (A/s)
Induktansi silang pada dua buah kumparan memenuhi persamaan :
l A N N M o 1 2
Dengan, M = induktasi silang (H) N = Jumlah lilitan primer
