INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Induksi elektromagnetik adalah fenomena fisika di mana perubahan medan magnet dalam suatu area dapat menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) atau tegangan pada konduktor (seperti kawat penghantar) yang berada dalam area tersebut. Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday pada tahun 1831 dan menjadi dasar bagi banyak alat listrik dan teknologi modern, seperti generator, motor, dan transformator.

A. Dasar Kerja Alat-Alat Induksi Elektromagnetik Beserta Rumusnya

Alat-alat induksi elektromagnetik bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Michael Faraday. Prinsip ini menyatakan bahwa perubahan medan magnet yang terjadi dalam suatu kawat penghantar akan menghasilkan arus listrik. Fenomena ini terjadi karena adanya perubahan fluks magnetik yang melintasi kawat penghantar, yang kemudian memicu tegangan induksi.

Berikut adalah dasar kerja dari alat-alat induksi elektromagnetik beserta rumus-rumus yaitu sebagai berikut :

1. Induksi Elektromagnetik (Hukum Faraday)

Hukum Faraday menyatakan bahwa gaya gerak listrik (GGL) induksi yang dihasilkan dalam sebuah loop kawat penghantar sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang melintasi loop tersebut. Secara matematis :

Dimana :

- ε adalah GGL induksi (dalam volt).

- adalah fluks magnetik (dalam weber, Wb).

- adalah laju perubahan fluks magnetik.

Fluks magnetik didefinisikan sebagai :

Dimana :

- B adalah induksi magnetik atau kekuatan medan magnet (dalam tesla, T).

- A adalah luas area loop (dalam meter persegi, m²).

- θ adalah sudut antara arah medan magnet dan normal terhadap loop.

2. Hukum Lenz

Hukum Lenz menyatakan bahwa arah GGL induksi selalu berlawanan dengan perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya, yaitu berusaha untuk mengurangi perubahan fluks yang terjadi. Hal ini tercermin dalam tanda negatif pada rumus Faraday.

3. GGL Induksi dalam Motor Induksi

Dalam motor induksi, perubahan fluks magnetik yang terjadi di dalam stator akibat arus bolak-balik (AC) menghasilkan medan magnet yang berputar. Hal ini menyebabkan arus induksi di rotor dan menciptakan gaya lorentz yang menghasilkan gerakan mekanik. Rumus dasar yang berlaku adalah :

T = k ⋅ I ⋅ B ⋅ A

Dimana :

- T adalah torsi yang dihasilkan (dalam newton-meter, Nm).

- 𝑘adalah konstanta motor.

- 𝐼adalah arus yang mengalir melalui rotor.

- 𝐵adalah medan magnet.

- 𝐴adalah luas area yang terkena medan magnet.

4. Transformator

Transformator adalah alat yang memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik untuk mengubah tegangan dan arus dalam suatu rangkaian listrik AC. Prinsip kerja transformator dapat dijelaskan dengan rumus berikut :

V1

V2

=

^N_N¹₂

Dimana :

- V1 dan V2 adalah tegangan pada kumparan primer dan sekunder (dalam volt).

- N1 dan N2 adalah jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder.

Selain itu, untuk transformator ideal :

P

1

= P

2

atau V

1

. I

1

= V

2

. I

2

Dimana :

- P1 dan P2 adalah daya pada kumparan primer dan sekunder.

- I1 dan I2 adalah arus pada kumparan primer dan sekunder.

5. Alat Induksi Elektromagnetik Lainnya

 Induktor (Kumparan)

Alat ini menggunakan prinsip induksi untuk menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Nilai induktansi 𝐿dari induktor dihitung dengan rumus :

Dimana :

- N adalah jumlah lilitan.

- μ adalah permeabilitas material inti.

- A adalah luas penampang inti.

- l adalah panjang inti.

B. Induksi Elektromagnetik pada Transformator

Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tingkat tegangan dalam arus bolak-balik (AC) dengan memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik. Prinsip kerja transformator sangat bergantung pada hukum induksi Faraday, yang menyatakan bahwa perubahan fluks magnetik yang melintasi kumparan akan menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) atau tegangan induksi.

 Bagian-Bagian Transformator

1. Kumparan Primer (Primary Coil)

Kumparan primer adalah kawat yang menerima energi listrik dari sumber listrik.

Arus bolak-balik (AC) mengalir melalui kumparan primer ini, menciptakan medan magnet yang berfluktuasi.

2. Kumparan Sekunder (Secondary Coil)

Kumparan sekunder adalah kawat yang menerima energi dari medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan primer. Pada kumparan sekunder, fluks magnetik yang berubah akan menghasilkan GGL induksi, yang kemudian menghasilkan tegangan sekunder.

3. Inti Besi (Core)

Inti besi biasanya terbuat dari bahan ferromagnetik (seperti besi) yang memiliki permeabilitas tinggi. Inti ini berfungsi untuk mengarahkan medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan primer ke kumparan sekunder. Inti besi biasanya dibagi menjadi lapisan tipis untuk mengurangi kerugian akibat arus eddy.

4. Isolator atau Kulkas (Insulation)

Bagian isolator berfungsi untuk mencegah terjadinya hubungan arus pendek antara kumparan primer dan sekunder serta memberikan perlindungan keselamatan.

5. Bungkus atau Rangka (Tank)

Bagian luar transformator yang berfungsi sebagai pelindung dan tempat untuk menempatkan minyak atau gas sebagai media pendingin untuk menjaga suhu kerja transformator.

 Prinsip Kerja Transformator

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Ketika arus bolak-balik mengalir melalui kumparan primer, medan magnet yang berubah akan dihasilkan.

Medan magnet ini akan menginduksi GGL pada kumparan sekunder, yang menghasilkan arus dan tegangan listrik pada sisi sekunder.

Proses lebih rinci dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Pembangkitan Medan Magnet

Ketika arus bolak-balik mengalir melalui kumparan primer, arus tersebut menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah (karena sifat arus AC). Medan magnet ini berputar dan melintasi inti besi transformator.

2. Induksi pada Kumparan Sekunder

Perubahan fluks magnetik yang melintasi kumparan sekunder menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan sekunder, sesuai dengan hukum Faraday.

GGL induksi ini menghasilkan tegangan sekunder.

3. Hubungan Tegangan dan Jumlah Lilitan

Tegangan yang diinduksi pada kumparan sekunder berbanding lurus dengan rasio jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder, yang dijelaskan oleh rumus berikut :

V1

V2

=

^N_N¹₂

Dimana :

- V1 dan V2 adalah tegangan pada kumparan primer dan sekunder.

- N1 dan N2 adalah jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder.

Rasio antara tegangan primer dan sekunder sebanding dengan rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan.

4. Konservasi Daya

Pada transformator ideal, daya yang masuk (daya primer) akan sama dengan daya yang keluar (daya sekunder), yaitu :

P

1

= P

2

atau V

1

. I

1

= V

2

. I

2

Dimana :

- P1 dan P2 adalah daya pada kumparan primer dan sekunder.

- I1 dan I2 adalah arus pada kumparan primer dan sekunder.

 Jenis-Jenis Transformator 1. Transformator Step-Up

- Fungsi : Meningkatkan tegangan dari sisi primer ke sisi sekunder.

- Jumlah Lilitan : Jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada kumparan primer, sehingga menghasilkan tegangan sekunder yang lebih tinggi daripada tegangan primer.

- Contoh Penggunaan : Digunakan di pembangkit listrik untuk meningkatkan tegangan agar dapat ditransmisikan jarak jauh.

2. Transformator Step-Down

- Fungsi : Menurunkan tegangan dari sisi primer ke sisi sekunder.

- Jumlah Lilitan : Jumlah lilitan kumparan sekunder lebih sedikit daripada kumparan primer, sehingga menghasilkan tegangan sekunder yang lebih rendah dari tegangan primer.

- Contoh Penggunaan : Digunakan di rumah atau pabrik untuk menurunkan tegangan listrik dari saluran distribusi menjadi tegangan yang lebih aman dan lebih rendah.

3. Transformator Isolasi (Isolation Transformer)

- Fungsi : Mengisolasi beban dari sumber listrik untuk tujuan keamanan.

- Kegunaan : Memastikan bahwa ada pemisahan fisik antara sistem sumber listrik dan beban, tanpa perubahan tegangan yang signifikan.

- Contoh Penggunaan : Digunakan untuk melindungi alat elektronik sensitif dan untuk aplikasi medis.

4. Transformator Distribusi

- Fungsi : Mengubah tegangan untuk distribusi listrik dari jaringan transmisi ke konsumen.

- Kegunaan : Menggunakan transformator step-down untuk menurunkan tegangan tinggi ke level yang lebih aman untuk digunakan oleh konsumen.

- Contoh Penggunaan : Digunakan di gardu distribusi listrik di area perkotaan atau pedesaan.

5. Transformator Otomatis

- Fungsi : Memiliki kemampuan untuk mengubah rasio tegangan primer dan sekunder secara otomatis, tergantung pada beban.

- Kegunaan : Digunakan dalam aplikasi di mana tegangan yang diperlukan bervariasi dengan kondisi beban.

- Contoh Penggunaan : Digunakan dalam aplikasi industri yang membutuhkan fluktuasi tegangan secara otomatis.

 Perbandingan Jumlah Lilitan pada Transformator

Perbandingan jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder transformator berhubungan langsung dengan perbedaan tegangan yang dihasilkan oleh transformator tersebut. Prinsip dasarnya adalah :

V1

V2

=

^N_N¹₂

Dimana :

- V1 adalah tegangan pada kumparan primer.

- V2 adalah tegangan pada kumparan sekunder.

- N1 adalah jumlah lilitan pada kumparan primer - N2 adalah jumlah lilitan pada kumparan sekunder.

Rumus ini menunjukkan hubungan berikut :

1. Transformator Step-Up (Peningkatan Tegangan)

Jika jumlah lilitan pada kumparan sekunder lebih banyak daripada kumparan primer (N2 > N1), tegangan pada kumparan sekunder (V2) akan lebih tinggi daripada tegangan pada kumparan primer (V1). Dengan kata lain, jumlah lilitan yang lebih banyak pada kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi.

2. Transformator Step-Down (Penurunan Tegangan)

Jika jumlah lilitan pada kumparan sekunder lebih sedikit daripada kumparan primer (N2 > N1), tegangan pada kumparan sekunder (V2) akan lebih rendah daripada

tegangan pada kumparan primer (V1). Artinya, jumlah lilitan yang lebih sedikit pada kumparan sekunder akan menghasilkan tegangan yang lebih rendah.

 Pemanfaatan Transformator dalam Kehidupan Sehari-hari 1. Distribusi Listrik

Pada gardu listrik, transformator step-up digunakan untuk meningkatkan tegangan agar efisien dalam transmisi jarak jauh, sementara transformator step-down digunakan untuk menurunkan tegangan agar aman untuk digunakan di rumah.

2. Peralatan Elektronik

Charger ponsel umumnya menggunakan transformator kecil untuk menurunkan tegangan dari 220V ke 5V yang dibutuhkan untuk pengisian baterai.

3. Alat-Alat Medis

Mesin rontgen menggunakan transformator step-up untuk menghasilkan tegangan tinggi yang diperlukan untuk menghasilkan sinar-X.

4. Pemanas Listrik (Electric Heaters)

Pemanas air listrik atau pemanas ruangan menggunakan transformator untuk menyesuaikan tegangan dan menghasilkan energi panas.

5. Lampu Neon dan Lampu Fluoresen

Lampu neon di kantor atau lampu jalan sering kali menggunakan transformator untuk meningkatkan tegangan guna menyalakan tabung gas neon.

6. Induksi dalam Sistem Listrik AC

Mesin-mesin industri besar, seperti motor listrik atau alat pemanas besar, memerlukan transformator untuk menurunkan atau menaikkan tegangan sesuai dengan kebutuhan operasional mereka.

7. Power Supply untuk Alat Elektronik

Power supply pada perangkat audio menggunakan transformator untuk menyesuaikan tegangan dan memberikan pasokan daya yang stabil.

MAKALAH FISIKA

“INDUKSI ELEKTROMAGNETIK”

Dibuat oleh :

KEZIA HAURISSA (IX A)

SMP NEGERI 1 SERAM BARAT