Induksi Elektromagnet

Induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya gaya gerak listrik di dalam suatu kumparan/konduktor bila terdapat perubahan fluks magnetik pada konduktor tersebut atau bila konduktor bergerak relatif melintasi medan magnetik.

1. Gaya Gerak Listrik Induksi / GGL Induksi

Gaya gerak listrik induksi adalah timbulnya gaya gerak listrik di dalam kumparan yang mencakup sejumlah fluks garis gaya medan magnetik, bilamana banyaknya fluks garis gaya itu divariasi. Dengan kata lain, akan timbul gaya gerak listrik di dalam kumparan apabila kumparan itu berada di dalam medan magnetik yang kuat medannya berubah-ubah terhadap waktu.

1.1. Bunyi Hukum Faraday

Konsep gaya gerak listrik pertama kali dikemukakan oleh Michael Faraday, yang melakukan penelitian untuk menentukan faktor yang memengaruhi besarnya ggl yang diinduksi. Dia menemukan bahwa induksi sangat bergantung pada waktu, yaitu semakin cepat terjadinya perubahan medan magnetik, ggl yang diinduksi semakin besar. Di sisi lain, ggl tidak sebanding dengan laju perubahan medan magnetik B, tetapi sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik, Φ_B, yang bergerak melintasi loop seluas A, yang secara matematis fluks magnetik tersebut dinyatakan sebagai berikut:

Φ = B.A cos θ ....................................................... (1)

Dengan B sama dengan rapat fluks magnetik, yaitu banyaknya fluks garis gaya magnetik per satuan luas penampang yang ditembus garis gaya fluks magnetik tegak lurus, dan θ adalah sudut antara B dengan garis yang tegak lurus permukaan kumparan. Jika permukaan kumparan tegak lurus B, θ = 90^o dan Φ_B = 0, tetapi jika B sejajar terhadap kumparan, θ = 0^o, sehingga:

Φ_B = B.A................................................................. (2)

Hal ini terlihat pada Gambar 1, di mana kumparan berupa bujur sangkar bersisi i seluas A = i². Garis B dapat digambarkan sedemikian rupa sehingga jumlah garis per satuan luas sebanding dengan kuat medan.

Gambar 1. Garis medan magnetik yang menembus luas permukaan A.

Jadi, fluks Φ_B dapat dianggap sebanding dengan jumlah garis yang melewati kumparan. Besarnya fluks magnetik dinyatakan dalam satuan weber (Wb) yang setara dengan tesla.meter² (1Wb = 1 T.m²).

Dari definisi fluks tersebut, dapat dinyatakan bahwa jika fluks yang melalui loop kawat penghantar dengan N lilitan berubah sebesar Φ_B dalam waktu aktu Δt, maka besarnya ggl induksi adalah:

Yang dikenal dengan Hukum Induksi Faraday, yang berbunyi: 

“gaya gerak listrik (ggl) induksi yang timbul antara ujung-ujung suatu loop penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut”. 

Tanda negatif pada persamaan (6.3) menunjukkan arah ggl induksi. Apabila perubahan fluks (ΔΦ) terjadi dalam waktu singkat (Δt → 0), maka ggl induksi menjadi:

dengan:

ε = ggl induksi (volt)

N = banyaknya lilitan kumparan

ΔΦ_B = perubahan fluks magnetik (weber)

Δt = selang waktu (s)

1.2. Bunyi Hukum Lenz

Apabila ggl induksi dihubungkan dengan suatu rangkaian tertutup dengan hambatan tertentu, maka mengalirlah arus listrik. Arus ini dinamakan dengan arus induksi. Arus induksi dan ggl induksi hanya ada selama perubahan fluks magnetik terjadi.

Hukum Lenz menjelaskan mengenai arus induksi, yangberarti bahwa hukum tersebut berlaku hanya kepada rangkaian penghantar yang tertutup. Hukum ini dinyatakan oleh Heinrich Friedrich Lenz (1804 - 1865), yang sebenarnya merupakan suatu bentuk hukum kekekalan energi. Hukum Lenz menyatakan bahwa:

“ggl induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetnya berlawanan dengan asal perubahan fluks”.

Perubahan fluks akan menginduksi ggl yang menimbulkan arus di dalam kumparan, dan arus induksi ini membangkitkan medan magnetnya sendiri.

Gambar 2. Penerapan Hukum Lenz pada arah arus induksi.

Gambar 2. menunjukkan penerapan Hukum Lenz pada arah arus induksi. Pada Gambar 2(a) dan 2(d), magnet diam sehingga tidak ada perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh kumparan. Pada Gambar 2(b) menunjukkan fluks magnetik utama yang menembus kumparan dengan arah ke bawah akan bertambah pada saat kutub utara magnet didekatkan kumparan. Arah induksi pada Gambar 2(c), 2(e), dan 2(f ), juga dapat diketahui dengan menerapkan Hukum Lenz.

Contoh Soal 1 :

Fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu kumparan berkurang dari 0,5 Wb menjadi 0,1 Wb dalam waktu 5 sekon. Kumparan terdiri atas 200 lilitan dengan hambatan 4 Ω. Berapakah kuat arus listrik yang mengalir melalui kumparan?

Penyelesaian:

Diketahui: 

Φ₁ = 0,5 Wb

Φ₂ = 0,1 Wb

N = 200 lilitan

R = 4Ω

Δt = 5 sekon

Ditanya: I ... ?

Pembahasan :

Ggl induksi dihitung dengan persamaan:

tanda (-) menyatakan reaksi atas perubahan fluks, yaitu fluks induksi berlawanan arah dengan fluks magnetik utama. Arus yang mengalir melalui kumparan adalah:

I = ε/R = 16/4 = 4 A

1.3. Faktor Penyebab Timbulnya Gaya Gerak Listrik Induksi

Penyebab utama timbulnya ggl induksi adalah terjadinya perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu loop kawat. Besarnya fluks magnetik telah dinyatakan pada persamaan (1). Dengan demikian, ada tiga faktor penyebab timbulnya ggl pada suatu kumparan, yaitu:

a. perubahan luas bidang kumparan (A),

b. perubahan orientasi sudut kumparan θ terhadap medan,

c. perubahan induksi magnetik.

1.3.1. Gaya Gerak Listrik Akibat Perluasan Kumparan dalam Medan Elektromagnetik

Gambar 3. Perubahan luas kumparan karena pergerakan batang penghantar pada konduktor U.

Gambar 3 memperlihatkan induksi ggl elektromagnetik. Kita asumsikan medan B tegak lurus terhadap permukaan yang dibatasi sebuah konduktor berbentuk U. Sebuah konduktor lain yang dapat bergerak dengan kecepatan v dipasang pada konduktor U. Dalam waktu Δt konduktor yang bergerak tersebut menempuh jarak:

Δx = v.Δt ................................................................. (5)

Sehingga, luas bidang kumparan bertambah sebesar:

ΔA = l . Δx = l .v .Δt .............................................. (6)

Berdasarkan Hukum Faraday, akan timbul ggl induksi yang besarnya dinyatakan dalam persamaan berikut ini.

Dengan substitusi persamaan (6), maka akan diperoleh:

Persamaan (9) hanya berlaku pada keadaan B, l, dan v saling tegak lurus.

Contoh Soal 2 :

Sebuah kawat yang panjangnya 2 m bergerak tegak lurus pada medan magnetik dengan kecepatan 12 m/s, pada ujung-ujung kawat timbul beda potensial 1,8 V. Tentukan besarnya induksi magnetik!

Penyelesaian:

Diketahui: l = 2 m; v = 12 m/s; ε = 1,8 volt

Ditanya: B = ... ?

Pembahasan :

Karena V ⊥ B, maka besar induksi magnetiknya adalah:

ε = B.l.v

1,8 = B × 2 × 12

1,8 = 24 B

B = 1,8/24 = 0,075 T

1.3.2. Gaya Gerak Listrik Induksi Akibat Perubahan Orientasi Sudut Kumparan θ Terhadap Medan Elektromagnetik

Perubahan sudut antara induksi magnetik B dan arah bidang normal dapat menyebabkan timbulnya ggl induksi, yang besarnya dapat ditentukan melalui persamaan (4).

Karena nilai B dan A konstan, maka akan diperoleh:

Jika laju perubahan cos θ tetap, persamaan (10) menjadi:

Dengan θ₁ dan θ₂ masing-masing menyatakan sudut awal dan sudut akhir antara arah normal bidang dengan arah induksi.

1.3.3.  Gaya Gerak Listrik Induksi Akibat Perubahan Induksi Magnetik

Perubahan induksi magnetik juga dapat menimbulkan ggl induksi pada luasan bidang kumparan yang konstan, yang dinyatakan sebagai berikut:

Untuk laju perubahan induksi magnetik tetap, persamaan (12) menjadi:

Contoh Soal 3 :

Medan magnet B = ( ) tesla menembus tegak lurus kumparan seluas 100 cm² yang terdiri atas 50 lilitan dan hambatan kumparan 5 ohm. Berapakah kuat arus induksi maksimum yang timbul pada kumparan?

Penyelesaian:

Diketahui: 

B = 

A = 100 cm² = 10^-2 m²

N= 50

R = 5Ω

Ditanya: I_maksimum = ... ?

Pembahasan :