Mempelajari induksi elektromagnetik tidak lepas dari pembahasan di bab sebelumnya, yakni listrik dan magnet. Diawali dengan penemuan oleh Hans Christian Oested bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnetik, ilmuwan lain diantaranya Faraday dan Lenz melalui eksperimen menemukan bahwa medan magnetik juga menghasilkan arus listrik. Sehingga hari ini kita semakin memahami bahwa listrik dan magnet saling berhubungan.
Seperti dijelaskan oleh hukum Faraday dan Lenz, perubahan medan magnet yang memasuki kumparan menyebabkan munculnya gaya gerak listrik (ggl) induksi. Ggl induksi ini kemudian disebut induksi elektromagnetik.
Prinsip kerja induksi elektromagnetik banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari salah satunya pada alat detektor logam baik di mall, di bandara, maupun yang banyak digunakan para pencari harta karun loh. Untuk itu, mari kita simak pembahasan berikut ini ya!
Daftar Isi
Pengertian Induksi Elektromagnetik
Induksi elektromagnetik adalah gejala munculnya gaya gerak listrik (ggl) induksi pada suatu penghantar atau konduktor akibat adanya perubahan fluks magnetik sehingga menimbulkan arus induksi.
Secara matematis, ggl induksi dapat dinyatakan dengan:
Dimana:
ε = tegangan / ggl (V)
N = banyak lilitan
dф /dt = laju perubahan fluks magnetik atau perubahan fluks magnetik tiap waktu yang berlangsung sangat cepat (Wb /s )
Δф = Perubahan fluks (Wb)
Δt = rentang waktu (S)
Tanda minus menyatakan arah berdasarkan hukum lenz
Dengan Fluks magnetik adalah :
ф = B.A.Cosθ
B = Medan magnet (T)
A = Luas penampang
θ = sudut antara medan magnet dan normal bidang
Induksi elektromagnetik muncul akibat perubahan fluks magnetik seperti disebutkan oleh hukum Faraday-Lenz, sedangkan akibatnya perbedaan potensial pada penghantar dengan hambatan tertentu menghasilkan arus listrik seperti dijelaskan hukum ohm. Nilai arus yang muncul di dalam rangkaian dapat kita cari menggunakan hukum ohm.
Rumus GGL Induksi Elektromagnetik
Seperti di sebutkan diatas, ggl akan muncul apabila terjadi perubahan fluks magnetik. Ada beberapa cara untuk mengubah nilai fluks magnetik, yakni:
Baca juga: Materi Listrik Statis
Mengubah Nilai Medan Magnet
Perubahan nilai medan magnet (B) akan mengakibatkan perubahan fluks magnet sehingga akan muncul ggl induksi dengan arah melawan medan magnet penyebab. Secara matematis, perubahannya akan menjadi:
Dimana:
ε = tegangan / ggl (V)
N = banyak lilitan
ΔB = Perubahan medan magnet (T)
Δt = rentang waktu (S)
A = Luas penampang
θ = sudut antara medan magnet dan normal bidang
Mengubah Luasan yang Dimasuki Medan Magnet
Mengubah luasan bidang kumparan yang dimasuki medan magnet salah satunya dapat dengan cara membuat rel pada kawat sehingga kawat dapat bergerak lurus. Akibatnya akan muncul gaya Lorentz sesuai dengan kaidah tangan kanan yang kita pelajari sebelumnya. Dapat kita ambil kesimpulan, arah gaya Lorentz akan berlawanan dengan arah gerak kawat.
Karenanya pada kasus seperti itu, ggl induksi dapat diketahui dengan persamaan berikut:
Dimana:
ε = tegangan / ggl (V)
N = jumlah lilitan kawat, pada gambar N = 1
B = Medan magnet / induksi magnetik (T)
L = panjang kawat atau batang konduktor (m)
v = kecepatan batang konduktor bergerak (m/s)
θ = sudut antara medan magnet dan normal bidang, khusus pada kasus rel kawat sudut selalu saling tegak lurus. Akibatnya sin θ = 1.
Sehingga secara khusus rumus ggl dapat dinyatakan dengan:
ε = – Blv
Tanda negative menunjukkan berlakunya hukum lenz, dimana arah induksi elektromagnetik berlawanan dengan arah penyebab terbeknya induksi.
Pada gambar diatas, arah arus induksi pada batang dapat ditentukan dengan menerapkan hukum lenz.
Mengubah Sudut Antara Medan Magnet dan Normal Bidang
Salah satu alat elektronik yang memanfaatkan ggl induksi ini adalah generator dan motor listrik.
Akibatnya, nilai ggl menjadi:
Jika perubahan sudut berlangsung sangat cepat dan terus menerus seperti yang terjadi pada generator, akibatnya rumus ggl menjadi pada generator menjadi:
Dimana:
ε = tegangan / ggl (V)
N = banyak lilitan
B = medan magnet (T)
A = Luas penampang
θ = sudut antara medan magnet dan normal bidang
ω = kecepatan sudut atau frekuensi sudut (rad / s)
t = waktu (s)
Induktansi Diri
Selain mengubah sudut induksi ggl juga akan muncul dalam diri induktor ketika ia mengalami perubahan arus sehingga memunculkan induksi magnet. Fluks magnetik yang melalui kumparan dibandingkan nilai arus memunculkan suatu konstanta yang disebut induktansi diri (L). Satuan internasional dari induktansi diri adalah henry (H). Dengan nilai 1 H adalah weber per ampere.
L = induktansi diri (H)
N = jumlah lilitan
Φ = fluks magnet (wb)
I = Arus listrik (A)
Nilai induktansi diri tegak lurus terhadap bentuk geometri kumparan tersebut.
μ = permeabilitas ruang di dalam kumparan (vakum dan udara 4π x 10^(-7) )
N = jumlah lilitan
A = luas penampang
l = panjang kumparan
Induktansi diri didefinisikan sebagai kemampuan suatu induktor dalam menghasilkan ggl induktansi diri dari perubahan arus listrik yang terjadi di dalam induktor.
Induktor
Induktor adalah nama lain untuk selenoida atau kumparan. Setiap induktor memiliki nilai induktansi diri.
Hukum Henry
Joseph Henry, seorang fisikawan asal amerika, menjelaskan tentang perubahan arus listrik terhadap ggl induksi. Hukum henry berbunyi besar ggl induksi yang timbul sebanding dengan laju perubahan arus terhadap waktu.
Induktansi Silang
Induktansi silang disebut juga induktansi bersama. Induktansi silang muncul apabila ada dua induktor yang berdekatan, apabila salah satunya dialiri arus listrik sehingga menimbulkan arus induksi pada kumparan lainnya. Kumparan sumber kemudian disebut kumparan primer sedangkan kumparan lainnya disebut kumparan sekunder. Salah satu alat elektronik yang memanfaatkan teori induktansi silang adalah trafo atau transformator.
N1 = jumlah lilitan pada kumparan 1
N2 = jumlah lilitan pada kumparan 2
Energi Dalam Induktor
Energi yang disimpan dalam suatu induktor yang menyalurkan arus I adalah
L = induktansi diri (H)
I = Arus listrik (A)
Aplikasi Induksi Elektromagnetik
Generator dan Motor Listrik
Generator atau yang kita kenal sebagai genset adalah salah satu alat elektronik yang memanfaatkan prinsip kerja induksi elektromagnetik. Dengan memanfaatkan magnet permanen dan memutar kumparan atau induktor generator dapat menghasilkan arus induksi. Generator banyak digunakan di mall atau rumah sakit sebagai pembangkit listrik cadangan ketika terjadi pemadaman listrik dari PLN. Secara umum generator terbagi menjadi generator arus AC dan arus DC.
Transformator
Trafo atau transformator juga merupakan salah satu alat yang memanfaatkan prinsip kerja induksi elektromagnetik. Khususnya induktansi silang, hal ini disebabkan trafo terdiri dari dua kumparan yang terletak saling berdekatan. Arus masuk melalui kumparan primer menuju kumparan sekunder. Dalam kehidupan sehari-hari trafo berfungsi untuk menstabilkan arus yang masuk ke rumah-rumah dari PLN atau arus yang memasuki alat elektronik tertentu. Secara umum trafo terbagi dua yakni trafo step-up dan trafo step-down.
Alat Detektor Logam
Seperti trafo, alat detektor logam juga memanfaatkan prinsip induktansi silang. Detektor logam terdiri dari dua kumparan yang orientasi arahnya saling tegak lurus. Arus bolak balik dialirkan ke salah satu kumparan (biasanya yang lebih besar) sehingga akan muncul medan magnet yang besarnya berubah-ubah. Karena kumparan kedua berada dalam posisi tegak lurus terhadap kumparan pertama maka tidak akan ada medan magnet yang memasuki kumparan kedua.
Namun, jika disekitar tempat itu terdapat logam, maka perubahan medan magnet dari kumparan besar akan menghasilkan arus pada logam. Arus yang memasuki logam menghasilkan medan magnet pada kumparan kecil sehingga akan muncul arus induksi pada kumparan yang lebih kecil.
Umumnya, kumparan kecil akan dihubungkan pada alarm bunyi, sehingga ketika ada logam disekitar alat detektor logam, alarm akan berbunyi akibat munculnya arus induksi.
Soal Induksi Elektromagnetik
- SPMB 2007
Pembahasan:
Jawaban: (D) 4 x 10^-5 A
2. SBMPTN 2011
Pembahasan:
Diketahui:
L = 700 mH
i1 = 200 mA
i2 = 80 mA
Δi = -120 mA
Δt = 0,02 s = 20 ms
maka:
ε = – L .Δi / Δt
ε = 700.10^-3.120/20 = 4200.10^-3 V
Jawaban: (D) 4,2 V
Baca juga: Induksi Magnet: Pembahasan Serta Contoh Soal
Pemahaman Akhir
Dalam pembahasan mengenai induksi elektromagnetik, kita dapat memahami bahwa fenomena ini muncul ketika terjadi perubahan fluks magnetik pada suatu penghantar atau konduktor, yang menghasilkan gaya gerak listrik (ggl) induksi. Proses ini tidak terlepas dari penemuan dan kontribusi ilmuwan seperti Hans Christian Oersted, Michael Faraday, dan Heinrich Lenz, yang menemukan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnetik, dan sebaliknya, medan magnetik juga dapat menghasilkan arus listrik.
Rumus induksi elektromagnetik menjadi kunci dalam memahami gejala ini secara matematis, yang melibatkan konsep tegangan atau ggl (ε), banyaknya lilitan kumparan (N), perubahan fluks magnetik (dФ/dt), serta luas penampang dan medan magnet (B). Arah ggl induksi ini diatur oleh hukum Lenz, yang menyatakan bahwa arah arus induksi selalu berlawanan dengan arah perubahan fluks magnetik penyebabnya.
Prinsip kerja induksi elektromagnetik ini memiliki banyak aplikasi dalam kehidupan sehari-hari, salah satunya adalah pada alat detektor logam, yang digunakan di mal, bandara, dan oleh para pencari harta karun. Selain itu, prinsip ini juga digunakan pada generator dan motor listrik, serta transformator. Generator memanfaatkan induksi elektromagnetik untuk menghasilkan arus listrik, sedangkan transformator memanfaatkan induktansi silang untuk menstabilkan arus listrik dan memindahkan daya listrik antar kumparan primer dan sekunder.
Pemahaman mengenai induksi elektromagnetik dan penerapannya dalam berbagai alat dan teknologi menjadi penting bagi para guru fisika untuk memberikan pengetahuan yang mendalam dan aplikatif kepada siswa-siswinya. Dengan memahami konsep ini, siswa dapat mengerti lebih dalam tentang keterkaitan antara listrik dan magnet serta aplikasinya dalam teknologi modern.
Itu dia pembahasan mengenai induksi elektromagnetik beserta contoh soalnya yang muncul di SBMPTN. Ada yang ingin kamu diskusikan? tulis di kolom komentar ya!
Sumber :
Abdullah, Mikrajuddin. 2006. Fisika SMA dan MA untuk Kelas XII Semester I. Jakarta : Erlangga.
Indrajit, Dudi. 2009. Mudah dan Aktif Belajar Fisika Untuk Kelas XII. Jakarta : Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional
Tipler, Paul. 1998. Fisika Untuk Teknik Dan Sains. Jil 2 Edisi 3. Jakarta : Erlangga.
Komentar