Pada pembahasan kali ini, kita akan mempelajari mengenai hukum yang mendasari banyak komponen listrik disekitar kita, yakni hukum Faraday Lenz. Namun sebelum memahami hukum Faraday mari kita pahami terlebih dahulu mengenai apa itu medan magnet serta fluks magnetik.
Medan magnet adalah daerah yang dipengaruhi magnet. Entah medan magnet tersebut dihasilkan oleh sumber magnet seperti magnet batang, maupun dihasilkan arus listrik seperti yang dipelajari dalam induksi magnet. Dalam banyak percobaan hubungan antara listrik dan magnet terbukti semakin erat dan berkaitan. Beberapa diantaranya adalah percobaan yang dilakukan oleh Faraday dan Lenz. Mari kita simak materinya berikut ini.
Daftar Isi
Fluks Magnet
Fluks magnetik berhubungan erat dengan jumlah garis medan magnet. Fluks magnetik (ф) didefinisikan sebagai perkalian medan magnetik B dengan luasan A yang dibatasi rangkaian tertentu.
Baca juga: Materi Listrik Statis
Jika medan magnetik tidak tegak lurus terhadap permukaannya maka definisi fluks magnet dapat didefinisikan sebagai berikut :
ф = B.A.Cosθ
Dimana :
B = medan magnetik (T)
A = luasan rangkaian (m2)
θ = sudut antara B dan A
ф = fluks magnet (Weber (WB ))
Sedangkan jika medan magnetik tegak lurus terhadap luasan, maka fluks magnetik dapat dicari dengan formula sebagai berikut :
ф = B.A
Bunyi Hukum Faraday
Michael Faraday (1971-1867) adalah seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, meski dia tidak banyak mengenyam pendidikan formal, Faraday menjadi salah satu ilmuwan yang berpengaruh di bidang fisika dan kimia. Faraday bahkan dijuluki bapak listrik. Setelah Oersted menemukan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet (induksi magnetik), Faraday dan ilmuwan lainnya melakukan berbagai eksperimen.
Salah satu eksperimem Faraday yakni dengan menggunakan sebuah magnet dan sebuah kumparan yang dihubungkan ke galvometer. Galvanometer adalah alat yang biasa digunakan untuk mengukur ada tidaknya arus listrik.
Pada awalnya, magnet diletakkan berjauhan dari kumparan sehingga tidak ada pengaruh antara magnet, kumparan, dan galvometer. Jarum pada galvometer tetap menunjukan angka 0. Ketika magnet bergerak menuju masuk ke dalam kumparan, jarum pada galvometer mulai bergerak menyimpang ke arah kanan.
Pada saat magnet didiamkan di dalam kumparan, jarum pada galvometer bergerak kembali ke posisi 0 dan diam. Tapi ketika magnet ditarik menjauhi kumparan, jarum pada galvanometer kembali bergerak berlawanan arah yakni ke kiri.
Pada saat magnet didiamkan kembali, jarum pada galvometer kembali ke posisi awal, yakni menunjuk angka 0. Ketika magnet digerakkan jarum pada galvanometer bergerak, sedangkan ketika magnet diam tidak ada perubahan apapun pada Galvanometer.
Demikian juga apabila yang bergerak adalah selenoida, dan magnet pada posisi tetap. Jarum pada galvometer akan menunjukan reaksi dengan cara yang sama bergerak ketika selenoida bergerak, dan diam ketika selenoida diam meskipun magnet berada di dalamnya.
Dari percobaan tersebut, Faraday menyimpulkan bahwa gaya gerak listrik (tegangan) akan muncul jika ada perubahan medan magnet, dan semakin cepat perubahan medan magnet semakin besar pula gaya gerak listrik yang diinduksi oleh kumparan tersebut.
Kemudian, Faraday juga mencoba melilitkan dua gulungan kawat (kumparan atau selenoida) di sekitar cincin besi. Dia menemukan bahwa, ketika dia melewatkan arus melalui satu selenoida, arus sesaat diinduksi dalam kumparan yang lainnya. Jika dia memindahkan magnet melalui kumparan, arus listrik mengalir di kawat itu. Arus juga muncul jika kumparan digerakkan di atas magnet.
Berdasarkan percobaan tersebut, Michael Faraday menyimpulkan dua pernyataan yang juga sering disebut dengan Hukum Induksi Elektromagnetik Faraday 1 dan Hukum Induksi Elektromagnetik Faraday 2 sebagai berikut :
Hukum Faraday 1
Setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik (GGL) induksi pada kumparan tersebut.
Hukum Faraday 2
Besarnya GGL induksi di dalam rangkaian berbanding lurus dengan kecepatan perubahan fluks terhadap waktu.
Kedua hukum Faraday tersebut berhubungan dan dapat kita ringkas menjadi satu pernyataan yaitu :
Setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik (GGL) Induksi atau induksi elektromagnet yang besarnya sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik.
dф /dt = laju perubahan fluks magnetik atau perubahan fluks magnetik tiap waktu (Wb /s )
N = jumlah lilitan kawat
ε = tegangan / ggl (V)
Bunyi Hukum Lenz
Kemudian, Heinrich Friedrich Emil Lenz pada 1834 melalukan percobaan dan menemukan kesimpulan mengenai arah medan magnet akibat GGL induksi. Beliau menyatakan hukum Lenz, yaitu :
“Gaya Gerak Listrik atau GGL induksi menimbulkan arus yang arah medan magnetnya berlawanan dengan arah asal perubahan fluks”.
Pemanfaatan Hukum Faraday-Lenz
Bukan tanpa sebab Faraday disebut bapak listrik, penemuan hukum Faraday ini kemudian menjadi dasar dari prinsip kerja banyak alat elektronik seperti :
- Induktor
- Transformator
- Generator listrik dan
- Motor Listrik
Contoh Soal Hukum Faraday-Lenz
- Soal SPMB 2005
Pembahasan :
ф = B.A
maka
ф1 / ф2 = B1.A1 / B2.A2
ф1 / ф2 = B1.A1 / B2.A2
Jawaban : C
- Soal SBMPTN 2007
Pembahasan :
Sedangkan untuk arah, kita menggunakan kaidah tangan kanan. Jika medan magnet menembus bidang maka arah arus searah dengan jarum jam.
Baca juga: Materi Kapasitor
Jawaban : D
Pemahaman Akhir
Hukum Faraday-Lenz yang merupakan hukum yang mendasari banyak komponen listrik di sekitar kita. Hukum Faraday-Lenz menghubungkan fluks magnetik dengan perubahan medan magnet dan arus listrik yang diinduksi. Fluks magnetik didefinisikan sebagai perkalian medan magnet dengan luas rangkaian tertentu, dan bisa dihitung menggunakan rumus ф = B.A.Cosθ jika medan magnetik tidak tegak lurus terhadap permukaannya, atau menggunakan rumus ф = B.A jika medan magnetik tegak lurus terhadap luasan.
Hukum Faraday-Lenz pertama menyatakan bahwa setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik (GGL) induksi pada kumparan tersebut. Hukum Faraday-Lenz kedua menyatakan bahwa besarnya GGL induksi di dalam rangkaian berbanding lurus dengan kecepatan perubahan fluks magnetik. Kedua hukum tersebut dapat disatukan menjadi pernyataan bahwa setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan GGL induksi yang besarnya sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik.
Hukum Lenz menyatakan bahwa GGL induksi akan menimbulkan arus yang arah medan magnetnya berlawanan dengan arah asal perubahan fluks. Hal ini berarti bahwa ketika fluks magnetik berubah, arus yang diinduksi akan berusaha untuk menghasilkan medan magnet yang berlawanan dengan perubahan fluks tersebut.
Hukum Faraday-Lenz memiliki banyak penerapan dalam teknologi listrik, seperti pada induktor, transformator, generator listrik, dan motor listrik. Penerapan hukum ini memungkinkan penggunaan alat-alat elektronik yang kita manfaatkan sehari-hari.
Dalam memahami hukum Faraday-Lenz, kita juga harus mengerti konsep fluks magnetik, perubahan medan magnet, serta arah dan besarannya. Oleh karena itu, pemahaman akan hukum ini sangat penting dalam memahami berbagai perangkat dan sistem listrik.
Itulah pembahasan mengenai hukum Faraday-Lenz dan pengaruhnya pada materi induksi elektromagnet. Ada yang ingin kamu diskusikan? Komen di bawah ya!
Sumber :
Tipler jilid 3 untuk Sains dan Teknik
