Induksi Elektromagnetik

Kompetensi

Standar Kompetensi:

• Menerapkan konsep kelistrikan dan kemagnetan dalam berbagai penyelesaian masalah dan produk teknologi

Kompetensi Dasar:

• Memformulasikan konsep induksi Faraday dan arus bolak-balik serta penerapannya

Indikator:

• Mendeskripsikan prinsip Faraday berdasarkan pengamatan
• Memformulasikan fluks magnet yang menembus bidang
• Mengidentifikasi faktor-faktor yang berpengaruh pada ggl induksi
• Merumuskan hukum Faraday untuk bidang permukaan yang memotong tegak lurus medan magnet
• Memformulasikan ggl induksi pada generator
• Mendeskripsikan penerapan prinsip Faraday dalam teknologi seperti generator dan transformator

Materi

Pengantar

Temuan Oersted tentang magnet yang disebabkan adanya arus listrik memberi inspirasi adanya implikasi sebaliknya.

Yaitu kemungkinan akibat timbal balik dimana medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Berdasarkan hipotesisi ini, Faraday menemukan dan membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik yang dikenal dengan arus induksi.

Temuan Faraday memungkinkan diproduksinya sumber energi listrik yang sebelumnya masih terbatas pada sumber arus searah seperti elemen volta, batere, dan akumulator. Faraday telah membuka gerbang baru produksi energi

Pada tahun 1820, Oersted telah menemukan gejala kemagnetan akibat adanya arus listrik. Di sekitar arus listrik timbul medan magnet. Temuan ini bermula dari berubahnya arah jarum kompas ketika berada di sekitar arus listrik.

Temuan Oersted mendorong Faraday untuk membuat hipotesis sebaliknya yang menyatakan bahwa arus listrik dapat dihasilkan oleh adanya medan magnet.

Pada tahun 1831 Fararay melakukan percobaan dan berhasil membuktikan hipotesisnya itu sehingga memberikan dampak yang luar biasa sampai saat ini, yaitu produksi listrik yang dilakukan secara massal sehingga bermanfaat bagi kehidupan manusia. Energi listrik dapat diproduksi dengan generator dan ditransmisikan ke tempat yang jauh dengan bantuan transformator yang dapat menaikan atau menurunkan tegangan listrik AC.

Percobaan Faraday

Pada tahun 1831 di Inggris, Michael Faraday melakukan percobaan untuk menunjukkan bahwa arus listrik dapat dihasilkan oleh suatu perubahan medan magnet. Simulasi percobaan Faraday tersaji sebagai berikut.

Contoh 1

Contoh 2

Hasil percobaan Faraday adalah sebagai berikut

1. Arus listrik terjadi ketika magnet bergerak mendekat atau menjauh dan tidak terjadi ketika magnet dalam keadaan diam
2. Gerakan magnet mendekat dan menjauh menimbulkan perubahan medan magnet. Dengan demikian arus listrik yang terjadi karena adanya perubahan medan magnet
3. Makin cepat perubahan medan magnet terjadi, arus yang timbul semakin besar. Ini artinya kecepatan perubahan fluks magnetik mempengaruhi besar kecil arus listrik
4. Arus dan beda potensial akibat perubahan fluks magnetik dinamikan arus dan tegangan induksi
5. Gejala timbulnya arus dan tegangan akibat perubahan fluks magnetik dikenal dengan induksi elektromagnetik

Fluks Magnetik

Konsep fluks magnetik menunjukan banyaknya jumlah garis gaya magnetik yang menembus permukaan tertentu secara tegak lurus. Jika luas bidang dinyatakan dengan A dan kuat medan magnet dinyatakan dengan B, maka fluks magnetik dinyatakan dengan:

sudut antara arah medan magnet B dengan garis normal bidang.

Rumusan fluks magnetik dapat dinyatakan dengan

dengan   merupakan sudut antara arah B dengan bidang yang ditembusnya 

Perhatikan gambar berikut!

Fluks magnetik yang menembus bidang BCEF adalah:

karena luas bidang yang ditembus tegak lurus oleh medan magnet adalah luas ADEF.

Contoh soal:

Jika B = 20 tesla, maka

1. Fluks magnetik yang menembus bidang ABF adalah nol, karena (B sejajar bidang) atau

2. Fluks magnetik yang menembus bidang DCE adalah nol, karena  (B sejajar bidang) atau

3. Fluks yang menembus bidang ABCD adalah nol, karena   (B sejajar bidang) atau 

4. Fluks yang menembus bidang BCEF sama dengan fluks yang menembus bidang ADEF, yaitu
 = 20 x (0,15 x 0,20) = 0,6 weber.

Perhatikan gambar berikut

Induksi Elektomagnetik

Hukum Faraday menyatakan bahwa besar ggl (gaya gerak listrik) induksi pada suatu kumparan bergantung pada jumlah lilitan dan kecepatanperubahan fluks magnetik.

GGL induksi dinyatakan dengan rumus:

  = besar ggl (gaya gerak listrik)

N = jumlah lilitan

Untuk menyatakan arah arus induksi, Lenz menyatakan bahwa ggl induksi yang timbul karena merupakan perlawanan terhadap perubahan fluks yang terjadi sehingga harus diberi tanda negatif.

Dengan demikian persamaan GGL induksi menjadi

dinamakan kecepatan perubahan fluks magnetik dengan satuan weber/

Selanjutnya perubahan fluks dapat dilakukan dengan berbagai cara, yaitu:

1. Mengubah besar medan magnet B seperti pada transformator, solenoida atau toroida, sehingga persamaan ggl induksi menjadi:

N = jumlah lilitan
A = luas penampang kumparan

= sudut antara medan magnet dengan normal permukaan kumparan

=  perubahan medan magnet

Perubahan medan magnet B pada transformator karena perubahan arus listrik yang melewati

kumparan primer. Akibatnya timbul ggl induksi pada kumparan sekunder.

Contoh soal:

Medan magnet B = (2t - t²) tesla, menembus tegak lurus bidang kumparan yang memiliki 1000 lilitan dan luas penampang 10 cm².
Berapa bedar ggl induksi pada saat t=10 s?

Jawab:

Diketahui:

A = 10 cm² = 10 x 10^-4m²

B = (2t - t²) tesla

N = 1000

t = 10 s

Oleh karena B tegak lurus bidang, maka  dan  , sehingga 

 

2. Mengubah besar luas penampang seperti gambar berikut , sehingga persamaan ggl induksi menjadi:

Ketika kawat PQ yang panjangnya  bergerak ke kanan sejauh ds, maka perubahan luas penampang yang terjadi  . Sudut antara medan magnet dengan luas penampang adalah  atau  . Dengan demikian persamaan ggl induksi menjadi

= besar ggl (volt)
N = jumlah lilitan

  = panjang kawat (m)

v = kecepatan gerak kawat (m/s)

Contoh soal:

Perhatikan kawat berikut bergerak ke kanan dengan kecepatan 5 m/s.

Jika panjang kawat 10 cm, kuat medan magnet 100 tesla:
a. Berapa ggl yang terjadi pada kawat?
b. Ujung mana yang potensialnya lebih tinggi?

Jawab:

Diketahui:

v = 5 m/s

l = 10 cm = 0,1 m

B = 100 tesla

a. Besar ggl induksi:

(tanda negatif dihilangkan untuk menghitung besar ggl)

Arah arus diperoleh dengan menggunakan aturan tangan kiri seperti gambar:

Sementara itu arah gaya Lorentz (F) pada kawat ke kiri ketika bergerak ke kanan sesuai hukum Lenz yang menyatakan timbul reaksi berlawanan arah akibat adanya perubahan medan magnet.

Memutar kumparan dengan kecepatan sudut  seperti terjadi pada generator, sehingga persamaan ggl induksi menjadi:

N = jumlah lilitan
B = kuat medan magnet
A = luas penampang kumparan

w = kecepatan putaran

Contoh Soal:

Sebuah generator dengan kumparan 5000 lilitan dan luas penampang 100 cm². Kumparan berputar dengan frekuensi 50 Hz. Generator menggunakan magnet dengan kuat medan 1000 tesla. Berapa besal ggl maksimum generator?

Jawab:

Diketahui:

N = 5000

A = 100 cm² = 0,01 m²

f = 50 Hz 

B = 1000 tesla

Generator

Generator adalah perangkat yang dikembangkan berdasarkan prinsip induksi Faraday yang dapat menghasilkan arus dan tegangan listrik. Animasi generator diperlihatkan pada gambar berikut.

Untuk menggerakan kumparan generator, digunakan berbagai cara misalnya dengan mesin, air terjun, tenaga angin, bahkan dengan uap air yang berasal dari reaktor nuklir. Dengan demikian dikenal berbagai pembangkit tenaga listrik seperti PLTD, PLTA, PLTU, PLTN, dan PLTP.

Besar ggl yang dihasilkan genertor bergantung pada:

1. Besar penampang kumparan
2. Jumlah lilitan kumparan
3. Kuat medan magnet, dan

4. Kecepatan putaran turbin

Sesuai dengan persamaan ggl induksi

Tranformator

Transformator adalah perangkat yang dapat menaikan atau menurunkan (step up dan step down) tegangan dan arus listrik bolak balik. Transformator menggunakan prinsip induksi Faraday dengan skema seperti gambar di samping.

Berbagai bentuk transformator dapat kita jumpai, mulai transformator (trafo mini) untuk charger hand phone hingga trafo yang besar di gardu induk PLN.

Perbandingan antara tegangan primer dan sekunder dan efisiensi transformator adalah sebagai berikut.

Ns = jumlah lilitan sekunder
Np = jumlah lilitan primer
 = ggl pada kumparan sekunder

  = ggl pada kumparan primer

 = efisiensi transormator

P_s = daya keluaran kumparan sekunder
P_p = daya keluaran kumparan primer

Pada trafo ideal, besar daya keluaran sama dengan daya masukan sehingga tidak ada energi yang terbuang.
Dengan demikian berlaku:

i_s = arus masukan
i_p = arus keluaran

Contoh soal:

Sebuah trafo dengan kumparan primer dan sekunder masing-masing 1000 lilitan dan 500 lilitan digunakan untuk mengisi batere. Arus yang masuk dalam batere ketika mengisi adalah 2 A. Jika efisiensi trafo 80%, berapa arus yang masuk ke kumparan primer?

Jawab:

Diketahui:

Np = 1000
Ns = 200
is = 2 A
 = 80%

Simulasi