Lab Elektronika Industri
Fisika 2
BAB 6
INDUKSI ELEKTROMAGNET 1. GGL INDUKSI Pada Bab 5 telah dibicarakan bahwa arus yang mengalir pada penghantar akan menimbulkan medan magnet. Setelah itu para ilmuwan juga menemukan bahwa medan magnet juga bisa menimbulkan arus listrik. Fenomena ini ditemukan oleh Joseph Henry dan Michael Faraday secara terpisah. Bentuk eksperimen Faraday seperti gambar berikut:
Rangkaian kiri menggunakan baterai yang dihubungkan ke kumparan X. Jika arus dialirkan dengan menutup saklar, arus listrik akan mengalir ke kumparan sehingga menimbulkan medan magnet. Medan magnet tersebut akan jauh diperkuat dengan adanya inti besi berbentuk cincin. Pada sisi inti cincin lainnya dililitkan kumparan Y yang dihubungkan pada galvanometer untuk mendeteksi apabila muncul arus pada kumparan Y. Faraday berharap bahwa jika saklar ditutup, arus akan mengalir dikumparan X dan menimbulkan medan magner pada inti besi. Medan magnet ini juga akan dirasakan juga oleh kumparan Y sehingga arus listrik akan muncul dari kumparan Y dan jarum galvanometer akan meyimpang. Tetapi itu tidak terjadi! Tetapi setelah beberapa kali melakukan eksperiman, Faraday menemukan bahwa jarum galvanometer menyimpang ke kanan tepat ketika saklar ditutup. Beberapa saat setelah saklar ditutup, jarum galvanometer kembali ke tengah. Dan lagi jarum galvanometer menyimpang ke kiri tepat pada saat saklar dibuka. Beberapa saat setelah saklar terbuka, jarum kembali lagi ke tengah. Kesimpulan dari percobaan ini adalah pada kumparan Y akan muncul arus listrik jika ada perubahan medan magnet. Dan arus listrik pada kumparan Y tidak akan muncul jika medan magnetnya konstan. Arus listrik pada kumparan Y yang terjadi karena ada perubahan medan magnet disebut arus induksi. Adanya perubahan medan magnet dikumparan Y terjadi arus listrik yang seolah-olah terjadi terdapat sumber gaya gerak listrik (ggl). Lebih lanjut Faraday melakukan percobaan dengan hanya satu kumparan yang dihubungkan ke galvanometer. Selanjutnya diambil magnet permanen yang digerakkan cepat mendekat ke kumparan. Dan ternyatan jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Sebaliknya jika magnet permanen digerakkan cepat menjauh dari kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Dan jarum galvanometer tidak meyimpang ke mana pun jika magnet permanen tidak bergerak. Hal yang sama juga terjadi jika sekarang magnet permanen diam tetapi kumparan yang digerakkan mendekat maupun menjauh dengan cepat, jarum galvanometer akan menyimpang. Dan jika kumparan tidak bergerak terhadap magnet permanen, jarum galvanometer tidak meyimpang. T Iwan B Pratama
1
Teknik Industri UAJY
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
Kesimpulannya adalah ggl induksi akan timbul pada kumparan jika terjadi perubahan medan magnet pada kumparan tersebut.
2. HUKUM FARADAY DAN LENZ Faraday menemukan bahwa besarnya ggl induksi yang terjadi sebanding dengan kecepatan perubahan medan magnet. Jika besar medan magnet dapat dinyatkan dengan kerapatan garis gaya magnet, maka banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu luasan tertentu dinyatakan sebagai fluks magnetik, ФB. Jadi
Φ B = B⊥ A = BA cosθ B⊥ adalah komponen medan magnet B yang tegak lurus permukaan kumparan. θ adalah sudut antara B dengan garis yang tegak lurus permukaan kumparan. A adalah luas permukaan kumparan. Dengan kata lain ФB akan sebanding dengan jumlah garis medan magnet yang menembus luas permukaan kumparan. Satuan ФB = tesla.meter2 = weber. Jika fluks yang melalui kumparan kawat dengan N lilitan berubah sebesar ∆ФB dalam waktu ∆t, maka besarnya ggl induksi yang terjadi adalah
∆Φ B E = −N ∆t
T Iwan B Pratama
Dikenal induksi.
dengan
HUKUM
FARADAY
tentang
Tanda minus digunakan untuk menunjukkan arah ggl induksi yang terjadi.
2
Teknik Industri UAJY
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
Selain itu HUKUM LENZ sbb: GGL induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetnya berlawanan dengan asal perubahan fluks. Jika ggl induksi terjadi, akan timbul arus pada kumparan. Arus yang terbentuk pada kumparan hasil induksi pada gilirannya akan menimbulkan medan magnet sendiri. Medan magnet ini akan melawan perubahan medan magnet yang menyebabkan timbulnya ggl induksi tersebut. Ggl induksi terjadi karena adanya perubahan fluks magnet. Sehingga bisa dipahami bahwa untuk membangkitkan ggl induksi bisa dilakukan dengan beberapa cara: 1. mengubah besar medan magnet, B. 2. mengubah luas permukaan kumparan, A. 3. mengubah sudut antara arah garis gaya megnet dengan arah tegak lurus permukaan kumparan, θ. 4. gabungan dari ketiga hal di atas.
3. GGL INDUKSI KONDUKTOR BERGERAK Ggl induksi juga terjadi pada konduktor yang bergerak seperti gambar berikut. Anggap terdapat medan magnet B tegak lurus permukaan yang dibatasi oleh konduktor berbentuk U. Pada konduktor dipasang konduktor lain yang dapat bergerak. Jika batang konduktor digerakkan dengan kecepatan v, maka selama waktu ∆t akan menempuh jarak ∆x = v.∆t. Luas kumparan akan bertambah sebesar ∆A = l.∆x = l v.∆t. Ggl induksi yang terbentuk adalah
E =
∆Φ B B ∆A Blv ∆t = = Blv = ∆t ∆t ∆t
Persamaan itu benar jika B, l dan v saling tegak lurus (jika tidak, hanya komponen B, l dan v yang tegak lurus yang digunakan). Induksi semacam ini juga sering disebut ggl gerak.
4. PERUBAHAN FLUKS MENIMBULKAN MEDAN LISTRIK Suatu partikel bermuatan (elektron atau proton) yang bergerak dengan kecepatan v dan melalui medan magnet B akan mengalami gaya F = qvB. Pada kasus gambar di atas, ketika batang penghantar bergerak ke kanan dengan kecepatan v, elektron-elektron dalam batang penghantar juga akan bergerak dengan kecepatan yang sama. Sehingga setiap elektron dalam penghantar juga akan mengalami gaya yang sama sebesar F = qvB. Pada gambar di atas, gaya akan mengarah ke atas. Apabila batang penghantar tidak bersinggungan dengan penghantar U, maka elektron-elektron pada batang penghantar akan terkumpul di ujung atas batang. Dengan demikian ujung atas batang akan mempunyai potensial negatif sedang ujung bawah batang akan mempunyai potensial positif.
T Iwan B Pratama
3
Teknik Industri UAJY
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
Jika batang penghantar bersinggungan dengan penghantar U, maka akan terjadi aliran elektron pada penghantar U. Sehingga akan muncul arus listrik yang searah jarum jam (konvensional) pada penghantar U. Karena adanya gaya yang terjadi pada partikel bermuatan, hal menunjukkan terjadi medan listrik pada batang penghantar yang besarnya,
F=
F qvB = = vB q q
Atau dapat disimpulkan bahwa: Perubahan fluks magnet menimbulkan medan listrik. Hal ini tidak hanya terjadi pada konduktor saja, tetapi juga terjadi pada setiap tempat dalam ruang, medan listrik akan timbul pada setiap tempat yang mengalami perubahan medan magnet.
5. GENERATOR LISTRIK Penerapan Hukum Faraday yang paling penting adalah generator listrik atau dinamo. Generator listrik mengubah energi mekanik (gerak) menjadi energi listrik. Ini adalah kebalikan dari cara kerja motor listrik.
Generator listrik menggunakan kumparan (loop) yang dililitkan pada inti besi (angker) dan dapat berputar pada poros di dalam medan magnet seragam B. Misalnya ditinjau satu loop abcd dari kumparan. Pada lintasan bc dan da, gaya yang bekerja pada elektron-elektron mengarah ke pinggir kawat, bukannya di sepanjang kawat. Jadi ggl induksi hanya timbul pada lintasan ab dan cd. Dengan kaidah tangan kanan, arah arus yang timbul pada lintasan atas (ab) adalah dari a ke b. Dan pada lintasan (cd) bawah, arah arus dari c ke d. Jadi akan timbul arus kontinyu yang bolak-balik pada ujung-ujung kawa. Besarnya ggl induksi pada lintasan ab adalah
E = Blv⊥ dimana, l = panjang ab dan v ⊥ = v sinθ , θ = sudut antara permukaan dengan garis vertikal. Ggl pada lintasan cd memiliki besar dan arah yang sama. Jika jumlah loop kumparan terdapat N lilitan, maka
T Iwan B Pratama
4
Teknik Industri UAJY
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
E = 2NBlv sinθ Jika kumparan berputar dengan kecepatan sudut tetap sebesar ω, maka θ = ωt. Dan υ = ωr = ω(h/2), dimana h adalah panjang lintasan bc. Jadi
E = 2 NBlω ( h ) sinωt 2 E = NBA ω sinωt dimana A = lh = luas loop. Dan persamaan ini tetap berlaku untuk berbagai bentuk loop.
T Iwan B Pratama
5
Teknik Industri UAJY
