INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
A. Konsep Induksi Elektromagnetik
Pada awalnya Christian Oerstead menemukan bahwasannya
di sekitar kawat yang dialiri arus listrik terdapat medan magnetik.
Singkatnya arus listrik yang mengalir pada kawat akan
menimbulkan medan magnetik.Kemudian setelah Oerstead
muncullah Michael Faraday, yang menemukan magnet dapat
menghasilkan arus listrik.
1. Konsep fluks Magnetik
Fluks magnetik = sejumlah garis medan magnetik yang memotong tegak lurus suatu bidang. Atau dengan kata lain, Fluks magnetik = sebagai hasil kali antara komponen induksi magnetik tegak lurus bidang B ⊥ dengan bidang luas A.
Contoh :
Medan magnetik yang besarnya 0,8 T berarah ke sumbu X.
Sebuah kumparan sekunder dengan panjang sisi 5 cm memiliki
satu lilitan dan membuat sudut θ terhadap sumbu Z seperti
ditunjukkan pada gambar di atas.
Tentukan fluks magnetik kumparan ketika :
a) θ = 0°
b) θ = 37°
c) θ = 53°
d) sin θ = 5 /13
Pembahasan :
Bagian a)
Bagian b )
Bagian c )
Bagian d )
Kita sedikit bermain – main dengan trigonometri
Maka besar fluks ketika sin θ = 5 / 13
2. GGL Induksi Pada kawat Memotong Medan Magnetik
Saat magnet batang mendekati kumparan, spontan garis – garis gaya magnet memotong kumparan. Saat itu pula dihasilkan arus listrik, dibuktikan dengan bergesernya jarum galvanometer ke arah kanan.
Saat magnet batang diam di dalam kumparan, tidak ada garis gaya magnet yang memotong kumparan. Terlihat tidak ada aliran arus listrik, terbukti dengan jarum galvanometer menunjukkan angka nol.
Saat magnet batang menjauhi kumparan, menimbulkan garis gaya magnet memotong kumparan kembali. Sehingga arus listrik mengalir, dibuktikan dengan penyimpangan jarum galvanometer ke arah kiri.
Arus listrik yang dihasilkan dalam ketiga gambar di atas disebut arus listrik induksi. Dan sementara yang kita ketahui arus listrik ditimbulkan akibat terdapatnya bedapotensial. Dalam konsep induksi elektromagnet ini, bedapotensial disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.
a. Arah arus induksi
Saat loop PQRS ditarik keluar dengan gaya F dan dengan kecepatan v.
Maka akan dihasilkan arus listrik. Dengan arahnya berbeda – beda pada
setiap sisinya. Namun dari gambar 3 di atas, terlihat semua besaran baik medan magnet B , arus listrik I , dan gaya F semua saling tegak lurus.
b. Perumusan besar GGL Induksi
Analisis gambar 3. Tatkala loop PQRS ditarik keluar dengan
gaya F dengan kecepatan v dan memotong tegak lurus medan
magnet B. Gerakkan ini menimbulkan arus induksi I dalam loop
kawat. Khusus kawat PQ dengan panjang l, akan bekerja gaya
magnetik yang disebabkan oleh medan magnetik B.
Arah arus dalam kawat PQ tegak lurus medan magnetik sehingga
θ = 90°dan karena sin 90°=1 , maka persamaan (3) dapat kita tulis
dengan singkat.
dimana :
Jika kita gunakan kaidah tangan kanan pada kawat PQ,
dengan mengarahkan ibu jari sesuai dengan arah arus listrik (I)
dari titik Q ke P. Lalu mengarahkan keempat jari lain yang dirapatkan
sebagai arah Medan Magnetik B (dari kutub Utara ke kutub Selatan).
Akan mendapati gaya dorong ke kanan sesuai dengan kaidah tangan
kanan. Hal ini menyatakan bahwa gaya magnetik F berarah ke kanan
sehingga cenderung melawah arah gerak loop ke kiri.
Untuk menjaga agar loop kawat bergerak dengan laju tetap ke kiri,
gaya Lorentz harus diseimbangkan dengan gaya luar
(FLuar ) yang besarnya sama namun arahnya berbeda (ke kiri).
Gaya tarikkan ke kiri ( gaya luar) akan menghasilkan usaha W,
selama ∆t akan menempuh jarak ∆s
Maka kita subsitusikan ke persamaan (5) :
Energi per muatan yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus
dalam loop kawat disebut dengan gaya gerak listrik (GGL) dan
dinotasikan dengan (ε).
Dimana :
Jumlah muatan yang melewati setiap titik dalam rangkaian selama selang waktu adalah
Maka energi total untuk menggerakkan muatan :
Kita subsitusikan persamaan 8) ke dalam persamaan 9)
Kemudian kita subsitusikan persamaan 10) ke dalam persamaan (6)
Terlihat dari persamaan 11), ggl listrik berbanding lurus
dengan :
· Panjang kawat penghantar
· Besar induksi magnetik
· Kecepatan kawat penghantar
Secara umum persamaan 11) dapat dinyatakan dengan :
Contoh :
Kawat berbentuk U dengan hambatan R = 10Ω dan kawat ab
panjangnya l = 10 cm yang dapat digerakkan dan di letakkan
dalam medan magnet B = 0,1T ( dengan arah B masuk bidang
kertas). Jika kawat ab digerakkan ke kanan, timbul arus induksi
1,5 x 10 – 2 A dalam kawat ab.
a) Berapa besar kecepatan gerak kawat tersebut
b) Potensial manakah yang lebih tinggi (a atau b )
Pembahasan :
Hambatan listrik, R = 10 ohm
Besar Induksi Medan magnetik, B = 0,1 T
Kuat arus listrik melalui ab, I = 1,5 x 10 – 2 A
Panjang penghantar ab, l = 0,1 m
Bagian a)
Bagian b)
Dengan menggunakan kaidah tangan kanan:
Di dalam kawat ab, arus mengalir dari b ke a.
Di luar kawat ab, arah arus mengalir dari a ke b melalui
hambatan R. Dengan demikian,
potensial a lebih tinggi dari pada b.
Contoh :
Sebuah kereta api melaju ke arah utara dengan kecepatan
72 km/jam. Jika komponen vertikal ke bawah medan magnet
bumi adalah 8 x 10 – 4 T. Tentukan besar dan arah GGL yang
terinduksi pada poros gerbong sepanjang 1,5 meter.
Pembahasan :
Dik :
Kecepatan, v = 72 km/jam = 20 m/s ke Utara
Medan magnetik, B = 8 x 10 – 4 T searah gravitasi bumi.
Panjang lintasan, l = 1,5 meter
Dit : ggl induksi,
Penyelesaian :
