Induksi elektromagnetik

Induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya arus listrik pada penghantar listrik akibat dari adanya perubahan medan magnet di sekeliling penghantar. Konsep induksi elektromagnetik didasarkan pada penemuan Michael Faraday dan Joseph Henry pada tahun 1831. Perubahan medan magnetik menghasilkan beda potensial yang disebut gaya gerak listrik induksi dan arus listrik yang ditimbulkannya disebut arus listrik induksi.

Gaya Gerak Listrik Induksi

Gaya gerak listrik induksi adalah timbulnya gaya gerak listrik di dalam kumparan yang mencakup sejumlah fluks garis gaya medan magnetik, bilamana banyaknya fluks garis gaya itu divariasi. Dengan kata lain, akan timbul gaya gerak listrik di dalam kumparan apabila kumparan itu berada di dalam medan magnetik yang kuat medannya berubah-ubah terhadap waktu.

Hukum induksi Faraday

Hukum induksi Faraday menyatakan bahwa suatu rangkaian listrik memiliki gaya gerak listrik induksi yang nilainya berbanding lurus dengan kecepatan perubahan fluks magnetik yang dilingkupinya. Garis gaya magnet yang dilingkupi oleh luas daerah tertentu dalam arah tegak lurus ditetapkan sebagai fluks magnet.

Faraday menemukan bahwa induksi sangat bergantung pada waktu, yaitu semakin cepat terjadinya perubahan medan magnetik, ggl yang diinduksi semakin besar. Di sisi lain, ggl tidak sebanding dengan laju perubahan medan magnetik B, tetapi sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik, Φ_B, yang bergerak melintasi loop seluas A, yang secara matematis fluks magnetik tersebut dinyatakan sebagai berikut:

Φ = B.A cos θ

Dengan B sama dengan rapat fluks magnetik, yaitu banyaknya fluks garis gaya magnetik per satuan luas penampang yang ditembus garis gaya fluks magnetik tegak lurus, dan θ adalah sudut antara B dengan garis yang tegak lurus permukaan kumparan. Jika permukaan kumparan tegak lurus B, θ = 90^o dan Φ_B = 0, tetapi jika B sejajar terhadap kumparan, θ = 0^o, sehingga:

Φ_B = B.A

Hal ini terlihat pada Gambar 1, di mana kumparan berupa bujur sangkar bersisi i seluas A = i². Garis B dapat digambarkan sedemikian rupa sehingga jumlah garis per satuan luas sebanding dengan kuat medan. Jadi, fluks Φ_B dapat dianggap sebanding dengan jumlah garis yang melewati kumparan. Besarnya fluks magnetik dinyatakan dalam satuan weber (Wb) yang setara dengan tesla.meter² (1Wb = 1 T.m²).

Dari definisi fluks tersebut, dapat dinyatakan bahwa jika fluks yang melalui loop kawat penghantar dengan N lilitan berubah sebesar Φ_B dalam waktu aktu Δt, maka besarnya ggl induksi adalah: Yang dikenal dengan Hukum Induksi Faraday, yang berbunyi: “gaya gerak listrik (ggl) induksi yang timbul antara ujung-ujung suatu loop penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut”. Tanda negatif pada persamaan (6.3) menunjukkan arah ggl induksi. Apabila perubahan fluks (ΔΦ) terjadi dalam waktu singkat (Δt → 0).

Hukum Lenz

Apabila ggl induksi dihubungkan dengan suatu rangkaian tertutup dengan hambatan tertentu, maka mengalirlah arus listrik. Arus ini dinamakan dengan arus induksi. Arus induksi dan ggl induksi hanya ada selama perubahan fluks magnetik terjadi. Hukum Lenz menjelaskan mengenai arus induksi, yang berarti bahwa hukum tersebut berlaku hanya kepada rangkaian penghantar yang tertutup. Hukum ini dinyatakan oleh Heinrich Friedrich Lenz (1804 - 1865), yang sebenarnya merupakan suatu bentuk hukum kekekalan energi. Hukum Lenz menyatakan bahwa: “ggl induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetnya berlawanan dengan asal perubahan fluks”.

Perubahan fluks akan menginduksi ggl yang menimbulkan arus di dalam kumparan, dan arus induksi ini membangkitkan medan magnetnya sendiri. Penerapan Hukum Lenz adalah pada arah arus induksi. Magnet diam sehingga tidak ada perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh kumparan. Fluks magnetik utama yang menembus kumparan dengan arah ke bawah akan bertambah pada saat kutub utara magnet didekatkan kumparan. Arah induksi juga dapat diketahui dengan menerapkan Hukum Lenz.

Penerapan konsep

Elektromagnetisme

Elektromagnetisme adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari hubungan antara medan listrik dan medan magnet di dalam rangkaian listrik yang menghasilkan gaya gerak listrik dan medan elektromagnetik. Konsep utama dalam elektromagnetisme adalah induksi elektromagnetik yang didasari oleh hukum induksi Faraday. Prinsip elektromagnetisme diterapkan pada sistem kerja transformator, induktor, motor listrik, generator listrik dan solenoid.

Arus bolak-balik

Arus bolak balik adalah arus listrik yang arahnya berubah-ubah secara periodik. Kurva arus bolak-balik digambarkan dengan bentuk sinusoida. Prinsip induksi elektromagnetik digunakan sebagai dasar pembentukan arus bolak-balik. Pembuatan arus bolak-balik pada pembangkit listrik memanfaatkan medan magnet permanen yang memutar turbin. Jenis pembangkit yang memanfaatkan prinsip induksi elektromagnet ialah pembangkit listrik tenaga air, pembangkit listrik tenaga uap batubara, pembangkit listrik tenaga angin, dan pembangkit listrik tenaga nuklir.

Medan magnet

Induksi elektromagnet dapat digunakan untuk membuat medan magnet. Pengaliran arus listrik ke sebuah penghantar akan menimbulkan medan magnet yang dapat dihitung dengan berlandaskan pada gaya Lorentz. Pembentukan medan magnet melalui induksi elektromagnet memanfaatkan gaya antar dua buah magnet yang telah diberi arus listrik. Selain itu, pembuatan medan magnet melalui induksi elektromagnetik didasarkan pada penggunaan hukum Biot-Savart dan hukum Ampere.

Penerapan praktis

Generator listrik

Generator listrik adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Prinsip kerja dari generator listrik didasarkan pada hukum induksi Faraday. Generator listrik dapat menghasilkan dua jenis arus listrik yaitu arus searah dan arus bolak-balik. Generator listrik yang menghasilkan arus searah disebut generator arus searah, sedangkan generator yang menghasilkan arus bolak-balik disebut generator arus bolak-balik dan generator arus searah. Jumlah cincin luncur di dalam generator listrik menjadi penentu jenis arus listrik yang dihasilkannya. Generator arus bolak balik memiliki dua cincin luncur, sedangkan generator arus searah hanya memiliki satu cincin luncur.

Motor listrik

Motor listrik adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Prinsip kerja dari motor listrik dilandasi oleh elektromagnetisme dan listrik dinamis. Energi mekanis diperoleh dari elektromagnet yang mengubah energi listrik menjadi magnet. Gerak dihasilkan melalui gaya tolak-menolak dan gaya tarik-menarik antara kutub-kutub magnet yang sejenis dan yang tidak sejenis. Perubahan jenis energi hanya terjadi jika magnet diletakkan pada sebuah poros yang dapat berputar. Energi mekanik ini digunakan untuk keperluan industri dan rumah tangga. Industri umumnya menggunakan motor listrik pada pompa, kipas angin, kompresor, dan konveyor.Sedangkan pada rumah tangga, motor listrik digunakan pada mikser, bor, dan kipas angin.

Daftar pustaka

1. Abdullah, Mikrajuddin (2017). Fisika Dasar II (PDF). Bandung: Institut Teknologi Bandung. 
2. Bagia, I. N., dan Parsa, I M. (2018). Motor-Motor Listrik (PDF). Bandung: CV. Rasi Terbit.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
3. Soebyakto (2017). Fisika Terapan 2 (PDF). Tegal: Badan Penerbit Universitas Pancasakti Tegal. ISBN 978-602-73169-4-2. 
4. Yuberti (2017). Konsep Materi Fisika Dasar 2 (PDF). Bandar Lampung: AURA Printing & Publishing. ISBN 978-602-1297-30-8. 
5. Kanginan, Marthen (2007). Fisika 3 Untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga. ISBN 979-781-732-6.  (Indonesia)