Induksi Elektromagnetik

Sama-sama mempunyai karakteristik yang serupa, apakah listrik dan magnet saling berkaitan?
Sama-sama mempunyai karakteristik yang serupa, apakah listrik dan magnet saling berkaitan?.

Hukum Faraday

Listrik dan magnet saling berkaitan, dan kita lihat pada pembahasan sebelumnya bahwa, medan magnet dapat dihasilkan oleh muatan listrik. Nah, arus listrik juga bisa dihasilkan oleh medan magnet, tapi ada syaratnya.

Kalau medan magnet dihaslilkan oleh muatan yang bergerak artinya identik dengan perubahan, arus listrik juga dihasilkan oleh adanya perubahan medan magnet. Lebih tepatnya adalah perubahan medan magnet yang melalui suatu permukaan kalang konduktor.

Perubahan fluks magnet menginduksikan arus listrik

Fenomena ini pertama kali diamati oleh Michael Faraday, medan magnet yang berubah-ubah ini meng"induksikan" arus listrik pada rangkaian listrik sebelumnya. Arus listrik yang kita pahami identik dengan adanya pergerakan muatan, nah, pergerakan ini diakibatkan adanya gaya gerak listrik (GGL) atau electromotive force.

Kenapa kita sebut GGL? Coba sekarang perhatikan lagi kalang yang dialiri arus listrik tersebut, apakah ada sumber listrik yang membuat beda potensial pada rangkaian tersebut? Tidak ada, tapi arus listrik mengalir, artinya ada muatan yang bergerak, nah pelaku yang melakukan usaha pada muatan begerak ini lah dinamakan GGL dan satuannya adalah \text{volt} atau \text{V}.

Balik lagi ke hukum Faraday, dan perhatikan bahwa, ada medan magnet yang berubah-ubah dan menembus suatu permukaan (kalang). Ide medan magnet yang menembus suatu permukaan ini dinamakan fluks, seperti halnya pada medan listrk yang menembus suatu permukaan juga.
\Phi_B = \int\mathbf{B}\cdot d\mathbf{A}
satuan dari fluks magnet ini adalah \text{T}\,\text{m}^2 atau disingkat menjadi \text{weber} atau \text{Wb}.

Dari deskripsi sebelumnya, seperti, muncul GGL \varepsilon karena ada perubahan medan listrik yang menembus permukaan suatu kalang, bisa kita terjemahkan ke dalam bentuk matematisnya.
\varepsilon \propto \frac{d\Phi_B}{dt}
jika rangkaian membentuk kalang sebanyak N, artinya ada N buah permukaan, dan hasilnya menyerupai suatu kumparan, besar GGL nya merupakan total GGL dari masing-masing kumparan
\varepsilon \propto N\frac{d\Phi_B}{dt} .

Hukum Lenz

Dari fenomena yang ditemukan oleh Pak Faraday sebelumnya, arah arus induksinya dapat ditentukan dengan hukum Lenz ini. Jadi Pak Lenz, mengamati adanya sifat mempertahankan jumlah fluks yang melalui kalang tersebut.

Ketika proses induksi dimulai ketika batang magnet masih belum menembus permukaan kalang, kemudian mulai digerakkan ke arah permukaan kalang, mulai muncul adanya perubahan fluks magnet. Perubahan tersebut dilawan oleh fluks yang berlawanan yang dihasilkan oleh arus induksi pada kalang tersebut.

Munculnya fluks magnet yang berlawanan untuk mempertahankan adanya perubahan

Artinya, kalau kita dorong batang magnet ke depan, arah medan magnet \textbf{B} yang masuk adalah ke depan juga, kemudian muncul medan magnet lainnya \textbf{B}_{\text{i}} yang berlawan dengan arah medan magnet batang \textbf{B}. Medan magnet \textbf{B}_{\text{i}} ini dihasilkan oleh arus induksi i, karena arah kita tahu arah \textbf{B}_{\text{i}}, maka orientasi arus i juga dapat diketahui.

Dari fenomena itulah, kesamaan antara GGL dan perubahan fluks dapat diketahui, yakni
\varepsilon = -\frac{d\Phi_B}{dt}
dan untuk N buah kalang
\varepsilon = -N\frac{d\Phi_B}{dt}
ingat bahwa satuan dari GGL ini adalah \text{volt} atau \text{V}.

Transfer Energi

Kalau kita mengartikan induksi adalah perubahan fluks pada permukaan suatu, misal kalang. Artinya kita bisa memperagakkan fenomena ini dengan cara yang berbeda, yaitu dengan medan magnet yang diam namun kalangnya yang kita gerakkan seperti berikut.

Transfer energi pada kalang konduktor yang digerakkan pada suatu medan magnet

Dengan cara ini, kita bisa mengamati energi yang ditransfer oleh energi gerak yang kita berikan menuju rangkaian yang memuat kalang tersebut. Asumsikan kita begerak benar-benar cuman maju mundur (idealnya gitu), dari situ kita bisa mengetahui besar fluks magnetnya dengan mudah

\Phi_B = \int\mathbf{B}\cdot d\mathbf{A} = BA = BLx

karena gerakkan yang ideal tersebut membuat luasan yang dicakup berbentuk persegi panjang (intinya sederhana bentuknya) .

Setelah itu kita dapat mengetahui GGL yang dihasilkan, yaitu
\varepsilon = -\frac{d\Phi_B}{dt}
\rightarrow\varepsilon = -\frac{d\left(BLx\right)}{dt} = -BLv
karena yang x berubah terhadap waktu, maka \frac{dx}{dt} = v, alias maju mundur.

Meskipun pada rangkaian nampak tidak ada hambatan, namun sejatinya konduktor yang digunakan itu mempunyai hambatan, sebut saja R. Maka kita dapat mengetahui besar arus listrik, pada rangkaian tersebut, dengan menggunakan hukum Ohm
i = \frac{\varepsilon}{R} = -\frac{BLv}{R}

Kalau batang konduktor bc tidak pernah memasukki daerah medan magnet, maka gaya hanya akan dirasakkan oleh batang ab, cd, dan ad. Perhatikan bahwa, gaya F_{ab} dan F_{cd} memiliki besar dan arah yang berlawanan, sehingga resultannya
\Sigma F_y = 0 = F_{ab} + F_{cd} .

Kemudian, apabila pada arah komponen x tidak mengalami percepatan, artinya resultannya
\Sigma F_x = 0 = F_{ad} + F
\rightarrow F = -F_{ad} .

Gaya yang dirasakan pada konduktor ad yang mengaliri arus karena medan magnet yaitu
F = -F_{ad} = -i\textbf{L}\times \textbf{B}
\rightarrow F = -iLB
Dengan mensubstitusikan arus listrik sebelumnya
F = \frac{B^2L^2v}{R} .

Dari informasi tersebut bisa kita temukan besar daya yang dihasilkan
P = Fv = \frac{B^2L^2v^2}{R}
, begitu juga energy panas pada konduktor
P = i^2R = \frac{B^2L^2v^2}{R}
ternyata besarnya sama, artinya usaha yang kita kerjakan pada rangkaian konduktor tersebut dikonversi menjadi energi panas, apakah ini salah satu bentuk konservasi energi?

Induktor

Bentuk kumparan suatu konduktor memiliki makna tersendiri pada suatu rangkaian listrik. Kalau kapasitor dapat menghasilkan medan listrik pada suatu plat konduktor yang terpisah. Nah, ada suatu komponen yang dapat menghasilkan medan magnet ialah bentuk kumparan suatu konduktor tersebut yang dinamakan induktor.

Induktor dapat menyimpang energi dalam bentuk medan magnet

Kemampuan seberapa besar fluks yang dihasilkan oleh suatu induktor terhadap arus yang mengalir ditentuknan oleh spesifikasi yang dinamakan induktansi L
L = \frac{N\Phi_B}{i} .

Kalau kita lihat, induktansi memiliki satuan \text{Wb}\,\text{A}^{-1} atau setara dengan \text{henry} atau \text{H}.

Dengan adanya keterlibatan fluks alias besar medan magnet yang menembus suatu permukaan, maka nilai induktansi akan bergantung pada bentuk geometri komponenya.

Sebagai contoh, pada suatu solenoid dengan panjang l, memiliki luas A, dan memiliki belitan sebanyak N. Maka besar induktansinya sebesar
L = \frac{N\Phi_B}{i}
\rightarrow L = \frac{(nl)(BA)}{i}
\rightarrow L = \frac{(nl)(\mu_0 in)(A)}{i}
\rightarrow L = \mu_0 n^2 A
di mana n merupakan banyak belitan per satuan panjang, dan B = \mu_0 in merupakan besar medan magnet pada solenoid.

Induksi Diri

Ketika ada suatu induktor pada suatu rangkaian yang terhubung dengan sumber listrik yang besar arusnya dapat berubah-ubah. Dengan dapat berubahnya arus pada rangkaian , maka fenomena seperti eksperimen Faraday ini bisa terjadi tapi kondisinya terbalik.

Pada kondisi ini, fluks dihasilkan oleh induktor itu sendiri, kemudian kecenderungan untuk mempertahankan perubahan fluks muncul pada induktor itu sendiri, sehingga muncul GGL pada komponen ini.

Induksi diri pada sebuah induktor

Ingat lagi, persamaan yang mengekspresikan hukum Faraday untuk N buah kalang sebelumnya
\varepsilon = -\frac{d(N\Phi_B)}{dt}
mengingat L = \frac{N\Phi_B}{i}
\rightarrow N\Phi_B = Li, sehingga
\varepsilon = -\frac{Li}{dt} = -L\frac{di}{dt}

Induksi Bersama

Besar nilai induktansi sebelumnya akan berbeda ketika ada induktor lainnya yang didekatkan dengan rangkaian dengan induktor sebelumnya. Hal ini terjadi karena kedua induktor tersebut saling berinteraksi.

Induksi bersama pada dua induktor yang berdekatan

Saat fluks magnet dihasilkan oleh rangkaian dengan cara mengubah-ubah besar arusnya, maka fluks tersebut akan menginduksikan arus pada induktor 2, kalau pada eksperimen Faraday medan magnetnya berasal dari batang magnet permanen, nah, berhubungn saat ini adalah induktor juga.

Maka fluks yang dihasilkan oleh induktor 2 akan berupaya menginduksikan arus juga pada induktor 1. Nah, nilai induksi bersama pada kumparan kedua karena kumparan pertama M_{21} yaitu M_{21} = \frac{N_2\Phi_B}{i_1} .

Jika kita mengubah-ubah arus pada rangkaian 1, maka
M_{21}i_1 = N_2\Phi_B
\rightarrow \frac{d(M_{21}i_1)}{dt} = \frac{d(N_2\Phi_B)}{dt}
\rightarrow M_{21}\frac{i_1}{dt} = N_2\frac{d\Phi_B}{dt}
bentuk ruas kanan tak lain merupakan ekspresi dari hukum Faraday, dengan demikian GGL yang muncul pada kumparan dua yaitu
\varepsilon = -N_2\frac{d\Phi_B}{dt} = -M_{21}\frac{i_1}{dt} .

Label
< Materi SebelumnyaHukum Termodinamika
Search icon