Induksi Elektromagnetik

Pertanyaan bahwa medan magnetik dapat menimbulkan arus dijawab oleh Faraday dan Henry melalui percobaan pada tahun 1830-an setelah percobaan pada tahun 1820 dianggap gagal. Jika terdapat sebuah skema, maka menunjukkan sebuah magnet batang yang dililit oleh sebuah kawat penghantar diharapkan menimbulkan arus yang nantinya dapat diukur oleh sebuah alat ukur listrik. Akan tetapi, Faraday dan Henry mengamati hal lain bahwa ketika magnet batang mulai dimasukkan kedalam lilitan kawat terjadi arus yang terukur. Namun, arus tersebut beberapa saat kemudiannya menghilang saat magnet batang dikeluarkan dari lilitan. Hal ini menimbulkan pertanyaan bagi Faraday dan Henry yang mengambil keputusan bahwa perubahan medan magnetiklah yang menimbulkan arus, bukan hanya medan magnet yang konstan. Fenomena perubahan medan magnet yang menimbulkan arus listrik ini dinamakan induksi magnetik atau induksi elektromagnetik.

ε= - N dϕ/ dt

Induktansi didefinisikan sebagai timbulnya arus dan tegangan pada suatu konduktor karena perubahan arus pada konduktor lain terhadap waktu. Sehingga secara umum setiap kawat berarus dan rangkaian memiliki suatu induktansi sendiri yang berpengaruh pada perilaku rangkaian yang sering kali diabaikan. Menurut hukum Faraday, perubahan medan magnetik akan menghasilkan ggl menurut persamaan :

                                                                              

(Ishaq, Mohammad. 2007 :152)

Hukum induksi Faraday menyatakan bahwa sebuah tegangan gerak elektrik didalam sebuah rangkaian adalah sama dengan kecepatan perubahan fluks yang melalui rangkaian tersebut. Jika kecepatan perubahan fluks tersebut dinyatakan dalam weber/sekon, maka tegangan gerak elektrik dinyatakan dalam volt. 

ε= -  dϕB / dt

 

Jika senuah koil terdiri dari lilitan maka sebuah tegangan gerak lektrik muncul didalam setiap lilitan dan semua tegangan gerak elektrik dijumlahkan. Apabila koil tersebut dililitkan dengan begitu erat, lilitan dapat dikatakan menempati daerah yang sama dengan ruang maka fluks yang melewati setiap lilitan akan sama besarnya. Fluks yang melewati setiapa lilitan hanya untuk toroida dan solenoida.

(Haliliday,David. 1999 :341).

Untuk menghasilkan elektromagnetik yang lebih kuat dapat dilakukan dengan cara :

·         Memperbesar kemagnetan inti elektromagnet

·         Memperbesar jumlah lilitan kumparan

·         Memperbesar jumlah arus yang mengalir.

Medan magnet yang bergerak-gerak tersebut menginduksi beda potensial pada kumparan. Beda potensial menyebabkan arus listrik mengalir sehingga ggl yang diinduksi pada kumparan disebut gaya gerak listrik induksi. Menurut hukum Faraday, ggl induksi dapat diperbesar jika :

·         Gerak magnet dipercepat

·         Daya tarik atau tolak magnet lebih kuat.

·         Panjang kumparan lebih panjang dan jumlah lilitan lebih banyak (rapat).

Banyak sedikitnya lilitan pada kumparan dapat mempengaruhi besar- kecilnya garis gaya magnetik.

(Tim Revisi. 2013 :13-14).

Secara umum, arus listrik dapat berubah menjadi magnet kareana kekuatan medan magnet bergantung pada kuat arus yang mengalir. Apabila kuat arus berubah-ubah, maka kuat medan magnet juga dapat berubah-ubah. Gejala induksi elektromagnet dapat dijelaskan : ketika magnet digerakkan menjauhi dan mendekati kumparan, jumlah garis gaya magnet terkurung dalam kumparan yang mengalami perubahan. Arus listrik yang timbul akibat perubahan garis gaya magnet disebut arus induksi.

(Sulastri, Sri. 2002 : 93-94).

Terjadinya induksi elektromagnetik, yakni :

Ketika kutub utara magnet digerakkan memasuki kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke salah satu arah (misalnya ke kanan). Jarum galvanometer segera kembali menunjuk ke nol (tidak menyimpang) ketika magnet tersebut didiamkan sejenak  di dalam kumparan. Ketika magnet batang dikeluarkan, maka jarum galvanometer akan menyimpang dengan arah yang berlawanan (misalnya ke kiri).

Jarum galvanometer menyimpang disebabkan adanya arus yang mengalir dalam kumparan. Arus listrik timbul karena pada ujung-ujung kumparan timbul beda potensial ketika magnet batang digerakkan masuk atau keluar dari kumparan.
Beda potensial yang timbul ini disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi).

Ketika magnet batang digerakkan masuk, terjadi penambahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan (galvanometer menyimpang atau ada arus yang mengalir). Ketika batang magnet diam sejenak maka jarum galvanometer kembali ke nol (tidak ada arus yang mengalir). Ketika batang magnet dikeluarkan terjadi pengurangan jumlah garis gaya magnetik yang memtong kumparan (galvanometer menyimpang dengan arah berlawanan).

Jadi, akibat perubahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan, maka pada kedua ujung kumparan timbul beda potensial atau ggl induksi. Arus listrik yang disebabkan oleh perubahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan disebut arus induksi. Besarnya ggl induksi tergantung pada tiga faktor, yaitu ;

1) banyaknya lilitan kumparan

2) kecepatan keluar-masuk magnet dari dan keluar kumparan

3) kuat magnet batang yang digunakan

Generator adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Ada dua jenis generator, yaitu :

a. Generator arus bolak-balik (AC) atau alternator

b. Generator arus searah (DC)

Perbedaan antara generator arus bolak-balik dengan arus searah hanya terletak pada bentuk cincin luncur yang berhubungan dengan kedua ujung kumparan. Pada generator arus bolak-balik terdapat dua buah cincin luncur, sedangkan pada generator arus searah terdapat sebuay cincin yang terbelah di tengahnya (cincin belah atau komutator). Ggl  atau arus induksi pada alternator dapat diperbesar dengan empat cara :

1) memakai kumparan dengan lilitan lebih banyak.

2) memakai magnet yang lebih kuat

3) melilit kumparan pada inti besi lunak

4) memutar kumparan lebih cepat

Contoh generator arus bolak-balik :

- dinamo sepeda

- generator AC pembangkit listrik.

Transformator atau trafo adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik (AC) dari suatu nilai ke nilai tertentu. Trafo terdiri dari pasangan kumparan primer dan sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak.
Ada dua jenis trafo, yaitu :

1) Trafo step up (penaik tegangan).

2) Trafo step down (penurun tegangan).

Kumparan yang dialiri arus listrik berubah menjadi magnet disebut Elektromagnet. Berbicara tentang magnet tidak terlepas dari pembicaraan tentang listrik. Pernyataan tersebut telah dibuktikan dalam percobaan. Misalnya ;  bila sebuah kompas diletakkan dekat dengan suatu penghantar yang sedang dialiri  aruslistrik, maka kompas tersebut akan bergerak pada posisi tertentu seperti  diperlihatkan   pada gambar berikut ini.

Induksi Elektromagnetik pada lilitan kawat di penghantar

Kompas bergerak karena dipengaruhi oleh medan magnet. Ini berarti bahwa gerakan kompas seperti pada percobaan di atas  adalah akibat adanya medan magnet yang dihasilkan oleh gerakan elektron pada kawat penghantar.
Ada 3 (tiga) cara yang dapat dilakukan untuk memperkuat medan magnet pada elektromagnet :
a. Membuat inti besi pada kumparan.

Cara ini dilakukan dengan jalan meletakkan sepotong besi di dalam kumparan yang dialiri listrik. Besi tersebut akan menjadi  magnet tidak tetap (buatan atau remanen). Karena inti besi menjadi magnet, maka inti besi itu akan menghasilkan medan magnet. Dilain pihak kumparan juga akan menghasilkan medan magnet pada arah yang sama pada inti besi. Hal ini akan menyebabkan terjadinya penguatan medan magnet. Penguatan medan magnet diperoleh dari penjumlahan medan magnet yang dihasilkan oleh besi dengan medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan.

b. Menambah jumlah kumparan.

Tiap-tiap kumparan elektromagnet menghasilkan medan magnet. Dengan penambahan jumlah kumparan sudah tentu akan memperkuat medan magnet secara keseluruhan. Kuatnya medan elektromagnet merupakan jumlah dari medan magnet yang dihasilkan oleh masing-masing lilitan.

c. Memperbesar arus yang mengalir pada kumparan.

Besarnya arus yang dialirkan pada kumparan berbanding lurus dengan besarnya medan magnet. Setiap elektron yang mengalir pada penghantar menghasilkan medan magnet. Dengan demikian medan total  tergantung dari banyaknya elektron yang mengalir setiap detik atau kuat medan total ditentukan oleh besarnya arus yang mengalir pada kumparan.

Konsep gaya listrik pertama kali dikemukakan oleh Micheal Fraday yang melakukan penelitian untuk menemukan faktor yang mempengaruhi besar gaya gerak listrik yang terinduksi. Beliau menyatakan bahwa induksi sangat bergantung pada waktu, yaitu semakin cepat terjadinya medan magnetik, ggl yang diinduksi semakin besar. Disisi, lain ggl tidak sebanding dengan laju perubahan medan magnetik B, tetapi sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang bergerak melintasi loop seluas a yang secara matematis fluks magnetik tersebut dinyatakan sebagai berikut :

Φ = B.A cos θ

 

Hukum induksi Faraday berbunyi : “ gaya gerak listrik yang timbul diantara ujung- ujung suatu loop penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut”.