1. Konsep Fluks Magnetik

Fluks magnetik divisualisasikan sebagai sejumlah garis medan magnetik yang memotong tegak lurus suatu bidang. Fluks magnet diartikan sebagai perkalian antara medan magnet B dengan luas bidang A yang letakknya tegak lurus dengan induksi magnetnya . Secara matematis rumus fluks adalah

Φ = BA

Faktanya, induksi magnet B tidak selalu tegak lurus pada bidang, bisa membentuk sudut tertentu. Misalkan ada sebuah induksi medan magnet yang membentuk sudut θ (teta) dengan garis normal maka besarnya fluks magnet yang dihasilkan adalah

Φ = ΒΑ cos θ

Dimana :

Φ = Fluk magnetik (Tesla.m²)

B = Induksi magnetik /Kuat medan(Tesla)

A = Luas bidang (m²)

θ =sudut apit terkecil antara arah induksi magnetic B dengan arah garis normal bidang. Arah garis normal bidang adalah arah tegak lurus terhadap bidang.

2. GGL Induksi pada Kawat yang Memotong Medan Magnetik

Hukum Induksi Faraday menyatakan :

"setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik (GGL) Induksi yang sebanding dengan laju perubahan fluks".

Gaya gerak listrik induksi (ggl induksi) terjadi karena perubahan fluks magnetik yang mempengaruhi suatu kawat/ penghantar.

Arus yang terjadi dinamakan arus induksi. Arus listrik terjadi karena ada beda potensial atau disebut gaya gerak listrik (ggl) induksi.

Cara mudah mengingat arah arus induksi yaitu dengan Kaidah telapak tangan kanan untuk arus induksi :

GGL induksi yang terjadi ditunjukkan dengan aturan tangan kanan sebagai berikut (perhatikan gambar) :

Bila telapak tangan kanan dibuka sedemikian rupa sehingga ibu jari dan keempat jari lainnya saling tegak lurus (90⁰), maka ibu jari menunjukkan arah gerak penghantar (F) sedangkan garis yang menembus telapak tangan kanan adalah garis gaya (medan) magnit (Φ) dan empat jari lainnya menunjukkan arah GGL induksi yang terjadi (e), perhatikan gambar di atas.

Untuk lebih memahami prinsip terbentuknya GGL induksi perhatikan percobaan Faraday seperti pada gambar di bawah.

Percobaan Induksi Elektromagnetik

Jarum voltmeter bergerak menyimpang ketika magnet dimasukkan ke dalam kumparan dan akan menyimpang ke arah berlawanan ketika magnet tersebut ditarik keluar dari kumparan. Pada saat magnet bergerak terhadap kumparan, pada ujung-ujung kumparan timbul tegangan listrik dan pada penghantar timbul arus listrik. Peristiwa tersebut dinamakan induksi elektromagnetik. Tegangan yang dihasilkan disebut tegangan induksi dan arus listrik yang dihasilkan disebut arus induksi.

Pada saat magnet batang digerakkan keluar masuk kumparan, tegangan induksi yang ditimbulkannya merupakan tegangan bolak-balik atau lebih dikenal sebagai tegangan AC (alternating current).

Michael Faraday telah dapat menjelaskan penyebab peristiwa tersebut. Kita tentu masih ingat bahwa di sekitar magnet terdapat medan magnet yang berupa garis gaya magnet. Pada saat magnet dimasukkan ke dalam kumparan, jumlah garis gaya magnet yang memasuki kumparan akan semakin banyak dan jarum voltmeter bergerak ke kanan. Pada saat magnet dikeluarkan dari kumparan, jumlah garis gaya magnet dalam kumparan berkurang dan jarum voltmeter bergerak ke kiri. Berdasarkan analisis di atas, dapat disimpulkan sebagai berikut. Tegangan induksi pada kumparan timbul akibat adanya perubahan banyaknya garis gaya magnetik yang masuk ke dalam kumparan ataupun yang keluar dari kumparan.

Besarnya GGL induksi dapat dicari dengan rumus:

Ɛ = B.l.v.sinØ

Dimana :

Ɛ = GGL induksi ( volt)

B = Kuat medan magnet ( Wb/m² atau Tesla)

l = panjang kawat kumparan (m)

v = kecepatan gerak kawat (m/s )

Ø = sudut antara arah medan magnet dengan arah gerak kawat.

Tabel sinus, cosinus dan tangen sudut-sudut istimewa :

Contoh soal

Sebuah kawat yang panjangnya 2 m bergerak tegak lurus pada medan magnetik dengan kecepatan 12 m/s, pada ujung-ujung kawat timbul beda potensial 1,8 V. Tentukan besarnya induksi magnetik!

Penyelesaian:

Diketahui:

l = 2 m

v = 12 m/s

Ɛ = 1,8 volt

Ø = 90⁰ (kawat bergerak tegak lurus terhadap medan magnet)

Ditanya: B = … ?

Pembahasan:

Karena V ⊥ B, maka besar Ø=90⁰ ,sehingga sin 90⁰ = 1. Besarnya induksi magnetiknya adalah:

Ɛ = B.l.v.sinØ

1,8 = B × 2 × 12 x 1

1,8 = 24 B

B = 1,8/24 = 0,075 T

Karakteristik Induksi Elektromagnetik

Besar kecilnya tegangan induksi pada kumparan bergantung pada hal-hal berikut:

1. 1. Jumlah lilitan kumparan. Semakin banyak jumlah lilitan kumparan, semakin besar tegangan induksi yang dihasilkan.

   2. Kecepatan perubahan jumlah garis gaya magnet yang masuk ke dalam kumparan. Semakin cepat magnet digerakkan, semakin besar tegangan induksi yang dihasilkan.

   3. Kekuatan magnet. Semakin kuat magnet yang digunakan semakin besar tegangan induksi yang dihasilkan.

Besar tegangan induksi sebanding dengan kecepatan perubahan banyaknya garis gaya dan sebanding pula dengan jumlah lilitan kumparan, juga sebanding dengan besarnya kekuatan magnet.

Beberapa peralatan yang prinsip kerjanya memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik, antara lain: generator dan transformator.

Perangkat Dengan Prinsip Induksi ELektromagnet

Perangkat yang bekerja menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari diantaranya adalah generator listrik dan transformator. Generator listrik dekat dengan kehidupan manusia karena listrik merupakan kebutuhan pokok manusia. Kemudian transformator merupakan komponen yang sering digunakan dalam peralatan elektronika seperti TV, Video player dan peralatan elektronika lainnya.

Generator Listrik

Jika kutub-kutub magnet digerakkan di dekat kumparan, atau sebaliknya jika kumparan digerakkan di dekat kutub-kutub magnet, maka akan menimbulkan arus induksi dalam kumparan itu. Pada peristiwa ini telah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Berdasarkan konsep di atas dapat dibuat alat yang digunakan untuk mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Alat yang digunakan untuk mengubah energi gerak menjadi energi listrik disebut generator atau dinamo.

Generator dibedakan menjadi 2, yaitu :

1. Generator yang menghasilkan gaya gerak listrik induksi bolak-balik disebut generator arus bolak-balik(generator AC)

2. Generator yang menghasilkan gaya gerak listrik induksi searah disebut dengan generator arus searah(generator DC)

a. Generator Arus Bolak-Balik

Generator arus bolak-balik terdiri atas sebuah kumparan dan sepasang kutub magnet kuat, dua buah cincin geser dan dua buah sikat penyambung arus. Perhatikan gambar di bawah, tiap ujung kawat kumparan dihubungkan pada sebuah cincin-cincin tersebut. Pada tiap cincin geser menempel pada sebuah sikat penyambung arus.

Bila kumparan diputar, maka dalam kumparan akan timbul gaya gerak listrik bolak-balik. Gaya gerak listrik bolak-balik ini jika dihubungkan dengan rangkaian luar, maka akan mengalir arus melalui kedua sikat secara bergantian, yaitu: mula-mula arus keluar melalui sikat pertama, sesaat kemudian melalui sikat kedua, sesaat kemudian melalui sikat pertama lagi, sesaat kemudian melalui sikat kedua lagi, demikian seterusnya sehingga dihasilkan arus induksi yang arahnya bolak-balik. Arus yang arahnya bolak-balik semacam ini disebut dengan arus bolak-balik, yang biasa disebut arus AC berasal dari bahasa Inggris Alternating Current.

b. Generator Arus Searah

Generator arus searah pada prinsipnya sama dengan generator arus bolak-balik. Perbedaannya hanya menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua. Generator ini menghasilkan gaya gerak listrik induksi searah. Jika dihubungkan dengan rangkaian luar, maka arus akan mengalir melalui salah satu sikat. Yaitu pada awal melalui sikat pertama, waktu berikutnya melalui sikat pertama lagi demikian seterusnya arus selalu melalui sikat pertama, sehingga arus yang dihasilkan berupa arus searah atau arus DC (Direct Current)

Transformator

Transformator adalah perangkat yang dapat mentransfer energi listrik dari suatu rangkaian arus bolak-balik AC (alternate current) ke rangkaian listrik lain baik dengan menaikkan atau menurunkan tegangan. Tansformator digunakan untuk berbagai macam tujuan, misalnya untuk menjalankan alat-alat listrik yang membutuhkan tegangan kecil seperti mainan kereta listrik, bel pintu, mainan mobil listrik dan lain sebagainya menggunakan tegangan di rumah yang masih tinggi(220 volt) diturunkan dulu menggunakan transformator menjadi tegangan kecil(12 volt)

Pada pembangkit listrik, agar listrik dapat ditransmisikan dalam jarak jauh, tegangan listrik dari generator pembangkit listrik harus dinaikkan. Disinilah transformator berfungsi untuk menaikkan tegangan.

Transformator bekerja atas dasar prinsip saling berinduksi, yaitu timbulnya arus listrik pada suatu kumparan yang disebabkan pengaruh medan magnet yang berubah ubah pada kumparan lain yang didekatnya.

Dalam kehidupan sehari-hari transformator lebih dikenal dengan istilah trafo, yaitu alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik bolak-balik dengan cara induksi. Skema trafo dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Bagian-bagian utama trafo yaitu:

1. Kumparan primer ( n_p ) yang dihubungkan dengan sumber tegangan primer(di aliri arus listrik)

2. Kumparan sekunder (n_s ) yang dihubungkan dengan sumber tegangan sekunder(menghasilkan arus induksi).

3. Inti besi lunak yang berfungsi untuk memperkuat garis-garis gaya magnetik yang dihasilkan oleh kumparan primer.

Cara kerja transformator yaitu bila kumparan primer di aliri arus listrik AC, maka pada kumparan tersebut akan timbul medan magnet yang berubah-ubah sesuai arah arus AC. Induksi magnet pada kumparan primer tersebut akan mempengaruhi kumparan sekunder karena letaknya yang sangat dekat dengan kumparan primer, akibatnya pada kumparan sekunder terjadi/timbul arus induksi.

Transformator yang digunakan untuk memperbesar tegangan disebut trafo penaik atau trafo step-up. Transformator yang digunakan untuk memperkecil tegangan disebut trafo penurun atau trafo step down.

Amati transformator step-up dan step-down pada gambar di bawah ini.

Pada trafo step-up jumlah lilitan primer lebih sedikit dari pada jumlah lilitan sekunder. Pada trafo step-down, jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder.

Jika lilitan pimer lebih banyak daripada lilitan sekunder dan kumparan primer dihubungkan dengan catudaya yang menghasilkan tegangan bolak-balik, maka tegangan yang timbul pada kumparan sekunder akan turun.

Demikian juga jika lilitan primer lebih sedikit daripada lilitan sekunder dan kumparan primer dihubungkan dengan sebuah catudaya, maka tegangan yang timbul pada kumparan sekunder akan naik. Besarnya tegangan sekunder bergantung pada perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder.

Perbandingan antara tegangan primer dan tegangan sekunder sama dengan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan sekunder. Hubungan tersebut dapat secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Dimana:

V_p = tegangan primer (Volt)

V_s = tegangan sekunder (Volt)

n_p = jumlah lilitan primer

n_s = jumlah lilitan sekunder

Dari persamaan tersebut di atas dapat dikatakan bahwa perbandingan tegangan sebanding dengan perbandingan jumlah lilitan. Apabila arus yang mengalir pada kumparan primer adalah I_p dan arus yang mengalir pada kumparan sekunder I_s maka dalam waktu t sekon energi yang masuk pada kumparan primer adalah V_p . I_p . t joule dan jumlah energi yang keluar dari kumparan sekunder adalah V_s . I_s . t joule. Jika dianggap tidak ada energi yang hilang dalam trafo, maka akan berlaku :

V_p . I_p . t = V_s . I_s . t

V_p . I_p = V_s . I_s

sehingga :

I_p : I_s = V_s : V_p atau dapat pula ditulis :

Dimana:

I_p = kuat arus primer (A)

I_s = kuat arus sekunder (A)

V_p = tegangan primer (V)

V_s = tegangan sekunder (V)

n_p = banyak lilitan primer

n_s = banyak lilitan sekunder

Dari persamaan di atas dapat diartikan secara fisis bahwa: Perbandingan antara kuat arus primer dengan kuat arus sekunder sama dengan perbandingan antara kumparan sekunder dengan kumparan primer.

Contoh Soal

1. Kawat PQ panjang 50 cm digerakkan tegak lurus dengan kecepatan 2m/s sepanjang kawat AB memotong medan magnetik serba sama 0,02 Tesla seperti pada gambar. Besar dan arah arus induksi pada kawat PQ adalah....