Induksi Elektromagnetik adalah peristiwa timbulnya arus listrik akibat adanya perubahan fluks magnetic. Fluks magnetic adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang. Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernama Michael Faraday memiliki gagasan bahwa medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. Pada tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik.
Galvanometer merupakan alat
yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir.
Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya
magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus induksi
dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik.
Faktor yang mempengaruhi
besar GGL induksi yaitu :
(1)
Kecepatan perubahan medan magnet, Semakin cepat perubahan medan magnet, maka
GGL induksi yang timbul semakin besar.
(2)
Banyaknya lilitan, Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga
semakin besar.
Proses Terjadinya Induksi Elektromagnetik
Faktor-Faktor
yang Menentukan Besar GGL. Besarnya ggl induksi tergantung pada tiga
faktor, yaitu ;
- banyaknya lilitan kumparan
- kecepatan
keluar-masuk magnet dari dan keluar kumparan
- kuat magnet batang yang digunakan
Penerapan Induksi Elektromagnetik ( Penerapan GGL Induksi
dalam kehidupan sehari-hari )
Pada induksi
elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik.
Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit
energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan
dinamo.
Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan
dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar
menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam
kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya
GGL induksi pada kumparan.
Energi mekanik
yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam
bentuk energi gerak rotasi. Hal itu menyebabkan GGL induksi
dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang
berulang secara periodic.
Generator listrik
Gambar . Generator AC
Jika
kumparan dengan N buah lilitan diputar dengan kecepatan sudut w, maka GGL
induksi yang dihasilkan oleh generator adalah :
ε =
B.A.ω.N.sinθ
GGL
induksi akan maksimum jika θ = 90o atau sin θ = 1 , sehingga :
ε max =
B.A.ω.N , sehingga persamaan di atas dapat ditulis menjadi:
ε = ε max
sin θ
ε =
GGL induksi (Volt); εmax= GGL induksi maksimum (volt)
N =
jumlah lilitan kumparan; B = induksi magnet (T); A=luas bidang
kumparan (m2)
ω = kecepatan sudut kumparan (rad/s); t = waktu (s); θ = ω.t = sudut (o)
Transformator
Transformator atau trafo merupakan alat untuk mengubah (memperbesar atau memperkecil) tegangan AC berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yaitu memindahkan energi listrik secara induksi melalui kumparan primer ke kumparan skunder. Trafo menimbulkan GGL pada kumparan skunder karena medan magnet yang berubah-ubah akibat aliran arus listrik bolak-balik pada kumparan primer yang diinduksikan oleh besi lunak ke dalam kumparan skunder.
Np =
tegangan primer; Ns = tegangan skunder
Pp = daya
primer (Watt); Ps = daya skunder (Watt)
Ip = kuat
arus primer (A); Is = kuat arus skunder (A)
Macam-Macam Transformator
Apabila tegangan terminal
output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan
berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output
lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi
sebagai penurun tegangan. Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan
menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.
Trafo step up adalah
transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan AC. Trafo ini memiliki
ciri-ciri:
- jumlah lilitan
primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder,
- tegangan primer
lebih kecil daripada tegangan sekunder,
- kuat arus primer
lebih besar daripada kuat arus sekunder.
Trafo step down adalah
transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan AC. Trafo ini memiliki
ciri-ciri:
- jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder,
- tegangan primer
lebih besar daripada tegangan sekunder,
- kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.
- Transformator
Ideal
Besar tegangan dan kuat
arus pada trafo bergantung banyaknya lilitan. Besar tegangan sebanding dengan
jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan tegangan yang dihasilkan makin
besar. Hal ini berlaku untuk lilitan primer dan sekunder. Hubungan antara
jumlah lilitan primer dan sekunder dengan tegangan primer dan tegangan sekunder
dirumuskan rms12. Trafo dikatakan ideal jika tidak ada energi yang hilang
menjadi kalor, yaitu ketika jumlah energi yang masuk pada kumparan primer sama
dengan jumlah energi yang keluar pada kumparan sekunder. Hubungan antara
tegangan dengan kuat arus pada kumparan primer dan sekunder dirumuskan rms2Jika
kedua ruas dibagi dengan t, diperoleh rumus rms3Dalam hal ini faktor (V × I)
adalah daya (P) transformator.
Berdasarkan rumus-rumus di
atas, hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan kuat arus
primer dan sekunder dapat dirumuskan sebagai rms4 Dengan demikian untuk
transformator ideal akan berlaku persamaan berikut. rms5 Dengan:
Vp =
tegangan primer (tegangan input = Vi ) dengan satuan volt (V)
Vs =
tegangan sekunder (tegangan output = Vo) dengan satuan volt (V)
Np =
jumlah lilitan primer
Ns =
jumlah lilitan sekunder
Ip = kuat
arus primer (kuat arus input = Ii) dengan satuan ampere (A)
Is = kuat
arus sekunder (kuat arus output = Io) dengan satuan ampere (A)
2.
Efisiensi Transformator
Di bagian sebelumnya kamu
sudah mempelajari transformator atau trafo yang ideal. Namun, pada kenyataannya
trafo tidak pernah ideal. Jika trafo digunakan, selalu timbul energi kalor.
Dengan demikian, energi listrik yang masuk pada kumparan primer selalu lebih
besar daripada energi yang keluar pada kumparan sekunder. Akibatnya, daya
primer lebih besar daripada daya sekunder. Berkurangnya daya dan energi listrik
pada sebuah trafo ditentukan oleh besarnya efisiensi trafo. Perbandingan antara
daya sekunder dengan daya primer atau hasil bagi antara energi sekunder dengan
energi primer yang dinyatakan dengan persen disebut efisiensi trafo. Efisiensi
trafo dinyatakan dengan η.
Induktor
Dalam elektronika, Induktor
adalah salah satu komponen yang cara kerjanya berdasarkan induksi
magnet. Induktor biasa disebut juga spul dibuat dari bahan kawat beremail
tipis. Induktor dibuat dari bahan tembaga, diberi simbol L dan satuannya Henry
disingkat H. Fungsi pokok induktor adalah untuk menimbulkan
medan magnet. Induktor berupa kawat yang digulung sehingga menjadi kumparan.
Kemampuan induktor untuk menimbulkan medan magnet disebut konduktansi.
Satuan induktansi adalah
henry (H) atau milihenry (mH). Untuk memperbesar induktansi, didalam kumparan
disisipkan bahan sebagai inti. Induktor yang berinti dari bahan besi disebut
elektromagnet. Induktor memiliki sifat menahan arus AC dan konduktif terhadap
arus DC.
Macam-Macam Induktor
Kegunaan
Induktor dalam sistem elektronik
Induktor
berfungsi sebagai :
- tempat terjadinya gaya magnet.
- pelipat
tegangan.
- pembangkit
getaran.
Berdasarkan
kegunaannya Induktor bekerja pada :
- frekuensi tinggi pada spul antena
dan osilator.
- frekuensi
menengah pada spul MF.
- frekuensi rendah
pada trafo input, trafo output, spul speaker, trafo tenaga, spul relay dan
spul penyaring.
Terjadinya Medan Magnet
Induktansi Searah
Induktor terhubung sumber tegangan DC
Induktansi Bolak-balik
Bila dua kumparan ditempatkan berdekatan satu sama lain dan salah satu kumparan (L1) diberi arus listrik AC, pada L1 akan terjadi fluks magnet. Fluk magnet ini akan melalui kumparan kedua (L2) dan akan membangkitkan emf (elektro motorive force) pada kumparan L2. Efek seperti ini disebut induksi timbal balik (mutual induction). Hal seperti ini biasanya kita jumpai pada transformator daya.
Induktor
terhubung sumber tegangan AC
Perlawanan yang diberikan
kumparan tersebut dinamakan reaktansi induktif. Reaktansi Induktif ini diberi
simbol XL dalam satuan Ohm.
XL = 2πfL
Keterangan :
π = 3.14
F =
frekwensi arus bolak-balik ( Hz)
L =
Induktansi ( Henry )
∞ =
kecepatan sudut ( 2πfL)
XL =
reaktansi induktif ( Ω )
Pengisian Induktor
Bila kita mengalirkan arus listrik I, maka terjadilah garis-garis gaya magnet. Bila kita mengalirkan arus melalui spul atau coil (kumparan) yang dibuat dari kabel yang digulung,a akan terjadi garis-garis gaya dalam arah sama membangkitkan medan magnet. Kekuatan medan magnet sama dengan jumlah garis-garis gaya magnet dan berbanding lurus dengan hasil kali dari jumlah gulungan dalam kumparan dan arus listrik yang melalui kumparan tersebut. Contoh rangkaian :
Pengosongan Induktor
Menghitung Impedansi Induktor
Setelah diperoleh nilai XL
maka Impedansi dapat di hitung :
Z disebut impedansi Seri
dengan satuan Ω (ohm).
Rumus Induksi Elektromagnetik
1. Fluks
Magnetik
Faktanya, induksi magnet B
tidak selalu tegak lurus pada bidang, bisa membentuk sudut tertentu. Misalkan
ada sebuah induksi medan magnet yang membentuk sudut teta dengan garis normal
maka besarnya fluks magnet yang dihasilkan adalah
Φ = BA cos θ
Φ = Fluks magnet
B = induksi magnet
A = luas bidang
θ = sudut antara arah induksi magnet B dengan arah garis normal bidang
Hukum
Faraday
Hasil percobaan yang
dilakukan faraday menghasilkan sebuah hukum yang berbunyi :
- Bila jumlah
fluks magnet yang memasuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung-ujung
kumparan timbul gaya gerak listrik induksi (ggl induksi)
- Besarnya gaya
gerak listrik induksi bergantung pada laju perubahan fluks dan banyaknya
lilitan.
Secara matematis ggl yang
dihasilkan dapat ditentukan dengan menggunakan rumus
ε = -N (ΔΦ/Δt)
(tanda negatif menunjukkan
arah induksi)
dengan
ε = ggl induksi (volt)
N = jumlah lilitan
ΔΦ/Δt = laju perubahan fluks magnet
dari rumus di atas, untuk
menimbulkan perubahan fluks magnet agar menghasilkan ggl induksi dapat
dilakukan dengan beberapa cara antara lain:
- memperbesar perubahan
induksi magnet B
- memperkecil luas
bindang A yang ditembus oleh medan magnet.
- memperkecil
sudut
2. Hukum
Lenz
Berdasarkan gambar di atas,
- arah v merupakan
arah dari penyebab perubahan
- arah gaya
lorentz FL akan selalu berlawanan dengan arah v
- dengan
menggunakan aturan tangan kanan, maka diperoleh arah I dari P ke Q
Rumus Hukum Lenz
ε = B. l v
GGL Induksi Diri (Hukum Henry)
Apabila arus yang mengalir pada suatu penghantar berubah setiap waktu maka pada
penghantar tersebut kan terjai ggl induksi diri dan oleh Josep Henry dirumuskan
sebagai:
ε = -L (dI/dt)
dengan:
ε = ggl induksi diri (volt)
L = induktansi diri
dI/dt = besarnya perubahan arus tiap satuan waktu (A/s)
Induksi diri (L) adalah ggl
yang terjadi dalam suatu penghantar dan terterjadi perubahan kuat arus 1 A
setiap detiknya. Besarnya induksi diri pada sebuah penghantar dirumuskan:
L = NΦ/I
dengan:
L = induktansi diri
N = jumlah lilitan kumparan
Φ = fluks magnet (Wb)
I = kuat arus
Faktor Penyebab Timbulnya Gaya Gerak Listrik Induksi
Penyebab utama timbulnya
ggl induksi adalah terjadinya perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh
suatu loop kawat. Besarnya fluks magnetik telah dinyatakan pada persamaan (1).
Dengan demikian, ada tiga faktor penyebab timbulnya ggl pada suatu kumparan,
yaitu:
Kita asumsikan medan B
tegak lurus terhadap permukaan yang dibatasi sebuah konduktor berbentuk U.
Sebuah konduktor lain yang dapat bergerak dengan kecepatan v dipasang pada
konduktor U. Dalam waktu Δt konduktor yang bergerak tersebut menempuh jarak:
Δx = v.Δt
Sehingga, luas bidang
kumparan bertambah sebesar:
ΔA = l .
Δx = l .v .Δt
Berdasarkan Hukum Faraday,
akan timbul ggl induksi yang besarnya dinyatakan dalam persamaan :
ε = B . l . v
Perubahan sudut antara
induksi magnetik B dan arah bidang normal dapat menyebabkan timbulnya ggl
induksi, yang besarnya dapat ditentukan melalui persamaan (4). Karena nilai B
dan A konstan, maka akan diperoleh :
Keterangan :
ε = ggl
induksi (volt)
N =
jumlah lilitan
B =
induksi magnet (Wb/m2)
A = luas
kumparan (m2)
ω =
kecepatan sudut (rad/s)
- Gaya Gerak
Listrik Induksi Akibat Perubahan Induksi Magnetik
Induktansi
Kumparan yang dirangkai paralel dengan lampu neon dihubungkan sumber tegangan (baterai). Pada saat saklar ditutup lampu tidak menyala karena arus akan ke kumparan, sehingga sedikit sekali atau hampir tidak ada arus yang lewat pada lampu neon. Adanya arus yang melalui kumparan inilah yang menimbulkan medan magnetik di sekitar kumparan. Dari hasil pengamatan yang telah dilakukan, ternyata bahwa pada saat arus diputus dengan membuka saklar, lampu menyala sesaat kemudian meredup dan padam.
Saat saklar dibuka, arus
pada kumparan hilang mendadak sehingga terjadi perubahan fluks magnetik di
sekitarnya yaitu dari ada menjadi tidak ada. Jadi timbul yang menunjukkan
adanya GG induksi dalam kumparan itu sendiri dan menyalakan lampu neon. GGL
yang timbul disebut GGL induksi diri kumparan (karena ditimbulkan oleh kumparan
itu sendiri). “Besarnya GGL induksi diri sebanding dengan laju perubahan kuat
arus terhadap waktu”.
Dirumuskan sebagai berikut
:
E = – L
L = Induksi diri, satuannya
Henry
E = GGL induksi, satuannya
Volt
= laju perubahan kuat
arus, satuannya ampere/detik
Tanda negatif menunjukan
bahwa GGL induksi yang timbul adalah melawan GGL penyebabnya (Hukum Lenz).
Karena perubahan kuat arus dalam kumparan berarti juga perubahan fluks magnetik
dalam kumparan,
maka Hukum faraday E = – N
dapat dijadikan :
– L = – N
= L di = N dϕ atau L i = Nϕ
Maka L =
Induktasi diri suatu
penghatar sebesar 1 Henry didefinisikan sebagai perubahan kuat arus 1 ampere
setiap detik secara beraturan yang menyebabkan timbulnya GGL induksi diri
sebesar 1 Volt. Bila kumparan berupa solenoid atau tiroid, maka induktasi
dirinya dapat ditentukan sebagai berikut
Induktasi magnetik dipusat
solenoid
B = μo n i = μo
Sedangkan ϕ = B A = μo
Karena L =
= , maka L =
L
= Induktasi diri solenoid atau toroid
μo = Permeabilitas ruang
hampa
N
= Jumlah lilitan
A
= Luas penampang solenoid atau toroid
?
= Panjang solenoid atau toroid
Energi yang tersimpan dalam
induktor
Telah kita ketahui bahwa
daya yang dihasilkan oleh pengantar yang dilalui arus i adalah P = E i , dalam
hal ini E = L ; P = L i sedangkan P = , maka =
L i ; dW = L i di
Untuk
memperoleh usaha/energi yang ada dalam induktor selama arus diubah dari 0 sampai 1
maka = L
Contoh Soal Induksi Elektromagnetik
1. Sebuah kumparan dengan
jumlah lilitan 100 dalam waktu 0,01 detik menimbulkan perubhan fluks magnet
sebesar 10-4 Wb, berapat ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan
tersebut?
a. 1 Volt c. 50 Volt E. 300 Volt
b. 5 Volt d. 7,5 Volt
Pembahasan
Diketahui
N = 100 lilitan
dΦ /dt = 10-4 Wb/ 0,01 s = 10-2 Wb/s
ε = -N (dΦ/dt)
ε = – 100 (10-2)
ε = -1 volt
(tanda negatif hanya menunjukkan arah arus induksi)
Jadi total ggl induksi elektromagnet yang dihasilkan di
ujung-ujung kumparan tersebut 1 Volt
Kesimpulan
Timbulnya gaya listrik
(GGL) pada kumparan hanya apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya
magnet. Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis
gaya magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus
induksi dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik. Ada beberapa faktor
yang mempengaruhi besar GGL induksi yaitu:
- Kecepatan
perubahan medan magnet. Semakin cepat perubahan medan magnet, maka GGL
induksi yang timbul semakin besar.
- Banyaknya
lilitan Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga
semakin besar.
- Kekuatan magnet
Semakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga
semakin besar.
Konsep induksi
elektromagnetik dapat diterapkan dalam produk teknologi seperti;
- Generator adalah
alat yang dapat merubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip yang
digunakan adalah perubahan sudut berdasarkan hukum Faraday sehingga
terjadi perubahan fluks magnetik.
- Transformator
atau trafo merupakan alat untuk mengubah (memperbesar atau memperkecil)
tegangan AC berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yaitu memindahkan
energi listrik secara induksi melalui kumparan primer ke kumparan skunder.
- Induktor
adalah salah satu komponen yang cara kerjanya berdasarkan induksi
magnet. Induktor biasa disebut juga spul dibuat dari bahan kawat beremail
tipis. Induktor berupa kawat yang digulung sehingga menjadi kumparan.
Kemampuan induktor untuk menimbulkan medan magnet disebut konduktansi.
Demikian ulasan materi Semoga dapat bermanfaat.
Terima Kasih...!
Link Lab Virtual dapat diakses di bawah ini 👇 :
1 Komentar
Kasih proyek buat generator sederhana
BalasHapusTerima kasih atas kunjungannya
Emoji