Pengertian Induksi Elektromagnetik: Konsep, Penerapan, dan Contoh Soal

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

Pengertian Induksi Elektromagnetik

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 antara lain:

• 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 gejala kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.

Konsep Induksi Elektromagnetik

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.

Secara umum, induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya gaya gerak listrik di dalam suatu kumparan atau konduktor bila terdapat perubahan fluks magnetik pada konduktor tersebut atau bila konduktor bergerak relatif melintasi medan magnetik.

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 kepada tiga faktor, yaitu:

• Banyaknya lilitan kumparan.
• Kecepatan keluar-masuk magnet dari dan keluar kumparan.
• Kuat magnet batang yang digunakan.

Hukum Induksi Elektromagnetik

1. Hukum Induksi Elektromagnetik 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, ΦB, 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 = 90o dan ΦB = 0, tetapi jika B sejajar terhadap kumparan, θ = 0o, sehingga:

ΦB = B.A

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 ΦB 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 ΦB 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).

2. Hukum Induksi Elektomagnetik 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 Induksi Elektromagnetik

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 periodik.

1. 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.

2. 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.

3. 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 Induksi Elektromagnetik

1. 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.

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 = 90^o 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).

2. 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.

3. 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 sekunder.

Transformator step down.

Trafo ada dua jenis, yaitu trafo step-up dan step-down. Trafo step-up berfungsi untuk menaikkan tegangan AC sumber, jumlah lilitan kumparan skunder lebih banyak dibandingkan jumlah lilitan primer. Trafo step-down berfungsi untuk menurunkan tegangan AC sumber, jumlah lilitan skundernya lebih sedikit.

Np = tegangan primer; Ns = tegangan sekunder
Pp = daya primer (Watt); Ps = daya skunder (Watt)
Ip = kuat arus primer (A); Is = kuat arus skunder (A)

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:

1. Jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder.
2. Tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder.
3. 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:

1. Jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder.
2. Tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder.
3. Kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.

Contoh Soal Induksi Elektromagnetik

Pertanyaan:
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
b. 5 Volt
c. 50 Volt
d. 7,5 Volt
e. 300 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:

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.
3. Kekuatan magnet Semakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.

Konsep induksi elektromagnetik dapat diterapkan dalam produk teknologi seperti:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Rekomendasi Buku & Artikel Terkait

Referensi

• Abdullah, M. (2017). Fisika Dasar II. Bandung: Institut Teknologi Bandung.
• Bagia, I.N, dan Parsa, I.M. (2018). Motor-Motor Listrik. Bandung: CV. Rasi Terbit.
• Kanginan, M. (2007). Fisika 3 untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga.
• Soebyakto. (2017). Fisika Terapan 2. Tegal: Badan Penerbit Universitas Pancasakti Tegal.
• Yuberti. (2017). Konsep Materi Fisika Dasar 2. Bandar Lampung: AURA Printing & Publishing.