HUKUM KEMAGNETAN

Bunyi-Bunyi Hukum Listrik dan Magnet

.      1.    BUNYI HUKUM COULOMB

“gaya yang dilakukan oleh suatu muatan pada titik lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatantesebut. Besarnya gaya berbanding terbalik kuadrat jaarak keduanya, berbanding lurus dengan perkalian kedua muatan”.

2.  2.     BUNYI HUKUM GAUSS

“jumlah garis-garis medan listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dibagi dengan permitivitas udara ”.

3.    3.   BUNYI HUKUM OHM

“Besar arus listrik yang mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan kepadanya”. Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya.

4.   4.    BUNYI HUKUM KIRCHOFF

a.      Hukum Kirchoff I

“jumlah kuat arus yang masuk dalam titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan”.

b.    5.   Hukum Kirchoff II

“dalam rangkaian tertutup, jumlah aljabar GGL (E) dan jumlah penurunan potensial adalah nol”.

5.    6. BUNYI HUKUM BIOT dan SAVART

“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suattu penghantar yang berada diantara medan magnetik”.

6.   7.    BUNYI HUKUM AMPERE

“Intergral garis induksi magnetik B melalui lintasan tertutup sama dengan  kali jumlah yang terlingkupi oleh lintasan itu”.

7.     8.  BUNYI HUKUM FARADAY

“GGL induksi yang timbul antara ujung-ujung loop suatu penghantar berbanding lurus denngan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut”.

8.    9.   BUNYI HUKUM LENZ

“Arah arus induksi pada suatu rangkaian adalah sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetik ( arus induksi berusaha mempertahankan agar fluks magnetik total adalah konstan )”.

“Apabila arah ibu jari menyatakan arah aliran arus listrik, maka arah lipatan jari-jari yang lainnya menyatakan arah medan magnet.“

Pada saat Hans Christian Oersted mengadakan percobaan untuk mengamati hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan, ia belum sampai menghitung besarnya kuat medan magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus. Perhitungan secara matematik baru dikemukakan oleh ilmuwan dari Prancis yaitu Jean Bastiste Biot dan Felix Savart. Berdasarkan hasil eksperimennya tentang pengamatan medan magnet di suatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar dl, yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa besarnya kuat medan magnet (yang kemudian disebut induksi magnet yang diberi lambang B) di titik P :

a. Berbanding lurus dengan kuat arus listrik (I).
b. Berbanding lurus dengan panjang kawat (dl).
c. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik P ke elemen kawat penghantar (r).
d. Sebanding dengan sinus sudut apit θ antara arah arus dengan garis hubung antara titik P ke elemen kawat penghantar.

Pernyataan tersebut dikenal dengan hukum Biot-Savart yang secara matematik dapat dinyatakan dalam persamaan :

dengan :

dB = Induksi magnet di titik P (Wb/m² atau Tesla)
I = kuat arus listrik (A)
dl = panjang elemen kawat berarus (m)
θ = sudut antara arah I dengan garis hubung P ke dl
k =  = bilangan konstanta = 10^-7 Wb A^-1m^-1
r = jarak dari P ke dl (m)

Ilmuwan mengatakan bahwa ruang disekitar kawat berarus listrik berubah menjadi medan magnetik. Arus listrik menimbulkan medan magnetik di sekitar kawat berarus listrik.

Gaya Lorentz merupakan nama lain dari gaya magnetik yaitu gaya yang ditimbulkan oleh medan magnet. Kapan akan timbul bila ada interaksi dua medan magnet, contohnya adalah kawat berarus dalam medan magnet, kawat sejajar berarus dan muatan yang bergerak dalam medan magnet.

Gaya Lorentz (Gaya Magnetik) Dalam Beberapa Kondisi

Gaya Lorentz Untuk Kawat Berarus Dalam Medan Magnet

Pada setiap kawat berarus yang diletakkan dalam daerah bermedan magnet maka kawat tersebut akan merasakan gaya magnet.

Gaya magnet atau gaya Lorentz merupakan besaran vektor. Arahnya dapat menggunakan kaedah tangan kanan seperti pada gambar diatas. Ibu jari sebagai arah I, empat jari lain sebagai arah B dan arah gaya Lorentz sesuai dengan arah telapak. Besarnya gaya Lorentz sebanding dengan kuat arus I, induksi magnet B dan panjang kawat l. Jika B membentuk sudut θ terhadap I akan memenuhi persamaan berikut.

F_l = B . I . l sin θ

Dengan :

F_l = gaya Lorentz (N)
B = induksi magnet (wb/m2)
I = kuat arus listrik (A)
l = panjang kawat (m)
θ = sudut antara B dengan I

Gaya Lorentz Pada Kawat Sejajar Berarus

Di sekitar kawat berarus timbul induksi magnet. Apa yang akan terjadi jika kawat berarus lain didekatkan kawat pertama? Keadaan ini berarti ada dua kawat sejajar. Kawat kedua berada dalam induksi magnet kawat pertama, sehingga akan terjadi gaya Lorentz. Begitu juga pada kawat kedua akan menimbulkan gaya Lorentz pada kawat pertama. Gaya itu sama besar dan memenuhi persamaan berikut.

F_²¹ = i₂ l B₁

Bagaimanakah arahnya? Kawat sejajar yang diberi arus searah akan tarik menarik dan diberi arus berlawanan akan tolak menolak.

Perhatikan gambar diatas. Bagaimana hal ini bisa terjadi? Tentukan dengan menggunakan kaedah tangan kanan.

Gaya Lorentz Pada Muatan Bergerak

Muatan bergerak dapat disamakan dengan arus listrik. Berarti saat ada muatan bergerak dalam medan magnet juga akan timbul gaya Lorentz. Arus listrik adalah muatan yang bergerak dan muatan yang dimaksud adalah muatan positif.

Gaya Lorentz yang dirasakan muatan positif dapat ditentukan dengan kaedah tangan kanan. Perhatikan gambar diatas Ibu jari menunjukKan arah v, 4 jari lain menjadi arah B dan telapak arah gaya Lorentz. Gaya Lorentz yang dirasakan oleh muatan bergerak tersebut memenuhi persamaan berikut.

F = q v B sin θ

Dengan :

F = gaya Lorentz (N)
q = muatan (C)
v = kecepatan muatan (m/s)
B = induksi magnet (wb/m2)
θ = sudut antara v dan B

Pengaruh Nilai θ Pada Gaya Lorentz

Perhatikan nilai gaya Lorent pada muatan yang bergerak. F = q v B sin θ. Nilai θ ini memiliki tiga kemungkinan. Perhatikan ketiga kemungkinan tersebut.

(a) Nilai θ = 0.
Nilai θ = 0 terjadi jika v sejajar B akibatnya nilai F = 0. Karena tidak dipengaruhi gaya maka muatannya akan bergerak lurus beraturan (GLB).

(b) Nilai θ = 90^o.
Nilai θ = 90^o terjadi jika v tegak lurus B. Nilai F = q v B dan selalu tegak lurus dengan v. Keadaan ini menyebabkan akan terjadi gerak melingkar beraturan (GMB). Jari-jarinya memenuhi persamaan berikut.

(c) Nilai 0 < θ < 90^o.
Nilai kemungkinan ketiga ini dapat menyebabkan terjadi perpaduan gerak GLB dan GMB dan terjadi gerak helix.

Muatan Bergerak Disekitar Kawat Berarus

Kawat yang dialiri arus dapat menimbulkan medan magnet berarti muatan yang bergerak di sekitar kawat berarus sama dengan bergerak dalam medan magnet yaitu akan merasakan gaya Lorentz.

Hukum Faraday merupakan pernyataan yang dikemukakan oleh Michael Faraday tentang analisa pada induksi magnet yang terjadi disekitar kawat berarus listrik dan sebaliknya pengaruh induksi magnetik pada kawat berarus listrik.

Humkum Faraday

Michael Faraday adalah seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris. Secara eksperimen Faraday menemukan bahwa beda potensial dapat dihasilkan pada ujung-ujung penghantar atau kumparan dengan memberikan perubahan fluks magnetik. Hasil eksperimennya dirumuskan sebagai berikut.

“Ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar atau kumparan tersebut”

Dari rumusan di atas dapat dituliskan menjadi persamaan seperti di bawah. Pembandingnya adalah jumlah lilitannya.

dengan :

â = ggl induksi (volt)
N = jumlah lilitan
= laju perubahan fluks magnetik

Tanda negatif pada persamaan diatas sesuai dengan Hukum Lenz. Dengan bahasa yang sederhana hukum Lenz dirumuskan: Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik.

Hukum Faraday memperkenalkan suatu besaran yang dinamakan fluks magnetik. Fluks magnetik ini menyatakan jumlah garis-garis gaya magnetik. Berkaitan dengan besaran ini, kuat medan magnet didefinisikan sebagai kerapatan garis-garis gaya magnet. Dari kedua definisi ini dapat dirumuskan hubungan sebagai berikut.

φ = B A cos θ

dengan :

φ = fluks magnetik (weber atau Wb)
B = induksi magnetik (Wb/m2)
A = luas penampang (m2)
θ = sudut antara iduksi magnet dengan normal bidang

Dari persamaan diatas dapat diamati bahwa perubahan fluks magnet dapat terjadi tiga kemungkinan. Pertama terjadi karena perubahan medan magnet B. Kedua, terjadi karena perubahan luas penampang yang dilalui, contohnya kawat yang bergerak dalam medan magnet. Ketiga, terjadi karena perubahan sudut θ, contohnya kumparan yang berputar : generator. Perhatikan penjelasan perubahanperubahan tersebut pada penjelasan berikut.

1. Penghantar Bergerak Dalam Medan Magnet

Jika penghantar bergerak dengan kecepatan v maka akan timbul gaya Lenz yang arahnya berlawanan sesuai dengan Hukum Lenz.

Penghantar bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnet B dapat digambarkan seperti pada gambar diatas. Pada saat bergerak maka penghantar akan menyapu luasan yang terus berubah. Karena perubahan luas inilah maka ujung-ujung penghantar AB itu akan timbul beda potensial. Besarnya sesuai dengan hukum Faraday dan dapat diturunkan seperti berikut.

ε = B l v sin θ

dengan :

ε = ggl induksi (volt)
B = induksi magnet (Wb/m2)
l = panjang penghantar
v = kecepatan gerak penghantar (m/s)
θ = sudut antara θ dan v.

Arah arus yang ditimbulkan oleh beda potensial ini dapat menggunakan kaedah tangan kanan seperti pada gambar diatas. Ibu jari sebagai arah arus induksi I, empat jari lain sebagai arah B dan telapak sebagai arah gaya Lorentz yang berlawanan arah dengan arah kecepatan penghantar.

2. Perubahan Medan Magnet

Perubahan fluks yang kedua dapat terjadi karena perubahan medan magnet. Contoh perubahan induksi magnet ini adalah menggerakkan batang magnet di sekitar kumparan.

Sebuah batang magnet didekatkan pada kumparan dengan kutub utara terlebih dahulu. Pada saat ini ujung kumparan akan timbul perubahan medan magnet yang berasal dari batang magnet (medan magnet sumber). Medan  magnetnya bertambah karena pada kutub utara garis-garis gaya magnetnya keluar berarti fluks magnet pada kumparan bertambah.

Sesuai dengan hukum Lenz maka akan timbul induksi magnet (B induksi) yang menentang sumber. Arah B induksi ini dapat digunakan untuk menentukan arah arus induksi yaitu dengan menggunakan kaedah tangan kanan.

Arus induksi karena perubahan medan magnet

Timbulnya arus pada kumparan ini dapat ditunjukan dari galvanometer yang dihubungkan dengan kumparan. Arus induksi ini timbul untuk menimbulkan induksi magnet (Binduksi). Arah arus induksi sesuai kaedah tangan kanan, pada gambar diatas terlihat arus mengalir dari titik A ke titik B.

3. Generator

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. Perubahan sudut ini dirancang dengan cara memutar kumparan pada generator.

Model generator, Kumparan diputar disekitar medan magnet

Pada ujung-ujung kumparan yang berputar diantara dua kutub magnet inilah akan timbul beda potensial. Sehingga dapat digunakan sebagai sumber tegangan dan hasilnya adalah sumber tegangan bolak-balik. Besar ggl induksinya dapat ditentukan dari hukum Faraday.

ε = -NBAω (-Sin ωt)              ε = -NBAω Sin ωt

Dari hubungan ini dapat diperoleh :

ε = ε_maks sin ωt

ε_maks = N B A ω

dengan :

ε = ggl induksi (volt)
N = jumlah lilitan
B = induksi magnet (Wb/m2)
A = luas kumparan (m2)
ω = kecepatan sudut p (rad/s)

Penerapan gaya magnetik dapat kita temui dalam kehidupan sehari-hari, terutama pada peralatan listrikrumah tangga. Bahkan hiasan dan aksesoris rumah pada saat ini banyak menerapkan atau memanfaatkan gaya magnetik sebagai perekat. Dalam dunia teknologi penerapan atau pemanfaatan gaya magnetik dapat ditemui dalam galvanometer atau alat ukur analog, relai, kereta maglev dan masih banyak lagi peralatan yang memanfaatkan gaya magnetik.

Penerapan Gaya Magnetik Pada Galvanometer

Galvanometer berperan sebagai komponen dasar pada beberapa alat ukur, antara lain amperemeter, voltmeter, serta ohmmeter. Peralatan ini digunakan untuk mendeteksi dan mengukur arus listrik lemah. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar dibawah, galvanometer berupa kumparan bergerak, terdiri atas sebuah kumparan terbuat dari kawat tembaga isolasi halus dan dapat berputar pada sumbunya yang mengelilingi sebuah inti besi lunak tetap yang berada di antara kutub-kutub suatu magnet permanen. Interaksi antara medan magnetik B permanen dengan sisi-sisi kumparan akan dihasilkan bila arus I mengalir melaluinya, sehingga akan mengakibatkan torka pada kumparan. Kumparan bergerak memiliki tongkat penunjuk atau cermin yang membelokkan berkas cahaya ketika bergerak, dimana tingkat pembelokan tersebut merupakan ukuran kekuatan arus.

Galvanometer Tangen

Penerapan Gaya Magnetik Pada Motor Listrik

Sebuah motor listrik merupakan alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Mesin ini tidak bising, bersih, dan memiliki efisiensi tinggi. Alat ini bekerja dengan prinsip bahwa arus yang mengalir melalui kumparan di dalam medan magnet akan mengalami gaya yang digunakan untuk memutar kumparan. Pada motor induksi, arus bolak-balik diberikan pada kumparan tetap (stator), yang menimbulkan medan magnetik sekaligus menghasilkan arus di dalam kumparan berputar (rotor) yang mengelilinginya. Keuntungan motor jenis ini adalah arus tidak harus diumpankan melalui komutator ke bagian mesin yang bergerak. Pada motor serempak (synchronous motor), arus bolak-balik yang hanya diumpankan pada stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar dan terkunci dengan medan rotor. Dalam hal ini magnet bebas, sehingga menyebabkan rotor berputar dengan kelajuan yang sama dengan putaran medan stator. Rotor dapat berupa magnet permanen atau magnet listrik yang diumpani arus searah melalui cincin geser.

Aplikasi gaya magnetik pada motor listrik

Penerapan Gaya Magnetik Pada Relai

Relai merupakan suatu alat dengan sebuah sakelar, untuk menutup relai digunakan magnet listrik. Arus yang relatif kecil dalam kumparan magnet listrik dapat digunakan untuk menghidupkan arus yang besar tanpa terjadi hubungan listrik antara kedua rangkaian. Berikut gambaran relai yang dimaksud.

Penerapan gaya magnetik pada relai

Penerapan Gaya Magnetik Pada Kereta “Maglev”

Maglev merupakan kereta api yang menerapkan konsep magnet listrik untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Kata “Maglev” berasal dari magnetic levitation. Kereta api ini dipasangi magnet listrik di bawahnya yang bergerak pada jalur bermagnet listrik. Magnet tolak-menolak sehingga kereta api melayang tepat di atas jalur lintasan. Gesekan kereta api dengan jalur lintasan berkurang sehingga kereta api bergerak lebih cepat.

Penerapan gaya magnetik pada kereta cepat maglev

Gaya magnetik pada kereta cepat maglev digunakan untuk menjalankan kereta maglev sehingga tidak terjadi gesekan antara rel dan kereta cepat maglev karena menggunakan gaya magnetik untuk mengangkat dan mejalankan kereta cepat tersebut.

Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL Induksi) adalah beda potensial yang terjadi pada ujung-ujung kumparan karena pengaruh induksi elektromagnetik. Dalam mempelajari GGL Induksi ini, kita akan mempelajari lebih lanjut tentang induksi elektromagnetik. Induksi elektromagetik ini merupakan dasar dari prinsip kerja dinamo atau generator dan peralatan listrik lainnya, misalnya transformator. Sebelum lebih dalam mempelajari Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL Induksi) kita ingat dahulu tentang medan magnet yang ditimbulkan oleh magnet tetap dan medan magnet yang timbul di sekitar kawat penghantar beraliran arus listrik. Di mana untuk menggambarkan kuat medan dapat digunakan garis-garis gaya magnet, daerah yang memiliki medan magnet kuat digambarkan dengan garis gaya magnet yang rapat, sedangkan daerah yang medan magnetnya lebih kecil digambarkan dengan garis gaya magnet yang kurang rapat. Dekat dengan kutub-kutub magnet, garis-garis gayanya rapat, makin jauh dari kutub magnet makin jarang.

Apa yang terjadi apabila di sekitar kumparan kawat terjadi perubahan jumlah garis gaya magnet (medan magnet), misalnya dengan menggerakkan magnet keluar masuk dalam kumparan atau menggerakan kumparan di sekitar magnet? Ternyata pada ujung-ujung kumparan akan timbul beda potensial listrik. Apabila antar ujung-ujung kumparan dihubungkan dengan suatu penghantar atau ampermeter akan mengalir arus listrik.

Adanya arus listrik ditunjukkan dengan bergeraknya jarum amperemeter, terjadinya arus listrik hanya terjadi pada saat ada gerak relatif antara magnet dengan kumparan, arus tidak terjadi jika kumparan dan magnet sama-sama diam. Peristiwa timbulnya beda potensial pada ujung-ujung kawat penghantar bila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet yang dilingkupi kumparan dinamakan induksi elektromagnetik. Beda potensial yang terjadi pada ujung-ujung kumparan disebut ggl induksi (gaya gerak listrik induksi) dan arus listrik yang timbul disebut arus listrik induksi. Peristiwa ini pertama kali diselidiki pada tahun 1831 oleh dua orang ilmuwan fisika di tempat yang berbeda, tetapi dalam waktu yang hampir bersamaan yaitu Michael Faraday di Inggris dan Yoseph Henry di Amerika Serikat.

Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL Induksi)

Sebagai pembuka dalam mempelajari Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL Induksi) dimulai dengan mempelajari fluks magnetik.

Pengertian Fluks Magnetik

Konsep tentang fluks magnetik pertama kali dikemukaan oleh ilmuwan Fisika yang bernama Michael Faraday untuk menggambarkan medan magnet. Ia menggambarkan medan magnet dengan menggunakan garis-garis gaya, di mana daerah yang medan magnetnya kuat digambarkan garis gaya rapat dan yang kurang kuat digambarkan dengan garis gaya yang kurang rapat. Sedangkan untuk daerah yang memiliki kuat medan yang homogen digambarkan garis-garis gaya yang sejajar. Garis gaya magnet dilukiskan dari kutub utara magnet dan berakhir di kutub selatan magnet. Untuk menyatakan kuat medan magnetik dinyatakan dengan lambang B yang disebut dengan induksi magnet, induksi magnetik menyatakan kerapatan garis gaya magnet.

Sedangkan fluks magnetik menyatakan banyaknya jumlah garis gaya yang menembus permukaan bidang secara tegak lurus, yang dapat dinyatakan dalam persamaan, sebagai berikut.

   atau  

Persamaan kedua dipakai apabila arah B tidak tegak lurus permukaan bidang.

Dimana :

Φ = fluks magnetik (Wb = weber)
B = induksi magnet (T atau WB.m^-2)
A = luas permukaan bidang (m²)
θ = sudut yang dibentuk antara arah B dengan garis normal (radian atau derajat)

Penyebab utama timbulnya ggl induksi adalah terjadinya perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu loop kawat. Besarnya fluks magnetik telah dinyatakan pada persamaan Φ = B.A cos θ. Dengan demikian, ada tiga faktor penyebab timbulnya ggl pada suatu kumparan, yaitu:

1. perubahan luas bidang kumparan (A),
2. perubahan orientasi sudut kumparan θ terhadap medan,
3. perubahan induksi magnetik.

Faktor-Faktor Penyebab Timbulnya GGL Induksi

GGL Induksi Akibat Perubahan Luasan Kumparan Medan

Perubahan luasan kumparan karena pergerakan batang penghantar pada konduktor U

Gambar diatas memperlihatkan induksi ggl elektromagnetik. 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 berikut ini.

Dengan substitusi persamaan diatas, maka akan diperoleh :

Persamaan terakhir diatas hanya berlaku pada keadaan B, l, dan v saling tegak lurus.

GGL Induksi Akibat Perubahan Orientasi Sudut Kumparan θ Terhadap Medan

Perubahan sudut antara induksi magnetik B dan arah bidang normal dapat menyebabkan timbulnya ggl induksi, yang besarnya dapat ditentukan melalui persamaan :

Karena nilai B dan A konstan, maka akan diperoleh :

Jika laju perubahan cos θ tetap, persamaan diatas menjadi :

Dengan θ₁ dan θ₂ masing-masing menyatakan sudut awal dan sudut akhir antara arah normal bidang dengan arah induksi.

GGL Induksi Akibat Perubahan Induksi Magnetik

Perubahan induksi magnetik juga dapat menimbulkan ggl induksi pada luasan bidang kumparan yang konstan, yang dinyatakan sebagai berikut :

ε = – NA cos θ 

Untuk laju perubahan induksi magnetik tetap, persamaan diatas menjadi :

ε = – NA cos θ 

ε = – NA cos θ 

Hukum Lenz merupakan hukum fisika yang memebrikan pernyataan tentang GGL (Gaya Gerak Listrik) Induksi. Hukum lenz memberikan penjelasan tentang arah arus induksi yang terjadi karena terjadinya GGL Induksi tersebut. Hukum Lenz ditemukan oleh ilmuwan fisika Friederich Lenz pada tahun 1834.

Hukum Lenz

Berdasarkan hukum Faraday, telah kita ketahui bahwa perubahan fluks magnetik akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua ujung kumparan itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan tertentu akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial yang terjadi disebut ggl induksi. Faraday pada saat itu baru dapat menghitung besarnya ggl induksi yang terjadi, tetapi belum menentukan ke mana arah arus induksi yang timbul pada rangkaian/kumparan. Arah arus induksi yang terjadi baru dapat dijelaskan oleh Friederich Lenz pada tahun 1834 yang lebih dikenal dengan hukum Lenz.

Pernyataan Hukum Lenz

“Jika ggl induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus induksi yang dihasilkan sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha mempertahankan fluks magnetik totalnya konstan)”

Arah arus induksi berdasarkan hukum Lenz (a) magnet mendekati kumparan, (b) magnet menjauhi kumparan.

Untuk lebih memahami hukum Lenz, perhatikan gambar diatas. Ketika kedudukan magnet dan kumparan diam, tidak ada perubahan fluks magnet dalam kumparan. Tetapi ketika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, maka timbul perubahan fluks magnetik. Dengan demikian pada kumparan akan timbul fluks  magnetik yang menentang pertambahan fluks magnetik yang menembus kumparan. Oleh karena itu, arah fluks induksi harus berlawanan dengan fluks magnetik. Dengan demikian fluks total yang dilingkupi kumparan selalu konstan. Begitu juga pada saat magnet digerakkan menjauhi kumparan, maka akan terjadi pengurangan fluks magnetik dalam kumparan, akibatnya pada kumparan timbul fluks induksi yang menentang pengurangan fluks magnet, sehingga selalu fluks totalnya konstan. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan yaitu jika arah ibu jari menyatakan arah induksi magnet maka arah lipatan jari-jari yang lain menyatakan arah arus.

Percobaan Hukum Lenz

Apabila magnet digerakkan mendekati kumparan, ke mana arah arus listrik yang terjadi pada hambatan R? Karena magnet digerakkan mendekati kumparan, maka pada kumparan akan timbul ggl induksi yang menyebabkan timbulnya arus induksi pada kumparan, sehingga menyebabkan timbul medan magnet yang menentang medan magnet tetap, maka arah arus dalam kumparan/hambatan dari B ke A seperti dalam pernyataan hukum lenz tersebut.

Induktansi merupakan sifat sebuah rangkaian listrik atau komponen yang menyebabkan timbulnya ggl di dalam rangkaian sebagai akibat perubahan arus yang melewati rangkaian (self inductance) atau akibat perubahan arus yang melewati rangkaian tetangga yang dihubungkan secara magnetis (induktansi bersama atau mutual inductance). Pada kedua keadaan tersebut, perubahan arus berarti ada perubahan medan magnetik, yang kemudian menghasilkan ggl.

Apabila sebuah kumparan dialiri arus, di dalam kumparan tersebut akan timbul medan magnetik. Selanjutnya, apabila arus yang mengalir besarnya berubahubah terhadap waktu akan menghasilkan fluks magnetik yang berubah terhadap waktu. Perubahan fluks magnetik ini dapat menginduksi rangkaian itu sendiri, sehingga di dalamnya timbul ggl induksi. Ggl induksi yang diakibatkan oleh perubahan fluks magnetik sendiri dinamakan ggl induksi diri.

Induktansi Diri (GGL Induksi Pada Kumparan)

Apabila arus berubah melewati suatu kumparan atau solenoida, terjadi perubahan fluks magnetik di dalam kumparan yang akan menginduksi ggl pada arah yang berlawanan. Ggl terinduksi ini berlawanan arah dengan perubahan fluks. Jika arus yang melalui kumparan meningkat, kenaikan fluks magnet akan menginduksi ggl dengan arah arus yang berlawanan dan cenderung untuk memperlambat kenaikan arus tersebut. Dapat disimpulkan bahwa ggl induksi ε sebanding dengan laju  perubahan arus yang dirumuskan :

dengan I merupakan arus sesaat, dan tanda negatif menunjukkan bahwa ggl yang dihasilkan berlawanan dengan perubahan arus. Konstanta kesebandingan L disebut induktansi diri atau induktansi kumparan, yang memiliki satuan henry (H), yang didefinisikan sebagai satuan untuk menyatakan besarnya induktansi suatu rangkaian tertutup yang menghasilkan ggl satu volt bila arus listrik di dalam rangkaian berubah secara seragam dengan laju satu ampere per detik.

Induksi Diri Pada Selenoida Dan Toroida

Solenoida merupakan kumparan kawat yang terlilit pada suatu pembentuk silinder. Pada kumparan ini panjang pembentuk melebihi garis tengahnya. Bila arus dilewatkan melalui kumparan, suatu medan magnetik akan dihasilkan di dalam kumparan sejajar dengan sumbu. Sementara itu, toroida adalah solenoida yang dilengkungkan sehingga sumbunya menjadi berbentuk lingkaran. Sebuah kumparan yang memiliki induktansi diri L yang signifikan disebut induktor. Induktansi diri L sebuah solenoida dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan dibawah. Medan magnet di dalam solenoida adalah :

B = μ  . n . I

dengan n = sehingga diperoleh

karena B Φ = B.A =

Perubahan I akan menimbulkan perubahan fluks sebesar

Sehingga

dengan:

L = induktansi diri solenoida atau toroida ( H)
μ₀ = permeabilitas udara (4 π × 10^-7 Wb/Am)
N = jumlah lilitan
l = panjang solenoida atau toroida (m)
A = luas penampang (m²)

Energi Yang Tersimpan Dalam Induktor

Energi yang tersimpan dalam induktor (kumparan) tersimpan dalam bentuk medan magnetik. Energi U yang tersimpan di dalam sebuah induktansi L yang dilewati arus I, adalah :

Energi pada induktor tersebut tersimpan dalam medan magnetiknya. Berdasarkan persamaan induktansi diri selenoida atau toroida, bahwa besar induktansi solenoida setara dengan  dan medan magnet di dalam solenoida berhubungan dengan kuat arus I dengan B = Jadi,

Maka, dari persamaan diatas diperoleh:

Apabila energi pada persamaan diatas tersimpan dalam suatu volume yang dibatasi oleh lilitan Al, maka besar energi per satuan volume atau yang disebut kerapatan energi, adalah :

Induktansi Bersama

Apabila dua kumparan saling berdekatan, seperti pada gambar diatas, maka sebuah arus tetap I di dalam sebuah kumparan akan menghasilkan sebuah fluks magnetik Φ yang mengitari kumparan lainnya, dan menginduksi ggl pada kumparan tersebut. Menurut Hukum Faraday, besar ggl ε₂ yang diinduksi ke kumparan tersebut berbanding lurus dengan laju perubahan fluks yang melewatinya. Karena fluks berbanding lurus dengan kumparan 1, maka ε₂ harus sebanding dengan laju perubahan arus pada kumparan 1, dapat dinyatakan :

Dengan M adalah konstanta pembanding yang disebut induktansi bersama. Nilai M tergantung pada ukuran kumparan, jumlah lilitan, dan jarak pisahnya. Induktansi bersama mempunyai satuan henry (H), untuk mengenang fisikawan asal AS, Joseph Henry (1797 – 1878). Pada situasi yang berbeda, jika perubahan arus kumparan 2 menginduksi ggl pada kumparan 1, maka konstanta pembanding akan bernilai sama, yaitu :

Induktansi bersama diterapkan dalam transformator, dengan memaksimalkan hubungan antara kumparan primer dan sekunder sehingga hampir seluruh garis fluks melewati kedua kumparan tersebut. Alat pemacu jantung, untuk menjaga kestabilan aliran darah pada jantung pasien merupakan salah satu contoh alat yang menerapkan induktansi bersama.

Aplikasi induksi elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari dapat kita temui pada generator dan transformator. Generator merupakan perangkat yang berfungsi untuk membangkitkan energi listrik berdasarkan induksi elektromagnetik. Kemudian transformator dapat kita temui pada peralatan rumah tangga seperti TV,radio dan lainnya. Pada peralatan tersebut transformator banyak digunakan untuk menurunkan tegangan listrik komersial dan digunakan untuk menyalakan peralatan elektronik.

Aplikasi Induksi Elektromagnetik Pada Generator

Generator adalah alat yang digunakan utuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya adalah peristiwa induksi elektromagnetik. Jika kumparan penghantar digerakkan di dalam medan magnetik dan memotong medan magnetik, maka pada kumparan terjadi ggl induksi. Hal ini dapat dilakukan dengan memutar kawat di dalam medan magnet homogen.

Generator AC

Gambar diatas menunjukkan skema sebuah generator AC, yang memiliki beberapa kumparan yang dililitkan pada angker yang dapat bergerak dalam medan magnetik. Sumber diputar secara mekanis dan ggl diinduksi pada kumparan yang berputar. Keluaran dari generator tersebut berupa arus listrik, yaitu arus bolak-balik.

Skema induksi gaya gerak listrik dapat diamati pada gambar diatas, yang menunjukkan kecepatan sesaat sisi a – b dan c – d, ketika loop diputar searah jarum jam di dalam medan magnet seragam B. Ggl hanya dibangkitkan oleh gaya-gaya yang bekerja pada bagian a – b dan c – d. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan, dapat ditentukan bahwa arah arus induksi pada a – b mengalir dari a ke b. Sementara itu, pada sisi c – d, aliran dari c ke d, sehingga aliran menjadi kontinu dalam loop. Besarnya ggl yang ditimbulkan dalam a – b adalah:

ε = B.l.v

Persamaan tersebut berlaku jika komponen v tegak lurus terhadap B. Panjang a – b dinyatakan oleh l. Dari gambar diperoleh v = v sin θ , dengan θ merupakan sudut antara permukaan kumparan dengan garis vertikal. Resultan ggl yang terjadi merupakan jumlah ggl terinduksi di a – b dan c – d, yang memiliki besar dan arah yang sama, sehingga diperoleh:

ε = 2N.B.l.v sin θ

Dengan N merupakan jumlah loop dalam kumparan. Apabila kumparan berputar dengan kecepatan anguler konstan ω, maka besar sudutnya adalah θ =ωt . Diketahui bahwa:

v = ω.r   atau   v = ω

dengan h adalah panjang b – c atau a – d.

Sehingga diperoleh :

ε = 2N.B.l. ω  sinωt

atau

ε = N.B.A. ωsin ωt

Dengan A menyatakan luas loop yang nilainya setara dengan lh.

Harga ε maksimum bila ωt = 90^o, sehingga sin ωt = 1.

Jadi, ε _maksimum= N.B.A. ω

Generator DC

Generator DC hampir sama seperti generator AC. Perbedaannya terletak pada cincin komutator yang digunakannya, yang ditunjukkan pada dibawah Keluaran generator dapat ditunjukkan oleh grafik hubungan V terhadap t, dan dapat diperhalus dengan memasang kapasitor secara paralel pada keluarannya. Atau dengan menggunakan beberapa kumparan pada angker, sehingga dihasilkan keluaran yang lebih halus gambar berikut.

1. Generator DC dengan 1 set komutator
2. Generator DC dengan banyak komutator

Generator elektromagnetik merupakan sumber utama listrik dan dapat digerakkan oleh turbin uap, turbin air, mesin pembakaran dalam, kincir angin, atau bagian dari mesin lain yang bergerak. Pada pembangkit tenaga listrik, generator menghasilkan arus bolak-balik dan sering disebut alternator.

Aplikasi Induksi Elektromagnetik Pada Transformator

Transformator merupakan alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Piranti ini memindahkan energi listrik dari suatu rangkaian arus listrik bolak-balik ke rangkaian lain diikuti dengan perubahan tegangan, arus, fase, atau impedansi.

Transformator terdiri atas dua kumparan kawat yang membungkus inti besi, yaitu kumparan primer dan sekunder. Transformator dirancang sedemikian rupa sehingga hampir seluruh fluks magnet yang dihasilkan arus pada kumparan primer dapat masuk ke kumparan sekunder.

1. Transformator Step Up
2. Transformator Step Down

Ada dua macam transformator, yaitu transformator stepup dan transformator step-down. Transformator step-up digunakan untuk memperbesar tegangan arus bolak-balik. Pada transformator ini jumlah lilitan sekunder (N_s) lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (N_p). Transformator step-down digunakan untuk menurunkan tegangan listrik arus bolak-balik, dengan jumlah lilitan primer (N_p) lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (N_s).

Apabila tegangan bolak-balik diberikan pada kumparan primer, perubahan medan magnetik yang dihasilkan akan menginduksi tegangan bolak-balik berfrekuensi sama pada kumparan sekunder. Tetapi, tegangan yang timbul berbeda, sesuai dengan jumlah lilitan pada tiap kumparan. Berdasarkan Hukum Faraday, bahwa tegangan atau ggl terinduksi pada kumparan sekunder adalah:

V_s = N_s

Dengan Ns menyatakan banyaknya lilitan pada kumparan sekunder, sedangkan adalah laju perubahan fluks magnetik. Tegangan masukan pada kumparan primer juga memenuhi hubungan persamaan dengan laju perubahan fluks magnetik, yaitu:

V_p = N_p

Dengan menganggap tidak ada kerugian daya di dalam inti, maka dari kedua persamaan tersebut akan diperoleh:

Persamaan diatas adalah persamaan umum transformator, yang menunjukkan bahwa tegangan sekunder berhubungan dengan tegangan primer. Hukum Kekekalan Energi menyatakan bahwa daya keluaran tidak bisa lebih besar dari daya masukan. Daya masukan pada dasarnya sama dengan daya keluaran. Daya P = V.I, sehingga diperoleh:

V_p. I_p = V_s. I_s         atau      

Jadi, pada transformator berlaku hubungan:

Transformator ideal (efisiensi η = 100%) adalah transformator yang dapat memindahkan energi listrik dari kumparan primer ke kumparan sekunder dengan tidak ada energi yang hilang. Namun, pada kenyataannya, terdapat hubungan magnetik yang tidak lengkap antarkumparan, dan terjadi kerugian pemanasan di dalam kumparan itu sendiri, sehingga menyebabkan daya output lebih kecil dari daya input. Perbandingan antara daya output dan input dinyatakan dalam konsep efisiensi, yang dirumuskan:

Transformator berperan penting dalam transmisi listrik. Listrik yang dihasilkan generator di dalam pembangkit mencapai rumah-rumah melalui suatu jaringan kabel atau “jaringan listrik”. Hambatan menyebabkan sebagian daya hilang menjadi panas. Untuk menghindari hal tersebut, listrik didistribusikan pada tegangan tinggi dan arus yang rendah untuk memperkecil hilangnya daya. Pusat pembangkit mengirim listrik ke gardu-gardu induk, di mana transformator step-up menaikkan tegangan untuk distribusi. Sementara itu, pada gardu-gardu step-down, tegangan dikurangi oleh transformator untuk memasok tegangan yang sesuai baik untuk industri maupun perumahan.

Generator terdiri dari Gerator AC dan generator DC, Transformator dibagi dalam 2 jenis yaitu transformator Step Up dan Transformator Step Down.
sumber : http://nuttigekennis.blogspot.co.id/2015/01/kemagnetan.html
http://momentumsudutdanrotasibendategar.blogspot.co.id/2013/05/bunyi-bunyi-hukum-listrik-dan-magnet.html