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)
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.
Fl = B . I . l sin θ
Dengan :
Fl = gaya Lorentz (N)
B = induksi magnet (wb/m2)
I = kuat arus listrik (A)
l = panjang kawat (m)
θ = sudut antara B dengan I
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.
F21 = 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
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).
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 = 90o.
Nilai θ = 90o 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.
Nilai θ = 90o 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 < 90o.
Nilai kemungkinan ketiga ini dapat menyebabkan terjadi perpaduan gerak GLB dan GMB dan terjadi gerak helix.
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 :
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
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.
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.
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.
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 = εmaks sin ωt
εmaks = 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)
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.
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.
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 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.
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:
- perubahan luas bidang kumparan (A),
- perubahan orientasi sudut kumparan θ terhadap medan,
- 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)
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 = 90o, 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.
- Generator DC dengan 1 set komutator
- 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.
- Transformator Step Up
- 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 (Ns) lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Np). Transformator step-down digunakan untuk menurunkan tegangan listrik arus bolak-balik, dengan jumlah lilitan primer (Np) lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Ns).
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:
Vs = Ns
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:
Vp = Np
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:
Vp. Ip = Vs. Is 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
Tidak ada komentar:
Posting Komentar