Induksi Elektromagnetik (Fisika SMA kelas XII)

Induksi Elektromagnetik

Medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan arus listrik. Hal ini dikembangkan oleh Michael Faraday, seorang tokoh terkemuka dalam fisika yang berkebangsaan Inggris. Konsep medan listrik (dalam bentuk arus listrik) yang dihasilkan (diinduksi) dari medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dikenal sebagai induksi elektromagnet.

youtube : Michael Melloch

sumber : https://www.youtube.com/watch?v=vwIdZjjd8fo

Hukum Ampere hanya berlaku jika arusnya kontinu. Hukum Ampere dapat digunakan untuk menjabarkan pernyataan dalam medan magnetic untuk keadaan dengan tingkat kesimetrisan yang tinggi, seperti kawat panjang, lurus yang menyalurkan arus; toroid yang digulung rapat; dan solenoid panjang, yang digulung rapat.

Muatan bergerak berinteraksi satu sama lain melalui gaya magnetik. Karena arus listrik terdiri atas muatan yang bergerak, arus listrik itu juga mengerahkan gaya magnetik satu sama lain. Gaya ini diuraikan dengan mengatakan bahwa satu muatan bergerak atau arus menciptakan medan magnetik yang selanjutnya mengerahkan gaya pada muatan bergerak atau arus lain. Akhirnya, seluruh medan magnetik itu diabaikan oleh muatan yang bergerak.

F = qv x BApabila muatan q bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnetik B , muatan itu mengalami gaya

Satuan SI medan magnetik ialah tesla (T). Satuan yang lazim digunakan ialah gauss (G), yang dihubungkan dengan tesla oleh

1 T = 10⁴ G

Partikel yang bermassa m dan muatan q yang bergerak dengan kecepatan v dalam bidang yang tegak lurus terhadap medan magnetik bergerak dalam orbit lingkaran dengan jari-jari r diberikan oleh

Periode dan frekuensi gerak melingkar ini tidak bergantung pada jari-jari orbitnya atau kecepatan partikelnya. Periode, yang disebut periode siklotron, diberikan oleh

Frekuensi, yang disebut frekuensi siklotron, diberikan oleh

Pemilih kecepatan menghasilkan medan listrik dan magnetik silang sedemikian rupa sehingga gaya listrik dan gaya magnetik seimbang untuk partikel yang kecepatannya diberikan oleh

Perbandingan massa-terhadap-muatan suatu ion yang kecepatannya diketahui dapat ditentukan dengan mengukur jari-jari lintasan melingkar yang diambil oleh ion tersebut dalam medan magnetik yang diketahui dalam suatu spektrometer massa

Sumber Medan Magnetik

Medan magnetic yang dihasilkan oleh muatan titik q yang bergerak dengan kecepatan di suatu titik sejarak r diberikan oleh

dengan merupakan vektor satuan yang mengarah dari muatan tersebut ke titik medan dan merupakan konstanta, disebut permeabilitas ruang bebas, yang memiliki besaran

Medan magnetic pada jarak r dari elemen arus adalah

yang dikenal sebagai hukum Biot-Savart. Medan magnetiknya tegak lurus terhadap elemen arus maupun terhadap vektor dan elemen arus ke titik medan tersebut.

Gaya magnetic antara dua muatan yang bergerak tidak mengikuti hukum ketiga Newton tentang aksi dan reaksi, yang menyiratkan bahwa momentum linear dari system dua-muatan tidaklah kekal. Akan tetapi, apabila momentum berhubungan dengan t, medan elektromagnetik disertakan, maka momentum linear total system dua-muatan ditambah medan tersebut akan kekal.

Induksi silang dan penerapannya pada produk teknologi

Dalam bidang kelistrikan ada konsep yang sangat berguna, yaitu konsep induksi silang (mutual induction) atau ada juga yang menyebutnya sebagai induksi timbal-balik. Konsep ini merupakan awal mula dari pengembangan elektronika telekomunikasi. Aplikasi induksi timbal-balik digunakan untuk mentransmisikan sinyal elektromagnet melalui ruang dari satu perangkat ke perangkat lain. Di sini akan dibahas konsep dasar dari induksi silang sebagai dasar pemahaman bagi pengertian lebih lanjut tentang elektronika komunikasi.

Ada dua konsep yang mendasari induksi silang, yaitu konsep medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik (hukum Ampere) dan konsep tentang medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan arus listrik (hukum Faraday).

Induksi silang dapat terjadi pada dua buah rangkaian listrik. Salah satu rangkaian tersebut dialiri arus listrik sedangkan rangkaian yang lain tidak. Melalui peristiwa induksi silang, rangkaian yang dialiri arus listrik dapat “menginduksi” (mentransmisikan listrik ke) rangkaian yang lain sehingga arus listrik dapat dihasilkan dalam rangkaian ini. untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar berikut.

induksi silang antara dua rangkaian

Berdasarkan prinsip Ampere bahwa arus listrik dapat menginduksi medan magnet, pada rangkaian dua (#2) arus listrik (i) dalam rangkaian dapat menghasilkan medan magnet (B). arus listrik yang digunakan dalam rangkaian haruslah arus yang berubah-ubah besarnya (bisa dilakukan dengan menggunakan arus bolak-balik). Selanjutnya medan magnet ini menghasilkan fluks magnet yang menembus rangkaian listrik satu (#1) secara tegak lurus. Karena medan magnet yang menginduksi rangkaian listrik berubah-ubah maka arus listrik akan dihasilkan dalam rangkaian kedua ini.

Dihasilkannya arus listrik pada rangkaian kedua yang disebabkan oleh medan magnet dari rangkaian listrik lain yang dialiri arus listrik ini di mana antara kedua rangkaian tidak saling berhubungan dan terpisah oleh ruang merupakan konsep dasar dari induksi silang.

Prinsip induksi silang dapat juga dimanfaatkan untuk memahami cara kerja transformator (trafo). Transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik.

konsep induksi silang yang sudah dibahas dapat dihubungkan juga dengan cara kerja telepon seluler, radio, atau TV. Telepon seluler dapat menerima sinyal listrik dari perangkat lain walaupun kedua perangkat tidak saling bersentuhan atau berhubungan. Demikian juga dengan radio dan TV. Secara luas juga mencakup perangkat wireless (tanpa kabel) yang saat ini sangat bermanfaat dan banyak digunakan sehari-hari. Konsep induksi silang dapat digunakan untuk menjelaskan peristiwa tersebut.

Induksi Magnetik

Untuk medan magnetic yang konstan dalam ruang, fluks magnetic yang melalui kumparan adalah perkalian komponen medan magnetic yang tegak lurus terhadap bidang kumparan dengan luas kumparannya. Umumnya, untuk kumparan dengan N lilitan, fluks magnetic yang melalui kumparan ialah

Satuan SI untuk fluks magnetic ialah weber :

I Wb=1T.m²

Apabila fluks magnetic yang melalui suatu rangkaian berubah, akan ada ggl yang diinduksi pada rangkaian yang diberikan oleh hukum Faraday

Ggl induksi dan arus induksi berada dalam arah sedemikian rupa sehingga melawan perubahan yang menimbulkannya. lni dikenal sebagai hukum Lenz.

Ggl yang diinduksi dalam kawat atau bidang konduktor dengan panjang l bergerak dengan kecepatan tegak lurus terhadap medan magnetic disebut ggl gerak. Besarnya ialah :

Arus sirkulasi yang terbentuk dalam sebatang logam akibat fluks magnetic yang berubah disebut arus pusar/ arus eddy.

Suatu kumparan yang berputar dengan frekuensi sudut ω dalam medan magnetic akan membangkitkan suatu ggl bolak-balik yang diberikan oleh :

dengan ε_maks = NBAω merupakan nilai maksimum ggl.

Fluks magnetic yang melalui suatu rangkaian dihubungkan dengan arusnya di dalam rangkaian oleh

¢_m= LI

dengan L merupakan induktansi diri dari rangkaiannya, yang bergantung pada susunan geometric rangkaian tersebut. Satuan SI untuk induktansi ialah henry (H) :

1 H = 1 Wb/A = 1 T.m²/A

induktansi diri solenoida yang digulung rapat dengan panjang dan luas penampang A dan n lilitan per panjang satuan diberikan oleh