MAKALAH FISIKA LANJUT. Medan Magnet yang Ditimbulkan Arus Listrik Gaya Gerak Listrik Induksi

Transkripsi

1 MAKALAH FISIKA LANJUT Medan Magnet yang Ditimbulkan Arus Listrik Gaya Gerak Listrik Induksi Dosen Pengampuh : Kamaluddin, S.Pd., M.Pd Disusunoleh: Kelompok 6 1. Ainul Yaqin ( ) 2. Ahmad Tohari ( ) 3. M. Nur Kholis ( ) FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI SEMESTER 2 KELAS C SORE UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH GRESIK

2 TAHUN AKADEMIK 2014/2015 MAKALAH FISIKA LANJUT Medan Magnet yang Ditimbulkan Arus Listrik Gaya Gerak Listrik Induksi Dosen Pengampuh : Kamaluddin, S.Pd., M.Pd Disusunoleh: Kelompok 6 1. Ainul Yaqin ( ) 2. Ahmad Tohari ( ) 3. M. Nur Kholis ( ) FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI SEMESTER 2 KELAS C SORE UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH GRESIK TAHUN AKADEMIK 2014/2015

3 DAFTAR ISI DAFTAR ISI BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang 1.2. Tujuan 1.3. Ruang Lingkup Materi BAB II BAB III : DASAR TEORI/LANDASAN TEORI : PEMBAHASAN DAN APLIKASI DALAM SOAL 3.1. Medan Magnet yang Ditimbulkan oleh Macam- Macam Penghantar Berarus 3.2. Hukum Ampere 3.3. GGL Induksi Karena Gerakan 3.4. Hukum Faraday 3.5. Hukum Lenz BAB 4 PENUTUP 4.1. Kesimpulan 4.2. Saran DAFTAR PUSTAKA

4 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG Magnet adalah suatu obyek yang mempunyai medan magnet. Pada saat ini, suatu magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Materi tersebut bisa dalam wujud magnet tetap atau wujud tidak tetap. Magnet yang ada sekarang ini hampir semuanya adalah magnet buatan. Selama abad ke-18, banyak filsuf ilmu alam yang mencoba menemukan hubungan antara listrik dan magnet. Muatan listrik yang stasioner dan magnet tampak tidak saling mempengaruhi. Tetapi pada tahun 1820, Hans Cristian Oersted ( ) menemukan bahwa lketika jarum kompas diletakkan di dekat kawat listrik, jarum akan menyimpang saat kawat dihubungkan ke sumber tegangan dan arus mengalir. Jarum kompas dapat dibelokkan oleh medan magnet. Apa yang ditemukan Oersted adalah bahwa arus listrik menghasilkan medan magnet. Oleh Karena itu untuk mengetahui lebih jelas dan luas tentang medan magnet, kami membuat makalah tentang Medan Magnet yang Ditimbulkan Arus Listrik Gaya Gerak Listrik Induksi 1.2 TUJUAN 1. Mahasiswa mampu menentukan medan magnit yang ditimbulkan oleh arus listrik yang mengalir pada macam-macam penghantar. 2. Mahasiswa mampu memahami GGL induksi karena gesekan maupun berdasarkan Hk. Faraday. 3. Mahasiswa mampu memahami Hk. Faraday dan Hk. Lenz dan dapat menerapkannya dalam perhitungan. 1.3 RUANG LINGKUP MATERI 1. Medan Magnet yang Ditimbulkan oleh Macam- Macam Penghantar Berarus. 2. Hukum Ampere. 3. GGL Induksi Karena Gerakan. 4. Hukum Faraday. 5. Hukum Lenz.

5 BAB II DASAR TEORI / LANDASAN TEORI Michael Faraday ( ), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, membuat hipotesis (dugaan) bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik. Untuk membuktikan kebenaran hipotesis Faraday. Berdasarkan percobaan, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Penyimpangan jarum galvanometer tersebut menunjukkan bahwa pada kedua ujung kumparan terdapat arus listrik. Peristiwa timbulnya arus listrik seperti itulah yang disebut induksi elektromagnetik. Adapun beda potensial yang timbul pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi. Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan makin banyak. Perubahan jumlah garis gaya itulah yang menyebabkan terjadinya penyimpangan jarum galvanometer. Hal yang sama juga akan terjadi jika magnet digerakkan keluar dari kumparan. Akan tetapi, arah simpangan jarum galvanometer berlawanan dengan penyimpangan semula. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa penyebab timbulnya GGL induksi adalah perubahan garis gaya magnet yang dilingkupi oleh kumparan. Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Adapun yang dimaksud fluks magnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.

6 BAB III PEMBAHASAN 3.1 Medan Magnet yang ditimbulkan oleh Macammacam Penghantar Berarus Medan Magnet di Sekitar Arus Listrik Pada tahun 1820, seorang ilmuwan berkebangsaan Denmark, Hans Christian Oersted ( ) menemukan bahwa terjadi penyimpangan pada jarum kompas ketika didekatkan pada kawat berarus listrik. Hal ini menunjukkan, arus di dalam sebuah kawat dapat menghasilkan efek-efek magnetik. Dapat disimpulkan, bahwa di sekitar arus listrik terdapat medan magnetik. Gambar 1. Penyimpangan jarum kompas di dekat kawat berarus listrik. Garis-garis medan magnetik yang dihasilkan oleh arus pada kawat lurus membentuk lingkaran dengan kawat pada pusatnya. Untuk mengetahui arah garis-garis medan magnetik dapat menggunakan suatu metode yaitu dengan kaidah tangan kanan, seperti yang terlihat pada Gambar 2.

7 Gambar 2. Kaidah tangan kanan untuk mengetahui arah medan magnet. Ibu jari menunjukkan arah arus konvensional, sedangkan keempat jari lain yang melingkari kawat menunjukkan arah medan magnetik. Pemagnetan suatu bahan oleh medan magnet luar disebut induksi. Induksi magnetik sering didefinisikan sebagai timbulnya medan magnetik akibat arus listrik yang mengalir dalam suatu penghantar. Oersted menemukan bahwa arus listrik menghasilkan medan magnetik. Selanjutnya, secara teoritis Laplace ( ) menyatakan bahwa kuat medan magnetik atau induksi magnetik di sekitar arus listrik: a. berbanding lurus dengan kuat arus listrik, b. berbanding lurus dengan panjang kawat penghantar, c. berbanding terbalik dengan kuadrat jarak suatu titik dari kawat penghantar tersebut, d. arah induksi magnet tersebut tegak lurus dengan bidang yang dilalui arus listrik. Pada tahun 1820 oleh Biot ( ) teori tersebut disempurnakan dengan perhitungan yang didasarkan pada rumus Ampere ( ) yang dinyatakan dalam persamaan: dengan I menyatakan kuat arus listrik yang mengalir dalam kawat (A), dl menyatakan elemen kawat penghantar, r adalah jarak titik terhadap kawat (m), db menyatakan kuat medan magnetik (Wb/m 2 ), dan k adalah suatu konstanta yang memenuhi hubungan:

8 dengan µ 0 menyatakan permeabilitas hampa udara yang besarnya -7 4π 10-7 Wb/A.m. Induksi Magnet di Sekitar Penghantar Lurus Berarus Gambar 3. Kuat medan magnetik di titik P. Induksi magnetik yang diakibatkan oleh kawat berarus listrik diperoleh dengan menurunkan persamaan (1), yaitu: Dengan memasukkan persamaan (2) maka akan diperoleh: Dalam bentuk vektor, persamaan (5) dapat dituliskan menjadi: Sehingga, medan magnet total di sembarang titik yang ditimbulkan oleh kawat berarus listrik adalah:

9 Dari Gambar 3 diketahui bahwa: dengan mensubstitusikan dl, r, dan sin pada persamaan (7), maka akan diperoleh: Persamaan di atas kemudian diintegralkan untuk mengetahui induksi magnetik di titik P, sehingga didapatkan: Jika panjang kawat 2l << a, kita anggap panjang kawat adalah tak berhingga. Sehingga persamaan (8) menjadi: Jadi, besar induksi magnetik di sekitar kawat penghantar lurus berarus yang berjarak a dari kawat berarus listrik I dinyatakan dalam persamaan: dengan:

10 B = kuat medan magnetik (Wb/m 2 = tesla) a = jarak titik dari penghantar (m) I = kuat arus listrik (A) µ 0 = permeabilitas vakum Contoh Soal 1 : Tentukan besar induksi magnetik pada jarak 15 cm dari pusat sebuah penghantar lurus yang berarus listrik 45 A! Penyelesaian: Diketahui: jarak ke penghantar, a = 15 cm = m kuat arus listrik, I = 45 A permeabilitas vakum, μ0 = -7 4π 10-7 Wb/A.m Ditanya: Besar induksi magnetik oleh penghantar lurus (B)...? Pembahasan : Induksi Magnetik yang Ditimbulkan Penghantar Melingkar Berarus

11 Sebuah kawat yang berbentuk lingkaran dengan jari-jari a dan dialiri arus listrik I, ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Penghantar berbentuk lingkaran dengan jari-jari a yang dialiri arus I. Untuk menentukan induksi magnetik di titik P yang berjarak x dari pusat lingkaran, dapat dilakukan dengan menggunakan Hukum Biot-Savart. Dari gambar terlihat bahwa r tegak lurus terhadap dl atau θ = 90 o, sehingga sin θ = 1. Dari persamaan Biot-Savart, maka: Karena, a 2 + x 2 = r 2, maka: Dari gambar diketahui bahwa: Sehingga komponen vektor db yang sejajar sumbu x adalah:

12 Sementara itu, vektor db yang tegak lurus sumbu x adalah: Karena sifat simetri, maka komponen yang tegak lurus sumbu x akan saling meniadakan, sehingga hanya komponen sejajar sumbu x yang ada. Diperoleh: Nilai a, I, dan x adalah suatu tetapan, karena mempunyai nilai yang sama pada tiap elemen arus. Jadi: Karena penghantar berupa lingkaran, maka dl menyatakan keliling lingkaran, dengan jarijarinya adalah a, yang dinyatakan oleh: dl = 2 π a Dengan mensubstitusikan persamaan di atas pada persamaan (14) akan diperoleh: Induksi magnetik akan bernilai maksimum ketika x = 0 atau titik terletak di pusat lingkaran, maka akan berlaku: Untuk penghantar melingkar yang terdiri atas N lilitan, maka induksi magnetik yang terjadi di pusat lingkaran adalah:

13 dengan: B x = induksi magnetik (Wb/m 2 ) I = kuat arus listrik (A) a = jari-jari lingkaran (m) N = jumlah lilitan Contoh Soal 2 : Sebuah kumparan kawat melingkar berjari-jari 10 cm memiliki 40 lilitan. Jika arus listrik yang mengalir dalam kumparan tersebut 8 ampere, berapakah induksi magnetik yang terjadi di pusat kumparan? Penyelesaian: Diketahui: kuat arus, I = 8 A jari-jari, r = 10 cm = 0,1 m jumlah lilitan, N = 40 Ditanya: Induksi magnetik, B...? Pembahasan: Induksi magnetik di pusat kumparan kawat melingkar berarus ditentukan dengan persamaan: Induksi Magnetik pada Sumbu Solenoida Solenoida didefinisikan sebagai sebuah kumparan dari kawat yang diameternya sangat kecil dibanding panjangnya. Apabila dialiri arus listrik, kumparan ini akan menjadi magnet listrik. Medan solenoida tersebut merupakan jumlah vektor dari medan-medan yang ditimbulkan oleh semua lilitan yang membentuk solenoida tersebut.

14 Gambar 5. Medan magnet pada solenoida. Pada Gambar 5. memperlihatkan medan magnetik yang terbentuk pada solenoida. Kedua ujung pada solenoida dapat dianggap sebagai kutub utara dan kutub selatan magnet, tergantung arah arusnya. Kita dapat menentukan kutub utara pada gambar tersebut adalah di ujung kanan, karena garis-garis medan magnet meninggalkan kutub utara magnet. Jika arus I mengalir pada kawat solenoida, maka induksi magnetik dalam solenoida (kumparan panjang) berlaku: B = µ 0.I.n... (18) Persamaan (5.18) digunakan untuk menentukan induksi magnet di tengah solenoida. Sementara itu, untuk mengetahui induksi magnetik di ujung solenoida dengan persamaan: B = (µ 0.I.n) / 2... (19) Induksi magnetik (B) hanya bergantung pada jumlah lilitan per satuan panjang (n), dan arus (I ). Medan tidak tergantung pada posisi di dalam solenoida, sehingga B seragam. Hal ini hanya berlaku untuk solenoida tak hingga, tetapi merupakan pendekatan yang baik untuk titik-titik yang sebenarnya tidak dekat ke ujung. "Kumparan adalah sejumlah gulungan kawat berarus yang dibuat dengan melilitkan kawat tersebut pada sepotong bahan yang terbentuk (former), contohnya adalah kumparan datar dan solenoida. Contoh Soal 3 : Suatu solenoida yang panjangnya 2 m memiliki 800 lilitan dan jari-jari 2 cm. Jika solenoida dialiri arus 0,5 A, tentukan induksi magnetik: a. di pusat solenoida, b. di ujung solenoida!

15 Penyelesaian: panjang solenoida, l = 2 m banyak lilitan, n = 800 aruslistrik,i=0,5a Pembahasan : Induksi Magnet pada Sumbu Toroida Solenoida panjang yang dilengkungkan sehingga berbentuk lingkaran dinamakan toroida, seperti yang terlihat pada Gambar 6.

16 Gambar 6. Toroida. Induksi magnetik tetap berada di dalam toroida, dan besarnya dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Perbandingan antara jumlah lilitan N dan keliling lingkaran 2 π a merupakan jumlah lilitan per satuan panjang n, sehingga diperoleh: B = µ 0. I. n... (21) Keterangan: Bo = Meda magnet dititik ditengah-tengah Toroida dalam tesla ( T ) N = jumlah lilitan pada Solenoida dalam lilitan I = kuat arus listrik dalam ampere ( A ) a = rata-rata jari2 dalam dan jari-jari luar toroida dengan satuan meter ( m ) a = ½ ( R1 + R2 ) Contoh soal 4 : Sebuah Toroida terdiri dari 6000 lilitan dialiri arus listrik sebesar 10 A. Jika jari-jari dalam dan luar berturut-turut 2 dan 4 meter. Tentukan besarnya induksi magnet ditengah toroida! Jawab : Diketahui :

17 N = 6000 lilitan I = 10 A R1 = 2 meter R2 = 4 meter a = ½ ( ) = 3 m Ditanya : Bo =? 3.2 Hukum Ampere Intergral garis induksi magnetik B melalui lintasan tertutup sama dengan kali jumlah yang terlingkupi oleh lintasan itu. Untuk bentuk-bentuk tertentu induksi magnet dapat lebih mudah dihitung dengan menggunakan hukum lain, yaitu hukum Ampere. Misalnya kita mempunyai suatau lengkungan tertututp C yang mengelilingi suatu kawat berupa i. hukum Ampere menyatakan bahwa dalam vakum, integral garis. Disini elemen integrasi Diambil pada lengkungan tertutup C. hukum Ampere mengingatkan kita pada hukum Gauss dalam membahas medan listrik. Hukum Ampere mempermudah perhitungan untuk bentuk arus tertentu, seperti pada kumparan berbentuk toroida (bentuk kuweh donat). Marilah selidiki hasil yang kita peroleh dengan hukum Biot-Savart, khususnya untuk induksi magnet yang dihasilkan oleh arus listrik dalam kawat lurus panjang. Pada contoh 4,5 telah kita peroleh induksi magnet pada jarak r dari kawat lurus panjang dialiri arus I, yaitu B = (1)

18 Arah menyinggung lingkaran dengan jejari r, berpusat pada kawat, dan arahnya menurut arah putar sekrup agar berpindah kearah arus. Hal ini ditunjukan pada Gb nyatalah garis induksi yang dihasilkan berbentuk lingkaran-lingkaran sepusat. Persamaan (1) dapat kita tulis B (2πr) = μoi Karena 2πr merupakan panjang keliling lingkaran, atau 2πr = sehingga B = μ o i Atau = μ o i.(2) Disini c adalah lengkungan tertutup berupa lingkaran dengan jejari r, dan B menyinggung lingkaran tersebut. Hubungan ini ternyata berlaku umum, tak peduli bentuk kawat yang dialiri arus, ataupun bentuk lengkungan integrasi C. dalam bentuk lebih umum persamaan (2) kita tulis sebagai = μ o i Disini C adalah lingkaran tertutup sembarang, dan I adalah arus yang dikelilingi C. bentuk umum ini tak lain adalah hukum Ampere mungkin anda mendapat kesan bahwa hukum Ampere berasal dari hukum Biot-Savart. Ini tidak benar, kedua hukum ini diperoleh dari eksperimen tersendiri. Dalam teori listrik magnet yang lebih umum, hukum Ampere digunakan sebagai hukum dasar dari bentuknya diubah dalam bentuk Diferensial. Dalam bentuk ini hukum Ampere bersama persamaan lain membentuk persamaan Maxwell, yaitu hukum dasar teori elektromagnet. Dari hukum Ampere orang dapat menurunkan hukum Biot-Savarat. Agar lebih menghayati hukum Ampere, marilah kita bahas satu contoh dan kemudian kita gunakan untuk membahas induksi magnet dalam kumparan dan solenoid dan toroid dialiri arus. Contoh 1. Sebuah selinder logam berongga mempunyai jejari dalam R1 dan jejari R2. selinder ini dialiri arus I yang tersebar serba sama pada penampang logam. Tentukan induksi magnet untuk didalam rongga, dalam rongga dalam logam dan luar selinder] R1

19 logam R2 Gambar 12.1 selinder logam berongga Jawab Untuk memecahkan persoalan ini kita gunakan hukum Ampere, karena simetrik terhadap sumbu, sehingga semua garis induksi yang dihasilkan arus 1 haruslah berbentuk lingkaran, dalam bidang tegak lurus sumbu dan berpusat pada sumbu. Sesuai dengan bentuk garis induksi, kita buat lintasan tertutup berupa lingkaran C1, C2 atau C3 seperti gambar 12.2 untuk menentukan induksi magnet dalam rongga, kita buat lengkungan integrasi C1 dalam rongga. Lengkungan ini kita buat lingkaran dengan jejari r bila kita gunakan hukum Ampere kita peroleh. C3 C1 = μ o i = 0 Gambar 12.2 a. lengkungan integrasi C1 dalam rongga (b) lengkungan integrasi C2 dalam logam (c) lengkungan integrasi C3 diluar silinder Karena arus yang dikelilingi C1, yaitu I = 0 (dalam rongga tak ada arus). Akibatnya induksi magnet dalam rongga haruslah sama dengan nol. Untuk menentukan induksi magnet dalam logam kita buat lengkungan C2 berupa hukum Ampere menyatakan: = μ o i Arus I yang ada dalam lengkungan C2 ialah I = ja dengan J rapat arus, dan A luas logam dalam C2. karena arus tersebar serba sama dalam penampang rapat arus J =

20 Sedang luas A = sehingga arus listrik yang ada dalam C2 adalah i = ja = Gambar 12.3 (a) bentuk solenoida dan garis induksi oleh arus dalam solenoide. (b) penampang solenoida abcda adalah lengkungan tertutup untuk menghitung induksi magnet Tampaklah induksi magnet pada bagian tengah solenoida serba sama. Ini dilukiskan dengan garis induksi yang sejajar dan berjarak sama. Pada bagian tepi induksi magnet tidak homogen. Ini tampak dari garis induksi yang menyebar pada bagian tengah dilukiskan garis induksi yang menyatakan kebocoran induksi magnet. Bila solenoida panjang sekali, induksi magnet dibagian tengah solenoida dapat kita anggap serba sama. Bila lilitan cukup rapat kebocoran dapat kita abaikan, sehingga induksi magnet diluar kumparan dapat dianggap nol. Untuk menghitung induksi magnet dalam solenoida, kita gunakan hukum Ampere. Lengkungan integrasi kita ambil seperti gkungan C pada Gb 12.3 hukum Ampere menyatakan (b). = μ o i Disini I adalah arus yang terkandung dalam lengkungan abcda integral garis dituliskan dapat

21 Akan tetapi, = = = 0 Sebab pada bc dan da, tegak lurus. Integral = 0 sebab pada cd induksi magnet nol. Akibatnya kita peoleh = = Karena pada ab, sejajar ; sehingga sudut antar dan, yaitu θ, sama dengan nol, dan. = B dl cos θ = B. Selanjutnya karena induksi magnet B homgen, kita peroleh Dimana l adalah panjang garis ab. = = B Arus I yang terkandung dalam lengkungan abcda dapat kita hitung sebagai berikut. Bila sepanjang seluruh solenoida terdapat N buah lilitan sama rapat, dan tiap lilitan dialiri arus I, maka arus dalam tiap satuan panjang solenoida ialah panjang l, arus I yang terkandung di dalamnya ialah karena lengkungan ab mempunyai i = dengan demikian menjadi B = μ o, Atau induksi magnet dalam solenoida mempunyai harga B = μ o

22 Kumparan Toroida Sekarang kita bahas kumparan berbentuk toroida (cicin) dengan penampang segiempat, seperti Gb kumparan berisi udara, misalkan ada N lilitan yang rapat, dan arus I mengalir dalam kawat kumparan. Garis induksi magnet akan berbentuk lingkaran sepusat dengan cincin. Disini kita gunakan hukum Ampere untuk menghitung induksi magnet dalam kumparan. Untuk maksud ini kita ambil lengkungan tertutup C berupa lingkaran jejari r seperti pada Gb hukum Ampere menyatakan Dimana I adalah arus yang ada dilengkungan C jadi i = NI karena tiap lilitan dialiri arus I, dan = μ o i ada N buah lilitan. Karena garis induksi magnet berupa lingkaran, induksi magnet tak bergantung pada C. sehingga integral garis = = B B(2πr) Karena keliling lingkaran C 2πr akibatnya dari hukum ampere kita peroleh B (2πr) = μ o NI Dan induksi magnet di cincin adalah B = μ o Induksi magnet diluar penampang cincin sama dengan nol ini dapat ditunjukan dengan hukum Ampere, tetapi lengkungan integrasi C kita ambil diluar penampang cincin. Karena arus yang terkandung dalam C adalah nol induksi magnet diluar penampang cincin juga sama dengan nol.

23 3.3 GAYA GERAK LISTRIK (GGL) INDUKSI KARENA GERAKAN Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik. 1. Penyebab Terjadinya GGL Induksi Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gayagaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garisgaris gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida). Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gayadalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya

24 itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar b. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut induksi elektromagnetik. Coba sebutkan bagaimana cara memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi? 2. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu 1. kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik), 2. jumlah lilitan, 3. medan magnet.

25 Kata Kunci : ggl induksi,arus induksi yang terjadi saat magnet batang digerakkan keluar masuk kumparan adalah arus,induksi listrik,ujung ujung kumparan akan timbul ggl induksi karena 3.4 HUKUM FARADAY Konsep gaya gerak listrik pertama kali dikemukakan oleh Michael Faraday, yang melakukan penelitian untuk menentukan faktor yang memengaruhi besarnya ggl yang diinduksi. Dia 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, Φ B, yang bergerak melintasi loop seluas A, yang secara matematis fluks magnetik tersebut dinyatakan sebagai berikut: Φ = B.A cos θ... (1) 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 = 90 o dan Φ B = 0, tetapi jika B sejajar terhadap kumparan, θ = 0 o, sehingga: Φ B = B.A... (2) Hal ini terlihat pada Gambar 1, di mana kumparan berupa bujur sangkar bersisi i seluas A = i 2. Garis B dapat digambarkan sedemikian rupa sehingga jumlah garis per satuan luas sebanding dengan kuat medan. Gambar 1. Garis medan magnetik yang menembus luas permukaan A.

26 Jadi, fluks Φ B dapat dianggap sebanding dengan jumlah garis yang melewati kumparan. Besarnya fluks magnetik dinyatakan dalam satuan weber (Wb) yang setara dengan tesla.meter 2 (1Wb = 1 T.m 2 ). Dari definisi fluks tersebut, dapat dinyatakan bahwa jika fluks yang melalui loop kawat penghantar dengan N lilitan berubah sebesar Φ B 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), maka ggl induksi menjadi: dengan: ε = ggl induksi (volt) N = banyaknya lilitan kumparan ΔΦ B = perubahan fluks magnetik (weber) Δt = selang waktu (s)

27 3.5 HUKUM LENZ Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz ( ) menyatakan bahwa: arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi) Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan. Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor. Hukum Faraday hanya menunjukkan besarnya GGL induksi pada kumparan, dan belum dapat menunjukkan arah arus induksi dalam kumparan. Hukum Lens berbunyi : Arus induksi mengalir pada penghantar atau kumparan dengan arah berlawanan dengan gerakan yang menghasilkannya atau medan magnet yang ditimbulkannya melawan perubahan fluks magnet yang menimbulkannya.

28 a. Jika kutub U magnet batang di dekatkan kumparan AB, maka akan terjadi pertambahan garis gaya magnet arah BA yang dilingkupi kumparan. b. Sesuai dengan hukum Lens, maka akan timbul garis gaya magnet baru arah AB untuk menentang pertambahan garis gaya magnet tersebut. c. Garis gaya magnet baru arah AB ditimbulkan oleh arus induksi pada kumparan. d. Jika kutub U magnet batang dijauhkan, maka akan terjadi kebalikannya. sehingga didapat persamaan sebagai berikut : 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.

29 Hukum Lenz menjelaskan mengenai arus induksi, yangberarti bahwa hukum tersebut berlaku hanya kepada rangkaian penghantar yang tertutup. Hukum ini dinyatakan oleh Heinrich Friedrich Lenz ( ), 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. Gambar 2. Penerapan Hukum Lenz pada arah arus induksi. Gambar 2. menunjukkan penerapan Hukum Lenz pada arah arus induksi. Pada Gambar 2(a) dan 2(d), magnet diam sehingga tidak ada perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh kumparan. Pada Gambar 2(b) menunjukkan fluks magnetik utama yang menembus kumparan dengan arah ke bawah akan bertambah pada saat kutub utara magnet didekatkan kumparan. Arah induksi pada Gambar 2(c), 2(e), dan 2(f ), juga dapat diketahui dengan menerapkan Hukum Lenz. Sehingga didapat rumus :

30

31 Contoh Soal 5 : Fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu kumparan berkurang dari 0,5 Wb menjadi 0,1 Wb dalam waktu 5 sekon. Kumparan terdiri atas 200 lilitan dengan hambatan 4 Ω. Berapakah kuat arus listrik yang mengalir melalui kumparan? Penyelesaian: Diketahui: Φ1 = 0,5 Wb Φ2 = 0,1 Wb N = 200 lilitan R = 4Ω, Δt = 5 sekon Ditanya: I...? Pembahasan : Ggl induksi dihitung dengan persamaan: tanda (-) menyatakan reaksi atas perubahan fluks, yaitu fluks induksi berlawanan arah dengan fluks magnetik utama. Arus yang mengalir melalui kumparan adalah: I = ε/r = 16/4 = 4 A 4.1. KESIMPULAN BAB IV PENUTUP BUNYI HUKUM AMPERE Intergral garis induksi magnetik B melalui lintasan tertutup sama dengan kali jumlah yang terlingkupi oleh lintasan itu. 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. 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 ).

32 Timbulnya gaya listrik (GGL) pada kumparan hanya apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet.gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garisgaris 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. Untuk memperkuat gejala kemagnetan pada kumparan dapat dengan jalan memasukkan inti besi lunak. GGL induksi dapat ditimbulkan dengan cara lain yaitu: 1. Memutar magnet di dekat kumparan atau memutar kumparan di dekat magnet. Maka kedua ujung kumparan akan timbul GGL induksi. 2. Memutus-mutus atau mengubah-ubah arah arus searah pada kumparan primer yang di dekatnya terletak kumparan sekunder maka kedua ujung kumparan sekunder dapat timbul GGL induksi SARAN Dosen dalam mengajarkan materi tentang medan magnet ini menggunakan contah-contoh nyata dalam kehidupan sehari-hari, sehingga lebih konkrit dan mudah dimengerti. DAFTAR PUSTAKA

33 Zemansky, Mark, dan Francis Weston Sears Fisika Untuk Universitas II Listrik dan Magnet (terjemahan). Bandung: Binacipta Tipler, A Paul Fisika Untuk Sains dan Teknik (Terjemahan) Edisi ke-3. Jakarta: Erlangga