Induksi Elektromagnetik

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

1.      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, para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik melalui eksperimen yang 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, 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.

1.1.Penyebab Terjadinya GGL Induksi

Ketika  kutub  utara  magnet  batang  digerakkan  masuk  ke dalam kumparan,  jumlah garis gaya-gaya magnet yang  terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya   jumlah garis-garis   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  memperhatikan  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 magnet.

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 di timbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakan jarum galvanometer.

Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. Pada saat magnet keluar, garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya,  medan  magnet  hasil  arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub selatan.

 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 yang disebut induksi elektromagnetik. Beda potensial besarnya sama dengan GGL induksi yang ditimbulkan:

	∆V = E l = B l V ε = B l V

 

Apabila B dan V membentuk sudut α

	ε = B l V sin α

 

1.2.Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi.

Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat di lihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar.  Ada tiga faktor yang mempengaruhi GGL induksi, yaitu:

a.       Kecepatan  gerakan  magnet  atau  kecepatan  perubahan  jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik).

b.      Jumlah lilitan.

c.       Medan magnet.

2.      Hukum-hukum Induksi Elektromagnetik

2.1.Fluks Magnetik (ф)

Seperti halnya fluks listrik, fluks magnet sebanding dengan jumlah garis medan yang menembus suatu permukaan. Ini berarti bahwa tempat dimana garis-garis medan magnetik rapat menunjukkan medan magnetiknya kuat, sebaliknya tempat dimana garis-garis medan magnetik renggang menunjukkan medan magnetiknya lemah. Kuat tidaknya medan magnetik dinyatakan oleh induksi magnetik B.

Pada kenyataannya, induksi elektromagnetik B tidak selalu tegak lurus pada bidang seperti pada gambar dibawah ini. Dalam keadaan ini, fluks dihitung dengan menggunakan komponen B yang tegak lurus pada bidang sehingga dapat dituliskan bahwa :

				Ф = A B cos θ
			Keterangan: Ф = fluks magnetik (Wb) A = luas pemanpang (m2) B = induksi magnetik (T) θ = sudut antara B dengan normal        bidang (rad/derajat)

 

Dengan memperhatikan persamaan pada gambar diatas, untuk medan magnet yang homogen, secara vektor dapat dikatakan bahwa:

“ Fluks magnetik yang memotong suatu bidang adalah perkalian skalar induksi magnetik dengan luas bidang.”

2.2.Hukum Faraday

Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, membuat hipotesis bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik. Berdasarkan percobaannya, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, maka jarum galvanometer akan menyimpang ke kanan. Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak akan menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer akan 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 tersebut disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.

                        Percobaan Faraday

Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan, jumlah garis gaya yang masuk ke kumparan semakin 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 di lingkupi oleh kumparan.

Apabila percobaan diatas kita menggerakkan magnet lebih cepat, maka jarum galvanometer akan menyimpang lebih jauh lagi. Kemudian jika kumparan ditambah, jarum galvanometer pun juga akan menyimpang lebih jauh. Ternyata, besar GGL induksi atau arus induksi tergantung pada laju perubahan fluks dan banyaknya lilitan. Kenyataan ini dikenal sebagai hukum Faraday. Secara sistematis pernyataan hukum Faraday adalah:

	ε = -N (∆ф /∆t)

 

Keterangan : ε = GGL induksi (volt) N = jumlah lilitan kumparan ∆ф /∆t = laju perubahan fluks (Wb/s)

ε = ∆ф /∆t

                    Apabila tidak terdapat kumparan

2.3.Hukum Lenz

Tanda negatif pada rumus hukum Faraday berkaitan dengan arah GGL induksi yang ditimbulkan. Hukum Lenz berbunyi “Arus induksi yang timbul arahnya sedemikian sehingga menimbulkan medan magnet induksi yang melawan arah perubahan medan magnet.”

 

Karena magnet digerakkan ke kanan, maka fluks magnet yang menembus permukaan akan bertambah (ke kanan). Medan magnet induksi yang timbul arahnya melawan perubahan tersebut, yaitu ke kiri dan medan magnet induksi yang arahnya ke kiri tersebut disebabkan adanya arus induksi yang searah dengan jarum jam.

 

Karena magnet digerakkan ke kiri, maka fluks magnet yang menembus permukaan akan berkurang (ke kiri). Medan magnet induksi yang timbul, arahnya melawan perubahan tersebut, yaitu ke kanan dan medan magnet induksi yang arahnya ke kanan tersebut disebabkan adanya arus induksi yang berlawanan dengan arah jarum jam.

3.      Penerapan Induksi Elektromagnetik

3.1.Arus Pusar

Arus induksi ternyata dapat terjadi pada konduktor pejal yang berpenampang relatif luas yang ditembus oleh medan magnet yang berubah-ubah. Biasanya, arus ini mengelilingi garis medan magnetik. Arus ini disebut arus pusar, atau arus Eddy, atau arus Foucoult.

Sebuah demonstrasi yang umum dilakukan untuk menunjukkan arus pusar adalah percobaan dengan sebuah pendulum dengan bandul logam yang terayun diantara kedua kutub magnet. (Seperti pada gambar dibawah ini).

 

Pada saat terayun mendekati magnet, bandul akan merasakan penambahan fluks magnet sehingga timbul arus pusar di dalamnya. Energi yang dihilangkan oleh arus ini sebagian besar berasal dari energi kinetik bandul, sehingga bandul berhenti mendadak diantara kedua kutub.

3.1.1.      Arus pusar merugikan trasformator

      Transformator memiliki inti besi yang dililiti dengan kumparan. Kumparan yang dialiri oleh arus bolak balik menimbulkan fluks magnetik yang berubah-ubah pada inti besi. Karena itu, dalam inti transformator akan terjadi arus pusar.

      Arus pusar ini merugikan sebab menimbulkan panas pada inti transformator. Panas yang dihasilkan bukan hanya merupakan kehilangan daya, tetapi juga menimbulkan masalah bagi pendinginan transformator. Daya yang hilang oleh arus pusar dalam inti transformator dapat dikurangi dengan membuat inti transformator dari lapisan-lapisan pelat tipis. Diantara lapisan-lapisan pelat diberi isolasi dengan laker sebagai isolator agar arus pusar tidak dapat meluas. Dengan cara seperti ini, daya yang hilang karena arus pusar pada inti transformator menjadi jauh lebih kecil.

3.1.2.      Arus pusar menguntungkan pada rem magnetik

      Arus pusar menawarkan alternatif lain untuk sistem rem pada mesin yang bergerak, misalnya pada kereta bawah tanah dan mobil-mobil angkutan cepat. Sebuah elektromagnet yang dapat diberi energi dengan arus listrik diletakkan dekat rel-rel baja. Aksi pengereman terjadi ketika suatu arus besar dilewatkan melalui elektromagnet. Gerak relatif dari magnet dan rel-rel menginduksikan arus pusar pada rel-rel. Arah arus pusar ini menghasilkan suatu gaya hambatan pada gerakan kendaraan. Kehilangan energi mekanik dari kendaraan diubah menjadi panas. Arus-arus pusar berkurang secara tetap karena kendaraan bertambah lambat sehingga efek pengereman menjadi cukup halus.

3.1.3.      Arus pusar yang menguntungkan pada tungku induksi

      Tungku induksi adalah alat pelebur logam. Untuk melebur logam diperlukan kalor yang cukup tinggi. Untuk ini, tungku induksi dibuat dari tabung yang dililiti dengan kumparan sehingga di dalam tabung terjadi fluks magnetik. Karena tabung diisi dengan logam yang akan dilebur, maka pada logam ini terjadi arus pusar. Dengan mengalir arus bolak balik frekuensi tinggi pada kumparan, terjadilah laju perubahan fluks yang besar pada logam di dalam tabung, sehingga timbulah arus pusar yang sangat besar. Dengan demikian, kalor yang terjadi akan dapat melebur logam.

3.2.Transformator (Trafo)

             Transformator adalah suatu peralatan yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan arus bolak balik (AC). Transformator terdiri dari inti besi tempat kumparan dililitkan, yaitu kumparan primer sebanyak N_p dan kumparan sekunder sebanyak N_s. Sebagaimana tampak pada gambar, kumparan primer dihubungkan ke generator arus bolak balik, sedangkan kumparan sekunder dihubungkan keperalatan-peralatan seperti pemanas, kulkas, dn televisi. Inti trafo terbuat dari pelat yang berlapis-lapis untuk mengurangi daya yang hilang karena arus pusar.

 

3.2.1.      Prinsip kerja transformator

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnet yang ditemukan oleh Faraday sehingga disini harus ada perubahan fluks magnetik. Karena itulah transformator hanya bekerja untuk arus bolak balik. Transformator tidak dapat digunakan untuk mengubah besar tegangan arus searah dari sebuah baterai misalnya. Salah satu alasan utama untuk menggunakan arus bolak balik dalam kehidupan sehari-hari adalah karena besar tegangannya dapat diubah dengan mudah melalui transformator.

Arus bolak balik pada kumparan primer menimbulkan induksi magnetik yang berubah-ubah. Fluks magnetik yang terjadi akan mengalir melalui inti besi melewati kumparan sekunder. Karena induksi magnetik berubah-ubah, maka fluks magnetik juga akan berubah-ubah dan akibatnya timbullah GGL induksi pada ε_p pada kumparan primer dan ε_s kumparan sekunder sebagai berikut:

	εs = -N (∆ф /∆t)

 

Karena  ∆ф / ∆t pada kedua kumparan sama, maka:

	εs / εp  = Ns / Np

 

Pada transformator, ε_s biasanya disebut sebagai tegangan sekunder (V_s) dan ε_p disebut sebagai tegangan primer (V_p). Sehingga diperoleh persamaan:

	Vs / Vp  = Ns / Np

 

Persamaan transformator diatas meyatakan bahwa perbandingan tegangan (GGL induksi) pada transformator sama dengan perbandingan jumlah lilitannya.

3.2.2.      Macam-Macam Transformator

Berdasarkan pengubahan tegangan, dikenal 2 jenis transformator, yaitu:

1.      Trafo  Step up adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:

a.       Jumlah lilitan primer (N_p) lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder (N_s).

b.      Tegangan primer (V_p)  lebih kecil daripada tegangan sekunder (V_s).

c.       Kuat arus primer (I_p) lebih besar daripada kuat arus sekunder (I_s).

2.      Trafo Step down adalah transformator yang berfungsi untuk menurunkan  tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:

a.       Jumlah lilitan primer (N_p) lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (N_s).

b.       Tegangan primer (V_p) lebih besar daripada tegangan sekunder (V_s).

c.        Kuat arus primer (I_p) lebih kecil daripada kuat arus sekunder (I_s).

3.2.3.      Perbandingan arus pada transformator

Kenyataan menunjukkan bahwa pada transformator selalu ada daya yang hilang. Akibatnya, daya output (keluaran) lebih kecil daripada daya input (masukan). Hal inilah yang menghasilkan konsep efisiensi. Efisiensi adalah perbandingan daya output dengan daya input. Pada trafo, daya output adalah daya sekunder (P_s) sedangkan daya input adalah daya primer (P_p). Dengan demikian berlaku hubungan:

	η =Ps / Pp  x 100%

 

Mengingat daya sekunder P_s = V_s I_s dan daya primer P_p = V_p I_p, maka perbandingan arus pada trafo dapat ditentukan, yaitu:

	η = (Vs x Is ) / (Vp  x Ip ) = (Ns x Is ) / (Np x Ip )

 

atau

Is / Ip = η (Np / Ns)

                                                  

Dengan: Is = kuat arus pada kumparan sekunder (A) Ip = kuat arus pada kumparan primer (A) η = efisiensi transformator Ns = jumlah lilitan primer Np = jumlah lilitan sekunder

 

                                         Khusus untuk transformator ideal (η = 100%), berlaku:

	Is / Ip =  Np / Ns

 

                           

yang berarti bahwa perbandingan kuat arus pada trafo ideal  sama dengan kebalikan perbandingan jumlah lilitannya.

3.3.Generator

           Sampai saat ini aplikasi teknologi terpenting dari induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Faraday adalah generator listrik. Generator mengubah energi kinetik menjadi energi listrik, kebalikan dari motor listrik. Sumber energi kinetik yang paling umum adalah uap dari pembakaran bahan bakar fosil atau dari reaktor nuklir. Sumber yang lain adalah energi air atau angin.

           Generator yang menghasilkan arus listrik bolak balik disebut generator arus bolak balik atau alternator. Generator yang menghasilkan arus listrik searah disebut generator arus searah. Perbedaannya adalah bahwa pada generator arus bolak balik terdapat dua buah cincin luncur, dengan setiap cincin berhubungan dengan setiap ujungg kumparan. Pada generator arus searah hanya tedapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, dinamakan cincin belah atau komutator.

Generator raksasa

3.3.1.      Prinsip kerja generator

a.    Magnet

Untuk generator pembangkit tenaga listrik yang besar biasanya menggunakan lebih dari satu magnet yang berputar. Magnet yang digunakan biasanya magnet listrik.

b.    Rotor

Rotor adalah bagian generator yang berputar.

c.    Stator

Stator adalah bagian generator yang tidak berputar. Arus yang ditimbulkan oleh generator juga arus bolak-balik.

                  Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan, generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.

3.3.2.      Generator arus bolak balik (alternator)

      Sebuah alternator sesungguhnya hanya merupakan suatu sistem konduktor di dalam medan magnet. Rotasi kumparan perubahan fluks magnetik sehingga menimbulkan GGL induksi pada terminal kumparan. GGL induksi yang terjadi  berubah terhadap waktu. Setiap siklus atau periode dari GGL induksi berarti sekali putaran penuh dari kumparan di dalam medan magnet. Posisi bidang kumparan terhadap garis medan magnetik yang menghasilakan GGL induksi maksimum atau yang menghasilkan GGL induksi = nol.

      Normal bidang kumparan yang membentuk sudut θ terhadap garis magnetik. Fluks magnetik untuk keadaan ini adalah:

	Ф = A B cos ωt

 

dengan ω adalah kecepatan sudut (rad/s) dan t adalah waktu (s). Besar GGL induksi yang dihasilkan generator adalah:

εind = N A B ω cos ωt = εmaks sin ωt

                                                

                                                                            

εmaks =  N A B ω

GGL induksi berbentuk gelombang sinusoida dengan nilai maksimum

                                          

Berdasarkan persamaan diatas diperoleh bahwa untuk memperbesar GGL induksi maksimum atau untuk menghasilkan arus listrik induksi yang besar dapat dilakukan cara:

1.      Menggunakan kumparan yang terdiri dari banyak lilitan.

2.      Menggunakan magnet yang lebih kuat.

3.      Mengunakan inti besi lunak pada kumparan.

4.      Memutar kumparan lebih cepat.

3.3.3.      Generator arus searah

      Generator arus searah dapat dibuat dengan mengganti kedua cincin luncur pada altenator dengan sebuah cincin belah (komutator). Terminal ujung kumparan dihubungkan dengan cincin belah. Putaran kumparan yang konstan menghasilkan GGL induksi yang polaritasnya tidak berubah.

      Pada altenator, GGL induksi berubah arahnya setiap setengah putaran karena kumparan berotasi melalui posisi garis tengah. Akan tetapi, pada generator arus searah, hubungan kumparan kepada sikat berganti setiap setengah putaran sehingga GGL induksi tidak akan terbalik persis seperti mekanisme yang terjadi pada motor listrik.

3.3.4.      Dinamo

Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator.

Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin).

Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Semakin cepat gerakan roda sepeda, semakin cepat magnet atau kumparan berputar, semakin besar pula GGL induksi  dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu akan semakin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.