BAB XII INDUKSI ELEKTROMAGNETIK DAN ARUS...

Click here to load reader

  • date post

    03-Feb-2018
  • Category

    Documents

  • view

    276
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of BAB XII INDUKSI ELEKTROMAGNETIK DAN ARUS...

  • 12-1

    BAB XII

    INDUKSI ELEKTROMAGNETIK DAN ARUS BOLAK BALIK

    Pada bab ini, Induksi Elektromagnetik dan Arus Bolak Balik terdiri dari tujuh subbab:

    A. Hukum Faraday .........................................................................

    B. GGL Induksi dan Medan Listrik ...............................................

    C. Generator dan Motor (Aplikasi Induksi Elektromagnetik) .......

    D. Persamaan Maxwell ...................................................................

    E. Induktansi ..................................................................................

    F. Rangkaian Arus Bolak-balik ......................................................

    G. Transformator dan Transmisi Daya ...........................................

    Tujuan Pembelajaran:

    Setelah mengikuti pembahasan dalam bab ini; dapat memformulasikan konsep induksi

    magnetik dan arus bolak-balik serta penerapannya

    Kata kunci dalam memahami materi bab ini adalah:

    1. Arus

    2. Induksi

    Ruang lingkup pembahasan dalam bab ini mencakup:

    1. Hukum Faraday

    2. GGL induksi dan medan listrik

    3. Aplikasi induksi elektromagnetik

    4. Persamaan Maxwell

    5. Induktansi

    6. Rangkaian arus bolak-balik

    7. Transformator dan Transmisi daya

    Pada diskusi sebelumnya kita telah menelaah timbulnya medan magnet di sekitar

    kawat berarus, hal ini berarti arus listrik dapat menciptakan medan magnet. Apakah proses

    menghasilkan tersebut dapat berlaku sebaliknya, yaitu apakah medan magnet dapat

    menimbulkan medan listrik?

  • 12-2

    Untuk dapat menunjukkan apakah peristiwa timbulnya medan magnet dan medan

    listrik dapat dibolak-balik, silahkan kalian lakukan kegiatan di bawah ini secara

    berkelompok.

    Kegiatan 12.1

    Tujuan:

    Menyelidiki bahwa arus listrik dapat terbentuk dalam loop tertutup bila pada loop terjadi

    perubahan medan magnet.

    Alat dan Bahan:

    Sebuah galvanometer, kawat penghantar yang dibuat loop dan magnet permanent (magnet

    batang).

    Prosedur:

    1. Cobalah kalian susun peralatan seperti pada gambar!

    2. Hubungkan sebuah kumparan yang hanya terdiri dari satu lilitan dengan galvanometer.

    3. Coba amati jarum galvanometer (G) dan catat angka yang ditunjuk oleh jarum G

    ssebelum magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan.

    4. Sekarang dekatkan magnet batang tersebut perlahanlahan sampai masuk ke dalam

    kumparan, amati lagi angka yang ditunjuk oleh jarum G pada saat magnet bergerak

    masuk ke kumparan. Bagaimana angka yang ditunjuk jarum G bila magnet diam di

    dalam kumparan? Catat pula angka yang ditunjuk jarum G pada saat magnet diam di

    dalam kumparan.

    5. Bagaimanakah angka yang ditunjuk G pada pengmatan (3) dan (4).

    6. Jauhkan magnet secara perlahan-lahan, amati setelah magnet berada di luar kumparan,

    Gambar 12.1

  • 12-3

    catat lagi angka yang ditunjuk jarum G.

    7. Ulangi langkah 3-6 dan kalau perlu gunakanlah magnet yang berbeda kuat medannya!

    8. Tulislah kesimpulan dari kegiatanmu dan bandingkan dengan hasil kegiatan yang sudah

    tertulis di buku fisika !

    Kesimpulan

    Dari data yang kalian kumpulkan, kalian mungkin memperoleh kesimpulan sebagai

    berikut:

    Arus listrik timbul di dalam kumparan pada saat magnet dimasukkan atau dikeluarkan dari

    kumparan. Bila magnet diam di dalam kumparan atau di luar kumparan, maka dalam

    kumparan tidak terdapat arus listrik. Jadi, dari percobaan ini dapat disimpulkan bahwa

    timbulnya arus listrik dalam kumparan karena adanya perubahan medan magnet, yaitu pada

    saat magnet digerakkan masuk atau keluar.

    Tugas 12.1

    Kalian dapat melakukan percobaan di atas dengan menggunakan dua toroida yang dililiti

    kumparan, yaitu kumparan primer dan sekunder. Kumparan primer dihubungkan dengan

    baterai lewat sebuah saklar dan kumparan sekunder dihubungkan dengan galvanometer.

    Coba apa yang terjadi bila saklar disambung dan diputus?

    A. Hukum Faraday Kegiatan di atas mula-mula dilakukan oleh Faraday, dan dari data yang

    diperoleh dapat disimpulkan bahwa arus listrik terjadi karena adanya gaya gerak listrik

    induksi (GGL) sebagai hasil dari perubahan medan magnet m, perubahan medan

    magnet berupa perubahan fluks magnet yang melewati kumparan. Secara matematik

    Faraday menyatakan,

    kumparan yang digunakan terdiri dari N lilitan, maka

    (12.2)

    (12.1)

  • 12-4

    Bila bidang loop (A) tidak tegak lurus pada arah medan magnet yang berubah,

    tetapi normal bidang loop membentuk sudut 0 dengan arah medan magnet B, dan

    berdasarkan definisi fluks, maka persamaan 12.1 dapat ditulis kembali menjadi

    Persamaan 12.3 menunjukkan besarnya GGL yang ditimbulkan oleh perubahan

    fluks magnet per satuan waktu.

    1. GGL Sebuah Penghantar yang Bergerak Dalam Medan Magnet Kalian telah mempelajari bahwa bila kawat berarus diletakkan dalam medan

    magnet, kawat tersebut mengalami gaya magnet. Disini kawat diletakkan dalam

    keadaan diam di dalam medan magnet. Apa yang terjadi bila kawat yang berarus

    tersebut juga digerakkan dalam medan magnet? Misal sebuah penghantar lurus

    panjangnya l digerakkan dengan kecepatan konstan v dan arah geraknya tegak lurus

    pada medan magnet B yang homogen, lihat Gambar 12.2. Di dalam konduktor

    terdapat muatan bebas, maka elektron-elektron dalam konduktor mengalami gaya

    magnet sebesar F = qvB.

    Karena elektron ikut bergerak bersama batang, berarti elektron juga

    bergerak dengan kecepatan v dan tegak lurus pada medan magnet yang arahnya

    masuk ke kertas, dengan menggunakan aturan tangan kanan untuk muatan negatif,

    maka elektron mengalami gaya magnet yang terletak di atas bidang kertas arahnya

    ke bawah sehingga menyebabkan muatan negatif terkumpul di bagian bawah

    batang dan muatan positif pada bagian atas batang. Muatan akan berhenti mengalir

    ke bawah bila gaya magnet diimbangi dengan medan listrik di dalam konduktor

    (12.3)

    Gambar 12.2

  • 12-5

    yang diakibatkan oleh terkumpulnya muatan di bagian atas dan bawah konduktor,

    yaitu

    qE= qvB atau E = v B

    Karena medan listrik dalam konduktor konstan maka beda potensial antara

    ujung konduktor adalah

    Dimana pada bagian atas ujung konduktor pada Gambar 12.2(a) mempunyai

    potensial lebih tinggi daripada ujung bawah. Selama batang konduktor digerakkan,

    maka timbul gaya magnet pada batang dan gaya magnet selalu diimbangi gaya

    listrik karena di dalam konduktor tercipta medan listrik. Jadi beda potensial antara

    kedua ujung konduktor timbul (ada) selama konduktor bergerak dalam medan

    magnet. Bila arah gerak batang konduktor diubah, maka potensial relatif

    antara kedua ujung juga berubah.

    Kisi

    Michael Faraday lahir pada ahun 1791 di London, Inggris. Pada usia 12 tahun,

    Michael menjadi pesuruh toko buku dan ia sangat rajin sehingga ia disuruh magang

    belajar menjilid buku tanpa membayar. Seorang pelanggan memperhatikan

    minatnya terhadap sains dan memberinya tiket untuk rnengikuti kulian Sir

    Humphry Davy. Dia membuat catatan dengan saksama, menjilidnya dan

    mengirimkannya kepada Davy, yang begitu membuatnya berkesan asisten dalam

    laboratorium lembaga kerajaan. Dari situlah Michael melakukan penelitian dan

    menghasilkan penemuan-penemuan yang sangat bermanfaat hingga sekarang.

    Timbulnya beda potensial antara kedua ujung konduktor yang disebut

    sebagai tegangan terinduksi dapat diselidiki dengan menempatkan sepasang rel

    konduktor pada kedua ujung batang dan antara rel di pasang hambatan R sehingga

    terbentuk loop tertutup, lihat Gambar 12.2(b). Bila batang konduktor digerakkan

    sejauh x, maka besarnya perubahan fluks magnet sebesar

    Dengan menggunakan hukum Faraday

    (12.4)

    (12.5)

  • 12-6

    Bila pada loop dipasang hambatan R, maka besarnya arus induksi adalah

    Rangkaian pengganti ditunjukkan pada Gambar 12.2 (c)

    2. Hukum Lenz Faraday telah menunjukkan bahwa GGL dapat ditimbulkan oleh konduktor

    yang digerakkan dalam medan magnet homogen. Lenz lebih lanjut menegaskan

    basil yang diperoleh berdasarkan prinsip Faraday yaitu GGL induksi yang

    terbentuk pada konduktor yang digerakkan melewati medan magnet homogen

    cenderung menghasilkan arus induksi sedemikian hingga arus induksi tersebut

    menghasilkan fluks magnet yang arahnya berlawanan dengan fluks magnet yang

    lewat loop.

    B. Induksi dan Medan Listrik Medan listrik induksi yang dihasilkan oleh adanya perubahan dalam medan

    magnet sedikit berbeda dengan medan listrik yang dihasilkan oleh muatan yang

    stasioner. Perbedaannya adalah bahwa besarnya, E, GGL induksi dinyatakan dalam

    medan listrik induksi sebagai

    Medan listrik yang tercantum pada persamaan 12.7 tidak konservatif karena

    bervariasi dengan waktu, yaitu tergantung pada perubahan medan magnet. Bila medan

    listrik pada persamaan 12.7 konservatif, maka integral garis pada ruas sebelah kiri

    persamaan 12.7 nol. Jadi medan listrik induksi berbeda dengan medan listrik muatan

    stasioner.

    Kisi

    Sebuah solenoida panjang dengan lilitan per satuan panjang sebesar n, jari-jarinya R

    dan dialiri arus = 0 cos(). Di mana Io adalah arus maksimum dan adalah

    frekuensi anguler.

    (12.6)

    (12.7)

  • 12-7

    C. Aplikasi Ind