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