Induksi Magnet dan Gaya Lorentz

 Induksi Magnet dan Gaya Lorentz

Ringkasan Materi IPA Kelas 9 Semester 2

a.      Induksi Magnet

Hans Christian Oersted (1820) telah menunjukkan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet. Caranya adalah dengan mengamati pergerakan jarum kompas saat diletakkan di dekat kabel yang dialiri arus listrik. 

Percobaan ini kemudian dikenal dengan Percobaan Oersted. Arah medan magnet dan arah arus dapat ditunjukkan dengan menggunakan tangan kanan. Arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik dan arah lipatan jari-jari menunjukkan arah putaran garis-garis medan magnetnya. 

Jika pada kawat lurus, medan magnet terbentuk melingkari arah arus. 

Pada kumparan medan magnet tampak melingkari kabel, tetapi medan magnetnya seolah-olah membentuk kutub utara dan selatan pada ujung-ujungnya, persis seperti pada magnet batang.

b.     Konsep Gaya Lorentz

Jika penghantar berarus listrik diletakkan dalam medan magnet akan terjadi interaksi antara listrik dan medan magnet. Interaksi tersebut menghasilkan gaya yang disebut gaya Lorentz. Terdapat hubungan antara arah gaya Lorentz, arah medan magnet dan arah arus listrik. Hubungan tersebut dapat dinyatakan dengan aturan tangan kanan (perhatikan gambar). 

 

•      Ibu jari menunjukkan arah arus (I)

•      Telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B)

•      Jari tengah menunjukkan arah gaya Lorentz (F)

Gaya Lorentz akan semakin besar bila :

•      Semakin kuat medan magnet

•      Semakin besar kuat arusnya

•      Semakin panjang bagian kawat yang menerima gaya.

Besarnya gaya Lorentz dapat ditulis dengan persamaan:

F   =   Gaya Lorentz, Newton (N)

B  =   Induksi magnetic, Tesla (T)

I    =   Kuat arus, Ampere (A)

L   =   Panjang kawat, meter (M)

Contoh soal:

Penghantar berarus listrik 10 A diletakkan pada medan magnetik 0,5 Tesla. Keduanya saling tegak lurus. Jika panjang penghantar dalam medan magnet 25 cm, berapakah gaya lorentz yang dialami penghantar tersebut?

Jawab :

Diketahui :    I    =   20 A

                      B =   0,5 T

                      L   =   25 cm = 0,25 m

     Ditanya :  F   = ........ ?

                     F   = B. I. L

                      F   = 0,5 T x 20 A x 0,25 m

                          = 2,5 N

c.      Penerapan Gaya Lorentz pada Motor Listrik

Salah satu contoh penerapan gaya Lorentz pada motor listrik adalah kipas angin. Kipas angin menggunakan motor listrik, piranti yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi kinetik.

Contoh yang lain misalnya mixer pengaduk adonan kue, pengering rambut dan lain sebagainya.

 

Induksi Elektromagnetik

Pada pembahasan sebelumnya telah dibahas arus listrik dapat menimbulkan medan magnet. Berdasarkan kenyataan ini Michael Faraday seorang ilmuwan Inggris membuat hipotesis medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik. Berdasarkan percobaannya, ditunjukkan bahwa gerakan magnet dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. 

Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang kekanan. Ketika magnet ditarik dari dalam kumparan maka jarum galvanometer menyimpang ke kiri. 

Pada saat kutub selatan bergerak masuk ke dalam kumparan, jarum galvanometer akan menyimpang ke kiri, sedangkan ketika kutub selatan ditarik dari dalam kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Bergeraknya jarum galvanometer tersebut menunjukkan bahwa pada kedua ujung kumparan terdapat arus listrik.

Pada saat magnet batang digerakkan masuk dan keluar kumparan maka di dalam kumparan terjadi perubahan medan magnet atau perubahan jumlah garis-garis gaya magnet, sehingga pada ujung-ujung kumparan terjadi perbedaan potensial listrik atau GGL. Timbulnya arus listrik seperti itu disebut dengan induksi elektromagnetik, sedangkan beda potensial yang timbul pada ujung kumparan disebut Gaya Gerak Listrik (GGL) induksi.

Kalian bisa melakukan percobaan Faraday secara virtual dengan klik eksperimen

Dari percobaannya, Faraday menarik kesimpulan yang kemudian dikenal dengan hukum Faraday, yaitu besar GGL induksi tergantung pada :

a.   Perubahan jumlah garis gaya magnet

b.   Perubahan waktu

c.   Jumlah lilitan

d.   Dengan demikian diperoleh rumus :

N       =   Jumlah lilitan 

E_ind    =   GGL induksi, satuannya volt

ΔΦ    =   Perubahan garis gaya, satuannya weber (Wb)

Δt      = Perubahan waktu, satuannya sekon

Tanda minus pada persamaan Faraday diatas menunjukkan bahwa GGL  yang terbentuk memiliki arah yang bertolak belakang dengan fluks magnet .

Contoh Soal .

Galvometer dengan 90 lilitan terjadi perubahan garis gaya 25 Wb menjadi 30 Wb, selama 50 sekon. Tentukan besarnya GGL induksinya!

Penyelesaian :

Induksi elektromagnetik merupakan dasar dari pembuatan generator atau dinamo. Generator / dinamo adalah alat yang dapat mengubah energi kinetik / gerak menjadi energi listrik. Bagian penting dari generator / dinamo adalah kumparan dan magnet tetap. Berikut penjelasan tentang generator / dinamo.

a.      Generator

Generator (Dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya menggunakan induksi elektromagnetik. Pada prinsipnya, dinamo generator listrik mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Bagian utama generator AC terdiri atas magnet tetap, kumparan, cicin gesar dan sikat. Pada generator, perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet tetap.

Karena dihubungkan dengan cicin geser,  perputarannya menimbulkan GGL induksi AC. Karena itu arus yang timbul berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri pada kedua sikat.

b.     Dinamo AC-DC

Dinamo adalah generator yang relative kecil seperti yang digunakan pada sepeda. Dinamo berfungsi mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Semakin cepat kita mengayuh sepeda maka semakin terang nyala lampu pada sepeda.

Cara kerja dynamo dan generator hamper sama. Pada dinamo DC menggunakan cicin belah sedangkan dinamo AC menggunakan cincin ganda.

Pada saat sepeda dikayuh dengan cepat, kumparan padadinamo akan bergerak cepat sehingga gaya gerak listrik (GGL) induksi yang dihasilkan menjadi lebih kuat dan energi listrik yang dihasilkan menjadi lebih banyak. Penggunaan magnet yang kuat, memperbanyak jumlah lilitan, dan penggunaan inti besi lunak dalam dinamo juga dapat mengakibatkan GGL induksi yang dihasilkan menjadi lebih kuat.

c.      Transformator

Arus dari PLN yang dilairkan melalui kawat memiliki tegangan yang sangat tinggi dan membahayakan. Agar tidak berbahaya tegangan itu harus diturunkan sebelum dialirkan ke rumah-rumah penduduk. Alat yang digunakan untuk menurunkan tegangan disebut transformator (trafo).

Bagian utama transformator adalah dua kumparan yang dililitkan pada besi lunak yang memiliki jumlah lilitan berbeda. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC disebut kumparan primer dan yang lain disebut kumpran sekunder.

Jika dalam kumparan mengalir arus bolak-balik, letak kutub utara dan selatan berubah bergantian. Akibatnya medan magnet disekitar kumparan berubah. Berdasarkan hukum Faraday, maka timbul GGL induksi pada kumparan sekunder yang arahnya bolak-balik. Besarnya GGL induksi yang dihasilkan akan sebanding dengan banyaknya lilitan. Besarnya GGL induksi pada kumparan primer sebanding dengan banyaknya lilitan pada kumparan primer. Dan besarnya GGL induksi pada kumparan sekunder sebanding dengan banyaknya lilitan pada kumparan sekunder.

Dengan demikian dapat dirumuskan :

V_p    =   tegangan primer

V_s    =   tegangan sekunder

N_p   =   banyaknya lilitan primer

N_s   =   banyaknya lilitan sekunder 

Kita dapat membedakan transformator menjadi dua yaitu :

a.      Transformator step Up

Transformator yang jumlah lilitan primernya lebih kecil dibandingkan lilitan sekundernya. Karena itu step up digunakan untuk menaikan tegangan.

Np < Ns

Vp < Vs

Ip > Is

b.      Transformator step down

Transformator yang jumlah lilitan primernya lebih besar dibandingkan lilitan sekundernya. Karena itu step down digunakan untuk menurunkan tegangan.

Np > Ns

Vp > Vs

Ip < Is

Berdasarkan hukum kekekalan energi, jumlah energi listrik yang masuk pada kumparan primer sama dengan jumlah energi listrik yang keluar dari kumparan sekunder. Berdasarkan pemikiran tersebut, diperoleh hubungan sebagai berikut:

V_p    =   tegangan primer

V_s    =   tegangan sekunder

N_p   =   banyaknya lilitan primer

N_s   =   banyaknya lilitan sekunder

I_p     =   Kuat arus primer

I_s     =   Kuat arus sekunder

 

d.     Efisiensi Transformator

Dalam kenyataannya pada transformator, energi listrik yang keluar dari transformator lebih kecil dari pada energi yang masuk transformator. Hal ini terjadi karena energi listrik terbuang menjadi kalor. Itulah sebabnya kita akan merasakan panas bila menyentuh transformator yang sedang digunakan. Efisiensi transformator dirumuskan :

ɳ     =   Efisiensi

W_s  =   Energi sekunder

W_p  =   Energi primer

P_s    =   Daya sekunder

P_p   =   Daya primer

N_p    =   banyaknya lilitan primer

N_s    =   banyaknya lilitan sekunder

I_p     =   Kuat arus primer

I_s     =   Kuat arus sekunder

 

Contoh soal:

1.    Sebuah trafo step down digunakan untuk menyalakan lampu 11 V - 4A . Jika tegangan listrik PLN yang digunakan adalah 220V, dan lilitan sekundernya 50 buah, hitunglah:

a.   Lilitan primernya

b.   Kuat arus primernya

Penyelesaian :

Diketahui :    Vs  = 11V

                     Ns   = 50 buah

                     Vp  = 220V

                     Is   =  4A

Ditanya :  a. Np  = .....?

                 b. Ip  =  .........?

Jawab       :

a.      Vp : Vs = Np : Ns

200 V : 11 V = Np : 50

11x Np = 200x50

Np = 10000 buah

b.      Vp : Vs = Is : Ip

220 V : 11 V = 4A : Ip

220 x Ip = 11 x 4A

Ip = 44 A : 220 = 0,2 A

2.    Sebuah transformator mempunyai lilitan primer 1000 dan lilitan sekunder 6000. Arus primer 0,2 A dan Arus sekunder 0,03 A. Berapakah efisiensi transformator tersebut ?

 

Penyelesaian

Diketahui :    NP  =   1000

                     NS  =   6000

                     Ip    =   0,2 A

                     Is     =   0,03 A

Ditanya    :         =   ...?

Jawab:                             '

3.    Perhatikan gambar !

Tentukan besanya tegangan sekunder !

Penyelesaian :

x

Share this post