Induksi Elektromagnetik

Induksi elektromagnetik menghasilkan arus listrik. Caranya dengan  menggerakkan konduktor di suatu medan magnet atau sebaliknya, pergerakan arus listrik yang mengakibatkan medan magnet. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa induksi elektromagnetik adalah timbulnya arus listrik pada penghantar karena adanya perubahan medan magnet.

Fenomena ini ditemukan pada tahun 1831 oleh Michael Faraday. Kemudian dideskripsikan dalam Hukum Induksi Faraday oleh James Clerk Maxwell. Dalam penerapannya, Hukum Induksi Faraday lebih dikenal dengan Hukum Faraday.

a. Fluks Magnetik

Fluks magnetik berhubungan jumlah garis medan magnet yang memotong suatu bidang secara tegak lurus (Supar dkk, 2015). Akan tetapi medan magnet ini  juga tidak selalu tegak lurus terhadap suatu bidang sehingga membentuk sudut. Persamaan fluks magnetik jika medan magnet tegak lurus terhadap permukaannya sebagai berikut:

Persamaan fluks magnetik jika medan magnet tidak tegak lurus terhadap permukaannya sehingga membentuk sudut adalah sebagai berikut:

b. Hukum Faraday dan Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi

Hukum Faraday menyatakan bahwa Gaya Gerak Listrik (GGL) induksi dalam rangkaian bernilai sama dengan kecepatan perubahan fluks magnetik yang melalui rangkaian itu. Persamaan Hukum Faraday sebagai berikut:

c. Hukum Lenz

Nilai negatif (−) dalam persamaan GGL induksi dapat dijelaskan melalui Hukum Lenz. Hukum Lenz menyatakan arus induksi yang muncul dari GGL induksi mempunyai arah yang menyebabkan medan magnet induksi melawan perubahan medan magnet. Hal ini terjadi karena arus induksi mempertahankan fluks magnetiknya agar bernilai konstan.

d. Hukum Henry

Hukum Henry menyatakan akan terjadi GGL induksi diri (e) jika arus listrik dalam suatu penghantar berubah terhadap waktu. GGL induksi diri  dapat diartikan sebagai GGL induksi yang muncul dari medan magnet suatu rangkaian. Persamaan Hukum Henry sebagai berikut:

Sedangkan secara matematis induktansi diri (L) pada solenoida dan toroida ditulis sebagai berikut:

Aplikasi Induksi Elektromagnetik

Induksi elektromagnetik sangat dibutuhkan karena dapat menghasilkan listrik dan sebaliknya. Aplikasi induksi elektromagnetik meliputi generator, dinamo, dan transformator.

a. Generator

Generator merupakan alat yang mengubah energi kinetik menjadi arus listrik dengan prinsip induksi elektromagnetik (Abdullah, 2016). Caranya dengan memutar kumparan di antara kutub utara dan selatan sebuah magnetik untuk menghasilkan arus listrik induksi. Generator dibedakan menjadi dua jenis, pertama yaitu generator arus bolak-balik dan kedua adalah generator arus searah.

Generator arus bolak-balik dikenal sebagai alternator. Dalam bahasa Inggris disebut Alternating Current (AC). Generator ini mempunyai dua buah cincin luncur yang berhubungan dengan kumparan. Sedangkan dalam bahasa Inggris, generator arus searah disebut Direct Current (DC). Generator ini mempunyai sebuah cincin luncur yang disebut komutator.

Persamaan GGL Induksi yang dihasilkan generator dinyatakan sebagai berikut:

Berdasarkan persamaan GGL Induksi yang dihasilkan generator, dapat diketahui bahwa nilai GGL induksi dapat diperbesar dengan memakai kumparan yang mempunyai banyak lilitan, memilih magnet yang kuat, memakai inti besi lunak, dan memutar kumparan lebih cepat.

b. Dinamo (Motor Listrik)

Prinsip kerja dinamo adalah kebalikan generator. Dinamo mengubah arus listrik menjadi energi kinetik, atau lebih tepatnya putaran poros untuk menggerakkan berbagai alat.

c. Transfomator (Trafo)

Transfomator (Trafo) adalah alat yang mengubah besar tegangan arus bolak-balik (Supiyanto, 2007). Prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Bagian transformator meliputi kumparan primer, kumparan sekunder, dan inti besi lunak. Transfomator dibedakan menjadi transformator step up untuk menaikkan tegangan listrik dan transformator step down untuk menurunkan tegangan listrik.

Jumlah lilitan kumparan primer pada transformator step up lebih sedikit jika dibandingkan kumparan sekunder, begitu sebaliknya pada transformator step down. Contoh pemakaian transformator  ialah pada proses transmisi daya listrik jarak jauh yang dapat dilakukan dengan tegangan tinggi.

Awalnya digunakan transformator step up di pusat pembangkit listrik untuk membuat tegangan hingga 150.000 volt. Kemudian ditransmisikan ke daerah lain dengan bantuan  transformator step down yang ada di gardu-gardu listrik. Dengan demikian setiap rumah dapat menerima tegangan sebesar 220 volt.

Secara matematis persamaan pada transformator ditulis sebagai berikut:

            Keterangan:

            Vp         =          Tegangan primer (V)

            Vs         =          Tegangan sekunder (V)

            Np        =          Jumlah lilitan primer

            Ns         =          Jumlah lilitan sekunder

Pada trafo ideal, artinya tidak ada energi listrik yang berubah ke bentuk energi lain, persamaannya sebagai berikut:

            Keterangan:

            Pp         =          Daya primer atau input (W)

            Ps         =          Daya sekunder atau output (W)

            Ip          =          Arus primer (A)

            Is          =          Arus sekunder (A)

Sedangkan efisiensi transformator mempunyai persamaan sebagai berikut:

Contoh 1

Sebuah bidang persegi bersisi 20 cm ditembus garis medan magnet yang membentuk sudut 37° pada bidang. Jika induksi magnetik sebesar 100 tesla, maka berapa fluks magnetiknya?

Contoh 2

Kuat arus 1 A dengan tegangan bolak-balik 220 V dihubungkan dengan transformator. Berapa efisiensi transformator jika daya di bagian sekunder adalah 55 watt?

Diketahui  :           Vp         =          220 V

                             Ip          =          1 A

                             Ps         =          55 W

Gelombang Elektromagnetik (GEM)

Gelombang elektromagnetik (GEM) menurut James Clerk Maxwell adalah gelombang yang berasal dari muatan listrik yang dipercepat yang membuat medan listrik dan medan magnet serta merambat melalui ruang hampa. Kedua medan ini tegak lurus terhadap arah rambat gelombang sehingga tergolong gelombang transversal (Abadi dan Chasanah, 2014). Persamaan kecepatan GEM (c) dapat ditulis sebagai berikut:

Terdapat berbagai jenis spektrum GEM akibat frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Jenis GEM dari frekuensi besar ke kecil meliputi sinar gamma, sinar X, sinar ultraviolet (UV), cahaya tampak, sinar inframerah, gelombang mikro, serta gelombang radio dan televisi.

a. Sinar Gamma

Frekuensi              :           1020 – 1025 Hz

Sumber                 :           Inti atom yang tidak stabil.

Karakteristik         :           Daya tembus yang sangat kuat.

Aplikasi                 :           Membunuh sel kanker dan sterilisasi alat kedokteran.

                                         Penyinaran bibit unggul dalam rekayasa genetika.

b. Sinar X (Sinar Rontgen)

Frekuensi              :           1016 – 1020 Hz

Sumber                 :           Partikel berenergi tinggi yang ditembakkan ke atom.

Karakteristik         :           Daya tembus kuat.

Aplikasi                 :           Memotret tulang dalam tubuh.

                                         Menyelidiki struktur material suatu benda.

                                          Pemindai barang di bandar udara.

c. Sinar Ultraviolet (UV)

Frekuensi              :           1015 – 1016 Hz

Sumber                 :           Matahari.

                                          Atom dan molekul dalam nyala listrik.

Karakteristik         :          Daya tembus cukup kuat dan mengionisasi barang.

Aplikasi                 :           Memendarkan barium platina sianida.

                                          Membunuh kuman penyebab penyakit kulit.

                                          Mensterilkan alat bedah.

                                          Menghitamkan pelat foto berlapis perak bromida.

                                          Mengawetkan dan memeriksa bakteri dalam makanan.

                                          Memeriksa keaslian uang, sidik jari, dan bercak darah.

                                          Mengubah provitamin D menjadi vitamin D di tubuh.

d. Cahaya Tampak

Frekuensi              :           ± 1015 Hz

Sumber                 :           Partikel berenergi tinggi yang ditembakkan ke atom.

Karakteristik         :           Mempunyai spektrum warna yaitu merah, jingga, kuning, hijau,

                                          biru, dan ungu.

Aplikasi                 :           Diperlukan mata untuk melihat benda di sekitar.

                                          Sinar laser.

e. Sinar Inframerah

Frekuensi              :           1011 – 1014 Hz

Sumber                 :           Elektron molekul yang bergetar karena dipanaskan.

Karakteristik         :           –

Aplikasi                 :           Mendeteksi daerah kebakaran dengan satelit.

                                          Remote control berbagai perlatan rumah tangga.

                                          Mendiagnosis penyakit dalam tubuh.

                                          Terapi penyembuhan.

f. Gelombang Mikro

Frekuensi              :           109 – 1010 Hz

Sumber                 :           –

Karakteristik         :           –

Aplikasi                 :           Microwave oven dan radar.

Contoh Soal

Panjang gelombang A sebesar 250 nm. Hitung frekuensi gelombang tersebut!

Referensi

Abadi, Rinawan dan Chasanah, Risdiyani. 2014. Fisika untuk SMA/MA Kelas X Semester Klaten: Intan Pariwara.

Abdullah, Mikrajuddin. 2016. Fisika Dasar I. Bandung: Institut Teknologi Bandung.

Supar dkk. 2015. Buku Pintar Belajar Fisika untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta: Sagufindo Kinarya.

Supiyanto. 2007. Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Penerbit Phibeta.