INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, membuat hipotesis (dugaan) bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik.

Berdasarkan percobaan, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang.Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan.Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak menyimpang.

Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer 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 disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.

Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut.Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan makin 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.

2.2 HUKUM FARADAY

Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Adapun yang dimaksud Fluks Magnetikadalah kerapatan garis-garis gaya dalam medan magnet, artinya fluks magnetik yang berada pada permukaan yang lebih luas kerapatannya rendah dan kuat medan magnetik (B) lebih lemah, sedangkan pada permukaan yang lebih sempit kerapatan fluks magnet akan kuat dan kuat medan magnetik (B) lebih tinggi.

Satuan internasional dari besaran fluks magnetik diukur dalam Weber, disingkat Wb dan didefinisikan dengan:

”Suatu medan magnet serba sama mempunyai fluks magnetik sebesar 1 weber bila sebatang penghantar memotong garis-garis gaya magnetik selama satu detik akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) sebesar satu volt”.

Dari prinsip dasar listrik magnet tadi dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi.

Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.

(James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik)

Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan namaHukum Ampere-Maxwell.

Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang. Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas.Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.

Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian penerimanya.Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang elektromagnetik.

Pembangkit  listrik  biasanya  terletak  jauh  dari  permukiman  penduduk. Untuk  membawa  energi  listrik,  atau  lebih  dikenal  transmisi  daya listrik, diperlukan kabel yang sangat panjang. Kabel yang demikian dapat menurunkan tegangan. Karena itu diperlukan alat yang dapat menaikkan  kembali  tegangan  sesuai  keperluan.  Pernahkah   kamu melihat tabung berwarna biru yang dipasang pada tiang listrik? Alat tersebut adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan  tegangan.

A. 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 (artinya listrik menimbulkan magnet ), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik ( artinya magnet menimbulkan 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 (seperti kegiatan di atas), 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 GGLinduksi. Arus listrik hanya timbul pada saat  magnet  bergerak.  Jika  magnet  diam  di  dalam  kumparan,  di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.

2.4 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-ujungkumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir  menggerakkan  jarum  galvanometer.  Arah  arus  induksi dapat  ditentukan  dengan  cara  memerhatikan  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 sehingga arah arus induksi seperti yang  ditunjukkan Gambar  12.1.a  (ingat  kembali  cara menentukan kutub-kutub solenoida).

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, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b. Ketika kutub utaramagnet 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 gayamagnet (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.

2.5 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. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi?

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

3.1  PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik.Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik.Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo.Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi  mekanik  yang  diberikan  generator  dan  dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal  itu menyebabkan GGL  induksi  dihasilkan  secara  terus-menerus  dengan  pola  yang berulang secara periodik.      

3.2Generator.

Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap.Generator AC sering disebut alternator.Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator (AC) menggunakan cincin ganda. Generator-generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah.ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator  AC  dapat  diubah  menjadi  generator  DC  dengan  cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah  generator  AC  kumparan  berputar   di  antara  kutub- kutub  yang  tak  sejenis  dari  dua  magnet  yang  saling  berhadapan. Kedua  kutub  magnet  akan  menimbulkan  medan  magnet.  Kedua ujung  kumparan  dihubungkan  dengan  sikat  karbon  yang  terdapat pada  setiap  cincin.  Kumparan  merupakan  bagian  generator  yang berputar  (bergerak) disebut  rotor. Magnet  tetap merupakan bagian generator   yang   tidak   bergerak   disebut   stator. 

Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk  sudut  0 derajat),  belum  terjadi  arus  listrik  dan  tidak  terjadi GGL induksi  (perhatikan  Gambar  12.2).  Pada  saat  kumparan  berputar perlahan-lahan,  arus  dan  GGL  beranjak  naik  sampai  kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum.Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.

Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi  dengan  arah  yang  berlawanan.  Pada  saat  membentuk  sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnetPada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran  kumparan selanjutnya,  arus  dan  tegangan  turun  perlahanlahan  hingga  mencapai  nol  dan  kumparan kembali  ke  posisi  semula  hingga  memb entuk sudut 360 derajat.

3.3 PRINSIP KERJA GENERATOR

Bagian utama generator, lihat Gambar 13.4, adalah:

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 perubalian 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.

A. Generator AC

Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida).cincin geser, dan sikat. Pada generator.perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC.

Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara:

    memperbanyak lilitan kumparan,

    menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.

    mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.

Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak.Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan.Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan.lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).

B. Generator DC

Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).

3.4Dinamo.

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 rotoradalah roda sepeda.Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar.Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir.Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi  dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin 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.

3.5 PRINSIP KERJA DINAMO

1. Dinamo

Bagian utama dinamo, lihat Gambar 13.2, adalah

a. Sebuah kumparan (C)

b. Sebuah cincin geser (A)

c. Sikat (B)

d. Magnet

Sedangkan langkah-langkah kerja dinamo adalah sebagai berikut:

a. Sebuah kumparan berputar dalam medan magnet.

b. Tiap-tiap ujung kawat kumparan dihubungkan dengan sebuah “cincin geser”.

c. Cincin geser tersebut menempel sebuah sikat.

d. Bila kumparan diputar maka dalam kumparan itu timbul GGL AC. GGL AC ini menimbulkan arus AC di dalam rangkaian dinamo.

2. Dinamo Arus Searah

Dinamo arus bolak-balik dapat diubah menjadi dinamo arus searah dengan menggunakan cincin belah atau komutator seperti pada motor listrik, lihat gambar 13.3!

Dinamo arus searah pada prinsipnya sama dengan motor arus searah. Jadi dinamo arus searah dapat dipakai sebagai motor arus searah. Demikian pula sebaliknya.

3.6 TRANSFORMATOR

Di rumah mungkin kamu pernah dihadapkan persoalan tegangan listrik, ketika kamu akan menghidupkan radio yang memerlukan tegangan 6 V atau 12 V. Padahal tegangan listrik yang disediakan PLN 220 V. Bahkan generator pembangkit listrik menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Kenyataannya sampai di rumah tegangan listrik tinggal 220 V. Bagaimanakah cara mengubah tegangan listrik? Alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC disebut transformator (trafo). Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output.

Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output.Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder.Adapun, arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder.

Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output).

3.7 Macam-Macam Transformator

Apabila tegangan terminal output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penurun tegangan.  Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.