MAGNET, INDUKSI MAGNETIK, DAN GGL INDUKSI

A.  MAGNET

Jarum kompas merupakan salah satu contoh magnet. Jarum utara kompas selalu menunjuk ke arah kutub utara bumi dan jarum selatan kompas selalu menunjuk ke arah kutub selatan bumi. Sebenarnya, jarum kompas menunjuk ke arah tertentu karena tertarik oleh medan magnet yang berlawanan dengan jarum kompas. Sehingga, jarum utara kompas menunjuk arah utara karena tertarik oleh kutub selatan magnet bumi dan jarum selatan kompas menunjuk arah selatan karena tertarik oleh kutub utara magnet bumi. Jadi, secara kemagnetan kutub utara bumi adalah kutub selatan magnet bumi, dan kutub selatan bumi adalah kutub utara magnet bumi.

Magnet pertama kali ditemukan di daerah Magnesia yang terletak di Asia kecil pada abad ke 19. Orang mengenal magnet sebagai batu-batuan yang saling tarik-menarik atau dapat menarik benda-benda yang mengandung besi. Sampai sekarang, benda yang memiliki sifat seperti batu tersebut dinamakan magnet sesuai dengan nama daerah tempat pertama kali ditemukannya.

1.    Magnet dan medan magnet

Sebuah magnet apapun bentuknya dan seberapapun kecil ukurannya pasti memiliki 2 kutub yang berlawanan, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Daerah di sekitar magnet yang masih mengalami gaya tarik magnet dinamakan medan magnet. Di bawah ini digambarkan garis-garis medan magnet dari beberapa magnet batang.

2.    Medan magnet dari penghantar (kawat) berarus listrik

Medan magnet selain timbul di sekitar magnet, juga bisa timbul di sekitar penghantar (kawat) berarus listrik. Hal ini pertama kali ditemukan oleh Hans Cristian Oersted. Di bawah ini digambarkan hasil percobaan Oersted.

B.  INDUKSI MAGNETIK (ELEKTROMAGNET)

Medan magnet yang timbul dari adanya arus listrik dinamakan induksi magnetik (elektromagnet). Hubungan antara medan magnet dengan arus listrik yang menimbulkannya dikenal dengan hukum Biot Savart. Besar induksi magnetik menurut hukum Biot Savart untuk berbagai bentuk kawat bisa dicari dengan menggunakan persamaan seperti di bawah ini:

1.    Induksi magnetik (elektromagnet) di sekitar kawat lurus dengan panjang tak berhingga.

Persamaan untuk menghitung induksi magnetik dari kawat lurus berarus listrik adalah:

Keterangan: 

B  = Induksi magnetik (tesla atau Wb/m²)

I   = Kuat arus listrik (A)

r   = Jarak dari titik yang ditanyakan dengan kawat (m)

     µ₀ = Permiabilitas magnet ruang hampa = 12,57.10^-7
Arah induksi magnetik pada kawat lurus ditunjukkan dengan aturan tangan ke 1, seperti terlihat pada gambar di atas. Ibu jari menunjukkan arah arus listrik. Keempat jari lainnya menunjukkan arah induksi magnetik.

2.    Induksi magnetik (elektromagnet) pada pusat lingkaran kawat.

Jika kawat terdiri dari N lilitan, maka persamaannya menjadi:

        Keterangan: 

        r    = Jari-jari lingkaran kawat (m)

        N  = Jumlah lilitan kawat

Arah induksi magnetik pada kawat melingkar ditunjukkan dengan aturan tangan ke 1, seperti terlihat pada gambar di atas.

3.    Induksi magnetik (elektromagnet) pada solenoida

Solenoida adalah lilitan atau kumparan kawat yang rapat.

Ø


Induksi magnetik pada ujung solenoida

Ø




Induksi magnetik pada tengah-tengah solenoida

Keterangan: 

N = Jumlah lilitan kawat

l   = Panjang solenoida (m)

Dari gambar di atas dapat dilihat arah induksi magnetik pada solenoida. Arah induksi magnetik pada solenoida dapat dicari dengan cara menggenggam kumparan (solenoida) dengan tangan kanan sedemikian sehingga arah putaran keempat jari sesuai dengan arah arus listrik. Arah ibu jari menunjukkan ujung kumparan yang merupakan kutub utara.
Untuk lebih memperjelas proses induksi magnetik pada solenoida, lihatlah video di bawah ini:

                                  Video: Induksi magnetik (elektromagnet) pada solenoida

4.    Induksi magnetik (elektromagnet) pada toroida

Toroida adalah soenoida yang dilengkungkan.

          Keterangan:

       N   = Jumlah lilitan kawat

     r     = Jari-jari toroida (m)

C.  Gaya magnetik atau gaya lorentz

Gaya magnetik atau dikenal dengan gaya lorentz adalah gaya yang timbul sebagai akibat adanya interaksi antara induksi magnet (medan magnet) dengan arus listrik. Dengan adanya gaya lorentz, sebuah kawat berarus listrik jika berada dalam medan magnet maka kawat tersebut akan melengkung karena mengalami tarikan atau dorongan gaya lorentz. Hal ini terjadi juga pada muatan listrik yang bergerak, sebuah muatan listrik yang bergerak lurus dalam medan magnet, lintasan gerakannya akan berubah karena pengaruh tarikan atau dorongan gaya lorentz.

1.    Gaya lorentz pada kawat berarus listrik yang berada dalam medan magnet

Keterangan:

F = Gaya Lorentz (N)

B = Induksi magnet (T)

I  = Arus listrik (A)

l  = Panjang kawat (m)

θ = Sudut antara I dan B

2.    Gaya lorentz pada partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam medan magnet

Keterangan:

q = Besar muatan listrik (C)

v = Kecepatan muatan listrik (m/s)

θ = Sudut antara v dan B

Contoh partikel bermuatan listrik (ion-ion) yang bergerak dalam medan magnet adalah pada fenomena aurora borealis (sinar utara) di kutub utara bumi. Ion-ion yang mendekati bumi (angin surya) tertarik oleh medan magnet bumi. Ion-ion bergerak melingkar disekitar medan magnet bumi. Konsentrasi ion yang tinggi mengionisasi udara dan menggabungkan kembali electron dengan atom dan memancarkan cahaya yang sangat indah. Subhanallah…

3.    Gaya lorentz antara dua kawat yang berarus listrik

Keterangan:

I₁   = Kuat arus listrik pada kawat 1 (A)

I₂   = Kuat arus listrik pada kawat 2 (A)

l     = Panjang kawat (m)

r     = jarak antar kawat (m)

catatan: Jika I₁ dan I₂ searah, maka kawat akan tarik-menarik.

       Jika I₁ dan I₂ berlawanan arah, maka kawat akan tolak-menolak.

 Aplikasi dari konsep induksi magnet (electromagnet) dan gaya Lorentz terdapat pada alat ukur listrik (amperemeter, voltmeter, dan ohmmeter), pengeras suara, motor listrik (elektromotor) DC, dan motor listrik (elektromotor) AC. Prinsip kerja peralatan tersebut adalah menginteraksikan arus listrik dan medan magnet sehingga timbul gaya (gerak), dengan kata lain alat tersebut mengubah energy listrik menjadi energy mekanik (gerak).

D.  Ggl induksi (induksi elektromagnetik)

Jika disekitar arus listrik dapat menghasilkan medan magnet (electromagnet) telah ditemukan oleh Oersted, maka Faraday berpikir kebalikannya yaitu perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik (induksi elektromagnetik). Faraday melakukan percobaan untuk membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik.

1.     Percobaan Faraday (magnet bergerak dalam kumparan)

Sebuah magnet digerakkan masuk-keluar ke dalam kumparan. Kumparan tersebut dihubungkan dengan galvanometer. Maka, dalam galvanometer terlihat ada gerakan yang menandakan adanya arus listrik. Dapat juga dibalik, yaitu dengan menggerakkan kumparan mendekati-menjauhi magnet, dan hasil yang diperoleh akan sama. Sehingga, faraday menyimpulkan perubahan fluks magnet dalam konduktor tertutup (kumparan) dapat menimbulkan arus listrik. Pernyataan ini dikenal dengan hukum Faraday. Listrik yang dihasilkan dari perubahan fluks magnet dinamakan listrik ggl.

     Besar tegangan atau ggl induksi yang timbul bisa diperoleh dari persamaan:
      
          Dengan
          

Keterangan:

ε   = ggl induksi (volt)

Ф  = Fluks magnetik (weber)

t    = Waktu (sekon)

B   = Induksi magnetik (tesla)

A   = Luas daerah yang dilingkupi (meter²)

N  = Jumlah lilitan kawat dalam kumparan

Hal-hal yang mempengaruhi secara langsung terhadap nilai ggl induksi adalah:

a.    Perubahan fluks magnetik, semakin cepat perubahan fluks magnetik, maka ggl induksi yang dihasilkan semakin besar. Kecepatan perubahan fluks magnetik diperoleh dengan cara mempercepat gerak magnet dalam kumparan atau gerak kumparan menuju magnet.

b.    Kekuatan magnet, magnet yang kuat akan menghasilkan nilai ggl induksi yang besar dibandingkan dengan magnet yang lemah.

c.    Jumlah lilitan pada kumparan, kumparan dengan lilitan yang banyak akan menghasilkan nilai ggl induksi yang besar dibandingkan dengan kumparan dengan jumlah lilitan yang sedikit.

Untuk lebih memperjelas proses terjadinya ggl induksi dan kemanakah arah arus listrik yang dihasilkan pada solenoida,  lihatlah video di bawah ini:

                                    Video: simulasi ggl induksi pada solenoida

Tanda negatif menandakan bahwa arus ggl induksi yang dihasilkan selalu meembangkitkan medan magnet yang arahnya berlawanan dengan arah fluks magnet yang menimbulkannya, hal ini dikemukakan oleh Lenz dan dikenal dengan hukum Lenz.

2.     Konduktor bergerak dalam medan magnet

Selain dengan cara di atas seperti pada percobaan Faraday, ggl induksi (induksi elektromagnetik) juga dapat diperoleh dengan cara menggerakkan konduktor dalam medan magnet. Konduktor dengan panjang l yang bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnet B akan menimbulkan ggl ε sebesar:

Keterangan:

l  = Panjang kawat (meter)

v = kecepatan konduktor (meter/sekon)

Pada kenyataannya, konduktor yang digunakan berupa kumparan yang bergerak dengan cara berputar. Untuk kondisi konduktor yang berputar dalam medan magnet, ggl yang dihasilkan dapat dihitung dengan persamaan:

Keterangan:

N = jumlah lilitan kumparan

l  = panjang kumparan (m)

A = luas kumparan (m²)

Aplikasi dari konsep ggl induksi (induksi elektromagnetik) terdapat pada pemanas listrik (tungku induksi), rem magnetik, transformator (trafo), dan generator dc atau generator ac (alternator), loudspeaker, mikrofon, dan seismograf. Prinsip kerja generator adalah mengubah fluks magnet dengan menggerakkan kumparan dalam medan magnet sehingga menghasilkan arus listrik, dengan kata lain generator mengubah energy mekanik (gerak) menjadi energy listrik.