INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

H

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

FISIKA XII

Disusun Oleh:
Hamdi, S. Pd
SMAS CENDANA MANDAU

PENDAHULUAN

A. Identitas Modul

Mata pelajaran : Fisika

Kelas : XII

Alokasi Waktu : 12 Jam Pelajaran (12 x 45 Menit)

Judul Modul : Induksi Elektromagnetik

B. Kompetensi Dasar

3.4 Menganalisis fenomena induksi elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari
4.4 Melakukan percobaan tentang induksi elektromagnetik berikut presentasi hasil percobaan

dan pemanfaatannya dalam kehidupan

C. Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari materi ini, siswa diharapkan memiliki kemampuan berikut:
1. Memahami tentang fluks magnetik dan cara menentukannya.
2. Memahami tentang Hukum Faraday dan GGL induksi.
3. Dapat menyelesaikan masalah terkait GGL induksi.
4. Memahami tentang Hukum Lenz dan dapat mengaplikasikannya.
5. Memahami tentang prinsip induktansi dan dapat mengaplikasikannya.
6. Memahami tentang transformator dan karakteristiknya.
7. Dapat menerapkan konsep induksi elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari.

C. Deskripsi Singkat Materi

Selamat Ananda semua telah menyelesaikan modul sebelumnya, sekaligus selamat datang
pada modul Induksi Elektromagnetik. Pada modul ini penulis akan mengajak Ananda semua
untuk mempelajari sesuatu yang menarik, juga sangat penting dalam perkembangan dan
kemajuan fisika dan menjadi dasar dari perkembangan listrik dalam kehidupan sehari-hari.
Induksi Elektromagnetik adalah peristiwa terjadinya peristiwa kelistrikan yang disebabkan
adanya perubahan fluks magnetik yang menembus suatu simpal (loop) konduktor. Listrik
yang dihasilkan pada peristiwa induksi ini berubah-ubah menurut waktu seiring dengan
adanya perubahan fluks magnetik. Peristiwa induksi elektromagnetik merupakan cikal bakal
ditemukannya sumber energi listrik tanpa elemen (batrai) dimana pada peristiwa ini

memungkinkan untuk menghasilkan listrik secara kontiniu selagi ada sumber energi yang
dapat merubah fluks magnet secara kontiniu. Salah satu produk teknologi sebagai hasil dari
penerapan prinsip induksi elektromagnetik adalah generator listrik sebagai komponen utama
dalam pembangkit tenaga listrik yang menghasilkan tegangan bolak balik (AC) yang
merupakan sumber listrik yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari. Selain generator
listrik banyak produk teknologi yang dapat dihasilkan dari penerapan prinsip induksi
elektromagnetik sebagai hasil berfikir kreatif dalam mengeksplorasi sifat induksi tersebut.
Coba ananda bayangkan hanya dengan menggunakan kawat konduktor dan sebuah magnet
ananda dapat mengubah fluks magnetik pada kawat tersebut, artinya ananda sudah dapat
menghasilkan listrik induksi yang dapat ananda gunakan untuk berbagai hal kreatif.

Dalam modul ini ananda akan diarahkan kepada pemahaman konsep dan prinsip induksi
elektromagnetik melalui penalaran matematis dan percobaan sederhana. Diharapkan pada
akhir pembelajaran ini ananda dapat menerapkan pemanfaatan prinsip Induksi
Elektromagnetik dalam kehidupansehari-hari dalam bentukteknologi terapan sederhana yang
akan ananda lakukan dalam bentuk Tugas Proyek.

D. Uraian Materi

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

1. Fluks Magnet
Sebagai mana yang sudah dipelajari pada Bab Listrik Statik kita sudah mengenal Fluks Listrik.
Medan magnet yang menembus suatu bidang juga menimbulkan Fluks sebesar:

ФB = B.A Cos Ѳ
B = Besar medan magnet (T)
A = Luas bidang (m2)
Ѳ = Sudut antara medan magnet dengan garis normal bidang.
Bagian yang akan dibahas pada bagian berikut adalah berkaitan dengan gejala timbulnya GGL
karena perubahan fluks Magnetik.
Contoh soal 01:

Seberkas medan listrik 0,8 Tesla menembus penampang tabung dengan sudut θ = 600 terhadap
sumbu tabung.

Jika diameter tabung 10 cm, tentukan besar fluks magnetik pada tabung tersebut!

Jawab:

B = 0,8 T

d = 10 cm = 0,1 m
θ = 600

∅ = = (14 2) 600

∅ = 0,8 (41 0,12 ) 1 = 10−3
2

2. GGL Induksi dan Hukum Faraday
Untuk memahami terjadinya peristiwa GGL induksi mari kita amati gejala berikut: Sepotong
kawat konduktor digerakkan memotong medan magnet seperti gambar:

Gambar 1; Konduktor yang digerakkan memotong
medan magnet

Saat kawat digerakkan dengan kecepatan v ke kanan elektron-elektron bebas pada konduktor akan
terpengaruh gaya magnet (Fm) dan electron bergerak ke arah bawah sehingga pada kawat terbentuk
dua kutub; (+) potensial tinggi dan (-) potensial rendah.
Ketika potongan kawat tersebut dihubungkan dengan rangkaian luar dapat diilustrasikan sebagai
berikut:

Gambar 2: Potongan konduktor dimisalkan sebagai baterai
Kawat dapat dianggap sebagai baterai dengan tegangan sebesar ε (GGL Induksi).
Untuk menentukan besar GGL induksi kita lengkapi gambar 1 sebagai berikut:

Gambar 3; Konduktor dan rangkaian luar
Ketika dihubungkan ke rangkaian luar timbul I seperti gambar. Maka untuk meggeser kawat
dibutuhkan Fapp (applied Force) sebesar -Fm.
Usaha yang dilakukan oleh gaya luar (Fapp) di ubah menjadi energy listrik:

W = Fapp.
V i.Δt = -Bil sinθ Δx .... (a)
V Δt = - Bl sinθ Δx .... (b)
Karena V = ε dan Δx/Δt = v, didapat:

= .... (2)

Jika kawat konduktor digerakkan memotong tegak lurus medan magnet maka θ = 900, sehingga
persamaan (2) dapat ditulis dalam bentuk sederhana: =

Jika l.Δx = ΔA, untuk sebuah lilitan konduktor didapat:

..... (3)
Jika kawat merupakan kumparan yang mengandung N buah lilitan maka:

..... (4)

ε = GGL induksi (Volt)
ΔΦB= Perubahan medan magnet
Δt = selang waktu

Untuk perubahan fluks yang terjadi secara kontiniu dalam fungsi waktu maka digunakan bentuk

differensial:

.... (5)
Persamaan 4 dan 5 merupakan bentuk matematis dari Hukum Induksi Faraday:

GGL induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan sebanding
dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar atau kumparan
tersebut
Contoh soal 02:
Sebuah belitan kawat berjumlah 1000 lilitan, mengalami perubahan fluks sebesar 10 -4 Weber
dalam waktu 0,1 detik. Berapa GGL induksi pada belitan itu?
Jawab:
N = 1000 lilitan
∆t = 0,1 sekon
∆ϕ = 10-4 weber

∆∅ 10−4
= − ∆ = −1000 0,1 = 1
Contoh soal 03:
Sebuah konduktor sepanjang 60 cm ditarik dengan kelajuan 50 m/s memotong tegak lurus medan
magnet 0,04 Tesla. Jika ujung ujung konduktor terhubung pada resistor 12 Ω seperti gambar:

Tentukan kuat arus dan arah arus pada konduktor PQ

Jawab:

B = 0,04 T

l = 60 cm = 0,6 m

v = 50 m/s

R = 12 Ω

= = 0,04. 0,6. 50 = 1,2

Untuk penentuan kuat arus digunakan rumus:

= = 1,2 = 0,1
12

Dengan menggunakan aturan tangan kanan ke2 kita dapatkan aliran elektron dari P ke Q , arah

arus kebalikan dari arah elektron sehingga arus bergerak dari ujung Q ke ujung P pada konduktor.

3. Hukum Lenz
Hukum Lenz merupakan konsekuensi dari hukum kekekalan energi:

GGL induksi yang timbul pada ujung-ujung penghantar dengan arah sedemikian rupa
sehingga menghasilkan fluks induksi yang melawan perubahan fluks penyebabnya
Hukum ini menjadi dasar penentuan arah arus induksi pada loop penghantar.
Contoh:

Gambar 4: Induksi pada loop
Gambar atas A: Menunjukkan medan magnet luar yang menghasilkan perubahan fluks luar
membesar di dalam loop.
Gambar atas B: Arus induksi timbul dengan arah tertentu sehingga fluks induksi yang timbul
melawan arah fluks luar.
Gambar bawah A: Menunjukkan medan magnet luar yang menghasilkan perubahan fluks luar
mengecil di dalam loop.
Gambar bawah B: Arus induksi timbul dengan arah tertentu sehingga fluks induksi yang timbul
searah arah fluks luar.

4. GGL Induksi Diri
Perubahan fluks yang timbul dalam suatu kumparan karena perubahan arus dalam kumparan
tersebut akan menghasiklan GGL induksi yang disebut GGL induksi diri:
Diturunkan dari persamaan (4) dengan mengambil nilai:
ΔΦB = ΔBA, dimana ΔB = μ0ΔiN/l maka didapat:

∆
= − ∆ … ( )

Dimana L disebut sebagai Induktansi diri;

= … . ( )


L = induktansi diri (Henry)
A = luas penampang kumparan (m2)
N = jumlah lilitan

Induktansi diri (L) menyatakan kemampuan suatu kumparan (inductor) dalam menghasilkan GGL
induksi diri. Kemampuan ini bertambah besar ketika inti kumparan diisi bahan ferromagnetic
dengan nilai permeabilitas yang jauh lebih besar dari permeabilitas udara.

Jika inti kumparan dipakai bahan ferromagnet dengan permeabilitas μ maka induktansinya
menjadi:

= . … . ( )


Karena μ/μ0 = μr, maka:

Lb = μr L .... (9)

Lb = induktansi diri saat diisi bahan
μr = permeabilitas relative

Contoh Soal 04 :

Berapa ggl yang akan diinduksikan dalam sebuah induktor 100 mH di mana arus berubah dari 10
A menjadi 7 A dalam 90 ms.

Jawab;
Induktansi diri L = 100 mH = 0,1 H, perubahan arus ∆i = 7 A – 10 A = –3 A; selang waktu t =
0,09 s. Ggl induksi diri, ε dihitung dengan
ε = –L∆i/∆t

= –0,1H (–3 A)/(0,09 s)
ε = 3,3 Volt

5. Generator Listrik
Generator listrik bekerja berdasarkan prinsip GGL Induksi. Kumparan yang diputar memotong
garis-garis medan magnet akan mengalami perubahan fluks karena perubahan sudut (Ѳ) :

Gambar 5: Penampang sederhana Generator
Medan magnet membentuk sudut Ѳ terhadap garis normal bidang kumparan :

Gambar 6: Fluks pada bidang kumparan
Berdasarkan Hukum Induksi Faraday pada persamaan (5) dan dengan mengambil nilai Fluks (Φ)

Didapat:

Dengan nilai maksimum GGL generator: .......(10)
.......(11)
ε = GGL output generator
N = Jumlah lilitan

A = Luas penampang kumparan
ω = kecepatan sudut putaran

Jadi output sebuah generator adalah tegangan bolak balik dalam fungsi sinusoida.

Gambar 7: Grafik tegangan keluaran generator

Contoh Soal 05:
Sebuah generator memiliki 1000 lilitan dengan lus bidang kumparan 500 cm2. Jika generator
tersebut berputar dengan kecepatan sudut 300 rad/s pada medan magnetik sebesar 0,01 T, maka
tegangan maksimum yang dihasilkan generator tersebut adalah ....
Jawab:
N = 1000
ω = 300 rad/s
A = 500 cm2 = 0,05 m2
B = 0,01 T

ε = NBA ω sin ωt
Tegangan akan berharga maksimum jika sin ωt = 1
Maka :

ε = NBA ω
ε = 1000.0,01.0,05.300
ε = 150 Volt

6. Transformator (Trafo)
Transformator adalah alat untuk mengubah tegangan tinggi ke tegangan rendah (Step Down) atau
sebaliknya (Step Up). Trafo terdiri dari dua kumparan; primer dan sekunder. Primer berfungsi

sebagai input tegangan yang akan menginduksi kumparan sekunder sehingga sekunder
menghasilkan GGL induksi.

Gambar 8: Transformator

Fluks utama (main flux) sama untuk kedua kumparan, maka dengan membandingkan GGL pada
kumparan primer (εp) dan GGL sekunder (εs) didapat persamaan:

=


Untuk trafo ideal dianggap tidak ada kebocoran fluks dan energy yang terbuang menjadi panas

maka daya input (pada primer) sama dengan daya output (pada sekunder)

Pp = Ps
εp ip = εs is

maka secara lengkap persamaan trafo ideal dinyatakan dengan:

= =


Untuk trafo nyata dengan efisiensi η :

= %


= %


= =


Contoh Soal 06:

Sebuah traf o memiliki efisiensi 75%. Tegangan inputnya 220 V dan tegangan outputnya 110 V. Jika kuat
arus primer yang mengalir 2 A, berapakah kuat arus sekundernya?
Jawab:
Diketahui:

η = 75%

εp = 220 V
εs = 110 V

Ip = 2 A
Ditanya: Is = ... ?
Penyelesaian:

= 100%


= 100%


75% = 110 100%
220.2

3 = 110
4 440

= 3 A

Jadi, kuat arus sekundernya sebesar 3 A

Soal Latihan:
1. Penghantar A digerakkan kekanan menembus medan magnet seperti gambar:

Gambarkan arah arus pada konduktor dan loop kawat dan tentukan:
a. Kuat arus
b. Besar gaya Lorentz pada konduktor A
2. Fluks magnet yang menembus tegak lurus suatu bidang kumparan yang berisi 500 lilitan
berubah dari 0,4 Wb menjadi 0,2 Wb dalam waktu 0,5 sekon. Tentukan besar GGL induksi
yang dihasilkan.
3. Sebuah kawat fleksibel dilengkungkan berupa lingkaran berjari-jari 20 cm (seperti gambar)
dan ditembus secara tegak lurus oleh medan magnet 0,05 T.

Jika ujung-ujung AB ditarik sehingga menjadi lurus dalam waktu 0,04 sekon. Tentukan besar
GGL induksi pada ujung-ujung AB yang terjadi saat itu.
4. Kumparan yang berisi 200 lilitan dengan luas penampang 50 cm2 ditembus tegak lurus oleh
medan magnet yang berubah menurut waktu:
B = (4t2 -8t).10-3 Tesla.
Tentukan besar GGL induksi pada t = 2 sekon!
5. Medan magnetic B = (5√2 sin 20t) tesla menembus tegak lurus bidang kumparan seluas 100
cm2 yang terdiri dari 50 lilitan dengan hambatan 5Ω. Tentukan kuat arus induksi maksimum
yang terjadi pada kumparan tersebut!

6. Arus pada sebuah kumparan berubah dari 4A menjadi nol dalam 0,02 sekon. Pada peristiwa
tersebut dihasilkan GGL induksi diri sebesar 50 Volt. Tentukan besar induktansi kumparan
tersebut!

7. Suatu solenoida terdiri dari 1000 lilitan dengan panjang40 cm dan luas penampang0,1/π cm2.
Tentukan besar induktansi diri solenoid tersebut!

8. Sebuah generator berputar 1500 putaran/menit untuk membangkitkan tegangan maksimum
100 Volt. Berapa putaran permenit yang diperlukanagar tegangan maksimumnyanaik menjadi
120 V?

9. Sebuah trafo step up mengubah tegangan 25 Volt menjadi 250 Volt dengan efisiensi 80%.
Bagian sekunder trafo yang berisi 4000 lilitan dihubungkan ke lampu 250V,50W dan menyala
secara normal. Tentukan:
a. kuat arus sekunder dan primer
b. Jumlah lilitan primer.

10. Dua kumparan A dan B ditempatkan pada posisi seperti gambar:

Ketika saklar pada kumparan A dihubungkan gambarkan arah medan magnet induksi yang
terjadi pada kumparan B, gambarkan juga arus yang melalui resistor!

DAFTAR PUSTAKA

Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid 1 (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga.
Serway, R.A. and Faughn, J.S. 1999. College Physics. USA: Harcourt Brace College Publisher.