DASAR TEORI

1. ELEKTROMAGNETIK

Elektromagnet adalah magnet yang dihasilkan oleh arus listrik. Elektromagnet ditemukan pertama kali oleh William Sturgeon pada tahun 1824. Penemuan ini didasari pada teori tentang hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan yang dikemukakan pertama kali oleh Hans Christian Oersted pada tahun 1820. Dia adalah seorang ahli fisika dari Denmark yang mengemukakan teori bahwa di sekitar arus listrik terdapat medan magnet. Teori itu mengilhami Willian dan dengan bermodalkan sebatang ladam besi (tapal kuda) yang dilingkari dengan 18 putaran kawat tembaga berarus, William menciptakan elektromagnet pertamanya. Penemuan William tersebut menjadi dasar dari pembuatan elektromagnet modern. Elektromagnet merupakan sejenis magnet yang dibuat dengan cara melilitkan kawat pada suatu logam konduktor seperti besi atau baja, kemudian mengalirinya dengan arus listrik. Elektromagnet disebut juga dengan istilah magnet listrik. Elektromagnetik adalah peristiwa berubahnya besi atau baja yang berada di dalam kumparan berarus listrik mejadi sebuah magnet. Elektromagnet dapat dijumpai pada benda-benda atau alat-alat elektro, misalnya bel listrik, telepon, telegraf, televisi, dan bahkan pada hampir semua alat yang menggunakan energi listrik sebagai penggeraknya. Elektromagnet berbeda dengan magnet alam atau magnet yang dibuat secara manual. Magnet alam dan magnet buatan biasanya bersifat permanen dan semi permanen serta memiliki daya tarik menarik khas magnet untk jangka waktu yang relatif lama. Sedangkan elektromagnet biasanya bersifat sementara sehingga disebut remanen (magnet tidak tetap). Elektromagnet hanya mempunyai daya magnet selama dialiri arus listrik. Begitu arus listrik dimatikan, elektromagnet akan kehilangan daya magnetisnya.

2. 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.a. Hukum FaradayMenurut 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 magnetik adalah 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.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 nama Hukum 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.

Gambar 1. Hukum Faraday, Induksi Elektromagnetik.

b. 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. Penyebab Terjadinya GGL InduksiKetika 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. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi.Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat di lihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jikasudut 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 Persamaan GGL InduksiGGL induksi timbul karena adanya suatu penghantar berarus listrik yang digerakkan di dalam medan magnet. Energi listrik yang ditimbulkan adalah:W = I tDan besarnya ggl induksi dirumuskan dengan: = B l vdimana, = ggl induksi (volt)W = energi listrik (J)t = waktu (s)B= medan magnet (tesla)l = panjang penghantar (m)v = fluks MagnetikFluks magnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang dilingkupi oleh luas daerah tertentu dalam arah tegak lurus. = B Adengan, A = l sdimana, = fluks magnet (Wb)B = rapat garis gaya magnet atau medan magnet (Wb/m2)A = luas daerah yang melingkupi medan magnet B (m2)GGL Kawat l = Blv sin GGL Kumparan = N (d/dt) = N (/t)GGL Generator Arus Bolak-Balik = B A N sin tGGL Kumparan Akibat Perubahan Kuat Arus = L (d i/dt) = L ( i/t)c. Hukum Biot SavartTiga orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa :

Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik

Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.

Gambar 2. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik.

d. Hukum Lenz Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa :

Arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)

Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian, jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir aru induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum biot savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar, sehingga akan saling meniadakan. Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor.

Gambar 3. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.e. Gaya Lorentz

Gambar 4. Rangkaian pada Gaya Lorentz.Jika arus listrik mengalir dari A ke B ternyata pita dari alumunium foil melengkung ke atas , ini berarti ada sesuatu gaya yang berarah keatas akibat adanya medan magnet homogen dari utara ke selatan. Gaya ini selanjutnya disebut sebagai gaya magnetic atau gaya Lorentz . Jika arus listrik dibalik sehingga mengalir dari B ke A, ternyata pita dari alumunium foil melengkung ke bawah. Jika arus listrik diperbesar maka alumunium foil akan melengkung lebih besar. Ini berarti besar dan arah gaya Lorentz tergantung besar dan arah arus listrik.Karena gaya Lorentz ( FL ) , arus listrik ( I ) dan medan magnet ( B ) adalah besaran vector maka peninjauan secara matematik besar dan arah gaya Lorentz ini hasil perkalian vector ( cros-product ) dari I dan B.

FL = I x B

Gambar 5. Arah pada Gaya Lorentz.Besarnya gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus FL = I . B sin . Rumus ini berlaku untuk panjang kawat 1 meter. Perhitungan diatas adalah gaya Lorentz yang mempengaruhi kawat tiap satuan panjang. Jadi jika panjang kawat = , maka besar gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus :FL = I . . B . Sin dimana, FL = gaya Lorentz dalam newton ( N )I= kuat arus listrik dalam ampere ( A )= panjang kawat dalam meter ( m )B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )= sudut antara arah I dan BHubungan antara FL , I dan B dapat lebih mudah dipelajari dengan menggunakan kaidah tangan kiri. Yaitu dengan mengangan-angankan jika ibu jari, jari telunjuk dan jari tangah kita bentangkan saling tegak lurus, maka :

Ibu jari : menunjukan arah gaya Lorentz ( FL ) Jari telunjuk: menunjukkan arah medan magnet ( B ) Jari tengah : menunjukkan arah arus listrik ( I )

DAFTAR PUSTAKAhttp://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1164843838 diakses pada tanggal 9 November 2014 pukul 11.35 WIB.Anonim. Hukum Faraday. http://www.chem-is-try.org/kata_kunci/hukum-faraday/ diakses pada tanggal 9 November 2014 pukul 11.41 WIB.Anonim. Pengertian dan Definisi Elektromagnet.http://dtebu.com/2013/11/pengertian-dan-definisi-elektromagnet.html diakses pada tanggal 9 November 2014 pukul 12.00 WIB.Anonim. Induksi Elektromagnetik.http://fisikastudycenter.com/fisika-xii-sma/45-induksi-elektromagnetik diakses pada tanggal 9 November 2014 pukul 12:27 WIB.Anonim. Gaya Lorentz.http://fat.net76.net/Fisika/GayaLorentz/materi2.html diakses pada tanggal 9 November 2014 pukul 13:20 WIB.