2.1 Pengertian induksi listrik
Induksi listrik adalah fenomena fisika dimana apabila pada suatu benda yang tadinya netral atau (tidak bermuatan listrik) menjadi bermuatan listrik akibat adanya pengaruh dari gaya listrik atau dari benda yang bermuatan lain yang didekatkan padanya.
2.2 Jenis – jenis induksi listrik
Ada dua jenis induksi listrik , yaitu :
a)Induksi sendiri (Self induction).
Induksi sendiri adalah munculnya tegangan listrik pada suatu kumparan pada saat terjadinya perubahan arah arus. Apabila suatu kawat penghantar berpotongan dengan medan magnet, maka akan terjadi tegangan pada kawat tersebut. Fenomena ini sulit dijelaskan namun sudah diterima sebagai hukum alam yang sangat penting. Terutama untuk menjelaskan kejadian-kejadian pada suatu kawat yang dialiri listrik. Apabila kuat arusnya berubah maka medan yang dihasilkan akan mengembang atau mengecil memotong kawat itu sendiri sehingga timbul gaya gerak listrik pada kawat tersebut. Kejadian sepeti inilah yang disebut induksi sendiri.
b) Induksi mutual (Mutual induction).
Apabila arus listrik dialirkan pada salah satu kawat maka akan timbul medan magnet pada setiap penampang kawat. Medan magnet tersebut akan mengembang walaupun hanya dalam waktu yang sangat singkat dan memotong kawat penghantar yang kedua. Pada saat inilah timbul gaya gerak listrik pada penghantar yang kedua yang disebut induksi mutual.
2.3 Pengertian medan listrik induksi
2.3.1 Medan listrik
Medan listrik adalah daerah dimana pengaruh dari muatan listrik ada. Besarnya kuat medan listrik (“E”) pada suatu titik di sekitar muatan listrik (Q) adalah :
Hasil bagi antara gaya yang dialami oleh muatan uji “q” dengan besarnya muatan uji tersebut.
Antara +Q dan -Q ada gaya tarik menarik sebesar :
sehingga besarnya kuat medan listrik di titik p adalah
Kuat medan listrik (E) adalah suatu besaran vektor. Satuan dari kuat medan listrik adalah Newton/Coulomb atau dyne/statcoulomb.
Bila medan di sebuah titik disebabkan oleh beberapa sumber, maka besarnya kuat medan total dapat dijumlahkan dengan mempergunakan aturan vektor. Arah dari kuat medan listrik; bila muatan sumbernya positif maka meninggalkan dan bila negatif arahnya menuju.
Gambar:
Contoh kuat medan listrik.
1. Kuat medan listrik yang disebabkan oleh bola berongga bermuatan.
– dititik R; yang berada didalam bola ER=0. Sebab di dalam bola tidak ada muatan.
– dititik S; yang berada pada kulit bola;
Q = muatan bola ; R = jari-jari bola
– dititik P; yang berada sejauh r terhadap pusat bola.
Bila digambarkan secara diagram diperoleh.
* ER = 0
*
*
2. Bila Bola pejal dan muatan tersebar merata di dalamnya dan dipermukaannya ( Muatan total Q ).
– Besarnya kuat medan listrik di titik P dan S sama seperti halnya bola berongga bermuatan; tetapi untuk titik R kuat medan listriknya tidak sama dengan nol. ER = 0
– Bila titik R berjarak r terhadap titik pusat bola, maka besarnya kuat medan listriknya :
r = jarak titik R terhadap pusat bola
R = jari-jari bola.
3. Kuat medan disekitar pelat bermuatan.
– muatan-muatan persatuan luas pelat ( )
Bila 2 pelat sejajar; dengan muatan sama besar; tetapi berlawanan tanda.
Untuk titik P yang tidak di antara kedua pelat. E = 0
Medan Listrik Induksi yaitu sebuah medan listrik yang disebabkan adanya fluks magnetik yang berubah-ubah pada daerah simpal konduktor. Dengan kata lain, sebuah medan magnet yang berubah-ubah bertindak sebagai sumber medan listrik.
2.4 Pengertian Induktansi
Pengertian Induktor, dalam pengukuran sebuah lilitan atau kumparan tidak dapat dipisahkan dengan istilah induktansi, karena induktansi merupakan satuan pengukuran sebuah kumparan (dilambangkan dengan L). Induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif (kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya.
Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat didalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik.
Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya didalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.
Induktansi (L) (diukur dalam Henry) adalah efek dari medan magnet yang terbentuk disekitar konduktor pembawa arus yang bersifat menahan perubahan arus. Arus listrik yang melewati konduktor membuat medan magnet sebanding dengan besar arus. Perubahan dalam arus menyebabkan perubahan medan magnet yang mengakibatkan gaya elektromotif lawan melalui GGL induksi yang bersifat menentang perubahan arus. Induktansi diukur berdasarkan jumlah gaya elektromotif yang ditimbulkan untuk setiap perubahan arus terhadap waktu. Sebagai contoh, sebuah induktor dengan induktansi 1 Henry menimbulkan gaya elektromotif sebesar 1 volt saat arus dalam indukutor berubah dengan kecepatan 1 ampere setiap sekon. Jumlah lilitan, ukuran lilitan, dan material inti menentukan induktansi.
Induksi listrik itu adalah fenomena fisika yang apabila pada suatu benda yang tadinya netral atau (tidak bermuatan listrik) menjadi bermuatan listrik karena akibat adanya pengaruh dari gaya listrik atau dari benda yang bermuatan lain dan didekatkan padanya.
2.5 Jenis – jenis induktansi
Terdapat 4 jenis induktansi , yaitu :
1. Induktansi Diri
Merupakan induktansi dimana GGL induksi diri yang terjadi di dalam suatu penghantar bila kuat arusnya berubah-ubah dengan satuan kuat arus tiap detik. Arus induktansi diri yang timbul pada sebuah trafo atau kumparan yang dapat menimbulkan GGL induksi yang besarnya berbanding lurus dengan cepat perubahan kuat arusnya. Hubungan dengan GGL induksi diri dengan laju perubahan kuat arus dirumuskan Joseph Henry sebagai berikut:
Gaya Gerak Listrik ialah energi permuatan yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus dalam loop kawat. Dari rumus diatas dapat didefinisikan sebagai berikut: suatu kumparan mempunyai induktansi diri sebesar 1 H bila perubahan arus listrik sebesar 1 A dalam 1 detik pada kumparan tersebut menimbulkan GGL induksi sendiri sebesar 1 volt.
2. Induksi Diri Sebuah Kumparan
Perubahan arus dalam kumparan ditentukan oleh perubahan fluks magnetik 0 dalam kumparan. Besarnya induksi diri dari suatu kumparan ialah:
3. Induktansi diri Solenoida dan Toroida
Besarnya induktansi solenoida dan toroida dapat kita ketahui dengan menggunakan persamaan berikut:
4. Induktansi Bersama
Satuan SI dari induktansi bersama dapat dinamakan henry (H), untuk menghormati fisikawan Amerika Joseph Henry (1797-1878), salah seorang dari penemu induksi elektromagnetik. Satu henry (1 H) sama dengan satu weber per ampere (1 Wb/A).
Induktansi bersama dapat merupakan sebuah gangguan dalam rangkaian listrik karena perubahan arus dalam satu rangkaian dapat menginduksi tge yang tidak diingikan oleh rangkaian lainnya yang berada didekatnya. Untuk meminimalkan efek ini, maka sistem rangkaian ganda harus dirancang dengan M adalah sekecil-kecilnya; misalnya, dua koil akan ditempatkan jauh terpisah terhadap satu sama lain atau dengan menempatkan bidang-bidang kedua koil itu tegak lurus satu sama lain. Induktansi bersama juga mempunyai banyak pemakaian, contohnya transformator, yang dapat digunakan dalam rangkaian arus bolak-balik untuk menaikan atau menurunkan tegangan. Sebuah arus bolak-balik yang berubah terhadap waktu dalam satu koil pada transformator itu menghasilkan arus bolak-balik dalam koil lainnya; nilai M, yang tergantung pada geometri koil-koil, menentukan amplitudo dari tge induksi dalam koil kedua dan karena itu maka akan menginduksi amplitudo tegangan keluaran tersebut.
Definisi induktansi bersama dapat dilihat dari persamaan berikut:
N2Ï•2 ialah banyaknya tautan fluksi dengan kumparan 2. Jika bahan feromagnetik tidak ada, maka fluks Ï•2 berbanding langsung dengan arus I dan induktansi mutualnya konstan, tak bergantung pada I1.
2.6 Medan magnet induksi
Arah medan magnetik di suatu titik didefinisikan sebagai arah yang
ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas ketika ditempatkan pada titik tersebut. Perhatikan Gambar berikut:
Gambar (a) Arah medan magnet, (b) Garis-garis medan magnet
Sama seperti medan listrik, medan magnetikpun dapat digambarkan dalam bentuk garis-garis khayal yang disebut garis medan magnetik. Garis medan magnetik dapat digambarkan dengan pertolongan sebuah kompas. Untuk menunjukkan garis medan magnet yang disebabkan oleh sebuah magnet batang, dilakukan dengan jarum kompas. Arah medan magnetik di suatu titik pada garis medan ini ditunjukkan dengan arah garis singgung di titik tersebut.
1. Medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik
Di sekitar kawat yang berarus listrik terdapat medan yang dapat mempengaruhi posisi magnet lain. Magnet jarum kompas dapat menyimpang dari posisi normalnya bila dipengaruhi oleh medan magnet. Percobaan ini pertama kali dilakukan oleh Oersted pada tahun 1820. Untuk melihat model percobaan ini lihat bagian kerja ilmiah. Berdasarkan percobaan ini dapat disimpulkan bahwa arus listrik (muatan yang bergerak) dapat menimbulkan medan magnetik.
Pada pembahasan listrik statis telah dibahas bahwa muatan listrik statis tidak berinteraksi dengan batang magnet. Penemuan Oersted telah membuka wawasan baru mengenai hubungan listrik dan magnet, yaitu bahwa suatu muatan listrik dapat berinteraksi dengan magnet ketika muatan itu bergerak. Penemuan ini membangkitkan kembali teori tentang “muatan” magnet, yaitu bahwa magnet terdiri dari muatan listrik. Ampere mengusulkan bahwa sesungguhnya batang magnet yang statis (diam) itu terdiri dari muatan-muatan listrik yang senantiasa bergerak dan kemagnetan itu adalah suatu fenomena. Konsep muatan magnet dari Ampere ini akan kita bahas nanti (lihat konsep Ampere).
2. Arah Medan Magnetik Akibat Kawat Berarus
Arah medan magnetik yang disebabkan oleh kawat berarus dapat ditentukan dengan 2 cara:
a. Dengan Menggunakan Jarum Kompas
Suatu jarum kompas yang ditempatkan dalam suatu medan magnetik akan mensejajarkan dirinya dengan garis medan magnetik. Kutub utaranya akan menunjukkan arah medan magnetik di titik itu.
Sekarang amati jarum sebuah kompas yang digerakkan pada titik sekitar kawat berarus. Jarum kompas tampak bergerak sesuai dengan arah garis singgung lingkaran yang berpusat pada kawat.(Perhatikan Gambar b).
Dari sini dapat disimpulkan bahwa arah garis medan magnetik akibat kawat berarus adalah sejajar garis singgung lingkaran-lingkaran yang berpusat pada kawat dengan arahnya ditunjukkan oleh kutub utara kompas.
b. Dengan Aturan Tangan Kanan
Genggam kawat dengan tangan kanan Anda sedemikian sehingga ibu jari Anda menunjukkan arah arus. Arah putaran genggaman keempat jari Anda menunjukkan arah medan magnetik. Perhatikan
c. Besar Induksi Magnetik Pada Kawat Lurus Berarus
Untuk menentukan besar induksi magnetik yang ditimbulkan oleh kawat berarus listrik, kita misalkan sebuah kawat konduktor dialiri arus I. Perhatikan Gambar:
Pilih elemen kecil kawat t yang memiliki panjang dl. Arah dl sama dengan arah arus.
Elemen kawat dapat dinyatakan dalam notasi vector . Misalkan anda ingin menentukan medan magnet pada posisi P dengan vector posisi terhadap elemen kawat. Secara vektor, induksi magnetik B yang diakibatkan oleh elemen. Kuat medan magnet di titik P yang dihasilkan oleh elemen saja diberikan oleh hukum Biot-Savart.
…………………………………………………..(4.2.1)
dengan μ0 = permeabilitas magnetik ruang hampa = 4π x 10-7 T m/A
Kuat medan magnet total di titik P yang dihasilkan oleh kawat diperoleh dengan mengintegralkan rumus di atas.
…………………………………………………..(4.2.2)
Penyelesaian integral persamaan di atas sangat bergantung pada bentuk kawat. Besar perkalian silang vektor menghasilkan sinus θ. Dengan demikian, persamaan besar induksi magnetic di sekitar kawat berarus adalah:
…………………………………………………..(4.2.3)
dengan θ sudut apit antara elemen arus i dl dengan vektor posisi r.
Untuk kawat yang sangat panjang, nilai batasnya ditentukan yaitu: batas bawah adalah dan batas atas adalah . Batas-batas θ→p dan θ→0, Berdasarkan Gambar 4.2.5, sin θ = a/r, r = = a cosecθ, cot θ = l/a, l=a cot q, dl = -a cosec2 θ dθ. Dengan demikian, persamaan 4.2.5, dapat dituliskan:
…………………………………………………..(4.2.4)
Dengan B = induksi magnetik di titik yang diamati.
I = kuat arus listrik
a = jarak titik dari kawat
2.7 Faktor-faktor yang mempengaruhi induktansi
Ada empat faktor dasar pada konstruksi suatu induktor yang menentukan nilai induktansi yang akan dihasilkan. Faktor-faktor yang mempengaruhi induktansi ini mempengaruhi seberapa besar fluks medan magnet yang akan dihasilkan apabila dipasangkan sejumlah gaya medan magnet (atau sejumlah arus yang dilewatkan pada kawat kumparan) :
1. Jumlah putaran pada kumparan : apabila faktor-faktor yang lain nilainya tetap, semakin banyak jumlah lilitan/putaran pada kumparan maka akan menghasilkan induktansi yang lebih besar; semakin sedikit jumlah putaran/lilitan, maka semakin kecil nilai induktansinya.
Penjelasan : Semakin banyak jumlah lilitan/putaran pada kumparan akan menghasilkan semakin banyak gaya medan magnet (diukur dalam ampere-turn), pada nilai arus tertentu.
2. Luas kumparan : Apabila faktor-faktor yang lainnya dibuat tetap, semakin luas penampang kumparan menghasilkan induktansi yang semakin besar; semakin kecil luasnya maka semakin kecil induktansinya).
Penjelasan : Semakin luas penampang kumparan, akan melemahkan penghambat fluks medan magnet, untuk nilai gaya medan tertentu.
3. Panjang kumparan : Apabila faktor-faktor lain dibuat tetap, semakin panjang ukuran dari suatu kumparan, maka semakin kecil induktansinya; semakin pendek ukuran kumparan, semakin besar induktansinya.
Penjelasan : Semakin panjang jalur yang disediakan untuk fluks medan magnet menghasilkan semakin besarnya hambatan terhadap fluks medan itu dalam nilai gaya medan tertentu.
4. Bahan Inti : Apabila faktor-faktor yang lainnya dibuat tetap, semakin besar permeabilitas dari bahan inti , semakin besar induktansinya ; semakin kecil permeabilitas bahan intinya, semakin kecil induktansinya.
Penjelasan : Bahan inti dengan permeabilitas magnet yang besar mampu menghasilkan fluks medan magnet yang lebih banyak untuk nilai gaya medan tertentu.
