Dalam kehidupan sehari-hari, konsep tentang induksi elektromagnetik memiliki peran yang sangat penting, terutama dalam bidang fisika dan teknologi kelistrikan.

Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh ilmuwan Inggris, Michael Faraday, yang kemudian menjadi dasar dalam pengembangan berbagai perangkat kelistrikan modern. Melalui penjelasan sederhana tentang fluks magnetik dan gaya gerak listrik (GGL) induksi, kita dapat memahami bagaimana prinsip induksi elektromagnetik bekerja.

Pemahaman tentang GGL induksi sangat esensial bagi siswa yang mempelajari fisika, karena tidak hanya melibatkan teori tetapi juga aplikasi praktis. Dari generator listrik hingga transformator yang kita gunakan setiap hari, semua bekerja berdasarkan prinsip GGL induksi.

Pengertian GGL Induksi

Gaya Gerak Listrik (GGL) induksi adalah beda potensial yang muncul pada ujung-ujung kumparan yang menghasilkan arus listrik induksi akibat perubahan fluks garis gaya medan magnetik (kuat medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu).

Adanya GGL induksi pertama kali dibuktikan oleh Michael Faraday, yang dikenal dengan hukum Faraday. Bunyi hukum Faraday adalah: “Gaya gerak listrik (GGL) induksi timbul antara ujung-ujung suatu loop penghantar berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar tersebut.”

Sebuah magnet batang jika digerakkan ke dalam lilitan kumparan kawat yang dihubungkan dengan galvanometer, maka jarum galvanometer akan bergerak. Jarum galvanometer ini menunjukkan adanya arus listrik atau GGL. GGL ini dihasilkan oleh perubahan fluks magnetik induksi dalam kumparan.

Perhatikan gambar di atas, saat kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, arah arus listrik berbeda dengan saat kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan. Fenomena ini dijelaskan dengan Hukum Faraday dan Hukum Lenz.

Menurut Lenz, Gaya Gerak Listrik induksi akan berlawanan arah dengan perubahan fluks magnetik. Karena polaritas GGL induksi selalu menghasilkan fluks induksi yang menentang perubahan fluks utama yang melalui loop kumparan.

“GGL induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetnya berlawanan dengan fluks utama.“ – Hukum Lenz. Maka bisa disimpulkan kalau bentuk dan fluks magnetik akan selalu menentang. Arus induksi cenderung mempertahankan fluks utama awal yang melalui loop atau kumparan.

Fluks Magnet

Sebuah magnet memiliki medan magnet di sekitarnya. Pada gambar di bawah ini, ada sebuah kumparan berada dalam medan magnet, maka terdapat garis-garis medan magnet yang masuk ke dalam kumparan.

Jumlah garis gaya magnet yang masuk dalam kumparan disebut fluks magnet. Secara umum, besar fluks magnet dapat dinyatakan dengan persamaan:
$$ \varphi=\ \vec{B}.\vec{A}\ \text{atau}\ \varphi=B.A.\cos{\theta} $$
Dengan ϕ adalah fluks magnet (Weber), B adalah kuat medan magnet (Tesla), dan A adalah luas penampang (m²).

Besar Gaya Induksi

Saat magnet digerakkan mendekati atau menjauhi kumparan, terdapat perubahan fluks magnet yang masuk dalam kumparan. Akibat dari perubahan fluks ini mengakibatkan adanya perubahan fluks induksi. Adanya fluks induksi inilah yang menyebabkan adanya GGL induksi.

Besarnya GGL induksi dapat dinyatakan dengan persamaan:
$$ \varepsilon=\ -N\ \frac{\Delta \varphi}{\Delta t}$$
Dengan ε adalah GGL induksi (V), ∆ϕ adalah perubahan fluks magnet (Weber), N adalah jumlah lilitan kumparan, dan ∆t adalah waktu.

Jika perubahan terjadi dalam waktu sesaat, maka persamaan dapat dinyatakan dalam persamaan turunan sebagai berikut:
$$ \varepsilon=\ -N\ \frac{d \varphi}{dt}=-N \frac{d(B.A.\cos{\theta})}{dt} $$
Dengan ε adalah GGL induksi (V), ∆ϕ adalah perubahan fluks magnet (Weber), N adalah jumlah lilitan kumparan, B adalah kuat medan magnet (Tesla), dan A adalah luas penampang (m²), serta ∆t adalah waktu. Nilai N negatif berasal dari hukum Lenz.

Faktor GGL Induksi

Berdasarkan hukum Faraday, GGL induksi timbul selama adanya perubahan fluks magnetik. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi GGL induksi, yaitu:

1. Jumlah lilitan: Semakin banyak jumlah lilitan, maka GGL Gaya Gerak Listrik induksi yang dihasilkan semakin besar.
2. Kuat medan magnet: Kuat medan magnet pada kumparan mempengaruhi besarnya Gaya Gerak Listrik induksi yang dihasilkan. Apabila kuat medan magnetnya besar pada kumparan, maka Gaya Gerak Listrik induksi yang dihasilkan akan semakin besar.
3. Bahan penyusun lilitan: Jika lilitan tersebut terbuat dari bahan feromagnetik (materi yang tertarik kuat pada magnet), maka Gaya Gerak Listrik induksi akan semakin besar.
4. Kecepatan gerak magnet: Jika gerakan magnet semakin cepat, maka besarnya Gaya Gerak Listrik induksi yang timbul juga semakin besar.
5. Luas bidang kumparan: Jika luas kumparan besar maka Gaya Gerak Listrik induksi akan semakin besar.

Penerapan GGL Induksi

Prinsip GGL induksi dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari karena dapat mengubah energi kinetik menjadi listrik. Contohnya generator, trafo listrik, dan dinamo.

Prinsip kerja ketiganya adalah, rotor atau magnet yang ada di dalam mesin alat tersebut akan bergerak dan pada akhirnya menghasilkan energi listrik.

Generator

Generator adalah sumber tegangan listrik lainnya yang terdiri dari magnet dan kumparan. Kumparan diputar untuk menghasilkan GGL dengan menggunakan berbagai energi baik air, angin, panas bumi, bahkan energi yang berasal dari pembakaran batu bara.

Generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Saat kumparan dalam medan magnet berputar, terjadi perubahan fluks magnetik dalam kumparan. Akibat perubahan fluks dalam kumparan menghasilkan GGL induksi dan pada rangkaian tertutup menghasilkan arus listrik.

Maka besarnya GGL pada generator dapat ditulis menjadi:
$$ \varepsilon=\ N\ \frac{d \varphi}{dt}=N \frac{d\left(B.A.\cos{\theta}\right)}{dt}=\ \frac{NBAd\ (\cos{\theta)}}{dt) $$
Sudut θ adalah sudut putaran kumparan yang dapat dinyatakan dalam laju angular, sehingga θ = ωt. Maka persamaan GGL menjadi:
$$ \varepsilon=\ \frac{NBAd\ (\cos{\omega t\ )}}{dt}=NBA\ \omega\sin{\omega t} $$

Adapun GGL maksimum yang dihasilkan:
$$ \varepsilon=NBA\omega $$
Dengan ε adalah GGL induksi (V), N adalah jumlah lilitan kumparan, B adalah kuat medan magnet (Tesla), A adalah luas penampang (m²), dan \((\omega)\) adalah laju sudut putaran (rad/s) dengan nilai \((\omega = 2\pi f)\) dengan f adalah frekuensi (Hz).

Transformator

Ada dua jenis transformator atau trafo yang digunakan dalam sistem kelistrikan yaitu trafo step up yang berfungsi untuk menaikkan tegangan dan trafo step down yang berfungsi menurunkan tegangan. Dengan memahami Gaya Gerak Listrik induksi ε sebanding dengan jumlah lilitan kumparan N, untuk menaikkan atau menurunkan tegangan dapat dilakukan dengan cara mengubah jumlah lilitan kumparan.

Pada trafo step down, jumlah lilitan primer (NP) lebih besar dari jumlah lilitan sekunder (NS), sedangkan pada trafo step up sebaliknya.

Perbandingan GGL induksi pada kumparan primer εP dan sekunder εS dapat dinyatakan sebagai:
$$ \frac{\varepsilon_P}{\varepsilon_S}=\frac{N_P}{N_S} $$
Persamaan trafo umum dituliskan sebagai:
$$ \frac{V_P}{V_S}=\frac{N_P}{N_S} $$
Dengan εP adalah Gaya Gerak Listrik induksi primer (V), εS adalah Gaya Gerak Listrik induksi sekunder (V), VP adalah tegangan primer atau tegangan input (Volt), VS adalah tegangan sekunder atau tegangan output (Volt), NP adalah jumlah lilitan primer, dan NS adalah jumlah lilitan sekunder.

Kesimpulan

Pengertian GGL induksi adalah sebuah rangkaian tertutup yang dapat menghasilkan arus listrik. Jumlah garis gaya magnet yang masuk ke dalam kumparan disebut fluks magnet.

Saat magnet digerakkan mendekati atau menjauhi kumparan, terdapat perubahan fluks magnet yang masuk ke dalam kumparan. Akibat dari perubahan fluks ini mengakibatkan adanya perubahan fluks induksi. Adanya fluks induksi inilah yang menyebabkan adanya Gaya Gerak Listrik induksi.

Prinsip Gaya Gerak Listrik induksi dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari karena dapat mengubah energi kinetik menjadi listrik, seperti pada generator, trafo listrik, dan dinamo.