Hukum Faraday — Induksi Elektromagnetik & Hukum Lenz

Hukum Faraday menyatakan bahwa perubahan fluks magnet melalui sebuah loop menimbulkan ggl. Medan magnet saja tidak cukup. Jika fluks melalui loop tetap konstan, ggl induksi bernilai nol.

Untuk kumparan dengan $N$ lilitan,

$$\mathcal{E} = -N \frac{d\Phi_B}{dt}$$

Di sini $\mathcal{E}$ adalah ggl induksi dan $\Phi_B$ adalah fluks magnet melalui satu lilitan. Tanda minus berasal dari hukum Lenz: arus induksi bekerja untuk menentang perubahan fluks.

Fluks Magnet Berarti Medan yang Menembus Loop

Fluks magnet mengukur seberapa banyak medan magnet yang menembus sebuah loop. Untuk loop datar dalam medan magnet seragam,

$$\Phi_B = BA \cos \theta$$

Di sini $\theta$ adalah sudut antara medan magnet dan vektor luas loop, yang tegak lurus terhadap permukaan loop. Rumus ini mengasumsikan medan seragam di seluruh loop dan loop dapat dianggap datar.

Dalam kondisi itu, fluks dapat berubah dengan tiga cara umum:

1. Kuat medan $B$ berubah.
2. Luas loop $A$ berubah.
3. Sudut $\theta$ berubah karena loop berotasi.

Jika tidak ada yang berubah, maka fluks tetap konstan dan tidak ada ggl yang terinduksi.

Perubahan Fluks yang Lebih Besar Berarti Ggl yang Lebih Besar

Hukum Faraday adalah gagasan tentang laju perubahan. Perubahan fluks yang lebih besar dalam waktu yang sama menghasilkan ggl yang lebih besar. Perubahan yang sama tetapi terjadi dalam waktu lebih lama menghasilkan ggl yang lebih kecil.

Itulah sebabnya menggerakkan magnet dengan cepat ke dalam kumparan biasanya menghasilkan ggl induksi yang lebih besar daripada menggerakkannya perlahan. Susunannya bisa berbeda-beda, tetapi polanya sama: perubahan fluks lebih cepat, ggl lebih besar.

Hukum Lenz Menentukan Arah

Hukum Lenz menentukan arah efek induksi. Hukum ini menyatakan bahwa arus induksi menciptakan efek magnetnya sendiri dengan arah yang menentang perubahan fluks.

Kalimat itu penting. Arus tidak selalu menentang medan magnet awal. Arus menentang perubahan fluks. Jika fluks melalui loop bertambah, arus induksi bekerja untuk mengurangi pertambahan itu. Jika fluks berkurang, arus induksi bekerja untuk menahan pengurangan tersebut.

Contoh Soal: Medan Magnet Bertambah Melalui Kumparan

Misalkan sebuah kumparan memiliki $N = 50$ lilitan dan luas $A = 0.020\ \mathrm{m^2}$. Sebuah medan magnet seragam arahnya tegak lurus terhadap permukaan loop, sehingga $\cos \theta = 1$. Medan bertambah dari $0.10\ \mathrm{T}$ menjadi $0.40\ \mathrm{T}$ dalam $0.20\ \mathrm{s}$.

Karena medan tegak lurus terhadap loop, fluks melalui satu lilitan adalah $\Phi_B = BA$. Perubahan fluks per lilitan adalah

$$\Delta \Phi_B = A \Delta B = (0.020)(0.40 - 0.10) = 0.006\ \mathrm{Wb}$$

Besar rata-rata ggl induksi adalah

$$|\mathcal\{E\}| = N \frac\{|\Delta \Phi_B|\}\{\Delta t\}$$

Jadi

$$|\mathcal\{E\}| = 50 \cdot \frac\{0.006\}\{0.20\} = 1.5\ \mathrm\{V\}$$

Jadi besar ggl induksi adalah $1.5\ \mathrm{V}$.

Untuk arahnya, gunakan hukum Lenz secara terpisah. Karena fluks magnet bertambah, arus induksi harus menciptakan efek magnet yang menentang pertambahan tersebut.

Kesalahan Umum

Ada Medan Magnet, Jadi Pasti Ada Ggl

Medan magnet tetap yang menembus loop tetap tidak menimbulkan ggl. Fluksnya harus berubah.

Menggunakan $\Phi_B = BA$ Tanpa Memeriksa Sudut

$\Phi_B = BA$ hanya berlaku untuk kasus khusus ketika medan tegak lurus terhadap loop, sehingga $\cos \theta = 1$. Secara umum, gunakan $\Phi_B = BA \cos \theta$ jika syarat-syaratnya terpenuhi.

Menganggap Tanda Minus Hanya Sebagai Bilangan Negatif

Tanda minus dalam hukum Faraday terutama berkaitan dengan arah. Jika soal hanya menanyakan besar ggl, gunakan nilainya dan tentukan arah dengan hukum Lenz.

Lupa Jumlah Lilitan

Untuk sebuah kumparan, ggl induksi berbanding lurus dengan $N$. Jika faktor ini terlewat, jawaban bisa menjadi terlalu kecil.

Di Mana Hukum Faraday Digunakan

Hukum Faraday menjadi dasar generator, transformator, kompor induksi, pickup gitar, dan banyak sensor. Detailnya memang berbeda, tetapi gagasan intinya selalu sama: perubahan fluks magnet menimbulkan ggl.

Hukum ini juga menjadi penghubung yang jelas antara medan dan rangkaian. Situasi magnet yang berubah menciptakan ggl, dan dalam loop tertutup ggl itu dapat mengalirkan arus.

Coba Soal Serupa

Gunakan kumparan yang sama, tetapi biarkan perubahan medan terjadi dalam $0.40\ \mathrm{s}$, bukan $0.20\ \mathrm{s}$. Perubahan fluksnya sama, jadi ggl induksi menjadi setengahnya.

Jika ingin satu kasus lagi, coba putar kumparan yang sama alih-alih mengubah $B$. Itu menguji hukum yang sama dari sudut pandang yang berbeda.