Percobaan Faraday

1.      Percobaan Faraday

Setelah Oersted menemukan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet, Michael Faraday (1971-1867), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman menemukan bahwa medan magnet yang berubah-ubah dapat menimbulkan arus listrik.

Gambar 1: Percobaan Faraday (a) magnet bergerak masuk ke kumparan, (b) magnet dihentikan dalam kumparan, dan (c) magnet bergerak ke luar dari kumparan.

Percobaan Faraday, dalam waktu yang hampir bersamaan dilakukan pula oleh Yoseph Henry. Percobaan Faraday digambarkan seperti gambar 1.

Gambar 1 (a) kutub U magnet batang digerakkan mendekat atau masuk ke dalam kumparan. Saat magnet batang ini digerakkan, jarum galvanometer G menyimpang dari kedudukan seimbangnya (skala nol). Gambar 1 (b) Di dalam kumparan gerak medan magnet batang dihentikan. Selama magnet batang tidak digerakkan, jarum galvanometer G tidak menyimpang dari kedudukan keseimbangannya (tetap pada skala nol). Gambar 1 (c) Kutub U magnet batang digerakkan menjauh keluar dari kumparan. Jarum galvanometer G kembali menyimpang dari kedudukan keseimbangannya, tetapi arah penyimpangannya berlawanan dengan saat kutub U magnet batang yang digerakkan mendekat (masuk ke dalam kumparan). Mengapa hal tersebut terjadi? Apa yang menyebabkan perbedaan gerakan jarum galvanometer pada gambar 1 (a) dan gambar 1 (c)?

Penyimpangan jarum galvanometer pada percobaan Faraday menunjukkan bahwa dalam rangkaian kumparan terdapat arus listrik atau aliran muatan listrik.  Muatan listrik dapat mengalir pada suatu penghantar jika pada ujung-ujung penghantar itu terdapat beda tegangan.

Beda tegangan pada ujung-ujung penghantar selama magnet digerakkan disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi atau ggl imbas). Muatan listrik yang mengalir pada kumparan disebut arus induksi atau arus imbas.

Timbulnya ggl induksi pada ujung-ujung kumparan dapat dianalisis sebagai berikut.

Magnet batang menimbulkan medan magnetik disekitarnya yang dapat digambarkan dengan

Saat kutub U magnet batang digerakkan masuk edalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnetik yang dilingkungi lingkaran bertambah banyak. Gejala yang tampak ialah jarum galvanometer menyimpang. Sebaliknya, saat kutub U magnet batang dikelarkan dari kumparan, julah garis gaya magnetik yang dilingkungi kumparan berkurang, jarum galvanometer juga menyimpang.

Saat magnet batang diam dalam kumparan, jumlah garis gaya magnetik yang dilingkungi kumparan tidak mengalami perubahan sehingga jarum galvanometer tidak menyimpang.

Bertambah atau berkurangnya jumlah garis gaya magnetik yang dilingkungi kumparan menunjukkan terjadinya perubahan medan magnetik yang dilingkungi kumparan. Perubahan medan magnetik itu menimbulkan beda tegangan pada ujung-ujung kumparan yang disebut ggl induksi. Ggl induksi itulah yang dapat menimbulkan arus listrik pada kumparan.

Dari hasil percobaan Faraday diperoleh kesimpulan tentang besarnya ggl induksi (induksi) sebagai berikut:

a.       Besar ggl induksi bergantung pada kecepatan gerakan batang magnet, dalam hal ini sama dengan perubahan fluks magnetik setiap saat.

b.      Besar ggl induksi bergantung pada jumlah lilitan pada kumparan.

Dengan demikian, besar ggl induksi yang dihasilkan adalah

                                                                         …………………….. (1)

                                              Φ                            

                                               

                             atau

                                                                        ………………………(2)

Keterangan:

                  ε    = ggl induksi (volt)

                 ΔΦ  = perubahan fluks (Wb)

                 Δt    = selang waktu (s)

                 N    = jumlah lilitan

Tanda negatif pada persamaan (1) dan (2) digunakan untuk menentukan arah ggl induksi.

Cara lain untuk mendapatkan perubahan fluks magnetik ialah kawat digerakkan, sedangkan magnetnya tetap. Dengan cara seperti itu, pada kawat akan terjadi perubahan fluks magnetik yang menghasilkan ggl induksi.

Gambar 2: Kawat penghantar digerakkan dalam medan magnet.

           

Besarnya ggl induksi akibat kawat yang bergerak dalam medan magneti seperti Gambar 2 dapat dijelaskan sebagai berikut. Kawat berbentuk segi empat PQRS dilengkapi dengan kawat AB yang panjangnya l dan hambatannya r dapat digerakkan bebas kekiri dan kekanan. Susuna kawat itu diletakkan dalam medan magnetik homogeny dengan arah menembus tegak lurus bidang menjauhi pembaca. Jika kawat AB digerakkan kekanan sampai A’B’  menenpuh jarak s dalam waktu t skon, maka pada kawat itu terjadi perubahan fluks magnetik sehingga meninbulkan arus induksi I.

                                                            F = BIl

Pada saat penghantar atau kumparan kawat mengalami perubahan fluks magnet, saat timbul arus induksi. Lenz menyatakan bahwa “arah arus induksi ini sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet penyebab terjadinta arus induksi tersebut”.

                 Pernyataan itu dikenal sebagai hukum Lenz.

     Hukum Lenz dapat digunakan untuk menentukan arah arus induksi.

Gambar 3: Arah arus induksi yang terjadi pada kumparan menghasilkan    

                  medan maknetik yang melawan medan magnetik penyebab-

                  nya (a) medan mendekat dan (b) medan menjauh.

Dari gambar 3 dapat dijelaskan sebagai berikut:

a.       Apabila kumparan didekati kutub utara (U) magnet, dalam kumparan terjadi arus induksi dengan arah sedemikian sehingga menghasilkan medan magnet kutub utara (U) yang melawan penyebabnya (Gambar 3a).

b.      Apabila kumparan dijauhi kutub utara (U) magnet maka dalam kumparab terjadi arus induksi dengan arah sedemiian sehingga menghasilkan medan magnet kutub selatan (S) yang ditarik oleh penyebabnya (Gambar 3b).

Berdasarkan hukum Lenz tersebut, pada kawat AB (Gambar 2), timbul gaya Lorentz yang arahnya berlawanan dengan arah gerak kawat AB. Besarnya gaya Lorentz tesebut bernilai negative (-), sehingga besarnya usaha mekanik yang harus dilawan untuk memindahkan kawat AB sejauh s adalah

W = -Fs

Selama bergerak menempuh jarak s, pada kawat mengalir arus I, sehingga pada kawat tersebut timbul energi listrik sebesar

W =I²lt

Menurut hukum kekekalan energi, besar kedua energi tersebut sama, sehingga

-FS      = I²lt

-Fvt      = I²lt                ← s = vt

-BIlvt   = I²lt                ← F = BIl

                                                            Il          = -Blv

Il adalah beda potensial , dalam hal ini sama dengan ggl induksi : Il = ε. Dengan demikian , rumus diatas dapat ditulis:

                      ε  = -Blv                       ………………….. (3)

keterangan:

           ε = ggl induksi (v)

           B = medan magnet (Wb/m²)

           L = panjang kawat (m)

           v = kecepatan gerak kawat (m/s)

Jika arah medan magnet dengan kawat AB tidak tegak lurus, melainkan membentuk sudut  (Gambar 4), sehingga ggl induksi yang dihasilkan dirumuskan:

                                                   ε  = -Biv sin θ                       …………………. (4)

Arah arus yang terjadi pada penghantar bergerak ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan, seperti Gambar 5.

                 Gambar 4: Arah medan magnetik              Gambar 5: Kaidah tangan kanan                 

                 dengan kawat AB membentuk                   untuk menentukan arus pada

                 sudut θ.                                                       penghantar bergerak.

Pada Gambar 5 arah ibu jari menukjukkan arah gerak batang (v), arah jari telunjuk menunjukkan arah medan magnetik (B), dan arah jari tengah menunjukkan arah arus induksi (l) yang terjadi.

Berdasarkan ketentuan tersebut, arah arus pada penghantar AB dari gambar 4 adalah ke atas atau dari B ke A.