Kemagnetan dan Induksi Elektromagnetik

I. Kemagnetan

            Kemampuan suatu benda menarik benda lain yang berada didekatnya disebut kemagnetan. Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda bukan magnet. Namun, tidak semua benda yang berada di dekat magnet dapat ditarik. Benda yang dapat ditarik magnet disebut benda magnetik. Benda yang tidak dapat ditarik magnet disebut benda nonmagnetik.

            Benda yang dapat ditarik magnet ada yang dapat ditarik kuat, dan ada yang ditarik secara lemah. Oleh karena itu, benda dikelompokkan menjadi tiga, yaitu benda feromagnetik, benda paramagnetik, dan benda diamagnetik. Benda yang ditarik kuat oleh magnet disebut benda feromagnetik. Contohnya besi, baja, nikel, dan kobalt. Benda yang ditarik lemah oleh magnet disebut benda paramagnetik. Contohnya platina, tembaga, dan garam. Benda yang ditolak oleh magnet dengan lemah disebut benda diamagnetik. Contohnya timah, aluminium, emas, dan bismuth.

            Benda-benda magnetik yang bukan magnet dapat dijadikan magnet. Benda itu ada yang mudah dan ada yang sulit dijadikan magnet.  Baja sulit untuk dibuat magnet, tetapi setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya tidak mudah hilang, maka baja digunakan untuk membuat magnet tetap (magnet permanen). Besi mudah untuk dibuat magnet, tetapi jika setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya mudah hilang. Jadi, besi digunakan untuk membuat magnet sementara (magnet remanen).

            Setiap benda magnetik pada dasarnya terdiri magnet-magnet kecil yang disebut magnet elementer. Oleh sebab itu, prinsip membuat magnet adalah mengubah susunan magnet elementer yang tidak beraturan menjadi searah dan teratur. Ada tiga cara membuat magnet, yaitu menggosok, induksi, dan arus listrik

Menggosok	Cara ini dapat dilakukan dengan menggosokkan bahan itu ke magnet dalam satu arah. Kutub magnet yang dihasilkan bahan akan berlawanan arah dengan kutub magnet yang digunakan untuk menggosok.
Induksi	Cara ini dapat dilakukan dengan mendekatkan bahan magnet pada suatu magnet kuat (tanpa menyentuhkannya). Ujung bahan magnet yang didekatkan ke ujung magnet utama akan menjadi kutub yang berlawanan dengan kutub magnet utama yang terdekat.
Arus Listrik	Untuk membuat magnet dengan cara ini, bahan magnet harus dialiri arus. Arus listrik ini dialirkan searah melalui kawat yang dililitkan pada bahan magnet. Magnet yang dibuat dengan cara ini dinamakan magnet listrik atau elektromagnet. Untuk menentukan kutub-kutub magnetnya, digunakan kaidah tangan kanan

Agar sifat kemagnetan sebuah magnet dapat tahan lama, maka dalam menyimpan magnet diperlukan angker (sepotong besi) yang dipasang pada kutub magnet. Pemasangan angker bertujuan untuk mengarahkan magnet elementer hingga membentuk rantai tertutup.

           Selain itu, magnet juga dapat dihilangkan kemagnetannya. Sebuah magnet akan hilang sifat kemagnetannya jika magnet dipanaskan, dipukul-pukul, dan dialiri arus listrik bolak-balik. Magnet yang mengalami pemanasan dan pemukulan akan menyebabkan perubahan susunan magnet elementernya. Akibat pemanasan dan pemukulan magnet elementer menjadi tidak teratur dan tidak searah. Penggunaan arus AC menyebabkan arah arus listrik yang selalu berubah-ubah. Perubahan arah arus listrik memengaruhi letak dan arah magnet elementer. Apabila letak dan arah magnet elementer berubah, sifat kemagnetannya hilang.

 
Gambar : Cara menghilangkan sifat kemagnetan dengan a) dipukul-pukul, b) dipanaskan, dan c) dialiri arus listrik AC

Kutub-Kutub Magnet

       Kutub-kutub magnet adalah bagian ujung magnet yang memiliki kekuatan paling besar untuk menarik partikel besi dibandingkan bagian magnet yang lain. Setiap magnet memiliki dua buah kutub, yaitu kutub selatan dan kutub utara. Garis lurus yang menghubungkan kedua kutub ini disebut sumbu magnet. Jika kita menggantungkan sebuah magnet dan mendiamkannya, arah memanjang magnet selalu mengarah ke arah utara-selatan. Sementara itu, jika sebuah magnet dipotong, maka setiap potongan tersebut akan tetap memiliki dua kutub dan menjadi sebuah magnet yang baru.

       Jika kamu mendekatkan kutub-kutub magnet yang sejenis langsung dengan tanganmu, maka kamu dapat melihat bahwa kedua kutub tersebut akan sangat sulit disatukan. Makin kuat usaha yang kamu berikan, makin kuat magnet tersebut melawan usahamu. Jika kamu mencoba mendekatkan dua kutub magnet yang sejenis di atas meja dengan sedikit menyentuhnya, maka makin dekat kamu mengarahkan kedua kutub magnet itu, sehingga salah satu magnet akan berputar dan memberikan kutub yang berlawanan jenis untuk menyatu dengan kutub yang lain. Ini terjadi karena kutub-kutub magnet memiliki sifat tertentu, yaitu:

a)  Dua kutub magnet yang sejenis bila didekatkan akan saling tolak menolak.

b) Dua kutub magnet yang berlawanan jenis bila didekatkan akan saling tarik-menarik.

Medan Magnet

Medan magnet adalah daerah sekitar magnet yang pada daerah itu magnet lain masih dipengaruhi oleh gaya magnetik jika diletakkan di atasnya. Jika di daerah tersebut ditaburkan serbuk besi, maka serbuk besi akan ditarik oleh kutub magnet dan membentuk pola garis, disebut garis gaya magnet. Garis tersebut menggambarkan pola medan magnet yang tidak pernah berpotongan satu sama lainnya.  Sifat-sifat dari garis gaya magnet adalah:

a)  garis gaya magnet keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan,

b)  garis gaya magnet tidak pernah berpotongan,

c)  tempat yang mempunyai garis gaya magnet rapat menunjukkan medan magnet yang kuat. Sebaliknya, tempat yang mempunyai garis gaya magnet renggang menunjukkan medan magnet yang lemah.

II. Kemagnetan Bumi

            Kita sudah mengetahui bahwa di planet bumi ini terdapat daerah yang disebut kutub selatan dan kutub utara. Menurutmu, adakah hubungan antara penamaan daerah ini dengan kutub-kutub magnet? Ya, tentunya ada karena Tuhan telah menjadikan bumi memiliki sifat magnetik. Bumi dapat kita pandang sebagai magnet batang yang sangat besar sehingga memiliki kutub utara dan kutub selatan.

            Sesuai namanya, kutub utara bumi yang selama ini kita kenal merupakan kutub utara dari magnet bumi. Begitupun dengan kutub selatan. Kutub selatan yang selama ini kita lihat di peta merupakan kutub selatan magnet bumi. Namun demikian, kutub magnet bumi tidak berimpit dengan kutub bumi secara geografis. Di antara keduanya terdapat sudut yang menyebabkan garis-garis gaya magnet bumi tidak tepat berada di kutub utara dan selatan bumi secara geografis, tetapi sedikit menyimpang. Garis gaya magnet bumi ini tidak selalu sejajar dengan permukaan bumi. Ketidaksejajaran ini membentuk sudut yang disebut sudut inklinasi. Dengan kata lain, sudut inklinasi dapat diartikan sebagai sudut yang dibentuk oleh medan magnet bumi dengan garis horizontal. Besarnya sudut inklinasi di setiap permukaan bumi memiliki besar yang berbeda-beda. Dan sudut inklinasi terbesar berada di daerah kutub utara dan kutub selatan bumi.

            Pernahkah kamu memperhatikan arah jarum pada kompas (alat penunjuk arah)? Jika kita perhatikan dengan teliti, dapat kita lihat bahwa arah yang ditunjukkan jarum kompas bukanlah arah kutub utara dan selatan geografis bumi yang sebenarnya, melainkan arah utara dan selatan kutub-kutub magnet bumi. Jarum kompas itu akan membentuk sudut yang dinamakan sudut deklinasi, yaitu sudut antara jarum kompas dengan arah utara-selatan geografis bumi yang sebenarnya.

III.  MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK

            Di sekitar kawat yang dialiri arus listrik terdapat medan magnet. Hal ini ditemukan oleh Hans Cristian Oersted berdasarkan hasil percobaannya.

1.     Percobaan Oersted

       Berdasarkan namanya, percobaan ini dilakukan oleh seorang fisikawan bernama Hans Cristian Oersted (1777-1851). Percobaan yang dilakukan pada 1819 ini berhasil menunjukkan bahwa terdapat medan magnet di sekitar kawat  yang berarus listrik. Pada percobaannya, Oersted membuat kesimpulan sebagai berikut:

a) Di sekitar kawat (penghantar) yang dialiri arus listrik terdapat atau timbul medan magnet.

b) Arah gaya magnet yang menyimpangkan jarum kompas bergantung pada arah arus listrik yang mengalir dalam penghantar.

c) Besarnya medan magnet di sekitar kawat berarus listrik bergantung pada kuat arus listrik dan jaraknya terhadap kawat.

       Untuk menunjukkan arah medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik, genggamlah kawat dengan tangan kananmu. Sesuai dengan kaidah tangan kanan, arah ibu jari menunjukkan arah arus, sedangkan arah keempat jari yang lain menunjukkan arah medan magnet.Kaidah tangan kanan pun dapat digunakan untuk menentukan arah medan magnet pada kawat melingkar berarus listrik. Berbeda dengan kaidah tangan kanan yang berlaku pada kawat lurus, pada kawat melingkar yangberarus ini ibu jari menunjukkan arah medan magnet sementara keempat jari yang lain menunjukkan arah arus listrik.  

       Untuk membuat medan magnet yang lebih kuat di sekitar arus listrik, dapat dibuat lilitan kawat membentuk kumparan. Kumparan yang seperti ini disebut solenoida. Solenoida memiliki sifat yang sama dengan magnet batang, yaitu mempunyai kutub utara dan kutub selatan. Jika kita menggenggam solenoida dengan tangan kanan, maka ibu jari akan mengarah pada ujung yang merupakan kutub utara dan keempat jari lain menunjukkan arah arus listrik. Dengan demikian, kita telah menerapkan kaidah tangan kanan untuk menentukan arah arus dan medan magnet yang terjadi.

2.    Elektromagnet

      Elektromagnet adalah kumparan berarus listrik yang disisipi inti besi sehingga menghasilkan sebuah medan magnet yang kuat. Untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan, dapat dilakukan beberapa cara berikut ini:

a)  Menyisipkan kumparan dengan inti besi yang lebih bersifat magnetik.

b)  Memperbanyak lilitan kumparan.

c)  Memperbesar arus listrik.

       Prinsip elektromagnetik digunakan untuk menarik logam yang berat dan sebagai dasar kerja dari peralatan listrik, seperti bel listrik, relai, dan pesawat telepon.

3.    Gaya Lorentz

       Gaya yang muncul akibat adanya arus listrik pada penghantar di dalam medan magnet disebut gaya Lorentz atau gaya magnet. Dengan menggunakan kaidah tangan, kita dapat menentukan arah dari gaya magnet ini. Bila tangan kanan terbuka dengan ibu jari menunjukkan arah arus I dan keempat jari lain yang dirapatkan menunjukkan arah garis gaya B, arah gaya magnet F adalah ke atas , tegak lurus terhadap permukaan tangan kanan. Besar gaya magnet ini dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu :

1)  Besarnya kuat arus yang dialirkan pada kawat.

2)  Kuatnya medan magnet di sekitar kawat.

3)  Panjang kawat penghantar.

4)  Arah garis gaya magnet terhadap arus.

Dengan perumusan besarnya dituliskan dalam rumus : F=BxIXl

       Prinsip gaya magnet ini menjadi inspirasi dari pembuatan alat-alat listrik seperti motor listrik, alat ukur listrik, dan kipas angin.

III. INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

            Induksi elektromagnetik adalah proses pembuatan arus listrik dengan cara mendekatkan sumber listrik pada sebuah magnet.

1.     Proses Terjadinya Induksi Elektromagnetik

               Induksi elektromgnetik pertama kali diteliti oleh Michael Faraday (Inggris) dan Joseph Henry (Amerika). Dari percobaan yang dilakukan secara terpisah pada tahun 1831 oleh dua ilmuwan tersebut, diperoleh kesimpulan bahwa bahwa arus listrik dapat dimunculkan dari sebuah magnet dengan cara menggerak-gerakkan sebuah kawat pada medan magnetnya atau dengan cara memasukkan dan mengeluarkan magnet ke dalam suatu kumparan kawat.

       Setelah itu, Faraday menukar benda yang digerakkan. Ia mencoba menggerakkan kawat melingkar dan memegang sebuah magnet di tengah-tengah lingkaran tersebut. Pada percobaan ini pun Faraday menemukan bahwa arus kembali diinduksi karena jarum amperemeter bergerak.

       Ketika arus dihasilkan, maka saat itu akan terdapat beda potensial atau tegangan antara ujung-ujung kumparan yang diinduksi. Tegangan yang demikian disebut dengan tegangan induksi. Dalam percobaan Faraday, ia menemukan bahwa besarnya tegangan induksi ini bergantung pada tiga faktor lain, yaitu:

a)  Jumlah lititan kumparan. Makin banyak lilitan kumparan, makin besar tegangan induksi yang dihasilkan.

b) Kecepatan gerakan magnet. Makin cepat gerakan magnet, makin besar pula tegangan induksi yang dihasilkan.

c) Jumlah garis gaya magnet. Makin banyak garis gaya magnet, makin besar tegangan induksi yang dihasilkan.

       Jika magnet pada kumparan tersebut terus digerakkan, maka arus yang melewati kumparan akan berubah-ubah arah sesuai dengan gerakan magnetnya. Arus yang demikian disebut dengan arus bolak-balik (AC = alternating curent). Beberapa alat yang menggunakan prinsip kerja hasil percobaan Faraday, di antaranya adalah generator dan transformator.

2.    Generator

      Generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Untuk mengenal bentuk nyata dari generator, akan lebih mudah jika kita mengunjungi wilayah pembangkit listrik karena di sana generator banyak digunakan.

       Terdapat dua jenis generator, yaitu generator arus bolak-balik dan generator arus searah. Pada generator arus bolak-balik, kumparan yang diletakkan pada batang diputar dalam medan magnet yang diam sehingga menghasilkan tegangan induksi. Melalui sikat-sikat karbon yang dihubungkan dengan cincin-cincin generator, tegangan yang dihasilkan dapat menyalakan sebuah lampu. Generator ini dinamakan generator arus bolak-balik karena arah arus induksi berlawanan dengan arah putaran kumparan. Bagian generator yang berputar disebut rotor, sedangkan bagian yang diam disebut stator.

       Pada dasarnya, prinsip kerja generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah sama. Hanya saja pada generator arus searah, cincin yang digunakan adalah cincin belah. Cincin ini bekerja sebagai komutator yang mengubah arus listrik yang dikeluarkan generator. Dengan demikian, arus listrik yang awalnya merupakan arus bolak-balik pada kumparan, dalam rangkaian di luar kumparan menjadi arus searah. Dapat dilakukan beberapa cara untuk memperbesar tegangan dan arus induksi, yaitu:

1)  Mempercepat putaran rotor.

2)  Memperbanyak lilitan pada kumparan.

3)  Menggunakkan magnet yang lebih kuat.

4)  Memasukkan inti besi lunak ke dalam kumparan.

       Dalam kehidupan sehari-hari, generator arus bolak-balik ini dapat kita temukan pada sepeda yang berlampu. Untuk menyalakan lampu tersebut, generator dipasang pada roda. Kayuhan yang dilakukan telah mengubah energi dalam tubuhmu menjadi energi mekanis pada gerak roda. Gerak roda ini kemudian menghasilkan tegangan listrik yang dapat menyalakan lampu. Sedangkan, generator arus searah dapat kita jumpai pada alat-alat pemanas.

       Listrik yang kita gunakan sehari-hari berasal dari PLN merupakan listrik yang berasal dari generator arus bolak-balik. Generator ini menghasilkan arus yang sangat besar sehingga susunannya lebih rumit daripada generator serupa yang digunakan untuk menyalakan lampu sepeda. Pada generator ini, energi mekanis diperoleh dari gerakan benda yang disebut turbin. Turbin adalah roda besar yang diputar oleh dorongan air, angin, atau uap, bahkan nuklir. Secara umum, cara menghasilkan arus induksi pada generator ini hampir sama dengan generator sederhana. Hanya saja, arus induksi yang dihasilkan akan diproses terlebih dahulu sebelum akhirnya sampai ke rumah-rumah untuk digunakan. Salah satu alat yang digunakan pada proses ini adalah transformator.

3.    Transformator (Trafo)

       Transformator adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik. Alat ini terdiri dari dua buah kumparan. Arus pada salah satu kumparan akan menghasilkan medan magnet yang akan menginduksi arus pada kumparan lain. Kumparan yang pertama disebut kumparan primer, sementara kumparan yang kedua, yaitu kumparan yang menghasilkan arus induksi disebut kumparan sekunder.

       Jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder suatu transformator dapat berbeda atau sama. Perbandingan antara kumparan sekunder dengan kumparan primer disebut dengan perbandingan transformator, dinotasikan:

N_s/N_p

dengan:  Np  = jumlah lilitan pada kumparan primer

       Ns  = jumlah lilitan pada kumparan sekunder

       Pada awal pembahasan subbab induksi elektromagnetik telah disebutkan bahwa besar tegangan induksi sebanding dengan jumlah lilitan sehingga berlaku persamaan:

 N_s/N_p=V_s/V_p

dengan:  Vp = tegangan kumparan primer (tegangan primer)

            Vs  = tegangan kumparan sekunder (tegangan sekunder)

      

       Berdasarkan Hukum Ohm yang menyebutkan bahwa tegangan berbanding terbalik dengan arusnya, maka perbandingan arus dapat dihitung dengan persamaan:

          I_p/I_s  = V_s/V_p                 dengan:  Ip  = kuat arus primer

                                           Is  = kuat arus sekunder

Dari ketiga perbandingan di atas, dapat diperoleh satu persamaan, yaitu:

N_s/N_p=V_s/V_p=I_p/I_s

a. Jenis-Jenis Transformator

       Berdasarkan fungsinya, transformator dikelompokkan menjadi dua, yaitu transformator step-up dan transformator step-down.

1) Transformator s tep-up

Transformator step-up adalah jenis transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan induksi. Pada transformator ini, jumlah lilitan pada kumparan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan kumparan sekunder (ingat bahwa tegangan induksi sebanding dengan jumlah lilitan) sehingga arus induksi yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan lebih besar daripada arus pada kumparan primer. Dengan demikian, tegangan induksi pun akan naik. Transformator ini digunakan pada televisi untuk menaikkan tegangan 220 V menjadi 20.000 V.

2) Transformator step-down

Transformator step-down adalah jenis transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan induksi. Sesuai tujuannya, jumlah lilitan kumparan sekunder pada transformator ini dibuat lebih sedikit daripada jumlah lilitan pada kumparan primer. Transformator ini banyak digunakan pada radio, tape recorder, dan komputer.

   Secara bersamaan, kedua transformator ini digunakan pada penyaluran listrik dari pembangkit listrik menuju pelanggan. Pembangkit listrik yang biasanya terletak cukup jauh dari tempat pelanggan, dapat kehilangan energi yang cukup banyak pada proses penyalurannya. Faktor utama penyebabnya adalah tegangan dan arus yang dihasilkan generator relatif kecil. Untuk itu, dalam jarak yang cukup dekat dari sumber pembangkit listrik, digunakan transformator step-up sehingga tegangan akan membesar dan energi yang hilang selama penyaluran listrik akan lebih kecil. Sebelum sampai ke pelanggan, tegangan tinggi yang berbahaya ini kemudian diturunkan lagi menggunakan transformator step-down yang biasa tersimpan pada tiang listrik di dekat rumah pelanggan. Selain dapat meminimalisir kehilangan energi, pemanfaatan transformator ini pun berfungsi untuk menjaga keamanan dan keselamatan pelanggan dari bahaya tegangan tinggi.

b. Efisiensi Transformator

     Ketika kita menggunakan transformator, kita akan merasakan panas di sekitar transformator tersebut. Panas yang timbul pada transformator ini merupakan energi yang dihasilkan oleh inti besi dan kumparan yang telah mengubah sebagian energi listrik yang dihasilkan menjadi energi panas. Akibatnya, jumlah energi listrik yang dihasilkan kumparan primer ketika dipindahkan ke kumparan sekunder akan berkurang. Kondisi ini merugikan karena telah mengurangi hasil kerja transformator tersebut. Kerugian ini dapat dihitung dari selisih daya pada kumparan primer dengan kumparan sekunder. Persentase dari perbandingan daya pada kumparan sekunder dan kumparan primer disebut sebagai efisiensi transformator (η), dirumuskan:

η=(Ps/Pp)x100%

dengan:  η = efisiensi transformator

                    Ps  = daya kumparan sekunder

                        Pp  = daya kumparan primer