Hukum Faraday dan Hukum Lenz

Pernahkah kamu memperhatikan saat bersepeda, bel sepeda bisa berbunyi atau lampu dapat menyala? Energi listrik yang muncul berasal dari energi gerak sepeda. Fenomena ini berkaitan dengan Hukum Faraday dan Hukum Lenz, yang menjelaskan bagaimana perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik.

Hukum Faraday

Induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya arus listrik pada penghantar akibat adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupinya. Peristiwa ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday. Dalam percobaannya, Faraday menggunakan kumparan, magnet batang, dan galvanometer. Jika magnet tidak digerakkan, jarum galvanometer tetap diam. Tetapi, jika magnet digerakkan mendekati atau menjauhi kumparan, jarum galvanometer menyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan fluks magnetik menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) induksi, yang mengalirkan arus listrik dalam kumparan.

Besar GGL induksi menurut Hukum Faraday sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik terhadap waktu, serta bergantung pada jumlah lilitan kawat pada kumparan:

N = jumlah lilitan kawat

Tanda negatif pada persamaan menunjukkan arah arus induksi ditentukan oleh Hukum Lenz.

Aplikasi Hukum Faraday dalam Generator

Rumus GGL induksi pada generator AC adalah:

N = jumlah lilitan kumparan

B = induksi magnetik (T)

A = luas kumparan (m²)

t = waktu (s).

Sehingga, GGL yang dihasilkan dapat ditulis:

Pada generator arus searah (DC), kumparan juga diputar dalam medan magnet, tetapi menggunakan cincin belah (komutator) sehingga arus yang dihasilkan searah. Dengan demikian, generator AC menghasilkan tegangan sinusoidal, sedangkan generator DC menghasilkan tegangan searah.

Hukum Lenz

Seperti telah dibahas pada bagian sebelumnya mengenai Hukum Faraday, apabila suatu magnet digerakkan mendekati atau menjauhi rangkaian kawat, maka terjadi perubahan fluks magnetik pada rangkaian tersebut. Perubahan ini akan menimbulkan gaya gerak listrik (GGL) induksi. Arus listrik yang timbul akibat peristiwa ini disebut arus induksi. Arah arus induksi selalu berusaha menentang perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya. Prinsip inilah yang dikenal sebagai Hukum Lenz, dirumuskan oleh Heinrich Friedrich Lenz.

Menurut Hukum Lenz, jika sebuah magnet batang digerakkan mendekati kumparan, fluks magnetik yang menembus kumparan bertambah besar sehingga timbul arus listrik induksi yang arahnya menentang perubahan tersebut. Begitu pula, jika magnet dijauhkan, arus induksi yang timbul akan berlawanan arah agar fluks tetap dipertahankan. Dengan kata lain, arus induksi akan berusaha mempertahankan keadaan fluks magnetik yang stabil.

Aplikasi Hukum Lenz pada Batang Konduktor

Hukum Lenz dapat pula ditinjau melalui contoh kawat penghantar berbentuk persegi panjang PQRS yang berada dalam medan magnet homogen (B). Jika batang konduktor AB digerakkan ke kanan dengan kecepatan (v), maka fluks magnetik yang dilingkupi kawat PQRS bertambah. Perubahan fluks ini menimbulkan GGL induksi:

Dengan substitusi:

diperoleh:

dengan (l) panjang batang (m), (v) kecepatan gerak batang (m/s), dan (B) induksi magnet (Wb/m²).

Selain GGL induksi, batang konduktor AB juga mengalami gaya Lorentz akibat adanya arus listrik induksi. Besar gaya Lorentz dapat dituliskan:

Arus induksi yang mengalir memenuhi persamaan hukum Ohm:

Sehingga gaya Lorentz dapat dituliskan kembali:

Tanda negatif dalam hukum Lenz menunjukkan bahwa arah gaya ini menentang gerak batang konduktor.

Kondisi Kecepatan Terminal

dengan (m) massa batang (kg), (g) percepatan gravitasi (m/s²), (R) hambatan kawat (Ω), (B) induksi magnet (Wb/m²), dan (l) panjang batang (m). Dengan demikian, hukum Lenz tidak hanya menjelaskan arah arus induksi, tetapi juga menjadi dasar perhitungan besarnya GGL induksi, gaya Lorentz, hingga kondisi kecepatan terminal dalam berbagai aplikasi elektromagnetik.