Sekitar pergantian abad ke-19, fisikawan membuat banyak kemajuan dalam memahami hukum elektromagnetisme, dan Michael Faraday adalah salah satu perintis sejati di bidang tersebut. Tidak lama setelah diketahui bahwa arus listrik menciptakan medan magnet, Faraday melakukan beberapa eksperimen yang sekarang terkenal untuk mengetahui jika kebalikannya benar: Bisakah medan magnet menginduksi a arus?
Eksperimen Faraday menunjukkan bahwa meskipun medan magnet saja tidak dapat menginduksi aliran arus, aberubahmedan magnet (atau, lebih tepatnya, amengubah fluks magnet) bisa.
Hasil percobaan ini dikuantifikasi dalamHukum induksi Faraday, dan itu adalah salah satu persamaan elektromagnetisme Maxwell. Ini menjadikannya salah satu persamaan terpenting untuk dipahami dan dipelajari saat Anda mempelajari elektromagnetisme.
Fluks Magnetik
Konsep fluks magnet sangat penting untuk memahami hukum Faraday, karena berkaitan dengan perubahan fluks yang diinduksi.gaya gerak listrik(EMF, biasa disebuttegangan) pada kumparan kawat atau rangkaian listrik. Dalam istilah sederhana, fluks magnet menggambarkan aliran medan magnet melalui permukaan (meskipun "permukaan" ini sebenarnya bukan objek fisik; itu benar-benar hanya abstraksi untuk membantu mengukur fluks), dan Anda dapat membayangkannya dengan lebih mudah jika Anda memikirkan berapa banyak garis medan magnet yang melewati area permukaan
= \bm{B A} = BA \cos (θ)
DimanaBadalah kuat medan magnet (densitas fluks magnet per satuan luas) dalam teslas (T),SEBUAHadalah luas permukaan, danθadalah sudut antara "normal" ke luas permukaan (yaitu, garis tegak lurus ke permukaan) danB, medan magnet. Persamaan pada dasarnya mengatakan bahwa medan magnet yang lebih kuat dan area yang lebih besar menyebabkan lebih banyak fluks, bersama dengan medan yang sejajar dengan normal ke permukaan yang bersangkutan.
ItuB ∙ SEBUAHdalam persamaan adalah produk skalar (yaitu, "perkalian titik") dari vektor, yang merupakan operasi matematika khusus untuk vektor (yaitu, jumlah dengan besaran atau "ukuran"danarah); namun, versi dengan cos (θ) dan besarnya adalah operasi yang sama.
Versi sederhana ini bekerja ketika medan magnet seragam (atau dapat diperkirakan seperti itu) di seluruhSEBUAH, tetapi ada definisi yang lebih rumit untuk kasus ketika bidang tidak seragam. Ini melibatkan kalkulus integral, yang sedikit lebih rumit tetapi sesuatu yang harus Anda pelajari jika Anda mempelajari elektromagnetisme:
= \int \bm{B} d\bm{A}
Satuan SI untuk fluks magnet adalah weber (Wb), di mana 1 Wb = T m2.
Eksperimen Michael Faraday
Eksperimen terkenal yang dilakukan oleh Michael Faraday meletakkan dasar bagi hukum induksi Faraday dan menyampaikan titik kunci yang menunjukkan efek perubahan fluks pada gaya gerak listrik dan arus listrik konsekuen diinduksi.
Eksperimen itu sendiri juga cukup mudah, dan Anda bahkan dapat menirunya sendiri: Faraday membungkus kawat konduktif terisolasi di sekitar tabung karton, dan menghubungkannya ke voltmeter. Sebuah magnet batang digunakan untuk percobaan, mula-mula diam di dekat kumparan, kemudian bergerak ke arah kumparan, kemudian melewati bagian tengah kumparan dan kemudian bergerak keluar dari kumparan dan semakin jauh.
Voltmeter (perangkat yang menyimpulkan tegangan menggunakan galvanometer sensitif) mencatat EMF yang dihasilkan dalam kabel, jika ada, selama percobaan. Faraday menemukan bahwa ketika magnet diam di dekat kumparan, tidak ada arus yang diinduksi pada kawat. Namun, ketika magnet bergerak, situasinya sangat berbeda: Saat mendekati kumparan, ada beberapa EMF yang diukur, dan meningkat hingga mencapai pusat kumparan. Tanda tegangan terbalik ketika magnet melewati titik pusat kumparan, dan kemudian menurun ketika magnet menjauh dari kumparan.
Eksperimen Faraday sangat sederhana, tetapi semua poin kunci yang ditunjukkannya masih digunakan di teknologi yang tak terhitung jumlahnya saat ini, dan hasilnya diabadikan sebagai salah satu persamaan Maxwell.
Hukum Faraday
Hukum induksi Faraday menyatakan bahwa EMF yang diinduksi (yaitu, gaya gerak listrik atau tegangan, dilambangkan dengan simbolE) dalam gulungan kawat diberikan oleh:
E = N \frac{∆ϕ}{∆t}
Dimanaϕadalah fluks magnet (seperti yang didefinisikan di atas),tidakadalah jumlah lilitan pada kumparan kawat (jaditidak= 1 untuk loop sederhana kawat) danuntukwaktunya. Satuan SI dariEadalah volt, karena ini adalah EMF yang diinduksi dalam kawat. Dengan kata lain, persamaan memberi tahu Anda bahwa Anda dapat membuat EMF induksi dalam gulungan kawat baik dengan mengubah luas penampangSEBUAHloop di lapangan, kekuatan medan magnet magneticB, atau sudut antara luas dan medan magnet.
Simbol delta (∆) hanya berarti "perubahan", dan ini memberi tahu Anda bahwa EMF yang diinduksi berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnet yang sesuai. Ini lebih akurat diekspresikan melalui turunan, dan seringkalitidakdijatuhkan, sehingga hukum Faraday juga dapat dinyatakan sebagai:
E = \frac{dϕ}{dt}
Dalam formulir ini, Anda harus mencari tahu ketergantungan waktu dari kerapatan fluks magnet per satuan luas (B), luas penampang lingkaranSEBUAH,atau sudut antara normal ke permukaan dan medan magnet (θ), tetapi begitu Anda melakukannya, ini bisa menjadi ekspresi yang jauh lebih berguna untuk menghitung EMF yang diinduksi.
Hukum Lenz
Hukum Lenz pada dasarnya adalah detail tambahan dalam hukum Faraday, yang dicakup oleh tanda minus dalam persamaan dan pada dasarnya memberi tahu Anda arah di mana arus induksi mengalir. Secara sederhana dapat dinyatakan sebagai: Arus induksi mengalirke arah yang menentang perubahanfluks magnet yang menyebabkannya. Ini berarti bahwa jika perubahan fluks magnet adalah peningkatan besaran tanpa perubahan arah, arus akan mengalir ke arah yang akan menciptakan medan magnet dalam arah yang berlawanan dengan garis-garis medan aslinya bidang.
Aturan tangan kanan (atau aturan pegangan tangan kanan, lebih khusus) dapat digunakan untuk menentukan arah arus yang dihasilkan dari hukum Faraday. Setelah Anda menentukan arah medan magnet baru berdasarkan laju perubahan fluks magnet dari medan asli, Anda mengarahkan ibu jari tangan kanan ke arah itu. Biarkan jari-jari Anda melengkung ke dalam seolah-olah Anda sedang mengepalkan tangan; arah jari-jari Anda bergerak adalah arah arus induksi dalam loop kawat.
Contoh Hukum Faraday: Pindah Ke Lapangan
Melihat hukum Faraday dipraktikkan akan membantu Anda melihat bagaimana hukum bekerja ketika diterapkan pada situasi dunia nyata. Bayangkan Anda memiliki medan yang mengarah langsung ke depan, dengan kekuatan konstanB= 5 T, dan persegi beruntai tunggal (yaitu,tidak= 1) lilitan kawat dengan panjang sisi 0,1 m, membuat luas totalSEBUAH= 0,1 m × 0,1 m = 0,01 m2.
Loop persegi bergerak ke dalam daerah medan, bergerak dalamxarah dengan laju 0,02 m/s. Ini berarti bahwa selama periodeuntuk= 5 detik, loop akan berubah dari sepenuhnya keluar dari medan menjadi sepenuhnya di dalamnya, dan garis normal ke medan akan sejajar dengan medan magnet setiap saat (jadi = 0).
Ini berarti luas bidang berubah sebesar .SEBUAH= 0,01 m2 diuntuk= 5 detik. Jadi perubahan fluks magnet adalah:
\begin{aligned} ∆ϕ &= B∆A \cos (θ) \\ &= 5 \text{ T} × 0,01 \text{ m}^2 × \cos (0) \\ &= 0,05 \text{ Wb} \end{selaras}
Hukum Faraday menyatakan:
E = N \frac{∆ϕ}{∆t}
Jadi, dengantidak = 1, ∆ϕ= 0,05 Wb danuntuk= 5 detik:
\begin{aligned} E &= N \frac{∆ϕ}{∆t}\\ &= 1 ×\frac{0.05 \text{ Wb}}{5} \\ &= 0,01 \text{ V } \akhir{selaras}
Contoh Hukum Faraday: Rotating Loop di Lapangan
Sekarang perhatikan lingkaran lingkaran dengan luas 1 m2 dan tiga lilitan kawat (tidak= 3) berputar dalam medan magnet dengan besar konstan 0,5 T dan arah konstan.
Dalam hal ini, sedangkan luas loopSEBUAHdi dalam bidang akan tetap konstan dan bidang itu sendiri tidak akan berubah, sudut loop terhadap bidang terus berubah. Laju perubahan fluks magnet adalah hal yang penting, dan dalam hal ini berguna untuk menggunakan bentuk diferensial dari hukum Faraday. Jadi kita bisa menulis:
E = N \frac{dϕ}{dt}
Fluks magnet diberikan oleh:
= BA \cos (θ)
Tapi itu terus berubah, jadi fluks pada waktu tertentuuntuk– di mana kita menganggapnya dimulai pada sudutθ= 0 (yaitu, sejajar dengan bidang) – diberikan oleh:
= BA \cos (ωt)
Dimanaωadalah kecepatan sudut.
Menggabungkan ini memberikan:
\begin{aligned} E &= N \frac{d}{dt} BA \cos (ωt) \\ &= NBA \frac{d}{dt} \cos (ωt) \end{aligned}
Sekarang ini dapat dibedakan untuk memberikan:
E = NBAω \sin (ωt)
Formula ini sekarang siap menjawab pertanyaan kapan sajauntuk, tetapi jelas dari rumus bahwa semakin cepat kumparan berputar (yaitu, semakin tinggi nilaiω), semakin besar EMF yang diinduksi. Jika kecepatan sudutω= 2π rad/s, dan Anda mengevaluasi hasilnya pada 0,25 s, ini memberikan:
\begin{aligned} E &= NBAω \sin (ωt) \\ &= 3 × 0,5 \text{ T} × 1 \text{ m}^2 × 2π \text{ rad/s} × \sin (π / 2) \\ &= 9,42 \text{ V} \end{selaras}
Aplikasi Dunia Nyata dari Hukum Faraday
Karena hukum Faraday, setiap benda konduktif dengan adanya fluks magnet yang berubah akan memiliki arus yang diinduksi di dalamnya. Dalam loop kawat, ini dapat mengalir dalam rangkaian, tetapi dalam konduktor padat, loop kecil arus disebutarus pusaranuntuk m.
Arus eddy adalah lingkaran kecil arus yang mengalir dalam sebuah konduktor, dan dalam banyak kasus para insinyur bekerja untuk menguranginya karena pada dasarnya mereka membuang energi; namun, mereka dapat digunakan secara produktif dalam hal-hal seperti sistem pengereman magnetik.
Lampu lalu lintas adalah aplikasi dunia nyata yang menarik dari hukum Faraday, karena mereka menggunakan loop kawat untuk mendeteksi efek medan magnet yang diinduksi. Di bawah jalan, loop kawat yang mengandung arus bolak-balik menghasilkan medan magnet yang berubah, dan ketika mobil Anda melewati salah satunya, ini menginduksi arus eddy di dalam mobil. Menurut hukum Lenz, arus ini menghasilkan medan magnet yang berlawanan, yang kemudian berdampak pada arus di loop kawat asli. Dampak pada loop kabel asli ini menunjukkan adanya mobil, dan kemudian (semoga, jika Anda sedang dalam perjalanan!) memicu lampu untuk berubah.
Generator listrik adalah salah satu aplikasi yang paling berguna dari hukum Faraday. Contoh lingkaran kawat yang berputar dalam medan magnet konstan pada dasarnya memberi tahu Anda cara kerjanya: Gerakan kumparan menghasilkan fluks magnet yang berubah melalui kumparan, yang beralih ke arah setiap 180 derajat dan dengan demikian menciptakan sebuaharus bolak-balik. Meskipun – tentu saja – membutuhkankerjauntuk menghasilkan arus, ini memungkinkan Anda untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.