Induksi elektromagnetik
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ | fluks magnetik |
| flux linkage/flʌks ˈlɪŋkɪdʒ/ | linkage fluks |
| Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ | Hukum Faraday |
| Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ | Hukum Lenz |
| weber/ˈveɪbə/ | weber |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | hukum kekekalan energi |
Pegang magnet tetap dan arus berhenti
- Dorong magnet ke dalam kumparan dan jarum galvanometer bergerak. Pegang magnet di dalam kumparan, benar-benar diam, dan jarum kembali ke nol, meskipun kumparan kini berada di medan terkuat yang pernah dialaminya.
- Tarik magnet keluar dan jarum bergerak ke arah lainnya.
- Jadi, bukan medannya yang menginduksi e.m.f. Yang menginduksi adalah perubahan medan, dan dua hukum dalam pelajaran ini menjelaskan seberapa besar dan ke mana arahnya.
- Pelajaran ini membahas fluks magnetik, koplingan fluks, hukum Faraday dan hukum Lenz.
Fluks magnetik dan koplingan fluks
- Fluks magnetik adalah hasil kali kerapatan fluks magnetik dan luas area yang tegak lurus terhadap medan:
- Katakan tegak lurus, atau "normal terhadap medan". Jika normal area membentuk sudut $\theta$ terhadap $B$, gunakan $\Phi = BA\cos\theta$. Satuannya adalah weber, $\text{Wb} = \text{T m}^2$.
- Untuk kumparan dengan $N$ lilitan, koplingan fluks adalah $N\Phi = NBA$, diukur dalam weber-lilitan.
- Definisi bernilai dua poin menginginkan kata-kata yang tepat itu: fluks adalah kerapatan fluks dikali luas tegak lurus; koplingan fluks adalah fluks dikali jumlah lilitan.
Jarum yang bergerak hanya saat magnet bergerak
Fluks magnetik melalui area $A$ yang tegak lurus terhadap medan $B$ adalah:
$\Phi = BA$ (weber). Untuk kumparan $N$ lilitan, penghubung fluks adalah $N\Phi$.
Sebuah kumparan $0.50\ \text{m}^2$ berada tegak lurus terhadap medan $0.20\ \text{T}$. Berapakah fluksnya?
$\Phi = BA = 0.20 \times 0.50 = 0.10\ \text{Wb}$.
Kata-kata mana yang diperlukan dalam definisi fluks dan penghubung fluks? Pilih semua yang berlaku.
"Tegak lurus" ditandai, karena BA hanya benar untuk komponen area yang tegak lurus terhadap B. Fluks didefinisikan apakah berubah atau tidak.
Hukum Faraday
- Hukum Faraday: e.m.f. yang terinduksi sama dengan laju perubahan koplingan fluks:
- "Laju perubahan koplingan fluks", bukan "dari fluks", adalah frasa yang mendapatkan nilai, karena jumlah lilitan penting.
- Tiga hal dapat mengubah fluks: perubahan $B$, perubahan luas, atau perubahan orientasi. Yang ketiga adalah generator a.c.
Induksi elektromagnetik
Gerakkan magnet melalui kumparan — arus terinduksi hanya saat medan berubah. Lebih cepat memberikan arus lebih besar; balik magnet untuk membaliknya.
Gaya gerak listrik induksi sama dengan laju perubahan fluks ____.
$|\varepsilon| = N\dfrac{d\Phi}{dt}$ — laju perubahan penghubung fluks $N\Phi$.
Contoh terpecahkan: medan runtuh
- Sebuah kumparan dengan $200$ lilitan dan luas $0.010\ \text{m}^2$ terletak dengan bidangnya tegak lurus terhadap medan $0.50\ \text{T}$. Medannya turun secara stabil hingga nol dalam waktu $0.20\ \text{s}$. Hitung e.m.f. terinduksi rata-rata.
- Koplingan fluks di awal: $N\Phi = NBA = 200 \times 0.50 \times 0.010 = 1.0\ \text{Wb}$. Di akhir nilainya nol.
- Hukum Faraday: $|\varepsilon| = \dfrac{\Delta(N\Phi)}{\Delta t} = \dfrac{1.0}{0.20} = 5.0\ \text{V}$.
- Perhatikan bahwa bidang kumparan tegak lurus terhadap medan, sehingga normalnya sejajar dengan medan dan $\Phi = BA$ tanpa cosinus. Soal yang memberikan sudut terhadap bidang alih-alih normal menguji persis hal ini.
Kumparan dengan 200 lilitan dan luas 0.010 m^2 berada tegak lurus terhadap medan 0.50 T yang turun ke nol dalam 0.20 s. Berapakah gaya gerak listrik induksi rata-rata, dalam volt?
Penghubung fluks turun dari NBA = 1.0 Wb menjadi nol, sehingga g.g.l. adalah 1.0/0.20 = 5.0 V. Bidang kumparan tegak lurus terhadap B, sehingga normalnya sejajar dengan B dan tidak perlu cosinus.
Hukum Lenz
- Hukum Lenz: e.m.f. terinduksi bekerja dalam arah yang menentang perubahan yang menghasilkannya. Digabungkan dengan Faraday:
- Alasannya adalah kekekalan energi. Jika efek terinduksi memperkuat perubahan, arus akan tumbuh tanpa batas dan energi berasal dari ketiadaan.
- Secara praktis, inilah alasan mengapa Anda harus melakukan usaha untuk mendorong magnet ke dalam kumparan: arus terinduksi menentang Anda, dan usaha itulah sumber energi listriknya.
Hukum Lenz menyatakan bahwa g.g.l. induksi:
Melawan perubahan — tanda minus dalam $\varepsilon = -\dfrac{d(N\Phi)}{dt}$.
Hukum Lenz berasal dari kekekalan energi.
Jika efek induksi memperkuat perubahan, energi akan tercipta dari ketiadaan — jadi harus menolaknya.
Membaca e.m.f. dari grafik fluks
- E.m.f. terinduksi adalah negatif dari gradien grafik koplingan fluks terhadap waktu. Menggambar e.m.f. adalah mendifferensiasikan grafik secara visual.
- Fluks yang naik secara stabil menghasilkan e.m.f. konstan. Fluks konstan menghasilkan nol e.m.f., sebesar apapun fluksnya. Penurunan yang lebih cepat menghasilkan e.m.f. yang lebih besar dengan tanda berlawanan.
- Kasus tengah inilah inti seluruh teka-teki pembuka: kumparan yang diam di dalam medan stabil yang kuat memiliki koplingan fluks besar tetapi tidak ada e.m.f. sama sekali.
Pilih semua perubahan yang meningkatkan g.g.b. terinduksi.
$N$, $B$, atau laju perubahan yang lebih besar akan menaikkan g.g.b. Magnet diam tidak menghasilkan perubahan fluks — tiada g.g.b.
Kumparan yang dipegang diam dalam medan magnet kuat dan stabil memiliki g.g.b. terinduksi yang besar.
Kopling fluks besar tetapi konstan, dan g.g.b. adalah laju perubahannya, yaitu nol. Hanya fluks yang berubah yang menginduksi sesuatu.
Cocokkan setiap graf kopling fluks dengan g.g.b. yang dihasilkannya.
G.g.b. adalah negatif gradien, jadi menggambarkannya sama dengan menurunkan grafik secara visual.
Contoh terpecahkan: pemotongan fluks
- Sebuah pesawat dengan rentang sayap $60\ \text{m}$ terbang horizontal pada kecepatan $250\ \text{m/s}$ di mana komponen vertikal medan Bumi adalah $45\ \mu\text{T}$. Hitung e.m.f. antara ujung-ujung sayap.
- Dalam waktu $\Delta t$ sayap menyapu area $Lv\Delta t$, memotong fluks $BLv\Delta t$, sehingga laju perubahan fluks adalah:
- Hanya komponen $B$ tegak lurus terhadap area yang disapu yang dihitung, itulah sebabnya soal memberikan komponen vertikal.
- Ada beda potensial antara ujung-ujung sayap tetapi tidak ada arus, karena tidak ada rangkaian tertutup.
Sebuah pesawat dengan rentang sayap 60 m terbang pada 250 m/s di mana komponen vertikal medan Bumi adalah 45 mikrotesla. Berapakah g.g.b. antara ujung sayap, dalam volt?
Sayap menyapu luas Lv per detik, sehingga emf = BLv = 45e-6 x 60 x 250 = 0,68 V. Hanya komponen B yang tegak lurus terhadap luas sapuan yang dihitung, dan tidak ada arus tanpa rangkaian.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Fluks adalah kerapatan fluks dikali luas tegak lurus, dan Hukum Faraday adalah laju perubahan keterikatan fluks. Kedua kata tersebut diberi tanda.
- Fluks konstan, seberapa pun besarnya, menginduksi nol g.g.b. Hanya perubahan yang menginduksi.
- Hukum Lenz merupakan konsekuensi dari kekekalan energi. Sebutkan hal ini ketika ditanya alasannya.
- Perhatikan apakah sudut diberikan terhadap bidang kumparan atau terhadap normal-nya; keduanya berbeda 90 derajat dan cosinus berubah menjadi sinus.
Anda telah memahaminya
- Fluks magnetik adalah kerapatan fluks dikali luas tegak lurus terhadap medan, $\Phi = BA$ dalam weber; keterikatan fluks adalah $N\Phi$
- Hukum Faraday: g.g.b. terinduksi adalah laju perubahan keterikatan fluks, sehingga fluks konstan tidak menginduksi apa pun
- Hukum Lenz: g.g.b. menentang perubahan yang menghasilkannya, yang berakar dari kekekalan energi
- g.g.b. adalah negatif dari gradien grafik keterikatan fluks, dan konduktor yang menyapu medan menghasilkan $\varepsilon = BLv$