HUKUM LENZ: RUMUS, PERSAMAAN, APLIKASI, CONTOH - FISIK - 2025

Hukum Lenz menyatakan bahwa polaritas gaya gerak listrik yang diinduksi dalam rangkaian tertutup karena variasi fluks medan magnet sedemikian rupa sehingga berlawanan dengan perubahan aliran tersebut.

Tanda negatif yang mendahului hukum Faraday mempertimbangkan hukum Lenz, menjadi alasan mengapa disebut hukum Faraday-Lenz dan yang diungkapkan sebagai berikut:

Gambar 1. Kumparan toroidal mampu menginduksi arus pada konduktor lain. Sumber: Pixabay.

Rumus dan persamaan

Dalam persamaan ini, B adalah besar medan magnet (tanpa tanda tebal atau panah, untuk membedakan vektor dari besarnya), A adalah luas permukaan yang dilintasi medan dan θ adalah sudut antara vektor B dan n .

Fluks medan magnet dapat divariasikan dengan cara yang berbeda dari waktu ke waktu, untuk membuat ggl yang diinduksi dalam loop - sirkuit tertutup - area A. Contoh:

-Membuat variabel medan magnet dengan waktu: B = B (t) dengan menjaga luas dan sudut tetap konstan, maka:

Aplikasi

Penerapan langsung hukum Lenz adalah untuk menentukan arah ggl atau arus yang diinduksi tanpa perlu perhitungan apa pun. Pertimbangkan hal berikut: Anda memiliki loop di tengah medan magnet, seperti yang dihasilkan oleh magnet batang.

Gambar 2. Penerapan Hukum Lenz. Sumber: Wikimedia Commons.

Jika magnet dan loop diam relatif satu sama lain, tidak ada yang terjadi, yaitu tidak akan ada arus induksi, karena fluks medan magnet tetap konstan dalam kasus tersebut (lihat gambar 2a). Agar arus dapat diinduksi, fluks harus bervariasi.

Sekarang, jika ada gerakan relatif antara magnet dan loop, baik dengan menggerakkan magnet menuju loop, atau ke arah magnet, akan ada arus induksi untuk diukur (Gambar 2b dan seterusnya).

Arus induksi ini pada gilirannya menghasilkan medan magnet, oleh karena itu kita akan memiliki dua medan: magnet B ₁ berwarna biru dan yang terkait dengan arus yang diciptakan oleh induksi B ₂ , berwarna oranye.

Aturan ibu jari kanan memungkinkan untuk mengetahui arah B ₂ , untuk ini ibu jari tangan kanan ditempatkan searah dan arah arus. Empat jari lainnya menunjukkan arah tikungan medan magnet, menurut gambar 2 (di bawah).

Gerakan magnet melalui loop

Misalkan magnet dijatuhkan ke arah loop dengan kutub utaranya diarahkan ke arahnya (gambar 3). Garis medan magnet meninggalkan kutub utara N dan memasuki kutub selatan S. Kemudian akan terjadi perubahan pada Φ, fluks yang diciptakan oleh B ₁ melalui loop: Φ meningkat! Oleh karena itu, dalam loop, medan magnet B _{2 dibuat} dengan maksud yang berlawanan.

Gambar 3. Magnet bergerak menuju loop dengan kutub utaranya ke arah itu. Sumber: Wikimedia Commons.

Arus yang diinduksi berjalan berlawanan arah jarum jam, panah merah pada Gambar 2 dan 3-, sesuai dengan aturan ibu jari kanan.

Kami memindahkan magnet menjauh dari loop dan kemudian Φ berkurang (Gambar 2c dan 4), oleh karena itu loop bergegas untuk membuat medan magnet B ₂ di dalamnya ke arah yang sama, untuk mengimbanginya. Oleh karena itu, arus induksi adalah per jam, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Magnet menjauh dari loop, selalu dengan kutub utaranya mengarah ke sana. Sumber: Wikimedia Commons.

Membalik posisi magnet

Apa yang terjadi jika posisi magnet dibalik? Jika kutub selatan mengarah ke loop, medan mengarah ke atas, karena garis-garis B dalam magnet meninggalkan kutub utara dan masuk ke kutub selatan (lihat gambar 2d).

Hukum Lenz segera menginformasikan bahwa medan vertikal ini ke atas, yang mengarah ke loop, akan menyebabkan medan yang berlawanan di dalamnya, yaitu, B ₂ ke bawah dan arus induksi juga akan dihitung per jam.

Akhirnya magnet menjauh dari loop, selalu dengan kutub selatannya mengarah ke bagian dalamnya. Kemudian bidang B ₂ diproduksi di dalam loop untuk membantu memastikan bahwa menjauh dari magnet tidak mengubah fluks medan di dalamnya. Baik B ₁ dan B ₂ akan memiliki arti yang sama (lihat gambar 2d).

Pembaca akan menyadari bahwa, seperti yang dijanjikan, belum ada perhitungan yang dibuat untuk mengetahui arah arus induksi.

Eksperimen

Heinrich Lenz (1804-1865) melakukan banyak karya eksperimental sepanjang karir ilmiahnya. Yang paling terkenal adalah yang baru saja kami jelaskan, didedikasikan untuk mengukur gaya magnet dan efek yang diciptakan dengan menjatuhkan magnet secara tiba-tiba di tengah lingkaran. Dengan hasilnya dia menyempurnakan pekerjaan yang dilakukan oleh Michael Faraday.

Tanda negatif dalam hukum Faraday itu ternyata merupakan eksperimen yang paling dikenalnya saat ini. Meskipun demikian, Lenz melakukan banyak pekerjaan di bidang geofisika selama masa mudanya, sementara itu dia terlibat dalam menjatuhkan magnet ke dalam gulungan dan tabung. Dia juga melakukan studi tentang hambatan listrik dan konduktivitas logam.

Secara khusus, tentang pengaruh kenaikan suhu terhadap nilai resistansi. Dia tidak gagal untuk mengamati bahwa ketika kawat dipanaskan, resistansi menurun dan panas menghilang, sesuatu yang juga diamati oleh James Joule secara independen.

Untuk selalu mengingat kontribusinya terhadap elektromagnetisme, selain hukum yang menyandang namanya, induktansi (kumparan) dilambangkan dengan huruf L.

Tabung Lenz

Ini adalah eksperimen di mana ia menunjukkan bagaimana magnet melambat ketika dilepaskan ke dalam tabung tembaga. Ketika magnet jatuh, itu menghasilkan variasi fluks medan magnet di dalam tabung, seperti yang terjadi dengan loop arus.

Kemudian arus induksi dibuat yang menentang perubahan aliran. Tabung menciptakan medan magnetnya sendiri untuk ini, yang, seperti yang telah kita ketahui, dikaitkan dengan arus induksi. Misalkan magnet dilepaskan dengan kutub selatan menghadap ke bawah, (Gambar 2d dan 5).

Gambar 5. Tabung Lenz. Sumber: F. Zapata.

Akibatnya, tabung menciptakan medan magnetnya sendiri dengan kutub utara turun dan kutub selatan naik, yang setara dengan membuat sepasang magnet tiruan, satu di atas dan satu di bawah yang jatuh.

Konsep tersebut tercermin pada gambar berikut, tetapi perlu diingat bahwa kutub magnet tidak dapat dipisahkan. Jika dummy magnet bagian bawah memiliki kutub utara ke bawah, maka magnet tersebut akan disertai dengan kutub selatan ke atas.

Saat berlawanan menarik dan berlawanan menolak, magnet yang jatuh akan ditolak, dan pada saat yang sama tertarik oleh magnet fiktif atas.

Efek bersihnya akan selalu menjadi pengereman meskipun magnet dilepaskan dengan kutub utara turun.

Hukum Joule-Lenz

Hukum Joule-Lenz menjelaskan bagaimana sebagian energi yang terkait dengan arus listrik yang bersirkulasi melalui konduktor hilang dalam bentuk panas, efek yang digunakan dalam pemanas listrik, setrika, pengering rambut, dan pembakar listrik. di antara peralatan lainnya.

Semuanya memiliki resistansi, filamen atau elemen pemanas yang memanas saat arus lewat.

Dalam bentuk matematis, misalkan R adalah resistansi elemen pemanas, I intensitas arus yang mengalir melaluinya, dan t waktu, jumlah panas yang dihasilkan oleh efek Joule adalah:

Dimana Q diukur dalam joule (satuan SI). James Joule dan Heinrich Lenz menemukan efek ini secara bersamaan sekitar tahun 1842.

Contoh

Berikut tiga contoh penting di mana hukum Faraday-Lenz berlaku:

Generator arus bolak-balik

Generator arus bolak-balik mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Alasannya dijelaskan di awal: sebuah loop diputar di tengah medan magnet yang seragam, seperti yang dibuat di antara dua kutub elektromagnet besar. Ketika N ternyata digunakan, ggl meningkat secara proporsional ke N.

Gambar 6. Generator arus bolak-balik.

Saat loop berputar, vektor yang normal ke permukaannya mengubah orientasinya terhadap medan, menghasilkan ggl yang bervariasi secara sinusoidal dengan waktu. Misalkan frekuensi sudut rotasi adalah ω, maka dengan mengganti persamaan yang diberikan di awal, kita akan mendapatkan:

Transformator

Ini adalah perangkat yang memungkinkan memperoleh tegangan langsung dari tegangan bolak-balik. Trafo adalah bagian dari perangkat yang tak terhitung jumlahnya, seperti pengisi daya ponsel, misalnya, berfungsi sebagai berikut:

Ada dua kumparan yang dililitkan di sekitar inti besi, yang satu disebut primer dan yang lainnya sekunder. Jumlah belokan masing-masing adalah N ₁ dan N ₂ .

Kumparan primer atau lilitan dihubungkan ke tegangan bolak-balik (seperti soket listrik rumah tangga, misalnya) berbentuk V _P = V ₁ .cos ωt, menyebabkan arus bolak-balik frekuensi ω bersirkulasi di dalamnya.

Arus ini menciptakan medan magnet yang pada gilirannya menyebabkan fluks magnet berosilasi pada kumparan atau belitan kedua, dengan tegangan sekunder berupa V _S = V ₂ .cos ωt.

Sekarang, ternyata medan magnet di dalam inti besi sebanding dengan kebalikan dari jumlah lilitan belitan primer:

Dan begitu juga V _P , tegangan di gulungan primer, sedangkan induksi emf V _S di kedua berkelok-kelok sebanding, seperti yang kita sudah tahu, untuk jumlah putaran N ₂ dan juga untuk V _P.

Jadi menggabungkan proporsionalitas ini kita memiliki hubungan antara V _S dan V _P yang bergantung pada hasil bagi antara jumlah lilitan masing-masing, sebagai berikut:

Gambar 7. Transformator. Sumber: Wikimedia Commons. KundaliniZero

Detektor logam

Mereka adalah perangkat yang digunakan di bank dan bandara untuk keamanan. Mereka mendeteksi keberadaan logam apa pun, bukan hanya besi atau nikel. Mereka bekerja berkat arus yang diinduksi, melalui penggunaan dua kumparan: pemancar dan penerima.

Arus bolak-balik frekuensi tinggi dilewatkan dalam kumparan pemancar, sehingga menghasilkan medan magnet bolak-balik di sepanjang sumbu (lihat gambar), yang menginduksi arus di kumparan penerima, sesuatu yang kurang lebih mirip dengan apa yang terjadi dengan trafo.

Gambar 8. Prinsip pengoperasian detektor logam.

Jika sepotong logam ditempatkan di antara kedua kumparan, arus induksi kecil muncul di dalamnya, yang disebut arus eddy (yang tidak dapat mengalir dalam isolator). Kumparan penerima menanggapi medan magnet dari kumparan pemancar dan yang dibuat oleh arus eddy.

Arus Eddy mencoba meminimalkan fluks medan magnet pada potongan logam. Oleh karena itu, medan yang dirasakan oleh kumparan penerima berkurang ketika sepotong logam disisipkan di antara kedua kumparan. Ketika ini terjadi, alarm dipicu yang memperingatkan adanya logam.

Latihan

Latihan 1

Terdapat kumparan melingkar dengan 250 putaran jari-jari 5 cm yang terletak tegak lurus dengan medan magnet 0,2 T. Tentukan ggl yang diinduksi jika dalam selang waktu 0,1 s besar medan magnet berlipat ganda dan menunjukkan arah arus, menurut gambar berikut:

Gambar 9. Lingkaran melingkar di tengah medan magnet seragam yang tegak lurus dengan bidang lingkaran. Sumber: F. Zapata.

Larutan

Pertama kita akan menghitung besarnya ggl yang diinduksi, kemudian arah arus terkait akan ditunjukkan sesuai gambar.

Karena medan menjadi dua kali lipat, demikian juga fluks medan magnet, oleh karena itu arus induksi dibuat dalam loop yang berlawanan dengan kenaikan tersebut.

Bidang pada gambar menunjuk ke bagian dalam layar. Bidang yang dibuat oleh arus induksi harus meninggalkan layar, menerapkan aturan ibu jari kanan, maka arus induksi berlawanan arah jarum jam.

Latihan 2

Sebuah belitan persegi terdiri dari 40 putaran 5 cm pada setiap sisinya, yang berputar dengan frekuensi 50 Hz di tengah medan yang seragam besarnya 0,1 T. Awalnya kumparan tegak lurus dengan medan. Apa yang akan menjadi ekspresi untuk ggl yang diinduksi?

Larutan

Dari bagian sebelumnya ungkapan ini disimpulkan:

Referensi

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Hewitt, Paul. 2012. Ilmu Fisika Konseptual. 5. Ed. Pearson.
3. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Universitas OpenStax. Hukum Induksi Faraday: Hukum Lenz. Diperoleh dari: opentextbc.ca.
5. Libreteks Fisika. Hukum Lenz. Diperoleh dari: phys.libretexts.org.
6. Sears, F. (2009). Universitas Fisika Vol.2.