Hukum Lenz: Arah Arus Induksi — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menentukan arah arus induksi pada kumparan yang mengalami perubahan fluks magnetik menggunakan Hukum Lenz.

Dorong sebuah magnet batang mendekati kumparan, dan kumparan itu seolah menolak — terasa seperti mendorong tangan ke atas bantal karung. Tarik magnet menjauh, dan kumparan justru seolah menahan, seperti ditarik kembali. Heinrich Lenz merangkum perilaku ini pada 1834 dalam satu kalimat: arah arus induksi selalu sedemikian sehingga melawan perubahan fluks yang menyebabkannya. Energi tidak muncul dari mana-mana; melawan itulah jaminan kekekalan energi. Seret magnet di bawah dan rasakan kutub lawan yang muncul.

Seret titik pada magnet dan amati kutub mana yang muncul di sisi kumparan yang menghadapnya.

Inti Hukum Lenz: melawan perubahan

Tanda negatif pada persamaan Faraday $\varepsilon = -N\,\Delta\Phi/\Delta t$ bukan dekorasi — itulah Hukum Lenz. Arus induksi yang mengalir di kumparan selalu menghasilkan medan magnet sendiri yang arahnya melawan perubahan fluks penyebabnya. Bila fluks dari luar bertambah (magnet utara didekatkan), arus induksi membuat medan yang berlawanan arah, seolah menolak pertambahan. Bila fluks berkurang (magnet dijauhkan), arus induksi membuat medan searah, seolah berusaha mempertahankan fluks yang hilang.

Hukum Lenz berbunyi: arah arus induksi sedemikian sehingga medan magnet yang ditimbulkannya selalu melawan perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya. Konsekuensinya, gaya antara magnet dan kumparan selalu menghambat gerak relatifnya — menolak saat mendekat, menahan saat menjauh.

Bayangkan kumparan sebagai pelayan kasar: kalau kamu menambahkan sesuatu ke mejanya (fluks bertambah), ia menolak tambahan itu. Kalau kamu mengambil sesuatu dari mejanya (fluks berkurang), ia berusaha menahan. Selalu berlawanan dengan perubahan — itulah inti Lenz. Perilaku ini bukan kebetulan; tanpa melawan, kumparan akan memperbesar fluks penyebabnya tanpa batas, melanggar kekekalan energi.

Mendekat = ditolak, menjauh = ditarik

Saat kutub utara magnet didorong mendekati kumparan, fluks yang menembus kumparan bertambah. Arus induksi mengalir sedemikian sehingga sisi kumparan yang menghadap magnet menjadi kutub utara juga — kutub senama menolak, jadi magnet didorong mundur. Sebaliknya, saat magnet utara ditarik menjauh, fluks berkurang, dan arus induksi membuat sisi kumparan menjadi kutub selatan — kutub tak senama menarik, jadi magnet ditarik kembali. Dalam kedua kasus, gaya selalu melawan gerak.

Seret titik pada kumparan di bawah untuk melihat arah arus yang sesuai dengan kaidah tangan kanan.

Kaidah tangan kanan: dari arah arus ke kutub

Untuk menentukan kutub mana yang muncul di sisi kumparan, lengkungkan jari-jari tangan kanan mengikuti arah arus; ibu jari menunjuk ke arah kutub utara medan yang dihasilkan. Maka: bila kamu ingin sisi kumparan menjadi kutub utara (untuk menolak magnet utara yang mendekat), arus harus mengalir berlawanan jarum jam bila dilihat dari sisi magnet. Aturan ini konsisten untuk kumparan satu lilitan maupun solenoida — hanya arah dan jumlah lilitan yang berbeda.

GGL dan arus induksi: laju dan hambatan

Hukum Lenz menentukan arah arus, sedangkan besarnya mengikuti Hukum Faraday dan Ohm. Makin cepat magnet digerakkan (laju perubahan fluks besar), makin besar GGL induksi; makin kecil hambatan kumparan, makin besar arus yang mengalir. Karena gaya tolak-tarik sebanding arus, menggerakkan magnet cepat dekat kumparan hambatan kecil terasa paling berat — itulah rem elektromagnetik pada kereta dan treadmill.

Grafik di bawah memperlihatkan linearitas GGL terhadap laju gerak magnet. Geser slider lilitan $N$ untuk mengubah kemiringan.

Karena arus $I = \varepsilon/R$ , hambatan kumparan mengatur berapa besar arus yang benar-benar mengalir. Grafik di bawah memperlihatkan arus induksi berbanding terbalik dengan hambatan.

Walaupun induksi elektromagnetik tidak masuk cakupan resmi TKA Fisika (kelistrikan TKA terbatas statis + arus searah), Hukum Lenz sering diuji di sekolah dan olimpiade sebagai lanjutan Hukum Faraday. Tip soal lazim: (1) tentukan arah arus induksi untuk skenario magnet mendekat/menjauh; (2) tentukan kutub mana yang muncul di sisi kumparan; (3) jelaskan mengapa ada gaya tolak atau tarik. Jebakan klasik: mengira arus induksi memperkuat perubahan fluks — padahal justru melawannya (tanda negatif Faraday).

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Kutub utara sebuah magnet batang didorong mendekati sebuah kumparan tertutup. (a) Apakah sisi kumparan yang menghadap magnet menjadi kutub utara atau selatan? (b) Arus induksi mengalir searah atau berlawanan jarum jam bila dilihat dari sisi magnet? (c) Bagaimana arah gaya pada magnet?

Kutub utara mendekat berarti fluks magnetik yang menembus kumparan bertambah (arah medan dari utara magnet masuk ke kumparan makin kuat). Hukum Lenz: arus induksi harus menghasilkan medan yang melawan pertambahan ini, yaitu medan keluar dari sisi kumparan yang menghadap magnet.

Medan keluar dari sisi kumparan = sisi itu menjadi kutub utara (menolak magnet utara yang mendekat). Dengan kaidah tangan kanan (ibu jari ke utara = keluar), jari-jari melingkar berlawanan jarum jam bila dilihat dari sisi magnet — arus mengalir berlawanan jarum jam. Gaya pada magnet bersifat menolak (mendorong magnet mundur), melawan gerak mendekat.

Jebakan: mengira arus induksi memperkuat perubahan fluks penyebabnya. Yang benar: arus induksi melawan perubahan itu (tanda negatif Faraday = Hukum Lenz). Memperkuat akan menciptakan siklus tak terbatas yang melanggar kekekalan energi.

Jebakan: keliru menentukan arah arus dengan kaidah tangan kanan. Yang benar: lengkungkan jari-jari tangan kanan searah arus, ibu jari menunjuk kutub utara medan hasil. Bila kamu ingin sisi kumparan menjadi utara, arus harus berlawanan jarum jam dilihat dari sisi itu.

Jebakan: menganggap magnet diam di dalam kumparan menghasilkan arus. Yang benar: magnet diam = fluks tetap = laju perubahan nol = GGL nol = tidak ada arus. Hanya gerak (perubahan fluks) yang menginduksi.

Hukum Lenz: arah arus induksi selalu melawan perubahan fluks magnetik penyebabnya (tanda negatif Faraday).
Magnet utara mendekat = sisi kumparan jadi utara (menolak); menjauh = jadi selatan (menarik).
Gaya antara magnet dan kumparan selalu menghambat gerak relatifnya — jaminan kekekalan energi.
Kaidah tangan kanan: jari melingkar searah arus, ibu jari ke kutub utara medan hasil.
Besar arus induksi $I = \varepsilon/R$ ; GGL dari Faraday, hambatan dari kumparan.
Gerak cepat dekat kumparan hambatan rendah menghasilkan gaya tolak terbesar (dasar rem elektromagnetik).