Selamat datang di kumpulan soal fisika Hukum Lenz! Artikel ini dirancang khusus untuk membantu Anda memahami dan menguasai salah satu konsep fundamental dalam elektromagnetisme. Hukum Lenz menjelaskan arah arus induksi dan gaya gerak listrik (GGL) induksi yang dihasilkan oleh perubahan fluks magnetik, dan merupakan manifestasi dari hukum kekekalan energi.
Dengan mengerjakan 20 soal pilihan ganda, 5 soal isian singkat, 5 soal uraian, dan 2 set soal menjodohkan, Anda akan diajak untuk menganalisis berbagai skenario, mulai dari kawat yang bergerak dalam medan magnet hingga kumparan yang didekati magnet. Latihan soal ini tidak hanya menguji pengetahuan konseptual Anda, tetapi juga kemampuan Anda dalam menerapkan prinsip-prinsip fisika untuk memecahkan masalah. Siapkan diri Anda untuk menguji dan meningkatkan pemahaman Anda tentang Hukum Lenz!
I. Soal Pilihan Ganda
- Pernyataan yang paling tepat mengenai Hukum Lenz adalah…
A. Arah arus induksi selalu menentang perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya.
B. Arah arus induksi selalu searah dengan perubahan fluks magnetik.
C. Besar GGL induksi sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik.
D. GGL induksi hanya terjadi jika ada medan magnet.
E. Arus induksi hanya terjadi pada kawat yang bergerak. - Sebuah kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Arah arus induksi pada kumparan akan menghasilkan kutub…
A. Utara di sisi kumparan yang didekati magnet.
B. Selatan di sisi kumparan yang didekati magnet.
C. Utara di sisi kumparan yang dijauhi magnet.
D. Selatan di kedua sisi kumparan.
E. Tidak ada kutub yang terbentuk. - Jika sebuah loop kawat ditarik keluar dari daerah medan magnet, arus induksi akan mengalir sedemikian rupa sehingga…
A. Medan magnet induksi memperkuat medan magnet eksternal.
B. Medan magnet induksi menentang hilangnya fluks magnetik.
C. Medan magnet induksi searah dengan gerakan loop.
D. Tidak ada arus induksi yang terjadi.
E. Energi listrik dihasilkan tanpa usaha. - Manakah dari berikut ini yang BUKAN merupakan konsekuensi dari Hukum Lenz?
A. Arus induksi selalu berusaha mempertahankan fluks magnetik.
B. Terjadinya gaya tolak atau tarik pada konduktor.
C. Hukum kekekalan energi berlaku pada induksi elektromagnetik.
D. GGL induksi berbanding lurus dengan perubahan fluks magnetik.
E. Arah arus induksi berlawanan dengan penyebabnya. - Sebuah kumparan diletakkan di dekat kawat lurus panjang yang dialiri arus listrik. Jika arus pada kawat lurus diperbesar, maka arus induksi pada kumparan akan…
A. Searah dengan arus pada kawat lurus.
B. Berlawanan arah dengan arus pada kawat lurus.
C. Tidak ada arus induksi.
D. Tergantung pada bahan kumparan.
E. Tergantung pada arah lilitan kumparan. - Sebuah cincin konduktor dijatuhkan dari ketinggian tertentu dan melewati daerah medan magnet. Saat cincin masuk ke dalam medan magnet, gaya magnetik yang bekerja padanya akan…
A. Mempercepat jatuh cincin.
B. Menghambat jatuh cincin.
C. Tidak mempengaruhi jatuh cincin.
D. Mengubah arah jatuh cincin.
E. Memutar cincin. - Sebuah solenoida dialiri arus listrik. Jika arus pada solenoida tiba-tiba diputus, cincin konduktor yang berada di dekat ujung solenoida akan mengalami…
A. Gaya tolak.
B. Gaya tarik.
C. Tidak ada gaya.
D. Pemanasan saja.
E. Perubahan bentuk. - Prinsip Hukum Lenz digunakan dalam aplikasi berikut, KECUALI…
A. Rem magnetik pada kereta api.
B. Generator listrik.
C. Transformator.
D. Pemanas induksi.
E. Motor listrik DC. - Perubahan fluks magnetik yang menembus suatu kumparan dapat disebabkan oleh…
A. Perubahan kuat arus listrik pada kumparan itu sendiri.
B. Perubahan luas penampang kumparan.
C. Perubahan orientasi kumparan terhadap medan magnet.
D. Perubahan kuat medan magnet.
E. Semua jawaban di atas benar. - Mengapa Hukum Lenz merupakan konsekuensi dari Hukum Kekekalan Energi?
A. Karena energi listrik yang dihasilkan selalu lebih kecil dari energi mekanik yang diberikan.
B. Karena arah arus induksi selalu menentang penyebabnya, sehingga diperlukan usaha untuk mempertahankan perubahan fluks.
C. Karena tidak ada energi yang hilang selama proses induksi.
D. Karena energi magnetik diubah menjadi energi listrik.
E. Karena GGL induksi selalu positif. - Sebuah batang konduktor digerakkan ke kanan dengan kecepatan v dalam medan magnet B yang seragam dan masuk bidang. Arah arus induksi pada batang adalah…
A. Ke atas.
B. Ke bawah.
C. Ke kanan.
D. Ke kiri.
E. Tidak ada arus. - Sebuah kumparan diletakkan di atas meja. Sebuah magnet batang dijatuhkan dari atas, dengan kutub utara terlebih dahulu mendekati kumparan. Medan magnet induksi yang dihasilkan kumparan akan memiliki arah…
A. Keluar dari kumparan (ke atas).
B. Masuk ke dalam kumparan (ke bawah).
C. Searah dengan medan magnet bumi.
D. Berlawanan arah dengan medan magnet bumi.
E. Tidak ada medan magnet induksi. - Jika kuat medan magnet yang menembus suatu kumparan berkurang secara tiba-tiba, maka GGL induksi yang timbul akan menghasilkan arus yang cenderung…
A. Memperbesar medan magnet semula.
B. Memperkecil medan magnet semula.
C. Tidak mempengaruhi medan magnet.
D. Menghilangkan medan magnet.
E. Mengubah arah medan magnet. - Sebuah kumparan dihubungkan dengan galvanometer. Ketika kutub selatan magnet dijauhkan dari kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan dengan kecepatan yang sama, jarum galvanometer akan menyimpang ke…
A. Kanan.
B. Kiri.
C. Tidak menyimpang.
D. Kanan lalu kiri.
E. Kiri lalu kanan. - Dalam sebuah transformator, efisiensi tinggi diperoleh karena…
A. Adanya inti besi lunak yang memperkuat medan magnet.
B. Terjadinya GGL induksi pada kumparan sekunder.
C. Fluks magnetik yang dihasilkan kumparan primer hampir seluruhnya dilingkupi kumparan sekunder.
D. Tidak ada rugi-rugi energi.
E. Hukum Lenz tidak berlaku. - Sebuah kawat berbentuk U diletakkan dalam medan magnet seragam yang arahnya masuk bidang. Sebuah batang konduktor diletakkan di atas kawat U dan digerakkan ke kiri. Arah arus induksi pada batang adalah…
A. Ke atas.
B. Ke bawah.
C. Ke kiri.
D. Ke kanan.
E. Tidak ada arus. - Jika sebuah cincin superkonduktor didekati oleh magnet, apa yang akan terjadi pada magnet tersebut?
A. Magnet akan tertarik ke cincin.
B. Magnet akan ditolak oleh cincin.
C. Magnet akan bergerak bebas tanpa hambatan.
D. Magnet akan berhenti seketika.
E. Cincin akan meleleh. - Sebuah kumparan memiliki induktansi diri L. Jika arus yang mengalir melalui kumparan berkurang, maka GGL induksi diri yang timbul akan…
A. Searah dengan perubahan arus.
B. Berlawanan arah dengan perubahan arus.
C. Searah dengan arus awal.
D. Berlawanan arah dengan arus awal.
E. Tidak ada GGL induksi diri. - Sebuah pesawat terbang melaju horizontal di atas permukaan bumi. Sayap pesawat memiliki panjang L. Jika komponen vertikal medan magnet bumi adalah Bv, dan kecepatan pesawat adalah v, maka GGL induksi yang timbul di antara ujung-ujung sayap adalah…
A. Bv L v
B. 1/2 Bv L v
C. Bv L / v
D. Bv v / L
E. Tidak ada GGL induksi. - Mengapa kumparan yang digerakkan dalam medan magnet mengalami hambatan?
A. Karena medan magnet menarik kumparan.
B. Karena medan magnet menolak kumparan.
C. Karena arus induksi yang timbul menghasilkan gaya magnetik yang menentang gerakan kumparan.
D. Karena kumparan menjadi bermuatan listrik.
E. Karena kumparan memanas.
II. Soal Isian Singkat
- Hukum Lenz menjelaskan tentang arah ______ induksi.
- Satuan internasional untuk fluks magnetik adalah ______.
- GGL induksi akan timbul jika ada perubahan ______ magnetik yang menembus kumparan.
- Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan, sisi kumparan yang didekati akan menjadi kutub ______ induksi.
- Perubahan fluks magnetik yang semakin cepat akan menghasilkan GGL induksi yang semakin ______.
III. Soal Uraian
- Jelaskan prinsip Hukum Lenz dan bagaimana hubungannya dengan Hukum Kekekalan Energi.
- Sebuah kumparan dengan N lilitan dan luas penampang A berada dalam medan magnet seragam B. Jelaskan tiga cara berbeda agar GGL induksi dapat timbul pada kumparan tersebut, sesuai dengan Hukum Faraday dan Hukum Lenz.
- Sebuah kawat konduktor sepanjang 20 cm digerakkan dengan kecepatan 5 m/s tegak lurus terhadap medan magnet seragam sebesar 0,4 T. Hitunglah besar GGL induksi yang timbul pada kawat tersebut dan tentukan arah arus induksi jika arah medan magnet masuk bidang dan kawat digerakkan ke kanan.
- Jelaskan perbedaan mendasar antara Hukum Faraday tentang Induksi Elektromagnetik dan Hukum Lenz.
- Sebuah batang magnet dijatuhkan melalui cincin konduktor yang diam. Jelaskan fenomena yang terjadi pada cincin tersebut saat magnet mendekat dan saat magnet menjauh.
IV. Soal Menjodohkan
Jodohkan pernyataan di kolom A dengan konsep/prinsip yang tepat di kolom B.
Set 1
Kolom A
- Prinsip kekekalan energi dalam induksi elektromagnetik.
- Arah medan magnet induksi yang menentang perubahan fluks.
- Satuan untuk laju perubahan fluks magnetik.
Kolom B
- Hukum Faraday
- Hukum Lenz
- Volt
Set 2
Kolom A
- Perangkat yang bekerja berdasarkan perubahan fluks magnetik untuk mengubah tegangan.
- Terjadinya GGL induksi akibat perubahan arus pada kumparan itu sendiri.
- Aplikasi Hukum Lenz pada sistem pengereman.
Kolom B
- Rem Magnetik
- Induktansi Diri
- Transformator
Kunci Jawaban
I. Pilihan Ganda
- Jawaban: A. Penjelasan: Hukum Lenz menyatakan bahwa arah arus induksi selalu sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang menentang perubahan fluks magnetik penyebabnya.
- Jawaban: A. Penjelasan: Untuk menentang pendekatan kutub utara, kumparan harus menghasilkan kutub utara di sisi yang didekati agar terjadi gaya tolak.
- Jawaban: B. Penjelasan: Saat loop ditarik keluar, fluks magnetik yang menembus loop berkurang. Arus induksi akan berusaha menentang pengurangan ini dengan menciptakan medan magnet yang searah dengan medan magnet eksternal.
- Jawaban: D. Penjelasan: Pilihan D adalah pernyataan dari Hukum Faraday, bukan Hukum Lenz. Hukum Lenz lebih fokus pada arah arus induksi dan hubungannya dengan kekekalan energi.
- Jawaban: B. Penjelasan: Peningkatan arus pada kawat lurus akan meningkatkan fluks magnetik yang menembus kumparan. Untuk menentang peningkatan ini, arus induksi pada kumparan akan menghasilkan medan magnet yang berlawanan arah, yang berarti arus induksi berlawanan arah dengan arus kawat lurus.
- Jawaban: B. Penjelasan: Saat cincin masuk, fluks magnetik berubah, menyebabkan arus induksi. Arus induksi ini akan menghasilkan medan magnet yang menentang perubahan fluks, sehingga timbul gaya magnetik yang menghambat gerakan cincin (sesuai Hukum Lenz dan kekekalan energi).
- Jawaban: B. Penjelasan: Saat arus diputus, medan magnet solenoida menghilang, menyebabkan fluks magnetik melalui cincin berkurang. Cincin akan menghasilkan arus induksi untuk menentang pengurangan fluks, yaitu dengan menciptakan medan magnet yang searah dengan medan awal solenoida, sehingga terjadi gaya tarik.
- Jawaban: E. Penjelasan: Motor listrik DC bekerja berdasarkan prinsip gaya Lorentz pada kawat berarus dalam medan magnet, bukan primernya pada induksi elektromagnetik yang dijelaskan oleh Hukum Lenz secara langsung sebagai penyebab utama gerakannya (meskipun ada GGL balik).
- Jawaban: E. Penjelasan: Fluks magnetik (Φ = BA cos θ) dapat berubah jika B (kuat medan magnet), A (luas), atau θ (sudut antara normal bidang dan B) berubah. Perubahan arus pada kumparan sendiri (induktansi diri), perubahan luas, dan perubahan orientasi/kuat medan magnet semuanya menyebabkan perubahan fluks.
- Jawaban: B. Penjelasan: Jika arus induksi tidak menentang penyebabnya, maka perubahan fluks akan diperkuat, menghasilkan lebih banyak arus, dan seterusnya, menciptakan energi tanpa batas. Ini melanggar hukum kekekalan energi. Oleh karena itu, diperlukan usaha eksternal untuk mengatasi gaya penentang yang timbul.
- Jawaban: A. Penjelasan: Menggunakan kaidah tangan kanan (atau Hukum Lenz), jika batang bergerak ke kanan, fluks magnetik yang masuk bidang bertambah. Arus induksi akan menciptakan medan magnet keluar bidang untuk menentang penambahan ini. Dengan ibu jari menunjuk keluar (arah B induksi), jari-jari lain melengkung ke atas, menunjukkan arah arus.
- Jawaban: A. Penjelasan: Kutub utara mendekat berarti fluks magnetik ke bawah (masuk kumparan) bertambah. Untuk menentang penambahan ini, kumparan akan menghasilkan medan magnet induksi yang berlawanan arah, yaitu ke atas (keluar dari kumparan).
- Jawaban: A. Penjelasan: Fluks magnetik berkurang, sehingga arus induksi akan berusaha menentang pengurangan ini dengan memperkuat medan magnet semula (yaitu, menghasilkan medan magnet induksi yang searah dengan medan magnet semula).
- Jawaban: B. Penjelasan: Menjauhkan kutub selatan menyebabkan fluks berkurang, arus induksi menciptakan kutub utara. Mendekatkan kutub utara menyebabkan fluks bertambah, arus induksi menciptakan kutub utara. Kedua kondisi ini menghasilkan arah arus induksi yang berlawanan, sehingga jarum galvanometer menyimpang ke arah yang berlawanan.
- Jawaban: C. Penjelasan: Efisiensi transformator tinggi karena kopling fluks yang baik antara primer dan sekunder, yang berarti fluks yang dihasilkan primer hampir seluruhnya menembus sekunder.
- Jawaban: A. Penjelasan: Batang bergerak ke kiri, sehingga luas loop bertambah, dan fluks magnetik masuk bidang bertambah. Untuk menentang penambahan fluks ini, arus induksi harus menghasilkan medan magnet keluar bidang. Dengan kaidah tangan kanan, jika B induksi keluar bidang, arah arus pada batang adalah ke atas.
- Jawaban: B. Penjelasan: Cincin superkonduktor tidak memiliki hambatan listrik, sehingga arus induksi yang sangat besar dapat mengalir di dalamnya. Berdasarkan Hukum Lenz, arus ini akan menghasilkan medan magnet yang sangat kuat untuk menentang perubahan fluks, menyebabkan gaya tolak yang kuat pada magnet (efek Meissner).
- Jawaban: C. Penjelasan: Jika arus berkurang, fluks magnetik yang dihasilkan kumparan berkurang. GGL induksi diri akan berusaha menentang pengurangan ini dengan menghasilkan arus induksi yang searah dengan arus awal untuk mempertahankan fluks. Jadi, GGL induksi diri akan searah dengan arus awal.
- Jawaban: A. Penjelasan: Ini adalah kasus GGL induksi pada kawat bergerak dalam medan magnet, GGL = B L v, di mana B adalah komponen medan magnet yang tegak lurus terhadap arah gerakan dan panjang kawat. Di sini, Bv tegak lurus terhadap L dan v.
- Jawaban: C. Penjelasan: Sesuai Hukum Lenz, arus induksi yang timbul akibat gerakan kumparan akan menghasilkan medan magnet induksi yang pada gilirannya akan berinteraksi dengan medan magnet eksternal, menciptakan gaya magnetik yang arahnya selalu menentang arah gerakan kumparan. Ini adalah manifestasi dari hukum kekekalan energi.
II. Isian Singkat
- Jawaban: arus
- Jawaban: Weber (Wb)
- Jawaban: fluks
- Jawaban: utara
- Jawaban: besar
III. Uraian
- Pembahasan: Hukum Lenz menyatakan bahwa arah arus induksi yang timbul pada suatu rangkaian selalu sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnet induksi yang menentang perubahan fluks magnetik penyebabnya. Artinya, jika fluks magnetik bertambah, arus induksi akan berusaha menguranginya; jika fluks magnetik berkurang, arus induksi akan berusaha menambahnya. Hubungannya dengan Hukum Kekekalan Energi adalah sebagai berikut: Jika arus induksi tidak menentang perubahan fluks penyebabnya, maka perubahan tersebut akan diperkuat, menghasilkan lebih banyak arus, dan seterusnya, tanpa perlu usaha dari luar. Ini akan menciptakan energi secara terus-menerus yang melanggar Hukum Kekekalan Energi. Oleh karena itu, agar Hukum Kekekalan Energi tetap berlaku, harus ada gaya atau usaha eksternal yang diperlukan untuk mengatasi gaya penentang yang timbul akibat induksi elektromagnetik. Energi mekanik yang diberikan untuk mengatasi gaya penentang inilah yang kemudian diubah menjadi energi listrik dalam bentuk GGL dan arus induksi.
- Pembahasan: GGL induksi timbul ketika ada perubahan fluks magnetik (Φ) yang menembus kumparan, di mana Φ = BA cos θ. Tiga cara untuk mengubah fluks magnetik adalah:
a. Mengubah kuat medan magnet (B): Jika kuat medan magnet B yang menembus kumparan berubah terhadap waktu (misalnya, dengan mendekatkan atau menjauhkan magnet permanen, atau mengubah arus pada solenoida di dekatnya), maka fluks magnetik akan berubah, sehingga timbul GGL induksi.
b. Mengubah luas penampang kumparan (A): Jika luas efektif kumparan yang dilingkupi medan magnet berubah (misalnya, dengan menarik atau mendorong kawat konduktor dalam loop), maka fluks magnetik akan berubah, dan GGL induksi akan timbul.
c. Mengubah orientasi kumparan terhadap medan magnet (θ): Jika sudut θ antara vektor normal bidang kumparan dan arah medan magnet B berubah (misalnya, dengan memutar kumparan dalam medan magnet), maka komponen fluks yang menembus kumparan akan berubah, sehingga GGL induksi akan timbul. Ini adalah prinsip kerja generator listrik. - Pembahasan:
Diketahui:
Panjang kawat (L) = 20 cm = 0,2 m
Kecepatan (v) = 5 m/s
Medan magnet (B) = 0,4 TBesar GGL induksi (ε) dihitung dengan rumus:
ε = B L v
ε = 0,4 T × 0,2 m × 5 m/s
ε = 0,4 VUntuk menentukan arah arus induksi:
Medan magnet (B) masuk bidang. Kawat digerakkan ke kanan.
Ketika kawat bergerak ke kanan, luas daerah yang dilingkupi kawat (jika ada loop) atau fluks magnetik yang masuk bidang akan bertambah.
Menurut Hukum Lenz, arus induksi akan menghasilkan medan magnet induksi yang menentang penambahan fluks ini, yaitu medan magnet induksi harus keluar bidang.
Menggunakan kaidah tangan kanan untuk arah arus dan medan magnet (ibu jari arah arus, jari-jari melingkar arah medan magnet), jika medan induksi keluar bidang, maka arah arus pada kawat adalah ke atas.
Alternatifnya, menggunakan kaidah tangan kanan Fleming: Ibu jari (gaya/gerak) ke kanan, telunjuk (medan magnet) masuk bidang, maka jari tengah (arus) menunjuk ke atas.
Jadi, besar GGL induksi adalah 0,4 V dan arah arus induksi adalah ke atas. - Pembahasan: Meskipun keduanya berkaitan erat dengan induksi elektromagnetik, Hukum Faraday dan Hukum Lenz memiliki fokus yang berbeda:
a. Hukum Faraday: Berfokus pada kuantitas atau besar GGL induksi. Hukum Faraday menyatakan bahwa besar GGL induksi yang timbul pada suatu rangkaian sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang menembusnya. Rumusnya adalah ε = -N (dΦ/dt), di mana N adalah jumlah lilitan dan dΦ/dt adalah laju perubahan fluks magnetik. Tanda negatif dalam rumus ini secara matematis menunjukkan arah yang dijelaskan oleh Hukum Lenz.
b. Hukum Lenz: Berfokus pada arah GGL induksi atau arus induksi. Hukum Lenz menyatakan bahwa arah arus induksi yang timbul selalu sedemikian rupa sehingga menentang perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya. Ini adalah pernyataan kualitatif mengenai arah, dan merupakan konsekuensi langsung dari hukum kekekalan energi.
Singkatnya, Hukum Faraday memberitahu “berapa besar” GGL induksi, sedangkan Hukum Lenz memberitahu “ke mana arah” arus induksi. - Pembahasan:
a. Saat magnet mendekat ke cincin: Misalkan kutub utara magnet dijatuhkan mendekati cincin. Fluks magnetik yang menembus cincin (ke bawah, jika utara mendekat) akan bertambah. Menurut Hukum Lenz, arus induksi akan timbul pada cincin dengan arah sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet induksi yang menentang penambahan fluks ini. Artinya, cincin akan membentuk kutub utara di sisi atasnya (yang berhadapan dengan magnet) untuk menolak magnet. Akibatnya, akan timbul gaya tolak antara magnet dan cincin, yang memperlambat laju jatuh magnet.
b. Saat magnet menjauh dari cincin: Setelah melewati cincin, kutub utara magnet akan menjauh dari cincin. Fluks magnetik yang menembus cincin (ke bawah) akan berkurang. Menurut Hukum Lenz, arus induksi akan timbul pada cincin dengan arah yang berlawanan dari sebelumnya, yaitu menghasilkan medan magnet induksi yang berusaha mempertahankan fluks. Cincin akan membentuk kutub selatan di sisi atasnya (yang berhadapan dengan magnet) untuk menarik magnet. Akibatnya, akan timbul gaya tarik antara magnet dan cincin, yang juga memperlambat laju jatuh magnet.
Dalam kedua kasus, energi mekanik magnet diubah menjadi energi listrik (dan panas) di cincin, sesuai dengan hukum kekekalan energi.
IV. Menjodohkan
- Set 1: 1-B, 2-B, 3-C
- Set 2: 1-C, 2-B, 3-A