Kumpulan Soal Fisika Induktansi Lengkap: Pilihan Ganda, Esai, & Pembahasan!

A. Pilihan Ganda

1. Satuan internasional untuk induktansi adalah…
   • Ohm
   • Farad
   • Ampere
   • Henry
   Jawaban: Henry
   Penjelasan: Satuan standar internasional untuk induktansi adalah Henry (H).
2. Faktor-faktor yang mempengaruhi besar induktansi suatu solenoida adalah…
   • Jumlah lilitan dan hambatan kawat
   • Tegangan dan arus
   • Jumlah lilitan, luas penampang, panjang kumparan, dan permeabilitas inti
   • Massa kawat dan jenis isolasi
   Jawaban: Jumlah lilitan, luas penampang, panjang kumparan, dan permeabilitas inti
   Penjelasan: Induktansi suatu kumparan dipengaruhi oleh jumlah lilitan (N²), luas penampang (A), panjang kumparan (L), dan permeabilitas inti (μ). Rumus umumnya L = (μ N² A) / L.
3. Sifat utama induktor adalah…
   • Menyimpan muatan listrik
   • Menghasilkan GGL induksi yang menentang perubahan arus
   • Menghambat aliran arus searah
   • Mengubah energi listrik menjadi energi cahaya
   Jawaban: Menghasilkan GGL induksi yang menentang perubahan arus
   Penjelasan: Induktansi adalah sifat kumparan yang menentang perubahan arus yang melaluinya dengan menghasilkan GGL induksi diri. Ini sesuai dengan Hukum Lenz.
4. Rumus energi yang tersimpan dalam induktor adalah…
   • U = 1/2 C V²
   • U = R I² t
   • U = 1/2 L I²
   • U = V I
   Jawaban: U = 1/2 L I²
   Penjelasan: Energi yang tersimpan dalam medan magnet induktor diberikan oleh rumus U = 1/2 L I², di mana L adalah induktansi dan I adalah arus.
5. Memasukkan inti besi ke dalam sebuah kumparan akan…
   • Mengurangi induktansi kumparan
   • Meningkatkan hambatan kumparan
   • Menghilangkan induksi diri
   • Meningkatkan induktansi kumparan
   Jawaban: Meningkatkan induktansi kumparan
   Penjelasan: Menambahkan inti besi (bahan feromagnetik) ke dalam kumparan akan meningkatkan permeabilitas magnetik (μ), yang secara signifikan meningkatkan induktansi kumparan tersebut.
6. Sebuah induktor memiliki induktansi 0.5 H. Jika arus yang mengalir melalui induktor berubah dengan laju 8 A/s, besar GGL induksi diri yang timbul adalah…
   • GGL induksi diri adalah 0.25 V
   • GGL induksi diri adalah 4 V
   • GGL induksi diri adalah 16 V
   • GGL induksi diri adalah 0.0625 V
   Jawaban: GGL induksi diri adalah 4 V
   Penjelasan: GGL induksi diri (ε) = -L (dI/dt). Diketahui L = 0.5 H dan dI/dt = 8 A/s. Maka, ε = -(0.5 H)(8 A/s) = -4 V. Besar GGL induksi adalah 4 V.
7. Sebuah rangkaian RL seri terdiri dari resistor 20 Ω dan induktor 4 H dihubungkan dengan sumber tegangan DC 50 V. Arus yang mengalir dalam rangkaian setelah waktu yang sangat lama (kondisi tunak) adalah…
   • I = 0 A
   • I = 2.5 A
   • I = 50 A
   • I = 10 A
   Jawaban: I = 2.5 A
   Penjelasan: Pada kondisi tunak (steady-state), induktor bertindak seperti kawat biasa (hambatannya nol) karena dI/dt = 0. Jadi, arus maksimum adalah I = V/R = 50 V / 20 Ω = 2.5 A.
8. Mengacu pada soal nomor 7, konstanta waktu (τ) rangkaian tersebut adalah…
   • Konstanta waktu (τ) = 80 s
   • Konstanta waktu (τ) = 0.2 s
   • Konstanta waktu (τ) = 5 s
   • Konstanta waktu (τ) = 0.05 s
   Jawaban: Konstanta waktu (τ) = 0.2 s
   Penjelasan: Konstanta waktu (τ) untuk rangkaian RL adalah τ = L/R. τ = 4 H / 20 Ω = 0.2 s.
9. Fenomena di mana perubahan arus pada satu kumparan menginduksi GGL pada kumparan lain yang berdekatan disebut…
   • Induktansi diri
   • Hambatan listrik
   • Kapasitansi
   • Induktansi silang
   Jawaban: Induktansi silang
   Penjelasan: Transfer energi tanpa kontak langsung antar kumparan melalui medan magnet adalah prinsip induktansi silang, yang merupakan dasar kerja transformator.
10. Salah satu aplikasi utama induktor dalam elektronika adalah sebagai…
    • Penyimpan muatan listrik
    • Filter frekuensi rendah
    • Sumber tegangan
    • Penyerap energi panas
    Jawaban: Filter frekuensi rendah
    Penjelasan: Induktor banyak digunakan sebagai filter frekuensi rendah (low-pass filter) karena reaktansinya (X_L = 2πfL) meningkat dengan frekuensi, sehingga menghambat frekuensi tinggi dan meloloskan frekuensi rendah. Induktor juga digunakan pada sirkuit tuning dan choke.
11. Bagaimana hubungan antara fluks magnetik (Φ) yang melalui sebuah kumparan dengan induktansinya (L) dan arus (I)?
    • Fluks magnetik melalui kumparan berbanding terbalik dengan arus yang mengalir
    • Fluks magnetik melalui kumparan berbanding lurus dengan kuadrat arus
    • Fluks magnetik melalui kumparan berbanding lurus dengan arus yang mengalir
    • Fluks magnetik tidak bergantung pada arus
    Jawaban: Fluks magnetik melalui kumparan berbanding lurus dengan arus yang mengalir
    Penjelasan: Hubungan antara fluks magnetik (Φ) dan induktansi (L) pada sebuah kumparan adalah Φ = L I, menunjukkan bahwa fluks magnetik sebanding dengan arus yang mengalir melalui kumparan.
12. Sebuah induktor 2 H dialiri arus sebesar 1 A. Berapa energi yang tersimpan dalam induktor tersebut?
    • Energi yang tersimpan adalah 2 J
    • Energi yang tersimpan adalah 1 J
    • Energi yang tersimpan adalah 0.5 J
    • Energi yang tersimpan adalah 4 J
    Jawaban: Energi yang tersimpan adalah 1 J
    Penjelasan: Energi (U) = 1/2 L I² = 1/2 (2 H) (1 A)² = 1/2 (2)(1) = 1 J.
13. Solenoida dengan 100 lilitan, panjang 10 cm, dan luas penampang 1 cm². Jika inti udara, berapakah induktansinya? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T m/A)
    • 4 μH
    • 40 μH
    • 400 μH
    • 4 mH
    Jawaban: 4 μH
    Penjelasan: Induktansi solenoida L = (μ₀ N² A) / L. Dengan μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T m/A, N = 100 lilitan, A = 1 cm² = 1 × 10⁻⁴ m², L = 10 cm = 0.1 m.
    L = (4π × 10⁻⁷ × 100² × 1 × 10⁻⁴) / 0.1
    L = (4π × 10⁻⁷ × 10⁴ × 10⁻⁴) / 10⁻¹
    L = (4π × 10⁻⁷) / 10⁻¹ = 4π × 10⁻⁶ H ≈ 1.256 × 10⁻⁵ H.
    Jika mengabaikan π untuk perkiraan, L = (4 × 10⁻⁷ × 10⁴ × 10⁻⁴) / 10⁻¹ = 4 × 10⁻⁶ H = 4 μH.
14. Jika arus yang mengalir melalui sebuah induktor memiliki nilai konstan, maka…
    • GGL induksi akan sangat besar
    • GGL induksi akan bernilai nol
    • Induktansi induktor akan berubah
    • Induktor akan berfungsi sebagai kapasitor
    Jawaban: GGL induksi akan bernilai nol
    Penjelasan: GGL induksi (ε) = -L dI/dt. Jika arus mengalir dengan nilai konstan, maka dI/dt = 0, sehingga GGL induksi yang dihasilkan adalah nol.
15. Hukum fisika yang menjelaskan bahwa arah GGL induksi selalu menentang penyebabnya adalah Hukum…
    • Ohm
    • Faraday
    • Kirchhoff
    • Lenz
    Jawaban: Lenz
    Penjelasan: Hukum Lenz menyatakan bahwa arah GGL induksi selalu menentang perubahan fluks magnetik yang menyebabkannya. Ini berlaku untuk induktor yang menghasilkan GGL induksi diri.
16. Pada rangkaian RL yang dialiri arus, jika sumber tegangan DC dilepas dan diganti dengan hubungan singkat, apa yang terjadi pada arus yang mengalir?
    • Arus akan meningkat secara eksponensial
    • Arus akan menurun secara eksponensial
    • Arus akan langsung menjadi nol
    • Arus akan tetap konstan
    Jawaban: Arus akan menurun secara eksponensial
    Penjelasan: Saat sumber tegangan DC dilepas dari rangkaian RL (misalnya, dihubungkan singkat), energi yang tersimpan dalam induktor akan dilepaskan melalui resistor, menyebabkan arus menurun secara eksponensial dari nilai maksimumnya.
17. Contoh perangkat yang paling jelas memanfaatkan prinsip induktansi silang adalah…
    • Kapasitor
    • Resistor
    • Dioda
    • Transformator
    Jawaban: Transformator
    Penjelasan: Transformator bekerja berdasarkan prinsip induktansi silang untuk menaikkan atau menurunkan tegangan.
18. Untuk meningkatkan nilai induktansi sebuah kumparan, salah satu cara yang paling efektif adalah…
    • Memperbesar luas penampang kawat
    • Memperpendek panjang kumparan
    • Memperbesar jumlah lilitan
    • Mengganti inti dengan bahan non-magnetik
    Jawaban: Memperbesar jumlah lilitan
    Penjelasan: Induktansi (L) sebanding dengan kuadrat jumlah lilitan (N²). Jadi, memperbesar jumlah lilitan akan meningkatkan induktansi.
19. Tiga induktor dengan induktansi L₁, L₂, dan L₃ dihubungkan secara seri. Jika tidak ada induktansi silang antar induktor, maka induktansi totalnya adalah…
    • Induktansi totalnya L₁ L₂ L₃
    • Induktansi totalnya L₁ + L₂ + L₃
    • Induktansi totalnya (1/L₁ + 1/L₂ + 1/L₃)⁻¹
    • Induktansi totalnya L₁ / (L₂ + L₃)
    Jawaban: Induktansi totalnya L₁ + L₂ + L₃
    Penjelasan: Jika induktor dihubungkan secara seri dan efek induktansi silang dapat diabaikan, induktansi totalnya adalah jumlah induktansi masing-masing induktor (L_total = L₁ + L₂ + L₃).
20. Sebuah induktor 2 H menghasilkan GGL induksi sebesar 120 V. Berapakah laju perubahan arus (dI/dt) yang terjadi pada induktor tersebut?
    • 240 A/s
    • 60 A/s
    • 0.016 A/s
    • 120 A/s
    Jawaban: 60 A/s
    Penjelasan: GGL induksi (ε) = -L dI/dt. Kita ambil besar nilai mutlaknya. Maka, dI/dt = ε / L = 120 V / 2 H = 60 A/s.

B. Isian Singkat

1. Jelaskan pengertian induktansi diri.
   Jawaban: Induktansi diri adalah kemampuan suatu komponen (biasanya kumparan) untuk menghasilkan GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi pada dirinya sendiri ketika ada perubahan arus listrik yang mengalir melaluinya.
2. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besar induktansi sebuah kumparan.
   Jawaban: Faktor-faktor yang mempengaruhi besar induktansi sebuah kumparan antara lain:
   1. Jumlah lilitan kumparan (N).
   2. Luas penampang kumparan (A).
   3. Panjang kumparan (L).
   4. Permeabilitas magnetik bahan inti (μ).
3. Bagaimana hubungan antara energi yang tersimpan dalam induktor dengan arus yang mengalir?
   Jawaban: Energi yang tersimpan dalam induktor (U) berbanding lurus dengan kuadrat arus listrik (I) yang mengalir melalui induktor. Rumusnya adalah U = 1/2 L I², di mana L adalah induktansi.
4. Apa yang dimaksud dengan konstanta waktu (τ) dalam rangkaian RL?
   Jawaban: Konstanta waktu (τ) dalam rangkaian RL adalah waktu yang dibutuhkan agar arus dalam rangkaian mencapai sekitar 63.2% dari nilai maksimumnya saat terjadi pertumbuhan arus, atau menurun menjadi sekitar 36.8% dari nilai maksimumnya saat terjadi peluruhan arus. τ dihitung dengan rumus L/R.
5. Berikan satu contoh penerapan induktor dalam kehidupan sehari-hari.
   Jawaban: Salah satu contoh penerapan induktor dalam kehidupan sehari-hari adalah pada transformator, filter pada sirkuit elektronik (misalnya pada adaptor charger), atau sebagai choke dalam balast lampu neon.

C. Uraian

1. Jelaskan dan turunkan persamaan energi yang tersimpan dalam induktor (U = 1/2 L I²).
   Pembahasan:
   Induktansi diri (L) adalah sifat suatu kumparan untuk menentang perubahan arus listrik yang melaluinya, dengan menghasilkan GGL induksi diri. Ketika arus (I) mengalir melalui induktor, ia menghasilkan medan magnet dan fluks magnetik (Φ) yang sebanding dengan arus tersebut (Φ = L I). Energi (U) yang tersimpan dalam medan magnet ini diberikan oleh U = 1/2 L I². Untuk menurunkan persamaan ini, kita bisa memulai dari definisi daya P = V I. GGL induksi diri adalah V = -L dI/dt (kita ambil nilai mutlak untuk energi). Daya yang disimpan oleh induktor adalah P = I (-L dI/dt). Energi adalah integral daya terhadap waktu: U = ∫ P dt = ∫ (-L dI/dt) I dt. Karena I adalah fungsi dari waktu, kita bisa mengubah integral menjadi terhadap dI: U = ∫ -L I dI. Mengintegrasikan dari 0 hingga I (arus akhir) memberikan U = -L [1/2 I²] dari 0 sampai I, yang menghasilkan U = -1/2 L I². Tanda negatif biasanya diabaikan karena energi yang tersimpan selalu positif, sehingga U = 1/2 L I².
2. Jelaskan prinsip kerja dan perbedaan antara induktansi diri dan induktansi silang (mutual inductance). Berikan contoh situasinya.
   Pembahasan:
   Induktansi diri (self-inductance) adalah kemampuan suatu komponen (biasanya kumparan) untuk menghasilkan GGL induksi pada dirinya sendiri ketika ada perubahan arus yang mengalir melaluinya. Contoh situasinya adalah sebuah solenoida tunggal yang dialiri arus bolak-balik. GGL induksi diri akan menentang perubahan arus tersebut.

   Induktansi silang (mutual inductance) adalah kemampuan dua kumparan atau lebih untuk saling menginduksi GGL ketika ada perubahan arus pada salah satu kumparan. Perubahan fluks magnetik yang dihasilkan oleh kumparan pertama akan memotong kumparan kedua, dan sebaliknya. Contoh situasinya adalah transformator, di mana perubahan arus pada kumparan primer menginduksi GGL pada kumparan sekunder. Perbedaannya terletak pada ‘objek’ yang diinduksi: induktansi diri pada kumparan itu sendiri, sementara induktansi silang melibatkan interaksi antara dua kumparan terpisah.

3. Sebuah solenoida memiliki panjang L, luas penampang A, dan N lilitan. Jika di dalamnya diisi bahan dengan permeabilitas relatif μᵣ, tentukan rumus induktansinya dan jelaskan setiap variabelnya.
   Pembahasan:
   Induktansi (L) sebuah solenoida dengan panjang L, luas penampang A, dan N lilitan, serta diisi bahan dengan permeabilitas relatif μᵣ, diberikan oleh rumus:
   L = (μ₀ μᵣ N² A) / L

   Penjelasan setiap variabel:
   – L: Induktansi solenoida, satuannya Henry (H).
   – μ₀: Permeabilitas magnetik ruang hampa, nilainya 4π × 10⁻⁷ T m/A.
   – μᵣ: Permeabilitas relatif bahan inti, merupakan konstanta tak berdimensi yang menunjukkan seberapa mudah bahan tersebut termagnetisasi relatif terhadap ruang hampa. Untuk udara/vakum, μᵣ = 1.
   – N: Jumlah lilitan kawat pada solenoida, tanpa satuan (jumlah).
   – A: Luas penampang lintang solenoida, satuannya meter persegi (m²).
   – L: Panjang solenoida, satuannya meter (m).

4. Sebuah rangkaian RL seri terdiri dari resistor R dan induktor L yang dihubungkan dengan sumber tegangan DC V. Jelaskan bagaimana arus dalam rangkaian berubah seiring waktu setelah saklar ditutup. Gambarkan grafiknya dan jelaskan konstanta waktu.
   Pembahasan:
   Ketika saklar ditutup pada rangkaian RL seri yang terdiri dari resistor R dan induktor L yang dihubungkan dengan sumber tegangan DC V, arus dalam rangkaian tidak langsung mencapai nilai maksimumnya. Ini karena induktor akan menghasilkan GGL induksi diri yang menentang perubahan arus.

   Pada saat t = 0 (saklar baru ditutup), arus I = 0. Induktor bertindak seperti sirkuit terbuka karena mencoba menentang kenaikan arus yang tiba-tiba. Seiring waktu, arus mulai mengalir dan meningkat secara eksponensial. GGL induksi diri akan berkurang seiring dengan melambatnya laju perubahan arus. Akhirnya, setelah waktu yang cukup lama (t → ∞), arus mencapai nilai tunak (steady-state) yaitu I_maks = V/R, karena pada kondisi ini perubahan arus (dI/dt) = 0, sehingga GGL induksi pada induktor juga nol dan induktor bertindak seperti kawat biasa.

   Grafik perubahan arus (I) terhadap waktu (t) akan menunjukkan kurva eksponensial naik, dimulai dari I=0 dan mendekati I_maks = V/R secara asimtotis.

   Konstanta waktu (τ) dalam rangkaian RL didefinisikan sebagai τ = L/R. Konstanta waktu ini adalah waktu yang dibutuhkan agar arus dalam rangkaian mencapai sekitar 63.2% dari nilai maksimumnya (I_maks). Semakin besar nilai τ, semakin lama waktu yang dibutuhkan arus untuk mencapai nilai tunaknya, menunjukkan bahwa induktor lebih ‘lambat’ dalam merespons perubahan arus.

5. Dua kumparan diletakkan berdekatan. Jelaskan bagaimana prinsip induktansi silang memungkinkan transfer energi antara kedua kumparan tersebut dan sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besar induktansi silangnya.
   Pembahasan:
   Prinsip induktansi silang memungkinkan transfer energi antara dua kumparan yang diletakkan berdekatan tanpa adanya kontak listrik langsung, melalui medan magnet. Ketika arus listrik pada kumparan pertama (primer) berubah, ia akan menghasilkan perubahan fluks magnetik. Fluks magnetik yang berubah ini kemudian memotong lilitan pada kumparan kedua (sekunder), dan berdasarkan Hukum Faraday, akan menginduksi GGL (Gaya Gerak Listrik) pada kumparan kedua. Jika kumparan sekunder terhubung ke beban, maka arus akan mengalir dan energi listrik pun berpindah dari primer ke sekunder.

   Faktor-faktor yang mempengaruhi besar induktansi silang (M) antara dua kumparan antara lain:
   1. **Jumlah Lilitan (N₁ dan N₂):** Semakin banyak lilitan pada kedua kumparan, semakin besar induktansi silangnya.
   2. **Geometri Kumparan:** Bentuk, ukuran, dan luas penampang kedua kumparan.
   3. **Jarak Antar Kumparan:** Semakin dekat jarak antara kedua kumparan, semakin besar fluks magnetik dari satu kumparan yang dapat memotong kumparan lainnya, sehingga induktansi silangnya semakin besar.
   4. **Orientasi Relatif:** Orientasi atau arah lilitan kedua kumparan juga mempengaruhi kopling fluks. Kopling optimal terjadi saat medan magnet dari satu kumparan sejajar dan sepenuhnya menembus kumparan lainnya.
   5. **Permeabilitas Bahan Inti (μᵣ):** Keberadaan inti feromagnetik di antara atau di dalam kumparan dapat secara drastis meningkatkan induktansi silang karena bahan tersebut dapat memusatkan dan memperkuat medan magnet.

D. Menjodohkan