Tugas 4 KEMAGNETAN
YOSI OVANIRA AMRAN 11.10.010.716.026 FISIKA 11 A
SEKOLAH TINGGI KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN YAYASAN DHARMA BAKTI LUBUK ALUNG 2011/2012
MEDAN MAGNET Selama abad ke delapan belas, banyak filsuf ilmu alam yang mencoba menemukan hubungan antara listrik dan magnet. Muata listrik yang stasiioner dan magnet amak tidak saling mempengaruhi. Akan tetapi pada tahun 1820, Hans Christian Oersted menemukan bahwa ketika jarum kompas di dekat kawat listrik, jarum menyimpang saat kawat dihubungkan ke baterai dan arus dapat mengalir. Berdasarkan percobaan Oersted jarum kompas dapat menyimpang di sekitar arus listrik, sehingga dapat disimpulkan terhadap hal yang ditemukan oleh Oersted adalah bahwa arus listrik menghasilkan medan magnet.
Jarum kompas yang diletakkan di dekat bagian yang lurus dari kawat pembawa arus mengatur suatu hubungan pergerakkan sendiri antara arah medan listrik dan arah medan magnet serta gaya yang terjadi. Berdasarkan gambar 1 di atas, garis medan magnet yang dihasilkan oleh arus di kawat lurus membentuk suatu lingkaran dengan kawat pada pusatnya. Arah garis ini ditunjukkan oleh kutub utara kompas. Ada cara yang sederhana untuk mengingat arah garis-garis medan magnetik pada kasus ini. Cara ini disebut sebagai kaidah tangan kanan. Misalkan anda menggenggam kawat yang berarus tersebut dengan ibu jari meunjuk ke arah positf atau ke arah arus listrik mengalir, maka kemudian jari-jari lain akan melingkari kawat dengan medan magnet. Garis medan magnet di sebabkan oleh loop melingkar kawat pembawa arus dapat ditentukan dengan cara yang sama menggunakan kompas, akan tetapi hasilnya akan sama dengan kaidah tangan kanan.
KEMAGNETAN Pada era teknologi yang serba modern ini magnet memegang peranan yang sangat penting. Dari pengembangan sains, telah berhasil membuat alat transportasi yang menggunakan magnet yang disebut kereta api monorel. Berbagai alat menggunakan magnet seperti alat-alat rumah tangga dan alat-alat komunikasi. Apakah sebenarnya magnet itu? Bagaimanakah prinsip kerja alat-alat itu berdasarkan kemagnetan? KEMAGNETAN BAHAN Kita dapat menggolongkan benda berdasarkan sifatnya. Pernahkah kamu melihat benda yang dapat menarik benda logam lain? Kemampuan suatu benda menarik benda lain yang berada di dekatnya disebut kemagnetan. Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda bukan magnet. Namun, tidak semua benda yang berada di dekat magnet dapat ditarik. Benda yang dapat ditarik magnet disebut benda magnetik. Benda yang tidak dapat ditarik magnet disebut benda nonmagnetik. Benda yang dapat ditarik magnet ada yang dapat ditarik kuat, dan ada yang ditarik secara lemah. Oleh karena itu, benda dikelompokkan menjadi tiga, yaitu benda feromagnetik, benda paramagnetik, dan benda diamagnetik. Benda yang ditarik kuat oleh magnet disebut benda feromagnetik. Contohnya besi, baja, nikel, dan kobalt. Benda yang ditarik lemah oleh magnet disebut benda paramagnetik. Contohnya platina, tembaga, dan garam. Benda yang ditolak oleh magnet dengan lemah disebut benda diamagnetik. Contohnya timah, aluminium, emas, dan bismuth. Benda-benda magnetik yang bukan magnet dapat dijadikan magnet. Benda itu ada yang mudah dan ada yang sulit dijadikan magnet. Baja sulit untuk dibuat magnet, tetapi setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya tidak mudah hilang. Oleh karena itu, baja digunakan untuk membuat magnet tetap (magnet permanen). Besi mudah untuk dibuat magnet, tetapi jika setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya mudah hilang. Oleh karena itu, besi digunakan untuk membuat magnet sementara.
Setiap benda magnetik pada dasarnya terdiri magnet-magnet kecil yang disebut magnet elementer. Cobalah mengingat kembali teori partikel zat di kelas VII. rinsip membuat magnet adalah mengubah susunan magnet elementer yang tidak beraturan menjadi searah dan teratur. Ada tiga cara membuat magnet, yaitu menggosok, induksi, dan arus listrik. 1. Membuat Magnet dengan Cara Menggosok
Besi yang semula tidak bersifat magnet, dapat dijadikan magnet. Caranya besi digosok dengan salah satu ujung magnet tetap. Arah gosokan dibuat searah agar magnet elementer yang terdapat pada besi letaknya menjadi teratur dan mengarah ke satu arah.
2. Membuat Magnet dengan Cara Induksi Besi dan baja dapat dijadikan magnet dengan cara induksi magnet. Besi dan baja diletakkan di dekat magnet tetap. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh atau terinduksi magnet tetap yang menyebabkan letaknya teratur dan mengarah ke satu arah. Besi atau baja akan menjadi magnet sehingga dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya. Ujung besi yang berdekatan dengan kutub magnet batang, akan terbentuk kutub yang selalu berlawanan dengan kutub magnet penginduksi. Apabila kutub utara magnet batang berdekatan dengan ujung A besi, maka ujung A besi menjadi kutub selatan dan ujung B besi menjadi kutub utara atau sebaliknya. 3. Membuat Magnet dengan Cara Arus Listrik Selain dengan cara induksi, besi dan baja dapat dijadikan magnet dengan arus listrik. Besi dan baja dililiti kawat yang dihu- bungkan dengan baterai. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh aliran arus searah (DC) yang dihasilkan baterai. Hal ini menyebabkan magnet elementer letaknya teratur dan mengarah ke satu arah. Besi atau baja akan menjadi magnet dan dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya. Magnet yang demikian disebut magnet listrik atau elektromagnet. Besi yang berujung A dan B dililiti kawat berarus listrik. Kutub magnet yang terbentuk bergantung pada arah arus ujung kumparan. Jika arah arus berlawanan jarum jam maka ujung besi tersebut menjadi kutub utara. Sebaliknya, jika arah arus searah putaran jarum jam maka ujung besi tersebut terbentuk kutub selatan. Dengan demikian, ujung A kutub utara dan B kutub selatan atau sebaliknya. Setelah kita dapat membuat magnet tentu saja ingin menyimpannya. Agar sifat kemagnetan sebuah magnet dapat tahan lama, maka dalam menyimpan magnet diperlukan angker (sepotong besi) yang dipasang pada kutub magnet. Pemasangan angker bertu- juan untuk mengarahkan magnet elementer hingga membentuk rantai tertutup. Untuk menyimpan dua buah magnet batang diperlukan dua angker yang dihubungkan dengan dua kutub magnet yang berlawanan. Jika berupa magnet U untuk menyimpan diperlukan satu angker yang dihubungkan pada kedua kutubnya. Kita sudah mengetahui benda magnetik dapat dijadikan magnet. Sebaliknya magnet juga dapat dihilangkan kemagnetannya. Bagaimana caranya? Sebuah magnet akan hilang sifat kemagnetannya jika magnet dipanaskan, dipukul-pukul, dan dialiri arus listrik bolak-balik. Magnet yang mengalami pemanasan dan pemukulan akan menyebabkan perubahan susunan magnet elementernya. Akibat pemanasan dan pemukulan magnet elementer menjadi tidak teratur dan tidak searah. Penggunaan arus AC menyebabkan arah arus listrik yang selalu berubah-ubah. Perubahan arah arus listrik memengaruhi letak dan arah magnet elementer. Apabila letak dan arah magnet elementer berubah, sifat kemagnetannya hilang.
KUTUB MAGNET Di awal bab ini kamu sudah mengenal istilah kutub magnet. Selanjutnya di bagian ini kamu akan lebih memperdalam sifat-sifat kutub magnet. Jika magnet batang ditaburi serbuk besi atau paku- paku kecil, sebagian besar serbuk besi maupun paku akan melekat pada kedua ujung magnet. Bagian kedua ujung magnet akan lebih banyak serbuk besi atau paku yang menempel daripada di bagian tengahnya. Hal itu menunjukkan bahwa gaya tarik magnet paling kuat terletak pada ujung-ujungnya. Ujung magnet yang memiliki gaya tarik paling kuat itulah yang disebut kutub magnet. Bagai- manakah menentukan jenis kutub magnet? Sebuah magnet batang yang tergantung bebas dalam keadaan setimbang, ujung-ujungnya akan menunjuk arah utara dan arah selatan bumi. Ujung magnet yang menunjuk arah utara bumi disebut kutub utara magnet. Sebaliknya, ujung magnet yang menunjuk arah selatan bumi disebut kutub selatan magnet. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Alat yang digunakan untuk menunjukkan arah utara bumi atau geografis disebut kompas. Kompas merupakan magnet jarum yang dapat bergerak bebas pada sebuah poros. Pada keadaan setimbang salah satu ujung magnet jarum menunjuk arah utara dan ujung lainnya menunjuk arah selatan. Kamu sudah mengetahui bahwa magnet mempunyai dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Apabila dua kutub magnet didekatkan akan saling mengadakan interaksi. Jenis interaksi bergantung jenis-jenis kutub yang berdekatan. KEMAGNETAN BUMI 1. Bumi Sebagai Magnet Kamu sudah mengetahui sebuah magnet batang yang tergantung bebas akan menunjuk arah tertentu. Pada bagian ini, kamu akan mengetahui mengapa magnet bersikap seperti itu. Pada umumnya sebuah magnet terbuat dari bahan besi dan nikel. Keduanya memiliki sifat kemagnetan karena tersusun oleh magnet- magnet elementer. Batuan-batuan pembentuk bumi juga mengan- dung magnet elementer. Bumi dipandang sebagai sebuah magnet batang yang besar yang membujur dari utara ke selatan bumi. Mag- net bumi memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan selatan. Kutub utara magnet bumi terletak di sekitar kutub selatan bumi. Adapun kutub selatan magnet bumi terletak di sekitar kutub utara bumi. Magnet bumi memiliki medan magnet yang dapat memengaruhi jarum kompas dan magnet batang yang tergantung bebas. Medan magnet bumi digambarkan dengan garis-garis leng- kung yang berasal dari kutub selatan bumi menuju kutub utara bumi. Magnet bumi tidak tepat menunjuk arah utara-selatan geografis. Penyimpangan magnet bumi ini akan menghasilkan garis-garis gaya magnet bumi yang menyimpang terhadap arah utara-selatan geografis. Adakah pengaruh penyimpangan magnet bumi terhadap jarum kompas?
2. Deklinasi dan Inklinasi Ambillah sebuah kompas dan letakkan di atas meja dengan penunjuk utara (N) tepat menunjuk arah utara. Amatilah kutub utara jarum kompas. Apakah kutub utara jarum kompas tepat menunjuk arah utara (N)? Berapakah sudut yang dibentuk antara kutub utara jarum kompas dengan arah utara (N)? Jika kita perhatikan kutub utara jarum kompas dalam keadaan setimbang tidak tepat menunjuk arah utara dengan tepat. Penyim- pangan jarum kompas itu terjadi karena letak kutubkutub magnet bumi tidak tepat berada di kutub-kutub bumi, tetapi menyimpang terhadap letak kutub bumi. Hal ini menyebabkan garis-garis gaya magnet bumi mengalami penyimpangan terhadap arah utara-selatan bumi. Akibatnya penyimpangan kutub utara jarum kompas akan membentuk sudut terhadap arah utara-selatan bumi (geografis). Sudut yang dibentuk oleh kutub utara jarum kompas dengan arah utara-selatan geografis disebut deklinasi (Gambar 11.15). Pernahkah kamu memerhatikan mengapa kedudukan jarum kompas tidak mendatar. Penyimpangan jarum kompas itu terjadi ka- rena garis-garis gaya magnet bumi tidak sejajar dengan permukaan bumi (bidang horizontal). Akibatnya, kutub utara jarum kompas menyimpang naik atau turun terhadap permukaan bumi. Penyimpangan kutub utara jarum kompas akan membentuk sudut terhadap bidang datar permukaan bumi. Sudut yang dibentuk oleh kutub utara jarum kompas dengan bidang datar disebut inklinasi (Gambar 11.16). Alat yang digunakan untuk menentukan besar inklinasi disebut inklinator. MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK Arah penyimpangan magnet jarum kompas ketika berada di sekitar arus listrik dapat diterang- kan sebagai berikut. Anggaplah arus listrik terletak di antara telapak tangan kanan dan magnet jarum kompas. Jika arus listrik searah dengan keempat jari, kutub utara magnet jarum akan me- nyimpang sesuai ibu jari. Cara penentuan arah sim- pangan magnet jarum kom- pas demikian disebutkai- dah telapak tangan kanan. Medan magnet di sekitar kawat berarus listrik ditemukan secara tidak sengaja oleh Hans Christian Oersted (1770-1851), ke- tika akan memberikan kuliah bagi mahasiswa. Oersted menemukan bahwa di sekitar kawat berarus listrik magnet jarum kompas akan bergerak (menyimpang). Penyimpangan magnet jarum kompas akan makin besar jika kuat arus listrik yang mengalir melalui kawat diperbesar. Arah penyimpangan jarum kompas bergantung arah arus listrik yang mengalir dalam kawat. Gejala itu terjadi jika kawat dialiri arus listrik. Jika kawat tidak dialiri arus listrik, medan magnet tidak terjadi sehingga magnet jarum kompas tidak bereaksi. Perubahan arah arus listrik ternyata juga memengaruhi perubahan arah penyimpangan jarum kompas. Perubahan jarum kompas menunjukkan perubahan arah medan magnet.
Bagaimanakah menentukan arah medan magnet di sekitar penghantar berarus listrik? Jika arah arus listrik mengalir sejajar dengan jarum kompas dari kutub selatan menuju kutub utara, kutub utara jarum kompas menyimpang berlawanan dengan arah putaran jarum jam. Jika arah arus listrik mengalir sejajar dengan jarum kompas dari kutub utara menuju kutub selatan, kutub utara jarum kompas menyimpang searah dengan arah putaran jarum jam. 1. Pola Medan Magnet di Sekitar Arus Listrik Gejala penyimpangan magnet jarum di sekitar arus listrik membuktikan bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Arah medan magnet yang ditimbulkan arus listrik dapat diterangkan melalui aturan atau kaidah berikut. Anggaplah suatu peng- hantar berarus listrik digenggam tangan kanan. Perhatikan Gambar 11.18. Jika arus listrik searah ibu jari, arah medan magnet yang timbul searah keempat jari yang menggenggam. Kaidah yang demikian disebut kaidah tangan kanan menggenggam. Rancanglah suatu kegiatan untuk membuktikan adanya medan magnet di sekitar penghantar berarus listrik. Peralatan yang tersedia antara lain serbuk besi, penghantar, kertas, dan baterai. Gambarlah sketsa model kegiatanmu. 2. Solenoida Pada uraian sebelumnya kamu sudah mempelajari medan magnet yang timbul pada penghantar lurus. Bagaimana jika peng- hantarnya melingkar dengan jumlah banyak? Sebuah penghantar melingkar jika dialiri arus listrik akan menghasilkan medan listrik seperti Gambar 11.19. Penghantar melingkar yang berbentuk kumparan panjang disebut solenoida. Medan magnet yang ditimbulkan oleh solenoida akan lebih besar daripada yang ditimbulkan oleh sebuah penghantar melingkar, apalagi oleh sebuah penghantar lurus. Tahukah kamu mengapa demikian? Jika solenoida dialiri arus listrik maka akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bergantung pada kuat arus listrik dan banyaknya kumparan. Garis-garis gaya magnet pada solenoida merupakan gabungan dari garis-garis gaya magnet dari kawat melingkar. Gabungan itu akan menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet sebuah magnet batang yang panjang. Kumparan seolah-olah mempunyai dua kutub, yaitu ujung yang satu merupakan kutub utara dan ujung kumparan yang lain merupakan kutub selatan.
ELEKTROMAGNET Masih ingatkah kamu cara membuat magnet menggunakan arus listrik? Di bagian ini kamu akan lebih mendalami tentang magnet listrik tersebut. Magnet listrik atau elektromagnet sangat erat hubungannya dengan solenoida. Medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida berarus listrik tidak terlalu kuat. Agar medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bertambah kuat, maka di dalamnya harus dimasukkan inti besi lunak. Besi lunak merupakan besi yang tidak dapat dibuat menjadi magnet tetap. Solenoida berarus listrik dan dilengkapi de- ngan besi lunak itulah yang dikenal sebagai elektromagnet. 1. Faktor yang Memengaruhi Kekuatan Elektromagnet Apakah yang memengaruhi besar medan magnet yang dihasilkan elektromagnet? Sebuah elektromagnet terdiri atas tiga unsur penting, yaitu jumlah lilitan, kuat arus, dan inti besi. Makin banyak lilitan dan makin besar arus listrik yang mengalir, makin besar medan magnet yang dihasilkan. Selain itu medan magnet yang dihasilkan elektromagnet juga tergantung pada inti besi yang digunakan. Makin besar (panjang) inti besi yang berada dalam solenoida, makin besar medan magnet yang dihasilkan elektromagnet. Jadi kemagnetan sebuah elektromagnet bergantung besar kuat arus yang mengalir, jumlah lilitan, dan besar inti besi yang digunakan. Elektromagnet menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet sebuah magnet batang yang panjang. Elektromagnet juga mempunyai dua kutub yaitu ujung yang satu merupakan kutub utara dan ujung kumparan yang lain merupakan kutub selatan. Dibandingkan magnet biasa, elektromagnet banyak mempu- nyai keunggulan. Karena itulah elektromagnet banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa keunggulan elektromagnet antara lain sebagai berikut. a. Kemagnetannya dapat diubah-ubah dari mulai yang kecil sampai yang besar dengan cara mengubah salah satu atau ketiga dari kuat arus listrik, jumlah lilitan dan ukuran inti besi. b. Sifat kemagnetannya mudah ditimbulkan dan dihilangkan dengan cara memutus dan menghubungkan arus listrik meng- gunakan sakelar. c . Dapat dibuat berbagai bentuk dan ukuran sesuai dengan kebutuhan yang dikehendaki. d. Letak kutubnya dapat diubah-ubah dengan cara mengubah arah arus listrik.
Kekuatan elektromagnet akan bertambah, jika: a. arus yang melalui kumparan bertambah, b. jumlah lilitan diperbanyak, c. memperbesar/memperpanjang inti besi.
2. Kegunaan Elektromagnet Beberapa peralatan sehari-hari yang menggunakan elektromagnet antara lain seperti berikut. a. Bel listrik Bel listrik terdiri atas dua elektromagnet dengan setiap solenoida dililitkan pada arah yang berlawanan (perhatikan Gambar11.21). Apabila sakelar ditekan, arus listrik akan mengalir melalui solenoida. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik kepingan besi lentur dan pengetuk akan memukul bel (lonceng) menghasilkan bunyi. Tarikan kepingan besi lentur oleh elektromagnet akan me- misahkan titik sentuh dan sekrup pengatur yang berfungsi sebagai interuptor. Arus listrik akan putus dan teras besi hilang kemag- netannya. Kepingan besi lentur akan kembali ke kedudukan semula. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik kepingan besi lentur dan pengetuk akan memukul bel (lonceng) menghasilkan bunyi kembali. Proses ini berulang-ulang sangat cepat dan bunyi lonceng terus terdengar. b. Relai Relai berfungsi sebagai sakelar untuk menghubungkan atau memutuskan arus listrik yang besar pada rangkaian lain dengan menggunakan arus listrik yang kecil. Ketika sakelar S ditutup arus listrik kecil mengalir pada kumparan. Teras besi akan menjadi magnet (elektromagnet) dan menarik kepingan besi lentur. Titik sentuh C akan tertutup, menyebabkan rangkaian lain yang mem- bawa arus besar akan tersambung. Apabila sakelar S dibuka, teras besi hilang kemagnetannya, keping besi lentur kembali ke kedudukan semula. Titik sentuh C terbuka dan rangkaian listrik lain terputus. c. Telepon
Telepon terdiri dari dua bagian yaitu bagian pengirim (mikrofon) dan bagian penerima (telepon). Prinsip kerja bagian mikrofon adalah mengubah gelombang suara menjadi getaran- getaran listrik. Pada bagian pengirim ketika
seseorang berbicara akan menggetarkan diafragma aluminium. Serbuk-serbuk karbon yang terdapat pada mikrofon akan tertekan dan menyebabkan hambatan serbuk karbon mengecil. Getaran yang berupa sinyal listrik akan mengalir melalui rangkaian listrik. Prinsip kerja bagian telepon adalah mengubah sinyal listrik menjadi gelombang bunyi. Sinyal listrik yang dihasilkan mikrofon diterima oleh pesawat telepon. Apabila sinyal listrik berubah-ubah mengalir pada kumparan, teras besi akan menjadi elektromagnet yang kekuatannya berubah-ubah (perhatikan Gambar 11.23). Dia- fragma besi lentur di hadapan elektromagnet akan ditarik dengan gaya yang berubah-ubah. Hal ini menyebabkan diafragma bergetar. Getaran diafragma memengaruhi udara di hadapannya, sehingga udara akan dimampatkan dan direnggangkan. Tekanan bunyi yang dihasilkan sesuai dengan tekanan bunyi yang dikirim melalui mi- krofon. d. Katrol Listrik Elektromagnet yang besar digunakan untuk mengangkat sampah logam yang tidak terpakai. Apabila arus dihidupkan katrol listrik akan menarik sampah besi dan memindahkan ke tempat yang dikehendaki. Apabila arus listrik dimatikan, sampah besi akan jatuh. Dengan cara ini sampah yang berupa tembaga, aluminium, dan seng dapat dipisahkan dengan besi. Kebaikan katrol listrik adalah: a. mampu mengangkat sampah besi dalam jumlah besar
b. dapat mengangkat/memindahkan bongkahan besi yang tanpa rantai c . membantu memisahkan antara logam feromagnetik dan bukan feromagnetik. GAYA LORENTZ Di depan telah dijelaskan bahwa kawat berarus listrik menimbulkan medan magnet. Apakah yang terjadi jika kawat berarus listrik berada dalam medan magnet tetap? Interaksi medan magnet dari kawat berarus dengan medan magnet tetap akan menghasilkan gaya magnet. Pada peristiwa ini terdapat hubungan antara arus listrik, medan magnet tetap, dan gaya magnet. Hubungan besaran-besaran itu ditemukan oleh fisikawan Belanda, Hendrik Anton Lorentz (1853-1928). Dalam penyelidikan- nya Lorentz menyimpulkan bahwa besar gaya yang ditimbulkan berbanding lurus dengan kuat arus, kuat medan magnet, panjang kawat dan sudut yang dibentuk arah arus listrik dengan arah medan magnet. Untuk menghargai jasa penemuan H.A. Lorentz, gaya tersebut disebut gaya Lorentz. Apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz dirumuskan. Dengan: F = B . I . l
Keterangan: F = gaya Lorentz satuan newton (N) B = kuat medan magnet satuan tesla (T). l = panjang kawat satuan meter (m) I = kuat arus listrik satuan ampere (A) Berdasarkan rumus di atas tampak bahwa apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz bergantung pada panjang kawat, kuat arus listrik, dan kuat medan magnet. Gaya Lorentz yang ditimbulkan makin besar, jika panjang kawat, kuat arus listrik, dan kuat medan magnet makin besar. Kawat panjangnya 2 m berada tegak lurus dalam medan magnet 20 T. Jika kuat arus listrik yang mengalir 400 mA, berapakah besar gaya Lorentz yang dialami kawat? Penyelesaian: Diketahui: l=2m B = 20 T I = 400 mA = 0,4 A Ditanya: Jawab: F=? F=l. I.B = 2 . 0,4 .20 = 16 N
Arah gaya Lorentz bergantung pada arah arus listrik dan arah medan magnet. Untuk menentukan arah gaya Lorentz digunakan kaidah atau aturan tangan kanan. Caranya rentangkan ketiga jari yaitu ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah sedemikian hingga membentuk sudut 90 derajat (saling tegak lurus). Jika ibu jari menunjukan arah arus listrik (I) dan jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B) maka arah gaya Lorentz searah jari tengah (F). Dalam bentuk tiga dimensi, arah yang tegak lurus mendekati pembaca diberi simbol. Adapun arah yang tegak lurus menjauhi pembaca diberi simbol.
Gaya Lorentz yang ditimbulkan kawat berarus listrik dalam medan magnet dapat dimanfaatkan untuk membuat alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Alat yang menerapkan gaya Lorentz adalah motor listrik dan alat-alat ukur listrik. Motor listrik banyak dijumpai pada tape recorder, pompa air listrik, dan komputer. Adapun, contoh alat ukur listrik yaitu amperemeter, voltmeter, dan ohmmeter. Istilah istilah penting interuptor : pemutus arus. kemagnetan : gejala fisika pada bahan yang memiliki kemampuan menimbulkan medan magnet. kutub magnet : kedua ujung besi (magnet) yang paling kuat daya tariknya. magnet elementer : bagian terkecil dari magnet yang masih mempunyai sifat magnet. motor listrik : alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak. solenoida : kumparan yang panjang. relai : alat yang bekerja atas dasar penggunaan arus yang kecil untuk menghubungkan atau memutuskan arus listrik yang besar. KEMAGNETAN ( MAGNETOSTATIKA ) Benda yang dapat menarik besi disebut MAGNET. Macam-macam bentuk magnet, antara lain : magnet batang magnet ladam magnet jarum
Magnet dapat diperoleh dengan cara buatan. Jika baja di gosok dengan sebuah magnet, dan cara menggosoknya dalam arah yang tetap, maka baja itu akan menjadi magnet.
Baja atau besi dapat pula dimagneti oleh arus listrik. Baja atau besi itu dimasukkan ke dalam kumparan kawat, kemudian ke dalam kumparan kawat dialiri arus listrik yang searah. Ujung-ujung sebuah magnet disebut Kutub Magnet. Garis yang menghubungkan kutub-kutub magnet disebut sumbu magnet dan garis tegak lurus sumbu magnet serta membagi dua sebuah magnet disebut garis sumbu.
Sebuah magnet batang digantung pada titik beratnya. Sesudah keadaan setimbang tercapai, ternyata kutub-kutub batang magnet itu menghadap ke Utara dan Selatan.
Kutub magnet yang menghadap ke utara di sebut kutub Utara. Kutub magnet yang menghadap ke Selatan disebut kutub Selatan. Hal serupa dapat kita jumpai pada magnet jarum yang dapat berputar pada sumbu tegak ( jarum deklinasi ). Kutub Utara jarum magnet deklinasi yang seimbang didekati kutub Utara magnet batang, ternyata kutub Utara magnet jarum bertolak. Bila yang didekatkan adalah kutub selatan magnet batang, kutub utara magnet jarum tertarik.
Kesimpulan : Kutub-kutub yang sejenis tolak-menolak dan kutub-kutub yang tidak sejenis tarik-menarik Jika kita gantungkan beberapa paku pada ujung-ujung sebuah magnet batang ternyata jumlah paku yang dapat melekat di kedua kutub magnet sama banyak. Makin ke tengah, makin berkurang jumlah paku yang dapat melekat.
Kesimpulan : Kekuatan kutub sebuah magnet sama besarnya semakin ke tengah kekuatannya makin berkurang. HUKUM COULOMB. Besarnya gaya tolak-menolak atau gaya tarik menarik antara kutub-kutub magnet, sebanding dengan kuat kutubnya masing-masing dan berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.
F = gaya tarik menarik/gaya tolak menolak dalam newton. R = jarak dalam meter. m1 dan m2 kuat kutub magnet dalam Ampere-meter.0
= permeabilitas hampa.
Nilai
= 107 Weber/A.m
Nilai permeabilitas benda-benda, ternyata tidak sama dengan permeabilitas hampa. Perbandingan antara permeabilitas suatu zat debgan permeabilitas hampa disebut permeabilitas relatif zat itu.
mrr
= Permeabilitas relatif suatu zat.
= permeabilitas zat itu0
= permeabilitas hampa.
PENGERTIAN MEDAN MAGNET.
Medan magnet adalah ruangan di sekitar kutub magnet, yang gaya tarik/tolaknya masih dirasakan oleh magnet lain. Kuat Medan ( H ) = ITENSITY. Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet ialah besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di dalam medan magnet m adalah kuat kutub yang menimbulkan medan magnet dalam Ampere-meter. R jarak dari kutub magnet sampai titik yang bersangkutan dalam meter. dan H = kuat medan titik itu dalam : Garis Gaya. Garis gaya adalah : Lintasan kutub Utara dalam medan magnet atau garis yang bentuknya demikian hingga kuat medan di tiap titik dinyatakan oleh garis singgungnya. Sejalan dengan faham ini, garis-garis gaya keluar dari kutub-kutub dan masuk ke dalam kutub Selatan. Untuk membuat pola garis-garis gaya dapat dengan jalan menaburkan serbuk besi disekitar sebuah magnet. Gambar pola garis-garis gaya. atau dalam
Rapat Garis-Garis Gaya ( FLUX DENSITY ) = B Jumlah garis gaya tiap satuan luas yang tegak lurus kuat medan.
Kuat medan magnet di suatu titik sebanding dengan rapat garis-garis gaya dan berbanding terbalik dengan permeabilitasnya.
B = rapat garis-garis gaya.
= Permeabilitas zat itu. H = Kuat medan magnet. catatan : rapat garis-garis gaya menyatakan kebesaran induksi magnetik. Medan magnet yang rapat garis-garis gayanya sama disebut : medan magnet serba sama ( homogen )
Bila rapat garis-garis gaya dalam medan yang serba sama B, maka banyaknya garis-garis gaya ( : ) yang menembus bidang seluar A m2 dan mengapit sudut Satuanya : Weber. dengan kuat medan adalah = B.A Sin
Diamagnetik Dan Para Magnetik. Sehubungan dengan sifat-sifat kemagnetan benda dibedakan atas Diamagnetik dan Para magnetik. Benda magnetik : bila ditempatkan dalam medan magnet yang tidak homogen, ujungujung benda itu mengalami gaya tolak sehingga benda akan mengambil posisi yang tegak lurus pada kuat medan. Benda-benda yang demikian mempunyai nilai permeabilitas relatif lebih kecil dari satu. Contoh : Bismuth, tembaga, emas, antimon, kaca flinta. Benda paramagnetik : bila ditempatkan dalam medan magnet yang tidak homogen, akan mengambil posisi sejajar dengan arah kuat medan. Benda-benda yang demikian mempunyai permeabilitas relatif lebih besar dari pada satu. Contoh : Aluminium, platina, oksigen, sulfat tembaga dan banyak lagi garam-garam logam adalah zat paramagnetik. Benda feromagnetik : Benda-benda yang mempunyai effek magnet yang sangat besar, sangat kuat ditarik oleh magnet dan mempunyai permeabilitas relatif sampai beberapa ribu. Contoh : Besi, baja, nikel, cobalt dan campuran logam tertentu ( almico )
MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK.
Percobaan OERSTED Di atas jarum kompas yang seimbang dibentangkan seutas kawat, sehingga kawat itu sejajar dengan jarum kompas. jika kedalam kaewat dialiri arus listrik, ternyata jarum kompas berkisar dari keseimbangannya. Kesimpulan : Disekitar arus listrik ada medan magnet.
Cara menentukan arah perkisaran jarum. a. Bila arus listrik yang berada anatara telapak tangan kanan dan jarum magnet mengalir dengan arah dari pergelangan tangan menuju ujung-ujung jari, kutub utara jarum berkisar ke arah ibu jari. b. Bila arus listrik arahnya dari pergelangan tangan kanan menuju ibu jari, arah melingkarnya jari tangan menyatakan perkisaran kutub Utara. Pola garis-garis gaya di sekitar arus lurus. Pada sebidang karton datar ditembuskan sepotong kawat tegak lurus, di atas karbon ditaburkan serbuk besi menempatkan diri berupa lingkaran-lingkaran yang titik pusatnya pada titik tembus kawat.
Kesimpulan : Garis-garis gaya di sekitar arus lurus berupa lingkaran-lingkaran yang berpusatkan pada arus tersebut.
Cara menentukan arah medan magnet Bila arah dari pergelangan tangan menuju ibu jari, arah melingkar jari tangan menyatakan arah medan magnet. HUKUM BIOT SAVART.
Besar induksi magnetik di satu titik di sekitar elemen arus, sebanding dengan panjang elemen arus, besar kuat arus, sinus sudut yang diapit arah arus dengan jaraknya sampai titik tersebut dan berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.
B=k.
k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional
k=
= 10-7
Vektor B tegak lurus pada l dan r, arahnya dapat ditentukan denagan tangan kanan. Jika l sangat kecil, dapat diganti dengan dl.
dB = Persamaan ini disebut hukum Ampere. INDUKSI MAGNETIK Induksi magnetik di sekitar arus lurus.
Besar induksi magnetik di titik A yang jaraknya a dari kawat sebanding dengan kuat arus dalam kawat dan berbanding terbalik dengan jarak titik ke kawat.
B= B dalam W/m2 I dalam Ampere
.
a dalam meter
Kuat medan dititik H = mr udara = 1
=
=
Jika kawat tidak panjang maka harus digunakan Rumus : Induksi Induksi magnetik di pusat arus lingkaran.
Titik A berjarak x dari pusat kawat melingkar besarnya induksi magnetik di A dirumuskan : Jika kawat itu terdiri atas N lilitan maka :
B=
.
atau B =
.
Induksi magnetik di pusat lingkaran. Dalam hal ini r = a dan a = 900 Besar induksi magnetik di pusat lingkaran.
B= B dalam W/m2.
.
I dalam ampere. N jumlah lilitan. a jari-jari lilitan dalam meter. Arah medan magnetik dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan.
Jika arah arus sesuai dengan arah melingkar jari tangan kanan arah ibu jari menyatakan arah medan magnet. Solenoide Solenoide adalah gulungan kawat yang di gulung seperti spiral. Bila kedalam solenoide dialirkan arus listrik, di dalam selenoide terjadi medan magnet dapat ditentukan dengan tangan. Gambar :
Besar induksi magnetik dalam solenoide.
Jari-jari penampang solenoide a, banyaknya lilitan N dan panjang solenoide 1.
Banyaknya lilitan pada dx adalah : panjang di titik P.
atau n dx, n banyaknya lilitan tiap satuan
Bila 1 sangat besar dibandingkan dengan a, dan p berada di tengah-tengah maka a1= 0 dan a2 = 180 0 Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide :
0
Bila p tepat di ujung-ujung solenoide a1= 0 0 dan a2 = 90 0
Toroida Sebuah solenoide yanfg dilengkungkan sehingga sumbunya membentuk lingkaran di sebut Toroida. Bila keliling sumbu toroida 1 dan lilitannya berdekatan, maka induksi magnetik pada sumbu toroida.
n dapat diganti dengan N banyaknya lilitan dan R jari-jari toroida. GAYA LORENTZ
Gaya Lorentz adalah gaya (dalam bidang fisika) yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet, B. Arah gaya ini akan mengikuti arah maju skrup yang diputar dari vektor arah gerak muatan listrik (v) ke arah medan magnet, B, seperti yang terlihat dalam rumus berikut:
di mana F adalah gaya (dalam satuan/unit newton) B adalah medan magnet (dalam unit tesla) q adalah muatan listrik (dalam satuan coulomb) v adalah arah kecepatan muatan (dalam unit meter per detik) adalah perkalian silang dari operasi vektor. Untuk gaya Lorentz yang ditimbulkan oleh arus listrik, I, dalam suatu medan magnet (B), rumusnya akan terlihat sebagai berikut (lihat arah gaya dalam kaidah tangan kanan):
di mana F = gaya yang diukur dalam unit satuan newton I = arus listrik dalam ampere B = medan magnet dalam satuan tesla = perkalian silang vektor, dan L = panjang kawat listrik yang dialiri listrik dalam satuan meter. Pada percobaan oersted telah dibuktikan pengaruh arus listrik terhadap kutub magnet, bagaimana pengaruh kutub magnet terhadap arus listrik akan dibuktikan dari percobaan berikut : Seutas kawat PQ ditempatkan diantara kutub-kutub magnet ladam kedalam kawat dialirkan arus listrik ternyata kawat melengkung kekiri. Gejala ini menunjukkan bahwa medan magnet mengerjakan gaya pada arus listrik, disebut Gaya Lorentz. Vektor gaya Lorentz tegak lurus pada I dan B. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan tangan kanan. Bila arah melingkar jari-jari tangan kanan sesuai dengan putaran dari I ke B, maka arah ibu jari menyatakan arah gaya Lorents. gambar :
Besar Gaya Lorentz. Hasil-hasil yang diperoleh dari percobaan menyatakan bahwa besar gaya Lorentz dapat dirumuskan sebagai : F=BI F = gaya Lorentz. B = induksi magnetik medan magnet. I = kuat arus. = panjang kawat dalam medan magnet. a = sudut yang diapit I dan B. Satuan Kuat Arus. Kedalam kawat P dan Q yang sejajar dialirkan arus listrik. Bila arah arus dalam kedua kawat sama, kawat itu saling menarik. Penjelasannya sebagai berikut : Dilihat dari atas arus listrik P menuju kita digambarkan sebagai arus listrik dalam kawat P menimbulkan medan magnet. Medan magnet ini mengerjakan gaya Lorentz pada arus Q arahnya seperti dinyatakan anak panah F. Dengan cara yang sama dapat dijelaskan gaya Lorentz yang bekerja pada arus listrik dalam kawat P. sin a
Kesimpulan :
Arus listrik yang sejajar dan searah tarik-menarik dan yang berlawanan arah tolakmenolak. Bila jarak kawat P dan Q adalah a, maka besar induksi magnetik arus P pada jarak a :
Besar gaya Lorentz pada arus dalam kawat Q
Besar gaya Lorentz tiap satuan panjang
F tiap satuan panjang dalam N/m. Ip dan IQ dalam Ampere dan a dalam meter. Bila kuat arus dikedua kawat sama besarnya, maka :
Untuk I = 1 Ampere dan a = 1 m maka F = 2.10-7 N/m Kesimpulan : 1 Ampere adalah kuat arus dalam kawat sejajar yang jaraknya 1 meter dan menimbulkan gaya Lorentz sebesar 2.10-7 N tiap meter. Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Listrik.Pertamba han energi kinetik.
Partikel A yang massanya m dan muatannya q berada dalam medan listrik serba sama, kuat medannya E arah vektor E kekanan. Pada partikel bekerja gaya sebasar F = qE, oleh sebab itu partikel memperoleh percepatan : Usaha yang dilakukan gaya medan listrik setelah partikel berpindah d adalah : W = F . d = q . E .d Usaha yang dilakukan gaya sama dengan perubahan energi kinetik Ek = q . E .d
v1 kecepatan awal partikel dan v2 kecepatannya setelah menempuh medan listrik sejauh d. Lintasan partikel jika v tegak lurus E.
Didalam medan listrik serba sama yang kuat medannya E, bergerak partikel bermuatan positif dengan kecepatan vx. Dalam hal ini partikel mengalami dua gerakan sekaligus, yakni gerak lurus beraturan sepanjang sumbu x dan gerak lurus berubah beraturan sepanjang sumbu y. Oleh sebab itu lintasannya berupa parabola. Setelah melintasi medan listrik, lintasannya menyimpang dari lintasannya semula.
Kecepatan pada saat meninggalkan medan listrik.
Arah kecepatan dengan bidang horisontal q :
Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Magnet Besar gaya Lorentz pada partikel.
Pada arus listrik yang berada dalam medan magnet bekerja gaya Lorentz. F=B.I. sin a
Arus listrik adalah gerakan partikel-partikel yang kecepatannya tertentu, oleh sebab itu rumus di atas dapat diubah menjadi :
F=B.
. v . t sin a
F = B . q . v sin a F adalah gaya Lorentz pada partikel yang muatannya q dan kecepatannya v, B besar induksi magnetik medan magnet, a sudut yang diapit vektor v dan B. Lintasan partikel bermuatan dalam medan magnet.
Tanda x menyatakan titik tembus garis-garis gaya kemagnetan yang arah induksi magnetiknya ( B ) meninggalkan kita. Pada partikel yang kecepatannya v, bekerja gaya Lorentz.
F = B . q . v sin 900 F=B.q.v Vektor F selalu tegak lurus pada v, akibatnya partikel bergerak didalam medan magnet dengan lintasan bentuk : LINGKARAN. Gaya centripetalnya yang mengendalikan gerak ini adalah gaya Lorentz. Fc = F Lorentz
=B.q.v
R= R jari-jari lintasan partikel dalam magnet. m massa partikel. v kecepatan partikel. q muatan partikel. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan kadah tangan kanan bila tangan kanan di buka : Ibu jari menunjukkan ( v ), keempat jari menunjukkan ( B ) dan arah telapak tangan menunjukkan ( F ) Gaya Gerak Listrik Induksi GGL, Medan Magnet menimbulkan Arus Listrik Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, membuat hipotesis (dugaan) bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik. Untuk membuktikan kebenaran hipotesis Faraday. Berdasarkan percobaan, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Penyimpangan jarum galvanometer tersebut menunjukkan bahwa pada kedua ujung kumparan terdapat arus listrik. Peristiwa timbulnya arus listrik seperti itulah yang disebut induksi elektromagnetik. Adapun beda potensial yang timbul pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.
Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan makin banyak. Perubahan jumlah garis gaya itulah yang menyebabkan terjadinya penyimpangan jarum galvanometer. Hal yang sama juga akan terjadi jika magnet digerakkan keluar dari kumparan. Akan tetapi, arah simpangan jarum galvanometer berlawanan dengan penyimpangan semula. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa penyebab timbulnya GGL induksi adalah perubahan garis gaya magnet yang dilingkupi oleh kumparan. Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Adapun yang dimaksud fluks nmgnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang. GENERATOR Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubalian energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday. Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.
Generator AC
Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang
ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara: memperbanyak lilitan kumparan, menggunakan magnet permanen yang lebih kuat. mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan. Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang). Generator DC Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).
TRANSFORMATOR
Agar tidak berbahaya tegangan yang tinggi itu harus diturunkan terlebih dahulu sebelum arus listrik disalurkan ke rumah-rumah penduduk. Pada umumnya tegangan listrik yang disalurkan ke rumah-rumah penduduk ada dua macam, yaitu 220 volt dan 1l0 volt. Alat yang digunakan untuk menurunkan tegangan disebut transformator. Bagian utama transformator adalah dua buah kumparan yang keduanya dililitkan pada sebuah inti besi lunak. Kedua kumparan tersebut memiliki jumlah lilitan yang berbeda. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC disebut kumparan primer, sedangkan kumparan yang lain disebut kumparan sekunder.
Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan AC (dialiri arus listrik AC), besi lunak akan menjadi elektromagnet. Karena arus yang mengalir tersebut adalah arus AC, garis-garis gaya elektromagnet selalu berubah-ubah. Oleh karena itu, garis-garis gaya yang dilingkupi oleh kumparan sekunder juga berubah-ubah. Perubahan garis gaya itu menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Hal itu menyebabkan pada kumparan sekunder mengalir arus AC (arus induksi). Kita dapat rnembedakan transformator menjadi dua macam. yaitu transformator step up dan transformator step down. Transformator .step up adalah transformator yang jumlah lilitan primernya lebih kecil dari pada lilitan sekunder. Oleh karena itu, transformator step up dapat digunakun untuk menaikkan tegangan AC. ASAL MEDAN LISTRIK Rumus matematika untuk medan listrik dapat diturunkan melalui Hukum Coulomb, yaitu gaya antara dua titik muatan:\
Menurut persamaan ini, gaya pada salah satu titik muatan berbanding lurus dengan besar muatannya. Medan listrik didefinisikan sebagai suatu konstan perbandingan antara muatan dan gaya[1]:
Maka, medan listrik bergantung pada posisi. Suatu medan, merupakan sebuah vektor yang bergantung pada vektor lainnya. Medan listrik dapat dianggap sebagai gradien dari potensial listrik. Jika beberapa muatan yang disebarkan menghasiklan potensial listrik, gradien potensial listrik dapat ditentukan. Konstanta k Dalam rumus listrik sering ditemui konstanta k sebagai ganti dari ini tetap digunakan yang terakhir), di mana konstanta tersebut bernilai [2]: (dalam tulisan
N m2 C-2 yang kerap disebut konstanta kesetaraan gaya listrik.
Menghitung medan listrik
Untuk menghitung medan listrik di suatu titik terletak di digunakan rumus [4]
akibat adanya sebuah titik muatan yang
Penyederhanaan yang kurang tepat Umumnya untuk melakukan penyederhanaan dipilih pusat koordinat berhimpit dengan titik muatan yang terletak di sehingga diperoleh rumus seperti telah dituliskan pada permulaan artikel ini, atau bila dituliskan kembali dalam notasi vektornya:
dengan vektor satuan
Disarankan untuk menggunakan rumusan yang melibatkan dan karena lebih umum, dan dapat diterapkan untuk kasus lebih dari satu muatan dan juga pada distribusi muatan, baik distribusi diskrit maupun kontinu. Penyederhanaan ini juga kadang membuat pemahaman dalam menghitung medan listrik menjadi agak sedikit kabur. Selain itu pula karena penyederhanaan ini hanya merupakan salah satu kasus khusus dalam perhitungan medan listrik (kasus oleh satu titik muatan di mana titik muatan diletakkan di pusat koordinat). Tanda muatan listrik
Muatan listrik dapat bernilai negatif, nol (tidak terdapat muatan atau jumlah satuan muatan positif dan negatif sama) dan negatif. Nilai muatan ini akan memengaruhi perhitungan medan listrik dalam hal tandanya, yaitu positif atau negatif (atau nol). Apabila pada setiap titik di sekitar sebuah (atau beberapa) muatan dihitung medan listriknya dan digambarkan vektor-vektornya, akan terlihat garis-garis yang saling berhubungan, yang disebut sebagai garis-garis medan listrik. Tanda muatan menentukan apakah garis-garis medan listrik yang disebabkannya berasal darinya atau menuju darinya. Telah ditentukan (berdasarkan gaya yang dialami oleh muatan uji positif), bahwa
muatan positif (+) akan menyebabkan garis-garis medan listrik berarah dari padanya menuju keluar, muatan negatif (-) akan menyebabkan garis-garis medan listrik berarah menuju masuk padanya. muatan nol ( ) tidak menyebabkan adanya garis-garis medan listrik.
Gradien potensial listrik Medan listrik dapat pula dihitung apabila suatu potensial listrik perhitungan gradiennya [5]: diketahui, melalui
dengan
untuk sistem koordinat kartesian. Energi medan listrik Medan listrik menyimpan energi. Rapat energi suatu medan listrik diberikan oleh [6]
dengan adalah permittivitas medium di mana medan listrik terdapat, dalam vakum adalah vektor medan listrik. Total energi yang tersimpan pada medan listrik dalam suatu volum adalah .
dengan adalah elemen diferensial volum. Distribusi muatan listrik Medan listrik tidak perlu hanya ditimbulkan oleh satu muatan listrik, melainkan dapat pula ditimbulkan oleh lebih dari satu muatan listrik, bahkan oleh distribusi muatan listrik baik yang diskrit maupun kontinu. Contoh-contoh distribusi muatan listrik misalnya:
kumpulan titik-titik muatan kawat panjang lurus berhingga dan tak-berhingga lingkaran kawat pelat lebar berhingga atau tak-berhingga cakram tipis dan cincin bentuk-bentuk lain
Kumpulan titik-titik muatan Untuk titik-titik muatan yang tersebar dan berjumlah tidak terlalu banyak, medan listrik pada suatu titik (dan bukan pada salah satu titik muatan) dapat dihitung dengan menjumlahkan vektor medan listrik di titik tersebut akibat oleh masing-masing muatan. Dalam kasus ini lebih baik dituliskan
yang dibaca, medan listrik di titik akibat adanya muatan yang terletak di . Dengan demikian medan listrik di titik akibat seluruh muatan yang tersebar dituliskan sebagai
di mana adalah jumlah titik muatan. Sebagai ilustrasi, misalnya ingin ditentukan besarnya medan listrik pada titik yang merupakan perpotongan kedua diagonal suatu bujursangkar bersisi , di mana terdapat oleh empat buat muatan titik yang terletak pada titik sudut-titik sudut bujursangkar tersebut. Untuk kasus ini misalkan bahwa dan dan ambil pusat koordinat di titik dua dimensi seperti ini, bisa dituliskan pula untuk memudahkan. Untuk kasus
yang akan memberikan
sehingga
yang menghasilkan bahwa medan listrik pada titik tersebut adalah nol. Kawat panjang lurus
Kawat panjang lurus merupakan salah satu bentuk distribusi muatan yang menarik karena bila panjangnya diambil tak-hingga, perhitungan muatan di suatu jarak dari kawat dan terletak di tengah-tengah panjangnya, menjadi amat mudah. Untuk suatu kawat yang merentang lurus pada sumbu , pada jarak di atasnya, dengan kawat merentang dari sampai dari titik proyeksi pada kawat, medan listrik di titik tersebut dapat dihitung besarnya, yaitu:
Seperti telah disebutkan di atas, apabila menggunakan dalil L'Hospital diperoleh
dan
maka dengan
Atau bila kawat diletakkan sejajar dengan sumbu-z dan bidang x-y ditembus kawat secara tegak lurus, maka medan listrik di suatu titik berjarak dari kawat, dapat dituliskan medan listriknya adalah
dengan
adalah vektor satuan radial dalam koordinat silinder:
di mana
adalah sudut yang dibentuk dengan sumbu-x positif.
GELOMBANG ELEKTROMAGNET (PERSAMAAN MAXWELL) Dalam memahami prinsip gelombang elektromagnet tidak bisa dilepaskan keterkaitannya dengan persamaan Maxwell. Ada empat buah persamaan Maxwell yang harus kita ketahui dalam memahami prinsip gelombang elektromagnet ini. Mari kita bahas satu persatu
1. Persamaan Satu (Hukum Faraday)
Faraday melakukan percobaan terhadap suatu kawat yang dialiri oleh arus listrik, ternyata kawat tersebut menghasilkan suatu induksi magnetik yang ditangkap oleh surface lingkaran kawat di sebelahnya. Hal ini ditunjukan dengan adanya perbedaan tegangan yang tertangkap pada Voltmeter di kawat dua. Arah induksi magnet ini berlawanan arah dengan aturan tangan kanan sehingga dalam perumusannya ditambah tanda minus (-). Adapun secara matematis dapat ditulis bahwa Integral tertutup dari suatu Kuat Medan Listrik (E) terhadap suatu panjang kawat sama dengan minus dari Integral surface dari turunan parsial Induksi Magnet (B) terhadap waktu (t) yaitu : E.dl = (B/t).ds
Berdasar teorema Stokes : Integral tertutup dari suatu fungsi terhadap panjang sama dengan Integral surface curl dari Fungsi tersebut terhadap waktu dengan suatu luasan tertentu yaitu : F.dl = x F.ds Maka dengan mengubah Hukum Faraday menggunakan Teorema Stokes didapatkan bahwa : E.dl = x E.ds sehingga hukum faraday menjadi : x E.ds = (B/t).ds, dengan menghilangkan integral dan ds menjadi : x E = - (B/t) > Hukum Maxwell Pertama
2. Persamaan Dua (Hukum Ampere)
Menurut Ampere bahwa disekitar medan magnet akan menimbulkan suatu arus listrik dimana arah arus listriknya tersebut sesuai dengan aturan arah tangan kanan. Secara matematis dapat dikatakan bahwa Integral tertutup dari suatu medan magnet (H) terhadap suatu panjang sama dengan jumlah dari Rapat Arus (J) dengan turunan parsial Perpindahan Listrik (D) terhadap waktu (t) yaitu : H.dl = (J + D/t).ds Berdasar teorema Stokes : Integral tertutup dari suatu fungsi terhadap panjang sama dengan Integral surface curl dari Fungsi tersebut terhadap waktu dengan suatu luasan tertentu yaitu : F.dl = x F.ds
Maka dengan menghubungkan Hukum Ampere dengan Teorema Stokes didapatkan hubungan : H.dl = x H.ds, sehingga persamaan Ampere menjadi : x H.ds = (J + D/t).ds, dengan menghilangkan integral dan ds maka didapatlah penurunannya menjadi : H = (J +D/t) > Hukum Maxwell dua
3. Persamaan Tiga (Hukum Gauss Satu)
Hukum Gauss satu menyatakan bahwa jumlah perpindahan arus yang melewati suatu surface itu sama dengan jumlah muatan yang ada. Secara matematis dapat dikatakan bahwa integral tertutup dari perpindahan arus listrik terhadap luasan sama dengan jumlah muatan yang ada. D.ds = Q Dimana Q = q dV Berdasar teorema Divergensi : F.ds = . F.dV Maka rumus Gauss satu diatas dapat diturunkan menjadi : D.ds = . D.dV, sehimgga bentuk persamaan barunya menjadi : . D.dV = q dV, dengan menghilangkan integral dan dV maka penurunannya menjadi :
D =q > Persamaan Maxwell Tiga
4. Persamaan Empat (Hukum Gauss Dua)
Berdasarkan hukum Gauss Dua menyatakan bahwa Fluks magnet yang melewati suatu surface itu tidak memiliki muatan atau secara matematis dapat dikatakan bahwa Integral tertutup dari suatu induksi magnet terhadap suatu luasan itu sama dengan 0 atau tidak memiliki muatan yaitu : B.ds = 0 Dengan menggunakan Teorema Divergensi : F.ds = . F.dV Maka dengan menggabungkan hukum Gauss Dua denga teorema Divergensi menjadi B.ds = . B.dV, sehimgga bentuk persamaan barunya menjadi : . B.dV = 0, dengan menghilangkan integral dan dV maka penurunannya menjadi : B =0 > Persamaan Maxwell Empat dimana keterangan dari simbol-simbol tersebut yaitu :
E = Kuat medan listrik (V/m) H = Kuat medan magnet (A/m) B = Induksi magnet (Vs/m2) D = Perpindahan listrik (As/m2) J = Rapat arus (A/m2) q = Rapat muatan (As/m3) PENERAPAN ELEKTROMAGNETIK Seperti telah kamu baca pada awal bab, electromagnet dapat digunakan untuk mengangkat dan memindahkan bendabenda magnetik, seperti besi dan baja. Marilah kita bahas beberapa pemanfaatan lain gejala elektromagnetik. a. Alat ukur listrik Karena elektromagnetik peka terhadap arus listrik, maka elektromagnetik dapat digunakan untuk mendeteksi arus listrik. Alat untuk mendeteksi dan mengukur arus listrik disebut galvanometer. Galvanometer terbuat dari kumparan yang dihubungkan dengan rangkaian listrik yang hendak diukur arusnya. Kumparan tersebut dapat berputar bebas pada tumpuannya, dan diletakkan di daerah medan magnet oleh magnet permanen. Jika arus listrik mengalir pada kumparan, maka gaya magnetik menyebabkan kumparan berputar. Kumparan tersebut tidak dapat terus berputar karena ditahan pegas. Saat kumparan berputar, jarum penunjuk yang dilekatkan pada kumparan tersebut ikut berputar, dan menunjuk angka tertentu. Karena kumparan akan berputar pada arah yang berlawanan jika arus dibalik, maka galvanometer dapat digunakan untuk mengukur besar serta menunjukkan arah arus listrik dalam rangkaian. b. Motor listrik Tentunya kamu seringkali menggunakan kipas angin listrik untuk membuat ruangan sejuk. Kipas tersebut menggunakan motor listrik, piranti yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi kinetik. Energi kinetik yang berupa putaran bilahbilah kipas tersebut membuat tubuhmu merasa sejuk. Bagaimana cara kerja motor listrik? 1) Jika arus listrik mengalir melalui kumparan, maka timbul medan magnet induksi di dalam kumparan itu. Gaya tarik dan tolak antara magnet kumparan dengan magnet permanen menyebabkan kumparan berputar.
2) Agar kumparan terus berputar, setelah kumparan berputar setengah putaran, arah arus pada kumparan harus dibalik. Alat yang dipergunakan untuk maksud itu adalah komutator. Komutator merupakan sakelar pembalik yang berputar bersama dengan kumparan. Komutator secara berganti-ganti bersentuhan dengan kutub positif dan negatif baterai, mengakibatkan arah arus berubah. Perubahan arah arus ini menyebabkan kutubkutub magnet kumparan berubah, dan kumparan meneruskan putarannya akibat gaya kutub magnet permanen. 3) Proses ini berulang secara terus menerus. Seperti halnya galvanometer, motor listrik memiliki electromagnet yang dapat berputar bebas. Elektromagnet ini berada di daerah medan magnet yang berasal dari magnet tetap. Jika arus listrik mengalir melalui elektromagnet, maka electromagnet tersebut menjadi magnet. Tarikan dan dorongan antara kutub-kutub magnet kumparan dengan magnet permanen menyebabkan kumparan berputar. Namun kumparan akan berhenti saat medan magnet dari kumparan searah dengan medan magnet dari magnet permanen. c. Bel listrik Coba kamu perhatikan rumahmu. Apakah rumahmu mempunyai bel listrik? Apakah yang kamu ketahui tentang bel listrik? Bel listrik yang sederhana memanfaatkan electromagnet dengan inti besi yang dapat bergerak bebas. Jika tombol bel ditekan, maka rangkaian listrik menjadi tertutup dan arus mengalir melalui solenoida. Arus tersebut menyebabkan solenoida mengerjakan gaya magnet. Gaya magnet ini menarik inti besi ke dalam solenoida, sehingga inti besi tersebut memukul bel. d Pengeras suara Tentunya hampir setiap hari kamu mendengarkan musik, berita, dan hiburan lainnya dari radio, tape, atau TV. Piranti yang dapat membuat kamu mendengar bunyi dari radio, tape, atau TV adalah pengeras suara. Pengeras suara juga memanfaatkan elektromagnet yang digunakan untuk mengubah sinyal-sinyal listrik menjadi energi yang menggerakkan membran. SPEKTROMETER MASSA Untuk mengukur massa inti dengan ketelitian tinggi digunakan spektrometer massa. Cara kerja spektrometer massa adalah sebagai berikut: sampel dalam bentuk gas mula-mula ditembaki dengan berkas elektron berenergi tinggi. Pelakuan ini menyebabkan atom atau molekul sampel mengalami ionisasi (melepas elektron sehingga menjadi ion positif). Ion-ion positif ini kemudian dipercepat oleh suatu beda potensial dan diarahkan ke dalam suatu medan magnet melalui suatu celah sempit. Dalam medan magnet, ion-ion tersebut akan mengalami pembelokan yang bergantung pada: 1. Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan. 2. Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan.
3. Massa partikel (ion). Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan. 4. Muatan partikel. Makin besar muatan, makin besar pembelokan. Prinsip dasar dalam alat spektrometer massa. Atom dapat dibelokkan dalam sebuah medan magnet (dengan anggapan atom tersebut diubah menjadi ion terlebih dahulu). Karena partikel-partikel bermuatan listrik dibelokkan dalam medan magnet dan partikel-partikel yang tidak bermuatan (netral) tidak dibelokkan.Tahap-tahap yang terjadi dalam alat spektrometer massa : Tahap pertama : Ionisasi Atom di-ionisasi dengan emengambilf satu atau lebih elektron dari atom tersebut supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanya membentuk ion-ion negatif (sebagai contoh, klor) atau unsur-unsur yang tidak pernah membentuk ion (sebagai contoh, argon). spektrometer massa ini selalu bekerja hanya dengan ion positif. Tahap kedua : Percepatan Ion-ion tersebut dipercepat supaya semuanya mempunyai energi kinetik yang sama. Tahap ketiga : Pembelokan Ion-ion tersebut dibelokkan dengan menggunakan medan magnet, pembelokan yang terjadi tergantung pada massa ion tersebut. Semakin ringan massanya, akan semakin dibelokan. Besarnya pembelokannya juga tergantung pada besar muatan positif ion tersebut. Dengan kata lain, semakin banyak elektron yang ediambilf pada tahap 1, semakin besar muatan ion tersebut, pembelokan yang terjadi akan semakin besar. Spektrometri massa
Tahap-tahap menghitung dengan Spektrometri massa Spektrometri massa adalah alat yang digunakan untuk menentukan massa atom atau molekul, yang ditemukan oleh Franci William Aston pada tahun 1919. Prinsip kerja alat ini adalah pembelokan partikel bermuatan dalam medan magnet. Cara kerja
Sampel dalam bentuk gas mula-mula ditembaki dengan berkas elektron berenergi tinggi. Perlakuan ini menyebabkan atom atau molekul sampel berionisasi (melepas elektron sehingga menjadi ion positif). Ion-ion positif ini kemudian dipercepat oleh suatu beda potensial dan diarahkan ke dalam suatu medan magnet melalui suatu celah sempit. Di dalam medan magnet, ion-ion tersebut akan mengalami pembelokan yang bergantung kepada: 1. Kuat medan listrik yang mempercepat aliran ion. Makin besar potensial listrik yang digunakan, makin besar kecepatan ion dan makin kecil pembelokan. 2. Kuat medan magnet. Makin kuat magnet, makin besar pembelokan. 3. Massa partikel (ion). Makin besar massa partikel, makin kecil pembelokan. 4. Muatan partikel. Makin besar muatan, makin besar pembelokan. 5. Ferromagnetisme adalah sebuah fenomena dimana sebuah material dapat mengalami magnetisasi secara spontan, dan merupakan satu dari bentuk kemagnetan yang paling kuat. Fenomena inilah yang dapat menjelaskan kelakuan magnet yang kita jumpai seharihari. Ferromagnetisme dan Ferrimagnetisme merupakan dasar untuk menjelaskan fenomena magnet permanen. MEDAN MAGNET PADA SOLENOIDA Sebuah kawat dibentuk seperti spiral yang selanjutnya disebut kumparan , apabila dialiri arus listrik maka akan berfungsi seperti magnet batang.
Kumparan ini disebut dengan Solenida Besarnya medan magnet disumbu pusat (titik O) Solenoida dapat dihitung Bo = medan magnet pada pusat solenoida dalam tesla ( T ) 0 = permeabilitas ruang hampa = 4 . 10 -7 Wb/amp. M I = kuat arus listrik dalam ampere ( A ) N = jumlah lilitan dalam solenoida L = panjang solenoida dalam meter ( m ) Dengan arah medan magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Arah arus menentukan arah medan magnet pada Solenoida.
Besarnya medan magnet di ujung Solenida (titik P) dapat dihitung: BP = Medan magnet diujung Solenoida dalam tesla ( T ) N = jumlah lilitan pada Solenoida dalam lilitan I = kuat arus listrik dalam ampere ( A ) L = Panjang Solenoida dalam meter ( m ) MEDAN MAGNET PADA TOROIDA Toroida adalah sebuah solenoida yang dilengkungkan sehingga berbentuk lingkaran kumparan.
Besarnya medan magnet ditengah-tengah Toroida ( pada titik-titik yang berada pada garis lingkaran merah ) dapat dihitung
Bo = Meda magnet dititik ditengah-tengah Toroida dalam tesla ( T )
N = jumlah lilitan pada Solenoida dalam lilitan I = kuat arus listrik dalam ampere ( A ) a = rata-rata jari2 dalam dan jari-jari luar toroida dengan satuan meter ( m ) a = ( R1 + R 2 )
Pada gambar anda anak panah merah adalah arah arus sedang tanda panah biru arah medan magnet. KONTRUKSI MOTOR HISTERISIS Kontruksi Stator a. Split phase hysteresis motor. b. Shaded pole hysteresis motor. Rotor a. Tidak ada belitan b. Silinder halus yang terbuat dari bahan magnetik yang keras dengan hysteresis loop yang besar (chrome, cobalt steel) c. Resistansi tinggi untuk mengurangi Eddy Current loss
KARAKTERISTIK MOTOR HISTERISIS Prinsip Kerja
Hysteresis merujuk kepada bagaimana fluks magnetik dalam logam tertinggal terhadap gaya magnetisasi eksternal, misalnya untuk mendemagnetisasi bahan tersebut, salah satunya bisa menerapkan medan magnetisasi yang berlawanan polaritasnya terhadap polaritas mulanya memagnetisasi material tersebut. Motor ini memiliki stator seperti motor induksi squirrel-cage. Ciri yang membedakan adalah rotornya, di mana silindernya halus yang terbuat dari logam campuran magnetis yang tetap termagnetisasi, tetapi dapat terdemagnetisasi cukup mudah seperti pada saat termagnetisasi ulang dengan kutub di lokasi baru. Pada saat start, slip akan menurun dan rotor termagnetisasi oleh medan stator yang polaritasnya tetap ditempat. Motor tersebut lalu bekerja di kecepatan sinkron seperti pada saat rotor mulanya seperti magnet permanen. Ketika di stop dan di start ulang, polaritasnya terbentuk di tempat yang berbeda. Untuk desain tersebut, torsi di kecepatan sinkron relatif tidak terlalu tinggi dan motor dapat bekerja di bawah kecepatan sinkron. Singkatnya, medan magnetik tertinggal terhadap fluks magnetik. Sifat Magnetik Suatu Batuan Sifat magneik batuan menjelaskan perilaku beberapa zat yang berada dibawah pengaruh medan magnet. Fenomena magnetik muncul dari gerak elektrik partikel bermuatan dalam zat. Ada tiga kelompok utama pada zat yang bersifat magnetik :
Diamagnetik, adalah sifat material yang sulit termagnetisasi. Berdasarkan kuantum, semua elektron pada bahan diamagnetik ini berpasangan. Sehingga jika diterapkan medan magnet maka akan magnetisasi induksi. Karena elektron berorbital menghasilkan medan magnet yang berlawanan arah dengan medan magnet luar sehingga suseptibilitas magnetiknya negatif. Paramagnetik, adalah sifat material yang mudah termagnetisasi akan tetapi sifat megnetiknya mudah hilang. Momen magnetik material paramagnetik searah dengan medan eksternal sehingga menghsilkan suseptibilitas positif. Proses magnetisasi material paramagnetik dipengaruhi efek agitasi thermal.
Jadi efek-efek ini hanya dapat terjadi bila medan yang diapliksikan lemah. Pada kedua kasus di atas, kekuatan induksi magnet M(momen dipole magnetik per satuan volume) secar langsung berhubungan dengan kuat medan magnet aplikasi H : M = k.H (1)
Dimana k adalah suseptibilitas magnetik k = M/H (2)
Secara umum suseptibilitas adalah tensor tingkat dua (rank two). Jika tidak disebutkan symbol k berarti suseptibilitas kuasi isotropic.
Ferromagnetik, adalah sifat material yang mudah termagnetisasi dengan suseptibilitas magnetik yang sangat besar. Ferromagnetik bergantung pada suhu, berkurang dengan turunnya suhu dan hilang pada suhu Curie.
Ferromagnetik dibedakan menjadi : a) Antiferomagnetik, material yang mempunyai suseptibilitas seperti benda para magnetik tetapi nilainya naik dengan kenaikan suhu dan pada suhu tertentu akan turun. b) Ferrimagnetik, material yang mempunyai suseptibilitas yang besar tergantung temperatur. Bila temperatur lebih tinggi dari
temperatur Curie Tc untuk ferro-/ferrimagnetik temperature Neel Tn untuk antiferromagnetik
material mempunyai sifat paramagnetik.
Material Ferro- dan ferrimagnetik menunjukkan kurva histeresis untuk tidak bergantung pada magnetisasi pada kuat medan magnet. Magnetisasi tergantung pada kuat medan dan sejarah magnetik, dan menunjukkan fenomena remanensi magnetik.