Alat dan Bahan Gaya Lorentz

Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1 82 a. Aturlah tegangan keluaran 3 volt DC b. Fungsikan basicmeter sebagai amperemeter dengan batas ukur 5A c. Tempatkan kompas dengan jarak radius ± 2 cm terhadap kawat penghantar 2. Hidupkanlah catu daya 3. Amati apa yang terjadi pada kompas 4. Ubahlah arus dengan memutar potensiometer 5. Amati apa yang terjadi pada jarum kompas 6. Dengan arus yang tetap, ubahlah radius kompas 7. Bandingkan penyimpangan kompas jika jarak kompas dari penghantar diubah- ubah 8. Diskusikan hasil pengamatanmu dengan anggota kelompokmu 9. Buatlah kesimpulan dan komentar berdasarkan hasil pengamatanmu

10. Ingat, setelah melakukan praktikum, kembalikan peralatan ke tempat semula

dalam keadaan baik Kaidah tangan kanan menyatakan bahwa, jika kita menggenggam penghantar sehingga ibu jari kita menunjukkan arah arus maka arah genggaman jari yang lain menunjukkan arah medan magnetik induksi di sekitar penghantar. Sedangkan arah medan magnetik di suatu titik searah dengan garis singgung lingkaran di titik tersebut, seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.3. Berdasarkan percobaan di atas dapat disimpulkan bahwa penyim- pangan jarum kompas ternyata disebabkan oleh medan magnetik yang ditimbulkan saat penghantar dialiri arus listrik. Medan magnetik yang timbul akibat adanya arus listrik inilah yang disebut medan magnetik induksi. Medan magnetik induksi disimbolkan dengan huruf B dengan satuan weberm 2 atau Tesla. Medan magnetik merupakan besaran vektor. Arah medan magnetik induksi dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan seperti gambar 5.2 di bawah ini. Kaidah Tangan Kanan Medan Magnet I arus medan magnet I arus tangan kanan Gambar 5.2 Kaidah tangan kanan Gambar 5.3 Arah medan magnetik induksi di suatu titik di sekitar arus listrik I r P B Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1 83

B. Hukum Biot-Savart

Keberadaan medan magnetik di sekitar kawat berarus telah ditunjukkan oleh Oersted dengan terpengaruhnya magnet di sekitar kawat berarus. Pengaruh tersebut menunjukkan bahwa medan magnetik dapat dihasilkan oleh penghantar berarus. Lalu bagaimanakah cara menentukan medan magnetik di sekitar kawat berarus? Medan magnetik di suatu titik yang diakibatkan oleh arus listrik pada sebuah rangkaian merupakan resultan medan- medan magnetik yang ditimbul- kan oleh semua muatan yang bergerak pada rangkaian itu. Kita misalkan suatu peng- hantar sembarang yang dialiri arus I. Perhatikan gambar 5.4 di atas Titik P adalah suatu titik di sekitar penghantar yang berjarak r. Kita dapat membagi-bagi panjang penghantar tersebut dalam elemen-elemen kecil arus sebesar I dL dan besarnya medan magnetik akibat arus pada elemen ini adalah dB. Besarnya medan magnetik di titik P dinyatakan sebagai berikut. . T S P 4 o 2 I dL sin dB = r . . . 5.1 Keterangan: P o : permeabilitas udara = 4 S. 10 -7 NA 2 T : sudut antara dL dengan r Persamaan 5.1 di atas dikenal sebagai Hukum Biot-Savart . Dengan menggunakan persamaan 5.1, dapat ditentukan besarnya medan magnetik pada titik P, yaitu: . S P o I B = r 2 . . . 5.2 Keterangan: B : kuat medan magnetik induksi wbm 2 I : kuat arus A r : jarak titik ke penghantar m Untuk lebih jelasnya, simaklah contoh soal berikut Hukum Biot-Savart I dL r r P dB T Gambar 5.4 Besarnya medan magnet di suatu titik di sekitar penghantar Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1 84 Contoh Soal Tentukanlah besarnya medan magnetik di suatu titik yang berjarak 5 cm dari penghantar yang sangat panjang berarus 2 ampere Penyelesaian: Diketahui: r = 5 cm I = 2 A Ditanyakan: B = . . . ? Jawab: Dengan menggunakan persamaan 5.2, besarnya B adalah: . T S P o 2 IdL sin dB = r 4 = 0,8 . 10 -5 wbm 2

1. Medan Magnetik di Sekitar Arus yang Melingkar

Untuk menyederhanakanme- mudahkan penentuan medan mag- netik di tengah kawat melingkar, kita ambil sebuah potongan kecil elemen dL dari kawat tersebut. Perhatikan gambar 5.5 di samping Gambar 5.5 menunjukkan kawat yang melingkar dengan jari-jari r. Arah medan magnetiknya dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan, dengan menganggap potongan kawat tersebut sebagai kawat lurus. Dengan demikian, besar medan magnetik tiap elemen adalah: . S P o 2 I dB = dL r 4 Medan magnetik total pada arus melingkar dapat ditentukan dengan mengintegralkan seluruh elemen pada kawat. Medan magnetik total pada arus melingkar dirumuskan: . S P ³ ³ o 2 I B dB dL r 4 = = Integral dL akan merupakan keliling lingkaran 2 Sr sehingga: . S S P P o o 2 I r I B = = 2r r 2 4 . . . 5.3 Untuk lebih memahami rumus di atas, perhatikan contoh soal berikut Gambar 5.5 Medan magnetik di pusat arus yang melingkar z r dB x y I Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1 85 Contoh Soal Tentukanlah besarnya medan magnetik di pusat lingkaran berarus 2 ampere, jika jari-jari lingkaran 8 cm Penyelesaian: Diketahui: I = 2 A r = 8 cm Ditanyakan: B = . . . ? Jawab: Dengan menggunakan persamaan 5.3, B dapat kita hitung sebesar: B = S -7 . 4 10 . 2 . 2 0,08 = 5 S. 10 -7 wbm 2

2. Medan Magnetik pada Solenoide

Solenoide disebut juga kumparan. Solenoide merupakan penghantar panjang yang terdiri atas banyak lilitan. Jika solenoide diberi arus maka akan timbul medan magnetik. Solenoide yang digulung rapat dapat dianggap sebagai sederetan kawat melingkar beraturan yang ditempatkan berdampingan serta membawa arus yang sama. Solenoide ini menghasilkan medan magnetik seragam di dalamnya. Adapun ujung- ujung solenoide memiliki sifat kemagnetan, dan berfungsi sebagai kutub-kutub magnetik. Penentu- an kutub magnetik dari solenoide dapat meng- gunakan kaidah tangan kanan. Perhatikan gambar 5.6 di samping Pola medan magnetik pada solenoide mirip dengan medan magnetik pada magnet batang. Jika panjang kumparan adalah L dan jumlah lilitan adalah N maka besarnya medan magnetik pada pusat kumparan dirumuskan sebagai: B pusat = P o . I N . . . 5.4 Sedang medan magnetik di ujung-ujung solenoide adalah: B pusat = 1 2 P o . I N Keterangan: N : banyaknya lilitan dalam solenoide : panjang solenoide m Gambar 5.6 Medan magnetik pada kumparan I U S U S arah arus utara Gambar 5.7 Kutub magnetik solenoide dapat ditentukan dengan menggunakan tangan kanan Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1 86 Praktikum 2

C. Gaya Lorentz

Pernahkah kamu mengamati bagaimana kipas angin atau motor listrik bekerja? Percobaan sederhana berikut ini akan membantumu menjelaskan bagaimana keduanya dapat bekerja. Gaya Lorentz A. Tujuan Mengamati gejala gaya Lorentz.

B. Alat dan Bahan

1. Statif 2 buah 2. Pita alumunium foil dengan lebar 0,5 cm ± 20 cm 3. Kabel penghubung merah 2 buah 4. Kabel penghubung hitam 2 buah 5. Kabel penghubung merah dengan penjepit buaya 1 buah 6. Kabel penghubung hitam dengan penjepit buaya 1 buah 7. Ammeter 0 – 5 A 1 buah 8. Magnet U 1 buah 9. Catu daya 1 buah

C. Langkah Kerja

1. Susunlah alat dan bahan seperti gambar berikut alumunium foil penjepit buaya penjepit buaya U + – ke catu daya Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1 87 Gaya magnetik atau gaya lorentz adalah gaya yang timbul pada penghantar berarus atau muatan yang bergerak dalam medan magnetik. Besarnya gaya Lorentz dirumuskan sebagai berikut. F = IBL sin T . . . 5.5 Keterangan: F = gaya lorentz N Gaya Lorentz Arah gaya Lorentz dapat ditentukan de- ngan menggunakan kaidah sekrup putar kanan seperti ditun- jukkan pada gambar 5.7. Coba perhatikan sebuah kumparan berarus yang berada dalam medan magnetik berikut ini Gambar 5.8 Gaya Lorentz pada sebuah kumparan p I a F 1 d B c F 2 O b Gambar 5.7 Aturan sekrup putar kanan untuk menentukan arah gaya Lorentz F B I Kereta api ini mampu berjalan dengan kecepatan rata-rata 435 kmjam. Namun demikian, kereta api ini tidak menimbulkan kebisingan. Hal ini karena tidak ada gesekan antara roda kereta dengan relnya. Bagaimana hal ini terjadi? Ketika kereta berjalan, gaya mag- netik pada landasan rel, akan menyebabkan kereta melayang di atas rel. Gaya yang sama juga bekerja ke arah kiri dan kanan sehingga kereta dapat stabil. Bayangkan, kereta ini seperti terbang. Sebaiknya Tahu Gambar 5.9 Shinkansen, sebuah kereta api magnetik mampu bergerak dengan kecepatan tinggi tanpa kebisingan Rep. shinkasan. hanghaiexpat.blogsome 2. Perhatikan hal-hal berikut a. Aturlah catu daya pada posisi off dengan tegangan output 3 volt DC b. Usahakan agar tarikan pita terhadap statif jangan terlalu tegang c. Jangan menghidupkan catu daya terlalu lama agar pita alumunium tidak terbakar 3. Hidupkanlah catu daya sekejap Amati apa yang terjadi dengan pita alumunium foil 4. Ulangilah langkah 1 dengan mengubah-ubah arah kutub magnet U Adakah perubahan arah gerakan pita alumunium? 5. Diskusikan dengan kelompokmu, adakah hubungan antara arah arus, arah kutub magnet dan gerakan pita alumunium Informasi: Gerakan yang timbul pada pita alumunium foil saat ada aliran arus listrik disebut gaya magnetik atau gaya Loretz . 6. Buatlah kesimpulan dan komentar berdasarkan hasil pengamatanmu 7. Setelah selesai melaksanakan praktikum, jangan lupa untuk mengembalikan alat dan bahan ke tempat semula Jagalah kebersihan lingkungan dan tubuhmu