Gaya Magnet sma12fis Fisika Drajat

151 Kemagnetan Maka, Jadi, induksi magnetiknya adalah -2 1, 6 10 4 Wbm P × − .

2. Medan Magnet Toroida

Apabla sebuah solenoida dilengkungkan sehingga sum- bunya membentuk sebuah lingaran, solenoida tersebut disebut toroida. Coba Anda perhatikan gambar sebuah toroida berikut ini. Sesuai dengan persamaan induksi magnetik di tengah solenoida maka besarnya magnetic pada sumbu toroida akan menjadi persamaan berikut. Dengan n adalah jumlah lilitan kawat N per satuan panjang kawat. Dalam hal ini panjang kawat adalah sama dengan keliling lingkaran 2 r P sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut. dengan a adalah jari-jari toroida. Akan tetapi, menurut Ampere persamaannya akan menjadi sebagai berikut. dengan Δl adalah 2 r P sehingga

C. Gaya Magnet

Jika sebuah penghantar yang ditempatkan pada medan magnet atau induksi magnetic maka akan mengalami gaya. Gaya yang dialami oleh penghantar yang berarus listrik disebut gaya Lorentz. Gambar 3.19 Sebuah magnet dengan jari-jari a Di unduh dari : Bukupaket.com 152 Fisika untuk SMAMA kelas XII Mengamati Medan Magntik di Sekitar Kawat Berarus Listrik • Alat dan Bahan: • Selembar pita aluminium aluminium foil • Sebuah magnet U yang kuat • Sebuah baterai • Sebuah sakelar • Dua buah penjepit klip Eksperimen 3.2

1. Gaya Magnetik pada Sebuah Kawat Berarus Listrik

Gaya magnet dapat dialami oleh sebuah kawat berarus lis- trik dalam medan magnet. Untuk memahami gaya magnet tersebut, coba Anda lakukan eksperimen berikut ini. Gambar 3.20 Langkah-Langkah Kegiatan: 1. Coba Anda rentangkan pita aluminium di antara kutub utara-selatan magnet. 2. Hubungkan ujung-ujung pita ke baterai melalui sake- lar. 3. Tutuplah sakelar agar arus listrik mengalir melalui pita. 4. Apa yang terjadi dengan pita aluminium? 5. Balikkan polaritas baterai, kemudian ulangi langkah nomor 1 sampai dengan nomor 4. 6. Berikan kesimpulan dari eksperimen yang Anda laku- kan. Besaran-besaran yang mempengaruhi gaya magnet F pada sebuah kawat berarus listrik i dalam medan magnet B dengan cara mengamati besarnya penyimpangan pita alu- minium. Semakin besar gaya magnet maka akan semakin besar pula penyimpangan pita aluminium. b a Di unduh dari : Bukupaket.com 153 Kemagnetan Apabila Anda memperbesar kuat arus listrik i dengan cara menambah jumlah baterai, tanpa mengganti magnet U, ternyata penyimpangan pita menjadi semakin besar. Kita dapat simpulkan bahwa besarnya gaya magnet F bergantung pada magnet U yang semula dengan magnet U yang lebih kuat, tanpa menambah jumlah baterai, ternyata penyimpangan pita menjadi semakin besar. Kita dapat simpulkan pula bahwa besarnya gaya magnet F bergantung pada induksi magnet B. Jika Anda mengganti pita alu- minium yang semula dengan pita aluminium yang sedikit lebih panjang, tanpa menambah jumlah baterai ataupun mengganti magnet U, ternyata penyimpangan pita menjadi semakin besar. Dapat disimpulkan bahwa besarnya gaya magnet F bergantung pada panjang kawat l . Kawat penghantar berarus listrik yang ditempatkan dalam induksi magnetic akan melengkung karena pengaruh gaya Lorentz. Coba Anda perhatikan gambar berikut, tampak kawat melengkung ke kanan sebab induksi magnetik yang arah- nya keluar tegak lurus bidang gambar. Gambar 3.21 Sebuah kawat penghantar berarus listrik melengkung ke bawah kaena pengaruh gya lorenz Besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh penghantar dengan panjang l yang dialiri arus listrik I dalam medan magnet homogen B, memenuhi persamaan dengan Q dalah sudut yangdibentuk oleh arus I dan arah medan magnet B. Jika Q = 90 o atau i dan B saling tegak lurus, persamaannya menjadi karena sin 90 o = 1 B F i Di unduh dari : Bukupaket.com 154 Fisika untuk SMAMA kelas XII Jadi, besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh kawat penghantar sebanding dengan induksi magnetik B, arus listrik i, panjang kawat l , serta bergantung pada sudut yang dibentuk oleh B dan i. Gambar 3.22 Penghanta dengan panjang berarus listrik i dengan medan- magnet homogen

2. Gaya Magnetik pada Muatan Berge- rak

Coba Anda perhatikan gambar di bawah ini, untuk muatan listrik yang bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnet homogen B, penjelasannya adalah sebagai beri- kut Hubungan antara muatan q dan kuat arus i adalah . Lalu, ruas kiri dan ruas kanan dikalikan dengan d l sehingga Coba Anda subtitusikan nilai id l ke dalam persamaan sin F id Q = l sehingga diperoleh persamaan Gambar 3.23 Muatan listrik q bergerak den- gan kecepatan v dalam medan magnet homogen B searah medanmagnet masuk bidang kertas Di unduh dari : Bukupaket.com 155 Kemagnetan Persamaan di atas serupa dengan persamaan jika Q = 90 o atau sin 90 o = 1 besarnya gaya Lorentz pada sebuah partikel bermuatan listrik yang bergerak da- lammedan magnet B menjadi . Untuk menentukan arah gaya Lorentz yang dialami oleh penghantar berarus listrik maupun muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet yang homogen, digunakan aturan sekrup. Jika arus listrik i diputar ke arah medan magnet B, F adalah arah sekrup. Coba Anda perhatikan gambar berikut. Arah gaya Lorentz juga dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan. Untuk menentukan arah gaya Lorentz pada muatan positif dengan meng- gunakan aturan tangan kanan, coba Anda amati gambar berikut ini. Gambar 3.24 Aturan sekrup untuk muatan positif Coba Anda perhatikan gambar berikut ini, tiga par- tikel, yaitu A , B , dan G bergerak dalam medan magnet homogen yang arahnyatt tegak lurus bidang kertas ⊗ . Jika diketahui bahwa partikel bermuatan positif, partikel ber- muatan negatif, dan partikel tidak bermuatan. Coba Anda tentukan arah pembelokan arah ketiga pertikel tersebut dengan menggunakan aturan tangan kanan. Gambar 3.25 Aturan tangan kanan untuk muatan positif F B v B v F Di unduh dari : Bukupaket.com 156 Fisika untuk SMAMA kelas XII Jika sebuah partikel bermuatan listrik bergerak dengan kecepatan v, tegak lurus dengan medan magnet homogen yang mempengaruhinya. Lintasan partikel tersebut berupa lingkaran. Gaya Lorentz berfungis sebagai gaya sentripetal untuk bergerak melingkar ini. Selanjutnya, coba Anda perhatikan gambar berikut ini. Gambar 3.26 Arah pembelokan dari partikel , dan dalam medan magnet. Gambar 3.27 Gaya yang dialami muatan bergerak dalam medan magnet Dari persamaan jika untuk Q = 90 o , persamaannya menjadi Partikel tersebut bergerak melingkar karena menda- patkan gaya sentripetal yaitu nilainya sama dengan gaya Lorentz. Menurut Hukum II Newton, pada gerak melingkar beraturan berlaku persamaan: , dengan Di unduh dari : Bukupaket.com 157 Kemagnetan Maka, dengan: B = induksi magnetik homogen yang arahnya masuk bidang kertas Wbm-2 v = kecepatan partikel ms q = muatan partikel C m = massa partikel kg R = jari-jari lintasannya m Jadi, jari-jari sebuah lintasan partikel yang bergerak dalam medan magnet homogen sebandingdengan momentum partikel mv serta berbanding terbalik dengan besarnya muatan partikel q dan induksi magnetik B yang mem- pengaruhinya. Sebuah partikel bermuatan 0,6 M C berada dalam medan magnet homogen B = 10 -2 Wbm -2 . Jika kecepatan partikel tegak lurus medan magnetnya dan lintasan partikel berupa lingkaran dengan jari-jari 80 cm, tentukanlah besarnya momentum partikel. Penyelesaian: Diketahui: q = 0,6 C = 6 10-7 C; B = 10 -2 Wbm -2 ; R = 80 cm = 0,8 m Dengan menggunakan persamaan sehingga momentum partikelnya adalah Contoh Soal 3.4

3. Gaya Magnetik di Antara Dua Kawat Sejajar

Coba Anda perhatikan gambar berikut ini, dua kawat penghantar dipasang dan dialiri arus listrik. Di unduh dari : Bukupaket.com 158 Fisika untuk SMAMA kelas XII Ternyata pada gambar a kedua kawat saling mendekati atau tarik-menarik, sedangkan pada gambar b kedua kawat saling menjauhi atau tolak-menolak. Ini menunjukkan bahwa antara kedua kawat timbul gaya Lorentz. Coba Anda perhatikan gambar berikut, besarnya gaya timbal balik antara satu kawat dan kawat yang lain dapat diturunkan sebagai berikut. Gambar 3.28 Dua prosespenghantar yang di- pasang sejajar dialri arus listrik denganarah a. searah; b. berlawanan Kawat pertama I akan dipengaruhi oleh induksi magnetik yang ditimbulkan oleh i 2 sebesar B dengan arah masuk bidang kertas sehingga arah gaya F 12 ke kiri. , dengan sehingga Besarnya gaya per satuan panjang kawat adalah Kawat kedua II akan dipengaruhi oleh induksi mag- netik yang ditimbulkan oleh i 1 sebesar B 1 , dengan arah masuk bidang kertas sehingga arah gaya F 21 ke kanan. Da- lam contoh ini, i 1 dan i 2 berlawanan arah sehingga kawat Gambar 3.29 Gaya timbal balik antara kawat I dan kawat II b a Di unduh dari : Bukupaket.com 159 Kemagnetan I dan kawat II mengalami gaya tolak-menolak, yaitu F 12 pada kawat I ke kiri, sedangkan pada kawat II mendapat gaya F 21 ke kanan menjauhi kawat II. , dengan sehingga Besarnya gaya per satuan panjang kawat adalah Jadi, , dan besarnya gaya per satuan panjang kawat pada masing-masing kawat adalah Jika kuat arus pada masing-masing kuat sama i 1 = i 2 maka persamaannya dapat ditulis sebagai berikut. Satuan dari adalah Nm. Dua kawat sejajar satu sama lain berjarak 20 cm, dialiri arus listrik sama besar. Jika antara kedu akawat timbul gaya tarik-menarik per satuan panjang kawat sebesar 2 × 10 -4 Nm, hitunglah besarnya kuat arus pada masing-masing kawat. Penyelesaian: Dikatahui: a = 20 cm = 0,1 m; F = 2 × 10 -4 Nm Gaya per satuan panjang dialami kedua kawat memenuhi persa- maan: Contoh Soal 3.5 Di unduh dari : Bukupaket.com 160 Fisika untuk SMAMA kelas XII

4. Penerapan Gaya Magnet

Gaya magnet dapat dimanfaatkan pada alat-alat yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak, misalnya motor listrik dan alat ukur listrik.

1. Motor Listrik

Motor listrik sederhana arus searah terdiri dari kumparan yang ditempelkan pada as roda sehingga dapat berputar di antara kutub-kutub magnet berbentuk ladam. Ujung-ujung kumparan koil dihubungkan dengan cincin belah yang disebut komutator. Dua blok karbon yang disebut sikat menekan komutator. Arus listrik dialirkan masuk dan keluar dari kumparan kolil melalui sikat-sikat karbon. Komutator akan berpoutar bersamaan dengan kumparan, tetapi sikat-sikat karbon tidak ikut berputar sehingga kawat-kawat penghubung baterai tidak melintir berpilin. Dua sikat pada komutator mengubah arah arus sehingga mengubah-ubah gaya lorentz pada keempat sisi kumparan. Akibatnya, kumparan berputar di antara dua kutub magnet. Motor listrik mengubah energi listrik menjadi energi gerak.

2. Alat Ukur Listrik

Salah satu jenis alat ukur listrik yang banyak digunakan adalah alat ukur jenis kumparan berputar. Bagian utama dari alat ukur jenis kumparan berputra adalah inti besi lunak berbentuk silinder yang dililiti kawat membentuk kumparan. Kumparan dengan inti besi lunak ini diletakkan di antara kutub-kutub sebuah magnet permanen. Ketika arus listrik mengalir dalam kumparan maka di sisi kumparan yang dekat dengan kutub-kutub magnet mengalami gaya magnet yang berlawanan arah sehingga Gambar 3.30 Motor listrik Di unduh dari : Bukupaket.com 161 Kemagnetan menyebabkan kumparan berputar. Karena putaran kump- aran tersebut ditahan eoleh kedua pegas spiral maka kumparan mengambil kedudukan pada suatu sudut putaran tertentu. Makin besar arus listrik yang mengalir ke dalam kumparan, makin besar pula sudut putarannya. Putaran dari kumparan diteruskan pegas ke jarum untuk menun- jukkan angka dengan skala tertentu. Angka tersebut me- nyatakan besar kuat arus listrik atau besar tegangan listrik yang diukur. Alat ukur listrik dengan kumparan berputar banyak digunakan pada galvanometer, amperemeter, dan voltmeter.

D. Gaya Gerak Listrik GGL Induksi