Medan Magnetik sma12fis Fisika Drajat

140 Fisika untuk SMAMA kelas XII

B. Medan Magnetik

Medan magnet adalah ruang di sekitar magnet tempat magnet lain atau benda lain yang dapat dipenagruhi mag- net mengalami gaya magnet. Jika Anda meletakkan kertas putih di atas sebuah magnet dan menaburkan garis-garis gaya magnet dari magnet tersebut. Perhatikan gambar berikut. Garis-garis gaya magnet selalu keluar dari kutub utara magnet dan masuk ke kutub selatan magnet. Sementara dalam magnet, garis-garis gaya magnet memiliki arah dari kutub selatan magnet ke kutub utara magnet. Garis- garis tersebut tidak pernah saling berpotongan. Kerapatan garis-garis gaya magnet menunjukkan kekuatan medan magnet. Gambar 3.8 Menghilangkan sifat maget dengan cara dipukul Gambar 3.9 Menghilangkan sifat maget dengan cara dibakar

a. Dipukul dengan Palu

Magnet yang dipukul dengan palu akan mengakibatkan magnet tidak beraturan. Ini mengakibatkan magnet kehi- langan sifat magnetnya.

b. Dipanaskan atau Dibakar

Apabila kita membakar magnet, magnet akan cepat kehi- langan sifat magnetnya. Hal ini disebabkan magnet kecil bertambah getarannya yang mengakibatkan magnet kecil tidak beraturan letaknya.

c. Dialiri Arus Bolak-Balik AC

Cara yang terbaik untuk menghilangkan sifat magnet suatu bahan adalah dengan menggunakan arus bolak-balik AC. Dengan menempatkan magnet ke dalam solenoida yang dihubungkan dengan arus bolak-balik AC, magnet secara perlahan akan berpindah mengikuti aliran listrik bolak-balik dalam solenoida. Gambar 3.10 Garis gaya manet dapat ditunjukkan jika serbuk kayu didekatkan denan magnet Di unduh dari : Bukupaket.com 141 Kemagnetan Jika dua kutub yang tidak sejenis saling berhadapan akan diperoleh garis-garis gaya magnet yang saling ber- hubungan. Jika dua kutub yang sejenis dan saling berhada- pan akan diperoleh garis-garis gaya magnet yang menekan dan saling menjauhi. Kutub-kutub yang tidak sejenis utara-selatan apabila didekatkan akan saling tarik-menarik,sedangkan kutub- kutub yang sejenis utara-utara atau selatan-selatan apa- bila didekatkan akan saling tolak-menolak. 1. Medan Magnetik di Sekitar Kawat Lurus Berarus Listrik Di sekitar kawat yang berarus listrik terdapat medan mag- netik yang dapat mempengaruhi megnatik lain. Medan magnetik adalah ruang di mana magnet lain masih menga- lami magnetil. Magnet jarum kompas dapat menyimpang dari posisi normalnya jiak dipengaruhi oleh medan mag- netik. Pada keadaan diam, kompas selalu menunjukkan ara utara-selatan. Hans Christian Oersted adalah orang yang kali per- tama melakukan penelitian untuk menentukan adanya medan magnetik di sekitar yang berarus listrik. Coba Anda perhatikan eksperimen Oersted berikut ini. Gambar 3.11 a garis gaya yang sekutub b aris-garis gaya magnet yang tidak searah Gambar 3.12 Hans Christian Oersted b a Di unduh dari : Bukupaket.com 142 Fisika untuk SMAMA kelas XII Mengamati Medan Magnet di SekitarKawat Berarus Listrik Alat dan Bahan: · Sebuah sakelar · Sebuah kompas kecil · Seutas kawat panjang ± 1 m Langkah-Langkah Eksperimen: 1. Coba Anda susun rangkaian seperti gambar berikut. Eksperimen 3.1 2. Dalam keadaan sakelar s terbuka,letakkan kawat di atas kompas dengan arah memanjang dan kawat sejajar dengan arah jarum kompas.

3. Kemudian, tutuplah sakelar s, sperti Gambar b. Apakahyang

terjadi pada jarum kompas tersebut?

4. Balikkan polaritas baterai seperti Gambar c , lalu lakukan

pengamatan yang sama seperti pada langkah 3. 5. Kemudian, tambahkan jumlah baterai. Ulangi pengamatan yang sama seperti pada langkah 1 sampai dengan langkah 4. 6. Geserkan kompas hingga menjauhi kawat, kemudian catat jaraknya. Ulangi pengamatan seperti pada langkah 1 sampai dengan langkah 4. 7. Apa yang dapat Anda simpulkan? Dari eksperimennya, Oersted mengambil suatu kes- impulan bahwa di sekitar arus listrik ada medan magnetik sehingga dapat mempengaruhi kedudukan magnet jarum. Arah garis-garis medan magnetik yang terdapat di sekitar Gambar 3.13 Eksperimen yang dilakukan Oersted Di unduh dari : Bukupaket.com 143 Kemagnetan kawat berarus sesuai dengan kaidah tangan kanan atau aturan sekrup putar kanan, seperti yang terlihat pada gambar berikut. Kaidah Tangan Kanan “Arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik dan arah lipatan jari-jari yang lainnya menunjukkan arah putaran garis-garis medan magnetik .”

2. Hukum Biot-Savart

Secara teoritis, Lorentz telah menyatakan besar kuat medan magnetik atau induksi magnetik di sekitar arus listrik. Menurut teori Lorentz, besarnya induksi magnetik yang disebabkan oleh elemen arus adalah berbanding lurus dengan kuat arus listrik, berbanding lurus dengan panjang kawat, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak titik yang diamati ke kawat dan arah induksi magnetiknya tegak lurus terhadap bidang yang melalui elemen arus dan titik yang diamati. Pada 1820, setahun setelah Oersted mencetuskan teorinya,dau orang ilmuwan Prancis bernama Jean Bap- tise Biot 1774-1862 dan Felix Savart 1791-1841, mengemukakan perhitungan lebihlanjut tentang induksi magnetic oleh elemen arus. Coba Anda perhatikan gambar di atas, sepotong elemen kawat d l dilalui arus listrik i. Arus listrik menimbulkan induksi magnetic di P sebesar dB . Jarak titik P ke kawat d l adalah r, dengan arah arus i dan jarak membentuk sudut Gambar 3.14 a. Jika arus tegak lurus bidang ke atas menuju Anda. Arah medan magnet berputar berlawanan arah jarum jam. Namun, jika arah arus tegak lurus bidang ke bawah menu- ju Anda arah kedua magnet berputar searah jarum jam b. Kaidah Tangan Kanan Gambar 3.15 .... B B B i a b B i Di unduh dari : Bukupaket.com 144 Fisika untuk SMAMA kelas XII J . Besarnya induksi magnetic di titik P karena pengaruh elemen kawat yang berarus listrik menurut Biot-Savart adalah Dengan menggantikan nilai k menjadi: 10 -7 weberAm Maka, akan diperoleh: Untuk nilai l yang sangat panjang sehingga nilai batasnya ditentukan: • Batas-batas menjadi dan • Batas-batas menjadi 0 dan Dengan mempergunakan gambar di atas akan diperoleh: Sehingga persamaan di atas dapat ditulis menjadi: Untuk menentukan nilai induksi magnet B pada persamaan di atas maka persamaan itu perlu diitegrasikan sehingga akan diperoleh: Di unduh dari : Bukupaket.com 145 Kemagnetan Karena Dengan demikian, persamaanya menjadi Keterangan: B = induksi magnetik di titik yang diamati Wbm -2 M = 7 4 10 P − × WbA -1 m -1 i = kuat arus listrik A a = jarak titik dari kawat m Sebuah kawat lurus panjang dialiri arus sebesar 4 A. Tentukanlah besarnya induksi magnetik pada sebuah titik yang berada sejauh 20 cm disebleah kanan kawat. Jika arah arus pada kawat ke atas, ke manakah arah induksi magnetiknya? Jawaban : Diketahui: i = 4 A; a = 20 cm = 0,2 m WbA -1 m -1 Maka, Jadi, besarnya induksi megnetik di titik P adalah 4 × 10-5 Wbm-2. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan, arah induksi magnetic di sekitar kawat di sebelah • Kanan kawat masuk bidang kertas • Kiri kawat keluar bidang kertas Contoh Soal 3.1 Setelah penemuan Oersted ini, lalu Biot-Savart men- jelaskan tentang induksi magnetic di sekitar kawat berarus listrik, serta Ampere menemukan hubungan antara kuat arus listrik dan induksi magnetic di sekitar kawat berarus listrik. Hasil perhitungan yang ditunjukkan Ampere jauh Tahukah Anda? Kareta Api Maglev Selama tahun 1950-an, se- orang insinyur dari Inggris, Eric Lathwaite, mengembangkan sebuah motor yang dapat men- gangkat kereta api di atas rel oleh tarikan magnetik. Walau- pun sekarang digunakan dalam skala kecil, kereta api Maglev ini akan menjadi kereta apai masa depan. Sumber: Buku Saku Penemuan, 1997 Di unduh dari : Bukupaket.com 146 Fisika untuk SMAMA kelas XII lebih sederhana dibandingkan dengan perhitungan yang telah diberikan Oersted serta Biot-Savart. Ampere menda- patkannya dengan menggunakan Hukum Gauss, berbeda dengan Oersted dan Biot-Savart yang menggunakan pen- delatan Hukum Coulomb. Menurut Ampere, Dengan adalah keliling lingkaran di sekitar ka- wat berarus listrik. Jika jari-jari keliling lingkaran a, sehingga akan diperoleh persamaan sebagai berikut. Jadi, persamaan yang diperoleh Ampere sama dengan hasil penemuan Biot-Savart, tetapi untuk mendapatan persamaan tersebut jauh lebih sederhana.

3. Medan Magnetik di Sekitar Kawat Me- lingkar Berarus Listrik

Jika pada kawat lurus panjang kita dapat menentukan induksi magnetik pada sembarang titik di sekitar kawat tersebut. Maka, pada kawat yang bentuknya melingkar, medan magnetic yang akan ditentukan dibatasi pada sumbu kawat saja, termasuk pada pusat lingkaran kawat. Karena induksi magnetik pada sembarang titik di sekitar arus melingkar sangat kompleks. Coba Anda perhatikan gambar berikut, sebuah kawat membentuk lingkaran dengan jari-jari a dialiri arus listrik i. Jarak titik P ke keliling lingkaran adalah r dan sudut yang dibentuk oleh r dan sumbu pusat lingkaran adalah A . Untuk menentukan arah medan magnet pada sumbu lingkaran, coba Anda gunakan aturan tangan kanan beri- kut ini. Gambar 3.16 Sebuah kawat membentuk lingkaran denganjari-jari a Di unduh dari : Bukupaket.com 147 Kemagnetan Induksi magnetik di P oleh elemen kawat yang dilalui arus i adalah sebagai berikut. Oleh karena r tegak lurus , berarti = 90 o sehingga per- samaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut menjadi Coba Anda perhatikan, vektor dapat diuraikan men- jadi dua komponen, yaitu yang sejajar dengan sumbu lingkaran adalah dan yang tegak lurus sumbu lingkaran adalah . Komponen akan saling menghilangkan dengan komponen yang berasal dari elemen lain yang berseberan- gan sehingga hanya komponen saja yang masih tersisa. Induksi magnetik di titik P dari seluruh bagian ling- karan yang kelilingnya sama dengan panjang seluruh kawat adalah Jika P digeser sehingga menjadi titik pusat lingkaran, r = a dan = 90 o . Induksi magnetik di titik pusat lingkaran menjadi Jadi, persamaan di atas digunakan untuk menentukan induksi magnetik di titik pusat lingkaran kawat dengan jari-jari a dan arus listrik i. Untuk suatu kumparan tipis dengan N buah lilitan, induksi magnetic di titik pusat lingkaran menjadi Gambar 3.17 Jari-jari yang dilipat sebahai arus dan ibu jari arahmedanm- magnet Di unduh dari : Bukupaket.com 148 Fisika untuk SMAMA kelas XII Untuk menentukan induksi magnetik di titik P yang terletak pada sumbu lingkaran akan diperoleh Karena sehingga persamaan tersebut dapat diubah menjadi Persamaan di atas digunakan untuk menentukan in- duksi magnetik pada sebuah titik sumbu lingkaran yang memiliki jari-jari a. Sebuah kawat yang dibentuk menjadi sebuah lingkaran dengan jari-jari 20 cm dialiri arus listrik sebesar 6 A. Tentukanlah besarnya induksi magnetik di titik pusat lingkaran. Penyelesaian: Diketahui: a = 20 cm = 0,2 m; i = 6A Dengan menggunakan persamaan 2 i B a M = akan diperoleh 7 -2 6 -2 4 10 Wbm 6A 6 10 Wbm 2 2 0, 2 i B a P M P − − × = = = × Jadi, induksi magnetik di titik pusat lingkaran adalah 6 -2 6 10 Wbm P − × . Contoh Soal 3.2

4. Medan Magnetik Solenoida

Kumparan panjang yang terdiri dari banyak lilitan kawat penghantar, yang menyerupai sebuah lilitas pegas disebut dengan solenoida. Gambar berikut ini ditunjukkan sebuah solenoida. Di unduh dari : Bukupaket.com 149 Kemagnetan Misalnya, panjang solenoida l terdiri atas N buah lilitan. Jumlah lilitan setiap satuan panjang menjadi N n = l dan jari-jari kumparan a. Menurut Biot dan Savart, induksi magnetic di titk P yang terletak pada sumbu solenoida dan disebabkan oleh elemen solenoida sepanjang dx adalah sebagai berikut. Dengan A adalah sudut antara r dan x. Dengan cara mensubtitusikan harga r dan dx ke dalam persamaan akan diperoleh Jika solenoida sangat panjang sehingga batas-batas sudut- nya menjadi 2 A = 0 o dan 1 A = 180 o . Untuk titik P yang terletak di tengah solenoida, induksi magnetic di titik P akan menjadi Gambar 3.18 Solenoida denganpangang danterdiri atas M buah lilitan Di unduh dari : Bukupaket.com 150 Fisika untuk SMAMA kelas XII atau dengan n adalah banyaknya lilitan per panjang kawat . Coba bandingkan dengan penemuan Ampere. dengan Δl adalah panjang solenoida sehingga Hasilnya sama, tetapi cara untuk memperoleh persamaan tersebut lebih sederhana. Untuk titik P yang berada di ujung kiri dan kanan sole- noida, persamaannya akan menjadi 2 A = 0 o dan 1 A = 90 o . atau Jadi, induksi magnetik pada sumbu solenoida dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dan Suatu solenoida panjangnya 8 m dengan jumlah lilitan 1600 lilitan. Jika pada solenoida megnalir arus sebesar 4 A, tentukanlah induksi magnetic pada sebiah titik di tengah solenoida yang terletak pada sumbunya. Penyelesaian: Diketahui: N = 1600 lilitan l = 16 m ⇒ 7 -1 -1 4 10 WbA m M P − = × i = 4 A Contoh Soal 3.3 Di unduh dari : Bukupaket.com 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