1. Kemagnetan.pdf

UNGKAPAN Dr. Walter Doyle Staples dalam bukunya “Think Like a Winner”  Kalau Anda mengubah pikiran anda Anda mengubah kayakinan anda.  Kalau Anda mengubah keyaknan anda Anda mengubah harapan anda.  Kalau Anda mengubah harapan anda Anda mengubah sikap anda.  Kalau Anda mengubah sikap anda Anda mengubah perilaku anda.  Kalau Anda mengubah perilaku anda Anda mengubah kinerja anda.  Kalau Anda mengubah kinerja anda Anda mengubah hidup anda. KEMAGNETAN KOMPOTENSI KHUSUS Setelah mempelajari topik ini, mahasiswa dapat: • Menjelaskan tentang medan magnet • Menentukan medan magnet di berbagai bentuk kawat berarus • Menghitung gaya Lorents • Menjelaskan penerapan konsep medan magnet dalam kehidupan sehari-hari • Menjelaskan hukum-hukum yg berlaku pada medan magnet A. MAGNET DAN MEDAN MAGNET Asal Usul Magnet Darimanakah magnet? Berdasarkan asalnya magnet ada 2 jenis, yaitu Magnet Alam Magnet Buatan Magnet Alam Batu magnet pertama kali ditemukan pada tahun 6500 SM di daerah Yunani di propinsi Magnesia. Batu ini memiliki sifat khas, yaitu dapat menarik besi Magnet Buatan Magnet buatan ada dua jenis, yaitu: > Magnet Keras > Magnet lunak Magnet Keras Magnet keras terbuat dari baja, Sulit dibuat namun sifat kemagnetannya kuat dan permanen Contoh :Kompas Magnet Lunak Magnet lunak biasa terbuat dari besi lunak, mudah dibuat namun sifat kemagnetannya lemah dan sementara. Contoh: Bel listrik dan alat untuk mengangkat besi Bahan-bahan Magnet Berdasarkan memagnetannya, benda digolongkan menjadi: - Bahan magnetik (ferromagnetik), yaitu bahan yang dapat ditarik kuat oleh magnet. Contoh besi dan baja - Bahan non magnetik: - paramagnetik, yaitu bahan yang ditarik lemah oleh magnet. Contoh aluminium dan kayu - diamagnetik, yaitu bahan yang ditolak oleh magnet. Contoh emas Bagian-bagian magnet Kutub magnet : bagian ujung magnet yang memiliki gaya magnet paling kuat Sumbu magnet: garis yang menghubungkan kedua kutub magnet Kutub magnet Sumbu magnet Kutub Magnet Magnet memiliki 2 kutub yaitu kutub utara dan kutub selatan Kutub utara : kutub magnet yang menghadap ke utara ketika magnet dapat bergerak bebas Kutub selatan : kutub magnet yang menghadap ke selatan ketika magnet dapat bergerak bebas Teori Magnet Bila kita memiliki magnet yang besar, kemudian kita potong menjadi dua, apakah potongannya juga merupakan magnet? Bagaimana kalau kita potong terus hingga tidak dapat dipotong kembali? Apakah masih magnet? Sebuah magnet yang besar tersusun dari magnet yang kecil yang kita sebut magnet elementer. Karena magnet elementer adalah magnet yang paling kecil yang berupa atom, maka: Setiap benda tersusun dari magnet elementer Pada sebuah magnet, magnet-magnet elementernya tersusun rapi dan searah. Sehingga menimbulkan kutub-kutub magnet Pada besi bukan magnet, magnet-magnet elementernya tersusun dengan arah yang berlainan. Sehingga tidak menimbulkan kutub magnet. Magnet Besi Membuat Magnet Setelah kita mengetahui perbedaan antara benda magnet dan bukan magnet maka, kita dapat membuat sebuah besi yang bukan magnet menjadi magnet. Bagaimana caranya? Dengan menyusun rapi magnet elementernya dan membuatnya searah, maka besi tersebut menjadi sebuah magnet. Membuat Magnet CARANYA? Ada tiga cara menyusun magnet elementer (membuat magnet) Pertama: digosok dengan magnet Kedua: diinduksi dengan magnet Ketiga: dengan menggunakan arus listrik DC Membuat Magnet Digosok dengan Magnet Membuat Magnet Diinduksi dengan magnet Membuat Magnet Dengan Arus Listrik DC Menghilangkan megnet Dapatkah sebuah magnet kehilangan sifat kemagnetannya? Sifat kemagnetan akan hilang bila magnet-magnet elementer penyusunnya kembali ke posisi semula yang tidak teratur. Hal ini dapat terjadi bila magnet: > dipukul / dibanting > dipanaskan > berada disekitar arus listrik AC (bolak-balik) Medan Magnet Medan magnet adalah wilayah disekitar magnet yang masih dipengaruhi oleh gaya magnet Arah Medan Magnet Bumi sebagai Magnet Bumi yang kita tinggali memiliki sifat-sifat kemagnetan Sehingga bumi dapat kita sebut sebagai magnet Bagaimanakah bentuk magnet bumi? Magnet Bumi Kita bayangkan seandainya magnet Bumi berbentuk batang Ternyata posisi kutub-kutub magnet Bumi tidak pas dengan posisi kutubkutub geografi Bumi Kutub utara kompas Kutub utara bumi Sudut deklinasi Sudut deklinasi Karena kutub magnet Bumi tidak sama dengan kutub Bumi, maka kedua kutub tersebut membentuk sebuah sudut, yaitu sudut deklinasi. Sudut deklinasi adalah sudut yang dibentuk antara arah utara kompas dengan arah utara Bumi Sudut Inklinasi Sudut inklinasi adalah sudut yang dibentuk oleh garis gaya magnet Bumi dengan arah horisontal Bumi. Sudut inklinasi B.4.2 Medan danMagnet Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Medan di Sekitar Arus Listrik Jika sebuah kawat yang diletakkan vertikal di sekitar tumpukan serbuk besi diberi arus listrik, maka serbuk besi ini akan membentuk garis-garis konsentris dengan kawat sebagai pusatnya. Garis-garis ini menggambarkan bahwa di sekitar kawat tersebut terdapat medan magnetik B.4.2 Medan danMagnet Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Medan di Sekitar Arus Listrik Percobaan Oersted B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Dari percobaannya Oersted menyimpulkan bahwa: Di sekitar arus listrk terdapat medan magnet. B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Bagaimanakah bentuk dari medan magnet disekitar arus listri? B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Bagaimanakah bentuk dari medan magnet disekitar arus listrik? B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Arah medan magnet B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Elektromagnet Bagaimanakah medan magnet pada kawat berbentuk lingkaran? B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Meadan magnet pada kumparan B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Kumparan atau solenoida bila diberi arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet pada magnet batang. B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Memperbesar Elektromagnet Elektromagnet dapat diperkuat dengan cara: 1. memperbesar kuat arus listrik 2. memperbanyak lilitan kumparan 3. mengisi kumparan dengan inti besi lunak B.4.2 Medan dan Magnet Gaya Magnet di Sekitar ArusListrik Listrik Medan di Sekitar Arus Kutub-kutub Elektromagnet Untuk menentukan kutub-kutub sebuah elektromagnet kita dapat menggunakan tangan kanan kita. Bel listrik Pesawat telepon Relai Relai : saklar elektromaknet dengan listrik kecil untuk menjalankan listrik yang besar B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik • Muatan yang bergerak dalam medan magnet akan mengalami gaya magnet: v    F  qv  B Fmagnet B Muatan uji, +q • Besar gaya magnet: F  qvB sin  B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Gaya yang bekerja pada muatan yang bergerak dalam medan magnetik • Besarnya gaya magnetik FB yang bekerja pada • suatu partikel sebanding dengan muatan q dan laju partikel |v| arah dari gaya FB bergantung pada arah kecepatan partikel v dan arah medan magnetik B B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Gaya Magnetik … Satuan SI untuk B adalah tesla (T) 1 tesla = 1 newton / (coulomb.meter/second) = 1 newton / (ampere.meter) Satuan yang lebih awal untuk B (bukan SI) adalah gauss. 1 tesla = 104 gauss B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Gaya magnet pada kawat berarus    Fmagnet  ILxB Fmagnet  ILB sin  B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Partikel bermuatan dalam medan magnetik serba sama FB  qv  B Medan menembus bidang + + + FB + + v v + + Perhatikan laju tidak berubah tetapi arah berubah Force is always  to v B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Partikel bermuatan dalam medan magnetik serba sama Medan menembus bidang FB  qv  B + FB + v Karena gaya selalu dalam arah radial, ia bekerja untuk mempertahankan partikelbergerak dalam lingkaran FB  qvB mv qB  r mv  r 2 mv r qB B. Medan dan Gaya Magnet di Sekitar Arus Listrik Contoh soal • Sebuah proton bergerak dalam lintasan lingkaran dengan jari-jari 14 cm dalam sebuah medan magnetik 0.35 T yang tegak lurus dengan kecepatan proton. Tentukan laju linier proton. C. Kuat Medan Magnet Gaya lorentz Bila elektron melintas memotong medan magnet, maka elektron tersebut akan mengalami suatu gaya yang mendorongnya ke arah tertentu Gaya tersebut disebut gaya lorentz C. Kuat Medan Magnet Meperbesar Gaya Lorentz Gaya lorentz dapat di perbesar dengan 3 cara, yaitu: 1. Memperkuat magnet 2. Memperbesar kuat arus 3. Memperpanjang kawat penghantar C. Kuat Medan Magnet Motor listrik Faradai mengembangkan teori Oersted dan Lorentz dengan membuat sebuah alat yang memanfaatkan teori-teori tersebut untuk mengubah energi listrik menjadi gerak. Ia menciptakan motor listrik. Dengan temuannya , Faradai telah memulai dunia baru dimana semua alat gerak dapat dijalankan dengan menggunakan listrik. C. Kuat Medan Magnet Besarnya gaya Lorentz adalah sbb:     FLorentz  qE( gylistrik )  qvxB( gymagnet) Ke mana arah Fmagnet? C. Kuat Medan Magnet Gerak muatan dalam medan magnet • Muatan positif yang masuk ke dalam medan magnet akan dibelokan (orbit melingkar) v2 m  F  qvB r mv r qB Frekuensi Siklotron: v qB   r m v r B C. Kuat Medan Magnet Siklotron • Siklotron: alat untuk mempercepat partikel (proton,detron dll) • Terdiri dari dua ruang semisilinder yang ditempatkan dalam medan magnet • Di antara kedua semisilinder diberi potensial listrik bolak-balik (104 volt) • Ion dalam semisilinder akan mengalami gaya magnet yang menyebabkan bergerak dalam setengah lingkaran lalu dipercepat oleh medan lisrik E, masuk lagi ke dalam medan magnet B dan bergerak milingkar dengan jari-jari lebih besar (karena kecepan lebih besar). E p+ B C. Kuat Medan Magnet Selektor kecepatan & Gaya Lorentz +ve FB + FE -ve Gaya magnetik Gaya listrik Gaya Total FB  qv  B FE  qE F  qv  B  qE Gaya Lorentz C. Kuat Medan Magnet Velocity Selector Berkas partikel bermuatan dalam medan B +ve Gaya magnetik FB  qv  B Gaya listrik FB + v FE  qE + v FE -ve C. Kuat Medan Magnet Velocity Selector (selektor kecepatan) FB  FE +ve FB + v FB  FE + FE FB -ve FB  FE C. Kuat Medan Magnet Selektor kecepatan Contoh Saol 1 Seutas kawat lurus panjang 30 cm dialiri arus sebesar 25 ampere, diletakkan dalam medan magnet dengan kerapatan fluks 8x10-4 Tesla. Apabila kawat tsb membentuk sudut 30o terhadap medan magnet. Tentukan gaya lorenz yang bekerja pada kawati (jawab : 3 x 10-3 Newton) Contoh Saol 2 Sebuah elektron bergerak dengan kecepatan 1/300 kali kecepatan rambat cahaya di udara melintasi tegak lurus medan magnet homoen dengan induksi magnet 1/(16x103) Wb/m2. Berapa besar gaya yang bekerja pada elektron itu. Jawab: c cahaya = 3 x 108 m/dt F = 10-17 Newton D. Hukum Induksi Faraday Hukum induksi Faraday menyatakan bahwa tegangan gerak elektrik imbas ε di dalam sebuah rangkaian adalah sama (kecuali tanda negatifnya) dengan kecepatan perubahan fluks yang melalui rangkaian tersebut. Jika kecepatan perubahan fluks dinyatakan di dalam weber/sekon, maka tegangan gerak elektrik ε akan dinyatakan di dalam volt. 61 D. Hukum Induksi Faraday Di dalam bentuk persamaan : d B   dt Inilah hukum induksi Faraday. Jika terdapat N lilitan, maka persamaan di atas dapat ditulis : d B   N dt 62 D. Hukum Induksi Faraday Hukum Faraday menyatakan bahwa “Sebuah kawat lurus sepanjang l yang bergerak dengan kecepatan v tegak lurus terhadap medan magnet B akan mendapatkan ggl induksi antara kedua ujungnya sebesar :   Blv 63 Contoh Soal 1 Flux magnet melalui kumparan berubah dari 5 x 10-6 weber menjadi 0 dalam 3 detik. Berapakah GGL induksi yang timbul. Jawab : Dik: N = 1 lilitan ∆Φ = 5 x 10-6 weber ∆t = 3 detik ε = 1,67 x 10-6 volt 64 Contoh Soal 2 Sebuah batang logam dengan panjang 2 cm digerakkan dengan melalui medan magnet yang induksinya 10 T dengan kecepatan konstan sebesar 2 cm/dt. Arah batang logam, arah kecepatannya, dan arah medan magnet saling tegak lurus satu sama lain.Berapakah GGL induksi dalam batang tersebut. Jawab   Blv  4.10 volt 3 65 E. HUKUM BIOT- SAVART • Tahun 1819 Hans Christian Oersted mengamati bahwa jarum kompas dapat menyimpang di atas kawat berarus • Arus listrik sebagai sumber medan magnet. E. HUKUM BIOT- SAVART • Pada tahun 1820-an Jean-Baptiste Biot dan Felix Savart melakukan eksperimen menentukan medan magnet/induksi magnet di sekitar kawat berarus tersebut: • Besarnya medan magnet/induksi magnet di sekitar di sekitar kawat yg berarus dapat ditentukan dari persamaan2 yg diturunkan Biot & Savart. E. HUKUM BIOT- SAVART 1. Kawat lurus panjang i induksi magnet di titik P :  0i B 2a P a 2. Kawat berupa lingkaran B induksi magnet di pusat lingkaran : B r i Jika terdiri N lilitan : B 0iN 2r  0i 2r E. HUKUM BIOT- SAVART 1. Kawat solenoida Induksi magnet pada sumbu kawat : a. Di tengah l = panjang kawat N B  0in dengan n  μ0 = 12,56x10-7Wb/A.m l = permeabilitas ruang hampa 0in b. Di ujung kawat B 2 2. Kawat toroida B  0in dengan n N l E. HUKUM BIOT- SAVART Contoh : 1. Sebuah kawat lurus panjang dialiri arus 10A. Tentukan induksi magnetik (a) di titik P yang berjarak 5 cm dari kawat, dan (b) di titik Q yang berjarak 10 cm dari kawat! 2. Sebuah penghantar yang berbentuk dua buah setengah lingkaran konsentris dengan jari2 a1 = 2 cm dan a2 = 4 cm dialiri arus listrik 2 A. Tentukan induksi magnetik total yg ditimbulkan di titik pusat A!