MODUL – 14

Medan Magnet dan Kemagnetan

Science CenterUniversitas Brawijaya

MAGNETMAGNET Sejarah kemagnetan mulai jauh lebih Sejarah kemagnetan mulai jauh lebih

awal dengan peradaban kuno di Asia. awal dengan peradaban kuno di Asia. Ada daerah pada asia yang disebut Ada daerah pada asia yang disebut Magnesia di mana ditemukan batu-batu Magnesia di mana ditemukan batu-batu yang bergerak saling tarik menarik. yang bergerak saling tarik menarik. Batu-batu ini disebut “magnet”Batu-batu ini disebut “magnet”

Magnet mempunyai dua kutub yaitu :Magnet mempunyai dua kutub yaitu :

- kutub utara- kutub utara

- kutub selatan- kutub selatan

(digunakan sebagai alat bantu navigasi (digunakan sebagai alat bantu navigasi = kompas)= kompas)

S U U S

U S U S

U S S U

Tolak Menolak

Tarik menarik

Tolak Menolak

Kutub Magnet

Medan MagnetMedan Magnet Medan Magnet adalah daerah yang masih Medan Magnet adalah daerah yang masih

dipengaruhi garis-garis medan magnetdipengaruhi garis-garis medan magnet Garis-garis medan magnet menunjuk dari Garis-garis medan magnet menunjuk dari

kutub utara ke selatan kutub utara ke selatan Arah medan magnet merupakan tangensial Arah medan magnet merupakan tangensial

(garis singgung) terhadap suatu garis di (garis singgung) terhadap suatu garis di titik saja.titik saja.

Jumlah garis persatua luas sebanding Jumlah garis persatua luas sebanding dengan besar medan magnetdengan besar medan magnet

ARUS LISTRIK MENGHASILKAN ARUS LISTRIK MENGHASILKAN KEMAGNETANKEMAGNETAN

Hans Christian Oersted Hans Christian Oersted (1777-1851) menemukan (1777-1851) menemukan bahwa ketika jarum kompas bahwa ketika jarum kompas yang diletakkan di dekat yang diletakkan di dekat kawat ber-arus listrik kawat ber-arus listrik ternyata jarum menyimpang.ternyata jarum menyimpang.

Gambar a menunjukkan garis-garis medan di sekitar arus listrik.

Gambar b menunjukkan kaidah tangan kanan untuk mengingat arah medan magnet.

GAYA PADA ARUS LISTRIK GAYA PADA ARUS LISTRIK DI MEDAN MAGNETDI MEDAN MAGNET

Magnet memberikan gaya pada kawat pembawa Magnet memberikan gaya pada kawat pembawa arusarus

Arah gaya (F) selalu tegak lurus terhadap arah arus Arah gaya (F) selalu tegak lurus terhadap arah arus (I) dan juga tegak lurus terhadap medan magnet (I) dan juga tegak lurus terhadap medan magnet (B).(B).

Gambar berikut menunjukkan arah gaya yang Gambar berikut menunjukkan arah gaya yang ditimbulkan karena kawat dialiri arus listrik di ditimbulkan karena kawat dialiri arus listrik di dalam medan magnet.dalam medan magnet.

F

U S

F

B U SB

+ -- +

II

magnetmagnet

Kawat berarus dengan panjang Kawat berarus dengan panjang ll diletakkan dalam medan diletakkan dalam medan magnet dengan membentuk sudut magnet dengan membentuk sudut terhadap arah medan, terhadap arah medan, akan mendapat gaya sebesar : akan mendapat gaya sebesar : F = IF = IllB sin B sin

Jika arah arusnya tegak lurus terhadap medan (Jika arah arusnya tegak lurus terhadap medan ( = 90) maka = 90) maka gaya yang terjadi sebesar : gaya yang terjadi sebesar :

F = IF = IllB sin 90 B sin 90 FFmaxmax= I= IllBBSatuan SI untuk medan magnet B adalah Tesla (T)Satuan SI untuk medan magnet B adalah Tesla (T)

1T = 1N/A.m atau1T = 1N/A.m atau1T = 1Wb/m1T = 1Wb/m22

Dalam cgs satuan Dalam cgs satuan medan magnet: gaussmedan magnet: gauss1 gauss (G) =101 gauss (G) =10-4-4 T T

GAYA PADA ARUS LISTRIK GAYA PADA ARUS LISTRIK DI MEDAN MAGNETDI MEDAN MAGNET

l

I

B

Contoh SoalContoh SoalSatuan dari medan magnet Satuan dari medan magnet BB adalah, adalah,

A. kg sA. kg s-2-2AA-1-1 B. kg m sB. kg m s-2-2AA-1-1 C. kg m C. kg m22ss-2-2AA-1-1

D. kg sD. kg s-1-1AA-1-1 E. kg sE. kg s-2-2AA-2-2

JAWAB : A

Contoh SoalContoh Soal

Sebuah kawat berarus mempunyai panjang = 20 ℓSebuah kawat berarus mempunyai panjang = 20 ℓcm berada didaerah medancm berada didaerah medan magnet 2T dan magnet 2T dan membentuk sudut membentuk sudut = 30 = 30oo terhadap arah medan terhadap arah medan sehingga dikenai gaya sebesar 5 N. sehingga dikenai gaya sebesar 5 N. Besarnya arus Besarnya arus yang mengalir dalam kawat adalahyang mengalir dalam kawat adalah

A.A.5 A5 A B. 2,5 AB. 2,5 A C. 25 mAC. 25 mA

D. 2,5 mAD. 2,5 mA E. 25 AE. 25 A

Pretest Pelatihan Guru 25 Mei 2006

Jawab : E (9 dari 19 peserta menjawab benar)

Contoh :Contoh :

Sebuah kawat yang membawa arus 30A Sebuah kawat yang membawa arus 30A memiliki panjang memiliki panjang ll=12cm dan =12cm dan membentuk sudut terhadap arah medan membentuk sudut terhadap arah medan magnet magnet = 60, medan magnet seragam = 60, medan magnet seragam pada 0,9T. Berapa gaya pada kawat ?pada 0,9T. Berapa gaya pada kawat ?

Jawab :Jawab :

F = IF = IllB sin B sin F = (30A)(0,12m)(0,9T) sin60F = (30A)(0,12m)(0,9T) sin60

F = (30A)(0,12m)(0,9T) (0,866)F = (30A)(0,12m)(0,9T) (0,866)

F = 2,8 NF = 2,8 N

GAYA PADA MUATAN LISTRIK GAYA PADA MUATAN LISTRIK YANG BERGERAK DI MEDAN YANG BERGERAK DI MEDAN

MAGNETMAGNETKarena arus pada kawat terdiri dari muatan listrik yang bergerak, maka kita bisa mengharapkan bahwa partikel muatan yang bergerak bebas juga akan mengalami gaya ketika melewati medan magnet.

Jika N partikel maka I=Nq/t dan l =vt

Sehingga gaya pada satu partikel :

F = IlB sin F = qvB sin

B

q V

F

= Menembus bidang (menjauhi kita) = keluar bidang (mendekati kita)

lintasan

Contoh soalContoh soal 15 . Medan magnet 15 . Medan magnet tidaktidak berinteraksi dengan, berinteraksi dengan, A. muatan listrik yang diamA. muatan listrik yang diam B. muatan listrik yang bergerakB. muatan listrik yang bergerak C. magnet permanen yang diamC. magnet permanen yang diam D. magnet permanen yang bergerakD. magnet permanen yang bergerak E. kawat berarus listrik yang diam E. kawat berarus listrik yang diam

Pretest Pelatihan Guru 25 Mei 2006

Jawab : A (7 dari 19 peserta menjawab benar)

Contoh soalContoh soal30.30. Jika suatu partikel bermuatan ditembakkan pada arah tegak Jika suatu partikel bermuatan ditembakkan pada arah tegak

lurus medan magnet yang serbasama, maka partikel tersebut lurus medan magnet yang serbasama, maka partikel tersebut akan bergerak melingkarakan bergerak melingkar(benar)(benar)

SEBABSEBAB

Partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet akan Partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet akan mendapat gaya yang arahnya selalu tegak lurus arah gerak mendapat gaya yang arahnya selalu tegak lurus arah gerak partikel dan tegak lurus arah medan magnetpartikel dan tegak lurus arah medan magnet(benar)(benar)

Pernyataan dan alasan kedua-duanya benar dan menunjukkan Pernyataan dan alasan kedua-duanya benar dan menunjukkan hubungan sebab akibathubungan sebab akibat

Pretest Pelatihan Guru 25 Mei 2006

Jawab : A (9 dari 19 peserta menjawab benar)

Contoh : Contoh : Sebuah proton dengan laju 5x10Sebuah proton dengan laju 5x106 6 m/det pada m/det pada medan magnet merasakan gaya sebesar 8x10medan magnet merasakan gaya sebesar 8x10-14 -14

N menuju barat ketika bergerak vertikal ke N menuju barat ketika bergerak vertikal ke bawah. Ketika bergerak horisontal ke arah bawah. Ketika bergerak horisontal ke arah utara, ia merasakan gaya nol. Berapa besar dan utara, ia merasakan gaya nol. Berapa besar dan arah medan magnet di daerah ini ? (muatan arah medan magnet di daerah ini ? (muatan pada proton adalah q=+e=1,6x10pada proton adalah q=+e=1,6x10-19 -19 C).C).Jawab :Jawab :Proton tidak merasakan gaya ketika bergerak Proton tidak merasakan gaya ketika bergerak ke utara, medan pasti mempunyai arah utara ke utara, medan pasti mempunyai arah utara selatan. B pasti menunjuk ke utara untuk selatan. B pasti menunjuk ke utara untuk menghasilkan gaya ke barat ketika bergerak ke menghasilkan gaya ke barat ketika bergerak ke atas.atas.

TdtmxCx

Nx

qv

FB 10,0

)/105)(106,1(

108619

14

Medan magnet B pada titik di dekat Medan magnet B pada titik di dekat kawat lurus yang panjang kawat lurus yang panjang berbanding lurus dengan arus I berbanding lurus dengan arus I pada kawat dan berbanding terbalik pada kawat dan berbanding terbalik terhadap jarak r dari kawat : terhadap jarak r dari kawat :

MEDAN MAGNET YANG MEDAN MAGNET YANG DISEBABKAN OLEH KAWAT DISEBABKAN OLEH KAWAT

LURUSLURUS

r

IB

Konstanta pembanding dinyatakan o /2 dengan o adalah permeabilitas ruang hampa sebesar 4 x10-7T.m/A.Dengan demikian medan magnet :

r

IB o

2

Br

Contoh : Contoh :

Berapakah besar medan magnet Berapakah besar medan magnet pada jarak 10 cm dari kawat lurus pada jarak 10 cm dari kawat lurus yang dialiri arus 25A ? yang dialiri arus 25A ? Permeabilitas ruang hampa Permeabilitas ruang hampa oo = =

44x10x10-7-7Tm/ATm/A

Jawab :Jawab :

Tx

m

AAmTx

r

IB o

5

7

100,5

)10,0)(2(

)25)(/.104(

2

Medan magnet BMedan magnet B11 yang yang dihasilkan oleh Idihasilkan oleh I11 dinyatakan dengan dinyatakan dengan

Gaya F per satuan panjang l Gaya F per satuan panjang l pada konduktor yang pada konduktor yang membawa arus Imembawa arus I22 adalah adalah F/l=IF/l=I22BB11, sehingga , sehingga

GAYA ANTARA DUA KAWAT PARALELGAYA ANTARA DUA KAWAT PARALEL

L

II

l

F o 21

2

L

II

l

F o 21

2

Contoh :Contoh :Dua kawat pada kabel yang 2m berjarak 3mm dan membawa Dua kawat pada kabel yang 2m berjarak 3mm dan membawa muatan arus dc 8A. Hitung gaya antara kedua kawat tersebut!muatan arus dc 8A. Hitung gaya antara kedua kawat tersebut!Jawab :Jawab :

(a) Arus paralel dengan arah yang sama menghasilkan gaya tarik-menarik satu sama lain

(b) Arus berlawanan arah menghasilkan gaya tolak-menolak

(a) (b)

I1 I2I1 I2

F F FF

AmTx

Nx

mx

mAAmTxF

/.1022

mana di

105,8

103

)2()8)(/.102(

7

3

3

27

(a)(a) Medan magnet yang disebabkan oleh beberapa lingkaran Medan magnet yang disebabkan oleh beberapa lingkaran solenoidasolenoida

(b)(b) Jika kumparan-kumparan tersebut berdekatan, medan akan Jika kumparan-kumparan tersebut berdekatan, medan akan mendekati seragammendekati seragam

Medan magnet pada solenoida Medan magnet pada solenoida B = B = ooNI/NI/ll . . Jika Jika n=N/n=N/ll merupakan jumlah loop per satuan panjang, maka merupakan jumlah loop per satuan panjang, maka B = B = oonInI

MEDAN MAGNET DI DALAM MEDAN MAGNET DI DALAM SOLENOIDASOLENOIDA

Contoh :Contoh : Solenoida tipis dengan panjang 10 cm memiliki 400lilitan kawat Solenoida tipis dengan panjang 10 cm memiliki 400lilitan kawat dan membawa arus 2A. Hitung medan di dalam di dekat pusat.dan membawa arus 2A. Hitung medan di dalam di dekat pusat.Jawab :Jawab :Jumlah lilitan per satuan panjang : n=400/0,1=4000/mJumlah lilitan per satuan panjang : n=400/0,1=4000/m

B = B = oonI = (12,57x10nI = (12,57x10-7 -7 T.m/A)(4000/m)(2A) =0,01TT.m/A)(4000/m)(2A) =0,01T

Kabel koaksial pada gambar di samping menggunakan pintalan silindris (solenoida) yang simetris untuk melindungi agar medan listrik eksternal tidak masuk.

TORSI PADA LOOP TORSI PADA LOOP ARUSARUS

Gambar (a) menunjukkan loop Gambar (a) menunjukkan loop paralel dengan garis-garis medan paralel dengan garis-garis medan B.Gambar (b) tampak atas dan B.Gambar (b) tampak atas dan gambar ( c) menunjukkan loop gambar ( c) menunjukkan loop membuat sudut terhadap B yang membuat sudut terhadap B yang akan memperkecil torsi karena akan memperkecil torsi karena lengan beban diperkecil.lengan beban diperkecil.

Total torsi merupakan jumlah Total torsi merupakan jumlah torsi yang disebabkan oleh torsi yang disebabkan oleh masing-masing gaya sehingga: masing-masing gaya sehingga: = IaBb/2+IaBb/2 = IaBb/2+IaBb/2

= IabB = IAB= IabB = IAB di mana di mana A=abA=ab Jika ada N loop kawat berarti Jika ada N loop kawat berarti

arus NI sehingga arus NI sehingga =NIAB =NIAB Jika permukaan kumparan Jika permukaan kumparan

membentuk sudut membentuk sudut dengan B dengan B maka torsi menjadi maka torsi menjadi =NIAB =NIAB sinsin

Contoh :Contoh :Kumparan kawat melingkar mempunyai diameter Kumparan kawat melingkar mempunyai diameter 20cm dan terdiri dari 10 llop (lilitan). Arus pada 20cm dan terdiri dari 10 llop (lilitan). Arus pada setiap loop sebesar 3 A dan kumparan diletakkan setiap loop sebesar 3 A dan kumparan diletakkan pada medan magnet 2T. Tentukan torsi maksimum pada medan magnet 2T. Tentukan torsi maksimum dan minimum yang diberikan pada kumparan oleh dan minimum yang diberikan pada kumparan oleh medan.medan.Jawab :Jawab : Luas kumparan A=Luas kumparan A=rr22 = 3,14 (0,1m) = 3,14 (0,1m)22 = 3,14x10 = 3,14x10-2-2mm22

Torsi maksimum terjadi ketika permukaan Torsi maksimum terjadi ketika permukaan kumparan paralel terhadap medan magnet, kumparan paralel terhadap medan magnet, sehingga sehingga =90 =90

=NIAB sin=NIAB sin =(10)(3A)(=(10)(3A)(3,14x103,14x10-2-2mm22)(2T) (1) =1,88N.m)(2T) (1) =1,88N.m

Torsi minimum terjadi jika Torsi minimum terjadi jika sin sin = 0 = 0 sehinggasehingga

= 0= 0

APLIKASI-1 : GALVANOMETERAPLIKASI-1 : GALVANOMETER

Medan magnet memberikan torsi pada loop Medan magnet memberikan torsi pada loop sebesar : sebesar : =NIAB sin=NIAB sin

Torsi magnet dilawan oleh pegas yang Torsi magnet dilawan oleh pegas yang memberikan torsi sebesar : memberikan torsi sebesar : s s = k= k (Hukum (Hukum Hooke)Hooke)

k

NIAB sin

Pada saat Saklar Pada saat Saklar terbuka, tidak ada terbuka, tidak ada arus yang mengalir arus yang mengalir melalui kumparan melalui kumparan sehingga batang besi sehingga batang besi masih tetap di posisi masih tetap di posisi awal (tidak memukul awal (tidak memukul bel)bel)

Pada saat saklar Pada saat saklar tertutup, maka ada tertutup, maka ada arus yang mengalir arus yang mengalir melalui kumparan dan melalui kumparan dan menimbulkan medan menimbulkan medan magnet yang akan magnet yang akan menarik batang besi menarik batang besi untuk memukul beluntuk memukul bel..

APLIKASI-2 : BEL LISTRIKAPLIKASI-2 : BEL LISTRIK

APLIKASI-3 : MOTOR DCAPLIKASI-3 : MOTOR DC

Motor listrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (rotasional). Motor bekerja dengan prinsip yang sama dengan galvanometer kecuali tidak adanya pegas sehingga kumparan dapat berputar secara kontinu.

Susunan komutator lengan pada motor DC menjamin pergantian arus pada jangkar agar rotasi terus berjalan. Komutator dipasang ke tangkai motor dan berputar bersamanya, sementara sikat tetap diam.

APLIKASI-4 : SPEAKERAPLIKASI-4 : SPEAKER