MODUL – 14 Medan Magnet dan Kemagnetan

1. MODUL – 14 Medan Magnet dan Kemagnetan Science Center Universitas Brawijaya

2. MAGNET • Sejarah kemagnetan mulai jauh lebih awal dengan peradaban kuno di Asia. Ada daerah pada asia yang disebut Magnesia di mana ditemukan batu-batu yang bergerak saling tarik menarik. Batu-batu ini disebut “magnet” • Magnet mempunyai dua kutub yaitu : - kutub utara - kutub selatan (digunakan sebagai alat bantu navigasi = kompas)

3. Kutub Magnet U S S U Tolak Menolak U S U S Tarik menarik S U U S Tolak Menolak

4. Medan Magnet • Medan Magnet adalah daerah yang masih dipengaruhi garis-garis medan magnet • Garis-garis medan magnet menunjuk dari kutub utara ke selatan • Arah medan magnet merupakan tangensial (garis singgung) terhadap suatu garis di titik saja. • Jumlah garis persatua luas sebanding dengan besar medan magnet

5. ARUS LISTRIK MENGHASILKAN KEMAGNETAN • Hans Christian Oersted (1777-1851) menemukan bahwa ketika jarum kompas yang diletakkan di dekat kawat ber-arus listrik ternyata jarum menyimpang. • Gambar a menunjukkan garis-garis medan di sekitar arus listrik. • Gambar b menunjukkan kaidah tangan kanan untuk mengingat arah medan magnet.

6. U S U B S B I + - I F - + magnet magnet GAYA PADA ARUS LISTRIK DI MEDAN MAGNET • Magnet memberikan gaya pada kawat pembawa arus • Arah gaya (F) selalu tegak lurus terhadap arah arus (I) dan juga tegak lurus terhadap medan magnet (B). • Gambar berikut menunjukkan arah gaya yang ditimbulkan karena kawat dialiri arus listrik di dalam medan magnet. F

7. I l B  GAYA PADA ARUS LISTRIK DI MEDAN MAGNET • Kawat berarus dengan panjang l diletakkan dalam medan magnet dengan membentuk sudut  terhadap arah medan, akan mendapat gaya sebesar : F = IlB sin  • Jika arah arusnya tegak lurus terhadap medan ( = 90) maka gaya yang terjadi sebesar : F = IlB sin 90 Fmax= IlB Satuan SI untuk medan magnet B adalah Tesla (T) 1T = 1N/A.m atau 1T = 1Wb/m2 Dalam cgs satuan medan magnet: gauss 1 gauss (G) =10-4 T

8. Contoh Soal Satuan dari medan magnet B adalah, A. kg s-2A-1B. kg m s-2A-1 C. kg m2s-2A-1 D. kg s-1A-1E. kg s-2A-2 JAWAB : A

9. Contoh Soal Sebuah kawat berarus mempunyai panjang ℓ = 20 cm berada didaerah medanmagnet 2T dan membentuk sudut  = 30o terhadap arah medan sehingga dikenai gaya sebesar 5 N. Besarnya arus yang mengalir dalam kawat adalah • 5 A B. 2,5 A C. 25 mA D. 2,5 mA E. 25 A Jawab : E (9 dari 19 peserta menjawab benar) Pretest Pelatihan Guru 25 Mei 2006

10. Contoh : Sebuah kawat yang membawa arus 30A memiliki panjang l=12cm dan membentuk sudut terhadap arah medan magnet  = 60, medan magnet seragam pada 0,9T. Berapa gaya pada kawat ? Jawab : F = IlB sin  F = (30A)(0,12m)(0,9T) sin60 F = (30A)(0,12m)(0,9T) (0,866) F = 2,8 N

11. B q V F lintasan = Menembus bidang (menjauhi kita) = keluar bidang (mendekati kita) GAYA PADA MUATAN LISTRIK YANG BERGERAK DI MEDAN MAGNET Karena 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 

12. Contoh soal • 15 . Medan magnet tidak berinteraksi dengan, • A. muatan listrik yang diam • B. muatan listrik yang bergerak • C. magnet permanen yang diam • D. magnet permanen yang bergerak • E. kawat berarus listrik yang diam Jawab : A (7 dari 19 peserta menjawab benar) Pretest Pelatihan Guru 25 Mei 2006

13. Contoh soal • Jika suatu partikel bermuatan ditembakkan pada arah tegak lurus medan magnet yang serbasama, maka partikel tersebut akan bergerak melingkar (benar) SEBAB Partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet akan mendapat gaya yang arahnya selalu tegak lurus arah gerak partikel dan tegak lurus arah medan magnet (benar) Pernyataan dan alasan kedua-duanya benar dan menunjukkan hubungan sebab akibat Jawab : A (9 dari 19 peserta menjawab benar) Pretest Pelatihan Guru 25 Mei 2006

14. Contoh : Sebuah proton dengan laju 5x106 m/det pada medan magnet merasakan gaya sebesar 8x10-14 N menuju barat ketika bergerak vertikal ke bawah. Ketika bergerak horisontal ke arah utara, ia merasakan gaya nol. Berapa besar dan arah medan magnet di daerah ini ? (muatan pada proton adalah q=+e=1,6x10-19 C). Jawab : Proton tidak merasakan gaya ketika bergerak ke utara, medan pasti mempunyai arah utara selatan. B pasti menunjuk ke utara untuk menghasilkan gaya ke barat ketika bergerak ke atas.

15. B r MEDAN MAGNET YANG DISEBABKAN OLEH KAWAT LURUS Medan magnet B pada titik di dekat kawat lurus yang panjang berbanding lurus dengan arus I pada kawat dan berbanding terbalik terhadap jarak r dari kawat : Konstanta pembanding dinyatakan o /2 dengan o adalah permeabilitas ruang hampa sebesar 4  x10-7T.m/A.Dengan demikian medan magnet :

16. Contoh : Berapakah besar medan magnet pada jarak 10 cm dari kawat lurus yang dialiri arus 25A ? Permeabilitas ruang hampa o = 4x10-7Tm/A Jawab :

17. GAYA ANTARA DUA KAWAT PARALEL Medan magnet B1 yang dihasilkan oleh I1 dinyatakan dengan Gaya F per satuan panjang l pada konduktor yang membawa arus I2 adalah F/l=I2B1, sehingga

18. I1 I2 I1 I2 F F F F (a) (b) • Arus paralel dengan arah yang sama menghasilkan gaya tarik-menarik satu sama lain • Arus berlawanan arah menghasilkan gaya tolak-menolak Contoh : Dua kawat pada kabel yang 2m berjarak 3mm dan membawa muatan arus dc 8A. Hitung gaya antara kedua kawat tersebut! Jawab :

19. MEDAN MAGNET DI DALAM SOLENOIDA • Medan magnet yang disebabkan oleh beberapa lingkaran solenoida • Jika kumparan-kumparan tersebut berdekatan, medan akan mendekati seragam Medan magnet pada solenoida B = oNI/l . Jika n=N/l merupakan jumlah loop per satuan panjang, maka B = onI

20. Kabel koaksial pada gambar di samping menggunakan pintalan silindris (solenoida) yang simetris untuk melindungi agar medan listrik eksternal tidak masuk. Contoh : Solenoida tipis dengan panjang 10 cm memiliki 400lilitan kawat dan membawa arus 2A. Hitung medan di dalam di dekat pusat. Jawab : Jumlah lilitan per satuan panjang : n=400/0,1=4000/m B = onI = (12,57x10-7 T.m/A)(4000/m)(2A) =0,01T

21. TORSI PADA LOOP ARUS • Gambar (a) menunjukkan loop paralel dengan garis-garis medan B.Gambar (b) tampak atas dan gambar ( c) menunjukkan loop membuat sudut terhadap B yang akan memperkecil torsi karena lengan beban diperkecil. • Total torsi merupakan jumlah torsi yang disebabkan oleh masing-masing gaya sehingga:  = IaBb/2+IaBb/2  = IabB = IAB di mana A=ab • Jika ada N loop kawat berarti arus NI sehingga =NIAB • Jika permukaan kumparan membentuk sudut  dengan B maka torsi menjadi =NIAB sin

22. Contoh : Kumparan kawat melingkar mempunyai diameter 20cm dan terdiri dari 10 llop (lilitan). Arus pada setiap loop sebesar 3 A dan kumparan diletakkan pada medan magnet 2T. Tentukan torsi maksimum dan minimum yang diberikan pada kumparan oleh medan. Jawab : Luas kumparan A=r2 = 3,14 (0,1m)2 = 3,14x10-2m2 Torsi maksimum terjadi ketika permukaan kumparan paralel terhadap medan magnet, sehingga  =90 =NIAB sin =(10)(3A)(3,14x10-2m2)(2T) (1) =1,88N.m Torsi minimum terjadi jika sin  = 0sehingga = 0

23. APLIKASI-1 : GALVANOMETER Medan magnet memberikan torsi pada loop sebesar : =NIAB sin Torsi magnet dilawan oleh pegas yang memberikan torsi sebesar : s = k (Hukum Hooke)

24. APLIKASI-2 : BEL LISTRIK • Pada saat Saklar terbuka, tidak ada arus yang mengalir melalui kumparan sehingga batang besi masih tetap di posisi awal (tidak memukul bel) • Pada saat saklar tertutup, maka ada arus yang mengalir melalui kumparan dan menimbulkan medan magnet yang akan menarik batang besi untuk memukul bel.

25. APLIKASI-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.

26. APLIKASI-4 : SPEAKER