BAB I

MEDAN MAGNET

A. PENGERTIAN MEDAN MAGNET

Medan magnet adalah ruangan di sekitar kutub magnet, yang gaya

tarik/tolaknya masih dirasakan oleh magnet lain. Dalam arti luas Medan

magnet, adalah suatu medan yang dibentuk dengan menggerakan muatan

listrik (arus listrik) yang menyebabkan munculnya gaya di muatan listrik yang

bergerak lainnya. (Putaran mekanika kuantum dari satu partikel membentuk

medan magnet dan putaran itu dipengaruhi oleh dirinya sendiri seperti arus

listrik; inilah yang menyebabkan medan magnet dari ferromagnet "permanen").

Sebuah medan magnet adalah medan vektor: yaitu berhubungan dengan setiap

titik dalam ruang vektor yang dapat berubah menurut waktu. Arah dari medan

ini adalah seimbang dengan arah jarum kompas yang diletakkan di dalam

medan tersebut.

1. Sifat Medan Magnet

Hasil kerja Maxwell telah banyak menyatukan listrik statis dengan

kemagnetan, yang menghasilkan sekumpulan empat persamaan mengenai

kedua medan tersebut. Namun, berdasarkan rumus Maxwell, masih

terdapat dua medan yang berbeda yang menjelaskan gejala yang berbeda.

Einsteinlah yang berhasil menunjukkannya dengan relativitas khusus,

bahwa medan listrik dan medan magnet adalah dua aspek dari hal yang

sama (tensor tingkat 2), dan seorang pengamat bisa merasakan gaya

magnet di mana seorang pengamat bergerak hanya merasakan gaya

elektrostatik. Jadi, dengan menggunakan relativitas khusus, gaya magnet

adalah wujud gaya elektrostatik dari muatan listrik yang bergerak, dan

bisa diprakirakan dari pengetahuan tentang gaya elektrostatik dan gerakan

muatan tersebut (relatif terhadap seorang pengamat).

Arus mengalir melalui sepotong kawat membentuk suatu medan magnet (M) disekeliling kawat.

Medan tersebut terorientasi menurut aturan tangan kanan.

2. Kuat Medan ( H ) = Itensity

Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet ialah

besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di dalam medan

magnet m adalah kuat kutub yang menimbulkan medan magnet dalam

Ampere-meter.

R jarak dari kutub magnet sampai titik yang bersangkutan dalam

meter. dan H = kuat medan titik itu dalam : atau dalam .

3. Garis Gaya.

Garis gaya adalah Lintasan kutub Utara dalam medan magnet atau

garis yang bentuknya demikian hingga kuat medan di tiap titik dinyatakan

oleh garis singgungnya.

Sejalan dengan faham ini, garis-garis gaya keluar dari kutub-kutub

dan masuk ke dalam kutub Selatan. Untuk membuat pola garis-garis gaya

dapat dengan jalan menaburkan serbuk besi disekitar sebuah magnet.

Gambar pola garis-garis gaya.

4. Rapat Garis-Garis Gaya (B) = Flux Density

Definisi : Jumlah garis gaya tiap satuan luas yang tegak lurus kuat

medan.

Kuat medan magnet di suatu titik sebanding dengan rapat garis-

garis gaya dan berbanding terbalik dengan permeabilitasnya.

B = rapat garis-garis gaya.

= Permeabilitas zat itu.

H = Kuat medan magnet.

catatan : rapat garis-garis gaya menyatakan kebesaran induksi magnetik.

Medan magnet yang rapat garis-garis gayanya sama disebut :

medan magnet serba sama ( homogen )

Bila rapat garis-garis gaya dalam medan yang serba sama B, maka

banyaknya garis-garis gaya ( ) yang menembus bidang seluar A m2

dan mengapit sudut dengan kuat medan adalah : = B.A Sin

Satuanya : Weber.

5. Diamagnetik Dan Para Magnetik.

Sehubungan dengan sifat-sifat kemagnetan benda dibedakan atas

Diamagnetik dan Para magnetik.

Benda magnetik : bila ditempatkan dalam medan magnet yang

tidak homogen, ujung-ujung benda itu mengalami gaya tolak sehingga

benda akan mengambil posisi yang tegak lurus pada kuat medan. Benda-

benda yang demikian mempunyai nilai permeabilitas relatif lebih kecil

dari satu. Contoh : Bismuth, tembaga, emas, antimon, kaca flinta.

Benda paramagnetik : bila ditempatkan dalam medan magnet yang

tidak homogen, akan mengambil posisi sejajar dengan arah kuat medan.

Benda-benda yang demikian mempunyai permeabilitas relatif lebih besar

dari pada satu. Contoh : Aluminium, platina, oksigen, sulfat tembaga dan

banyak lagi garam-garam logam adalah zat paramagnetik.

Benda feromagnetik : Benda-benda yang mempunyai effek

magnet yang sangat besar, sangat kuat ditarik oleh magnet dan

mempunyai permeabilitas relatif sampai beberapa ribu. Contoh : Besi,

baja, nikel, cobalt dan campuran logam tertentu ( almico )

B. MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK

1. Percobaan OERSTED

Di atas jarum kompas yang seimbang dibentangkan seutas kawat,

sehingga kawat itu sejajar dengan jarum kompas. jika kedalam kaewat

dialiri arus listrik, ternyata jarum kompas berkisar dari keseimbangannya.

Jadi diambil kesimpulan bahwa disekitar arus listrik ada medan magnet.

Cara menentukan arah perkisaran jarum.

a. Bila arus listrik yang berada anatara telapak tangan kanan dan jarum

magnet mengalir dengan arah dari pergelangan tangan menuju ujung-

ujung jari, kutub utara jarum berkisar ke arah ibu jari.

b. Bila arus listrik arahnya dari pergelangan tangan kanan menuju ibu

jari, arah melingkarnya jari tangan menyatakan perkisaran kutub

Utara.

Pola garis-garis gaya di sekitar arus lurus.Pada sebidang karton

datar ditembuskan sepotong kawat tegak lurus, di atas karbon ditaburkan

serbuk besi menempatkan diri berupa lingkaran-lingkaran yang titik

pusatnya pada titik tembus kawat.

Kesimpulan : Garis-garis gaya di sekitar arus lurus berupa

lingkaran-lingkaran yang berpusatkan pada arus tersebut.

Cara menentukan arah medan magnet Bila arah dari pergelangan

tangan menuju ibu jari, arah melingkar jari tangan menyatakan arah

medan magnet.

2. Hukum Biot Savart.

Definisi : Besar induksi magnetik di satu titik di sekitar elemen

arus, sebanding dengan panjang elemen arus, besar kuat arus, sinus sudut

yang diapit arah arus dengan jaraknya sampai titik tersebut dan

berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.

B = k .

k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional

k = = 10-7

Vektor B tegak lurus pada l dan r, arahnya dapat ditentukan denagan

tangan kanan. Jika l sangat kecil, dapat diganti dengan dl.

dB =

Persamaan ini disebut hukum Ampere.

3. Induksi Magnetik

Induksi magnetik di sekitar arus lurus.

Besar induksi magnetik di titik A yang jaraknya a dari kawat

sebanding dengan kuat arus dalam kawat dan berbanding terbalik dengan

jarak titik ke kawat.

B = .

B dalam W/m2

I dalam Ampere

a dalam meter

Kuat medan dititik H = = =

mr udara = 1

Jika kawat tidak panjang maka harus digunakan Rumus :

Induksi Induksi magnetik di pusat arus lingkaran.

Titik A berjarak x dari pusat kawat melingkar besarnya induksi

magnetik di A dirumuskan :

Jika kawat itu terdiri atas N lilitan maka :

B = . atau B = .

Induksi magnetik di pusat lingkaran.

Dalam hal ini r = a dan a = 900

Besar induksi magnetik di pusat lingkaran.

B = .

B dalam W/m2.

I dalam ampere.

N jumlah lilitan.

a jari-jari lilitan dalam meter.

Arah medan magnetik dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan.

Jika arah arus sesuai dengan arah melingkar jari tangan kanan arah

ibu jari menyatakan arah medan magnet.

4. Solenoide

Solenoide adalah gulungan kawat yang di gulung seperti spiral.

Bila kedalam solenoide dialirkan arus listrik, di dalam selenoide terjadi

medan magnet dapat ditentukan dengan tangan.

Gambar :

Besar induksi magnetik dalam solenoide.

Jari-jari penampang solenoide a, banyaknya lilitan N dan panjang

solenoide 1. Banyaknya lilitan pada dx adalah : atau n dx, n

banyaknya lilitan tiap satuan panjang di titik P. Bila 1 sangat besar

dibandingkan dengan a, dan p berada di tengah-tengah maka a1= 0 0 dan

a2 = 180 0

Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide :

Bila p tepat di ujung-ujung solenoide a1= 0 0 dan a2 = 90 0

5. Toroida

Sebuah solenoide yanfg dilengkungkan sehingga sumbunya

membentuk lingkaran di sebut Toroida.Bila keliling sumbu toroida 1 dan

lilitannya berdekatan, maka induksi magnetik pada sumbu toroida.

n dapat diganti dengan

N banyaknya lilitan dan R jari-jari toroida.

6. Gaya Lorentz

Pada percobaan oersted telah dibuktikan pengaruh arus listrik

terhadap kutub magnet, bagaimana pengaruh kutub magnet terhadap arus

listrik akan dibuktikan dari percobaan berikut :

Seutas kawat PQ ditempatkan diantara kutub-kutub magnet ladam

kedalam kawat dialirkan arus listrik ternyata kawat melengkung kekiri.

Gejala ini menunjukkan bahwa medan magnet mengerjakan gaya

pada arus listrik, disebut Gaya Lorentz. Vektor gaya Lorentz tegak lurus

pada I dan B. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan tangan kanan.

Bila arah melingkar jari-jari tangan kanan sesuai dengan putaran dari I ke

B, maka arah ibu jari menyatakan arah gaya Lorents.

gambar :

Besar Gaya Lorentz.

Hasil-hasil yang diperoleh dari percobaan menyatakan bahwa

besar gaya Lorentz dapat dirumuskan sebagai :

F = B I sin a

F = gaya Lorentz.

B = induksi magnetik medan magnet.

I = kuat arus.

= panjang kawat dalam medan magnet.

a = sudut yang diapit I dan B.

7. Satuan Kuat Arus.

Kedalam kawat P dan Q yang sejajar dialirkan arus listrik. Bila

arah arus dalam kedua kawat sama, kawat itu saling menarik.

Penjelasannya sebagai berikut :

Dilihat dari atas arus listrik P menuju kita digambarkan sebagai

arus listrik dalam kawat P menimbulkan medan magnet. Medan magnet

ini mengerjakan gaya Lorentz pada arus Q arahnya seperti dinyatakan

anak panah F. Dengan cara yang sama dapat dijelaskan gaya Lorentz

yang bekerja pada arus listrik dalam kawat P.

Kesimpulan : Arus listrik yang sejajar dan searah tarik-menarik

dan yang berlawanan arah tolak- menolak.

Bila jarak kawat P dan Q adalah a, maka besar induksi magnetik

arus P pada jarak a :

Besar gaya Lorentz pada arus dalam kawat Q

Besar gaya Lorentz tiap satuan panjang

F tiap satuan panjang dalam N/m.

Ip dan IQ dalam Ampere dan a dalam meter.

Bila kuat arus dikedua kawat sama besarnya, maka :

Untuk I = 1 Ampere dan a = 1 m maka F = 2.10-7 N/m

Kesimpulan : 1 Ampere adalah kuat arus dalam kawat sejajar yang

jaraknya 1 meter dan menimbulkan gaya Lorentz sebesar 2.10-7 N tiap

meter.

C. GERAK PARTIKEL BERMUATAN DALAM MEDAN LISTRIK

Pertambahan energi kinetik.

Partikel A yang massanya m dan muatannya q berada dalam medan listrik

serba sama, kuat medannya E arah vektor E kekanan. Pada partikel bekerja

gaya sebasar F = qE, oleh sebab itu partikel memperoleh percepatan :

Usaha yang dilakukan gaya medan listrik setelah partikel berpindah d

adalah :

W = F . d = q . E .d

Usaha yang dilakukan gaya sama dengan perubahan energi kinetik

Ek = q . E .d

v1 kecepatan awal partikel dan v2 kecepatannya setelah menempuh medan

listrik sejauh d. Lintasan partikel jika v tegak lurus E.

Didalam medan listrik serba sama yang kuat medannya E, bergerak

partikel bermuatan positif dengan kecepatan vx.

Dalam hal ini partikel mengalami dua gerakan sekaligus, yakni gerak

lurus beraturan sepanjang sumbu x dan gerak lurus berubah beraturan

sepanjang sumbu y.

Oleh sebab itu lintasannya berupa parabola. Setelah melintasi medan

listrik, lintasannya menyimpang dari lintasannya semula.

Kecepatan pada saat meninggalkan medan listrik.

Arah kecepatan dengan bidang horisontal q :

Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Magnet

Besar gaya Lorentz pada partikel.

Pada arus listrik yang berada dalam medan magnet bekerja gaya Lorentz.

F = B . I . sin a

Arus listrik adalah gerakan partikel-partikel yang kecepatannya tertentu,

oleh sebab itu rumus di atas dapat diubah menjadi :

F = B . . v . t sin a

F = B . q . v sin a

F adalah gaya Lorentz pada partikel yang muatannya q dan kecepatannya

v, B besar induksi magnetik medan magnet, a sudut yang diapit vektor v dan B.

Lintasan partikel bermuatan dalam medan magnet.

Tanda x menyatakan titik tembus garis-garis gaya kemagnetan yang arah

induksi magnetiknya ( B ) meninggalkan kita. Pada partikel yang kecepatannya

v, bekerja gaya Lorentz.

F = B . q . v sin 900

F = B . q . v

Vektor F selalu tegak lurus pada v, akibatnya partikel bergerak didalam

medan magnet dengan lintasan bentuk : Lingkaran.

Gaya centripetalnya yang mengendalikan gerak ini adalah gaya Lorentz.

Fc = F Lorentz

= B . q . v

R =

R jari-jari lintasan partikel dalam magnet.

m massa partikel.

v kecepatan partikel.

q muatan partikel.

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan kadah tangan kanan bila

tangan kanan di buka : Ibu jari menunjukkan ( v ), keempat jari menunjukkan

(B) dan arah telapak tangan menunjukkan (F)

BAB II

KEMAGNETAN

Magnet diambil dari kata magnesia, nama daerah di Asia Kecil yaitu tempat

ditemukannya magnet dari mineral magnetik.

A. Sifat Magnet

Magnet terdiri dari magnet-magnet kecil yang mengarah kearah yang

sama (magnet elementer).Setiap magnet memiliki 2 kutub magnet, yaitu kutub

utara dan selatan. Sifat dari kedua kutub itu adalah:

Jika kutub yang sejenis didekatkan akan saling tolak-menolak

Jika kutub yang tidak sejenis didekatkan akan saling tarik-

menarik.

Jika magnet batang dipotong pada bagian tengahnya maka akan

membentuk magnet-magnet baru dengan kutub yang sesuai dengan arah

magnet elementer.

B. Penggolongan Benda Berdasarkan Sifat Magnetnya.

Berdasarkan sifat magnetnya benda dibagi menjadi 2 macam yaitu

ferromagnetik (benda yang dapat diterik kuat oleh magnet), parramagnetik

(denda yang dapat ditarik magnet dengan lemah) dan diamagnetik (benda yang

tidak dapat ditarik oleh magnet).

Contoh ferromagnetik adalah besi, baja, nikel dan kobalt.

Contoh parramagnetik adalah platina dan aluminium.

Contoh diamagnetik adalah seng, dan  bismut.

Setiap magnet mempunyai sifat (ciri) sebagai berikut :

dapat menarik benda logam tertentu.

gaya tarik terbesar berada di kutubnya.

selalu menunjukkan arah utara dan selatan bila digantung bebas.

memiliki dua kutub.

tarik menarik bila tak sejenis.

tolak menolak bila sejenis

Magnet dapat menarik benda logam tertentu karena susunan magnet

elementer didalam magnet itu tersusun teratur. Bila kita bisa membuat susunan

magnet elementer teratur maka kita bisa membuat magnet.

Hal penting yang harus kita bahami adalah sebagian besar orang berfikir

bahwa cara membuat magnet ini menentukan sifat kemagnetan suatu benda.

Orang selalu berfikir bahwa jika magnet dibuat dengan cara menggosok maka

akan diperoleh magnet permanen dan jika diperoleh dengan cara

elektromagnetik maka akan diperoleh magnet sementara. Anggapan ini adalah

keliru bukan salah, kenapa bisa seperti itu? karena orang tidak melihat bahan

apa yang digunakan. Jika baja dibuat magnet dengan caradigosok akan

diperoleh magnet permanen tetapi jika besi yang digosok maka akan diperoleh

magnet sementara. Kebanyakan ketika orang membuat magnet dengan cara

menggosok selalu menggunakan baja, inilah mengapa muncul anggapan bahwa

menggosok dapat membuat magnet bersifat permanen.

Kasus yang lain adalah elektromagnetik, jika kita amati elektromagnetik

manapun akan menggunakan inti besi lunak (besi) bukan baja, karena inti besi

yang digunakan maka elektromagnetik menghasilkan magnet sementara. Tetapi

coba anda pikir apabila intinya diganti dengan baja, apa yang akan terjadi?

yang pasti baja akan menjadi magnet permanen sehingga elektromagnetik tidak

dapat dimanfaatkan.

Dari penjelasan kasus diatas dapat kita simpulkan bahwa sifat permanen

dan sifat sementara suatu magnet tidak di pengaruhi oleh cara membuat tetapi

dipegaruhi oleh bahan yang digunakan. Dengan cara apapun jika bahan yang

digunakan baja maka magnet yang dihasilkan akan bersifat permanen.

C. Prinsip Kemagnetan

Pada sebuah magnet sebenarnya merupakan kumpulan jutaan magnet

ukuran mikroskopik yang teratur satu dan lainnya. Kutub utara dan kutub

selatan magnet posisinya teratur (lihat gambar 3). Secara keseluruhan kekuatan

magnetnya menjadi besar. Logam besi bisa menjadi magnet secara permanen

(tetap) atau bersifat megnet sementara dengan cara induksi elektromagnetik.

Tetapi ada beberapa logam yang tidak bisa menjadi magnet, misalnya tembaga

dan aluminium, dan logam tersebut dinamakan diamagnetik.

Bumi merupakan magnet alam raksasa, dapat dibuktikan dengan alat yang

dinamakan kompas, dimana jarum penunjuk pada kompas akan menunjukkan

arah utara dan selatan bumi kita, seperti diperlihatkan pada gambar 1. Karena

sekeliling bumi sebenarnya dilingkupi garis gaya magnet yang tidak tampak

oleh mata kita tapi bisa diamati dengan kompas keberadaannya.

Pola garis medan magnet permanen.

Batang magnet memancarkan garis gaya magnet yang melingkupi dengan

arah dari utara ke selatan. Pembuktian sederhana dilakukan dengan

menempatkan batang magnet diatas selembar kertas, kemudian diatas kertas

tersebut ditaburkan serbuk halus besi secara merata, yang terjadi adalah bentuk

garis-garis dengan pola melengkung oval diujung-ujung kutub. Ujung kutub

utara-selatan muncul pola garis gaya yang kuat. Daerah netral pola garis gaya

magnetnya lemah.

Bagian netral magnet artinya tidak memiliki kekuatan magnet. Untuk

membuktikan bahwa daerah netral tidak memiliki kekuatan magnet. Ambil

beberapa sekrup besi, amatilah tampak sekrup besi akan menempel baik

diujung kutub utara maupun ujung kutub selatan. Daerah netral dibagian tengah

sekrup tidak akan menempel sama sekali, dan sekrup akan terjatuh.

Daerah netral pada magnet permanen.

Mengapa besi biasa berbeda logam magnet ? Pada besi biasa sebenarnya

terdapat kumpulan magnet-magnet dalam ukuran mikroskopik, tetapi posisi

masing-masing magnet tidak beraturan satu dengan lainnya sehingga saling

menghilangkan sifat kemagnetannya, lihat gambar 3.

Perbedaan besi biasa dan magnet permanen.

Arah garis gaya magnet dengan pola garis melengkung mengalir dari arah

kutub utara menuju kutub selatan. Didalam batang magnet sendiri garis gaya

mengalir sebaliknya, yaitu dari kutub selatan ke kutub utara. Didaerah netral

tidak ada garis gaya diluar batang magnet. Pembuktian secara visual garis gaya

magnet untuk sifat tarik menarik pada kutub berbeda dan sifat tolak-menolak

pada kutub sejenis dengan menggunakan magnet dan serbuk halus besi, gambar

4. Tampak jelas kutub sejenis utara-utara garis gaya saling menolak satu dan

lainnya. Pada kutub yang berbeda utara-selatan, garis gaya magnet memiliki

pola tarik menarik. Sifat saling tarik menarik dan tolak menolak magnet

menjadi dasar bekerjanya motor listrik.

Pola garis medan magnet tolak-menolak dan 4b. pola garis medan magnet tarik-menarik.

Garis medan magnet Utara-Selatan.

Untuk mendapatkan garis gaya magnet yang merata disetiap titik

permukaan maka ada dua bentuk yang mendasari rancangan mesin listrik.

Bentuk datar (flat) akan menghasilkan garis gaya merata setiap titik

permukaannya. Bentuk melingkar (radial), juga menghasilkan garis gaya yang

merata setiap titik permukaannya.

Garis gaya magnet pada permukaan rata dan silinder.

BAB III

KEMAGNETAN BUMI

Teori Kemagnetan Bumi

Teori ini sangat rumit untuk dijelaskan, sebaiknya kita harus bisa

membedakan dulu antara gravitasi bumi dengan magnet bumi. Kita dapat berdiri di

atas muka bumi bukan karena bumi bersifat magnet, kenapa bisa begitu? Karena

sesuai dengan definisi magnet adalah bahan yang bisa menarik benda magnetik

sedangkan kita bukanlah bahan magnetik.

Lalu apa yang membuat kita bisa berdiri diatas bumi? Jawabnya karena bumi

mempunyai gravitasi yaitu kekuatan untuk menarik semua benda yang ada

disekitarnya tidak perduli itu benda magnetik atau bukan. Gravitasi bumi

ditimbulkan karena bumi mempunyai massa, semakin besar massa maka semakin

besar gravitasinya (ini semua sesuai dengan hukum Newton dan teori relativitas).

Sedangkan sifat kemagnetan bumi ditimbulkan karena bumi berotasi dan berevolusi

(ini pendapat saya) jadi jika bumi tidak lagi berotasi maka sifat kemagnetannya lama

– lama akan hilang. Mulai dari sekarang supaya pembahasan bab kemagnetan tidak

membuat bingung maka kita harus membedakan antara gravitasi bumi dengan

magnet bumi.

Kutub utara magnet bumi berada di sekitar kutub selatan bumi, sedangkan

kutub selatan magnet bumi berada disekitar kutub utara bumi. Antara kutub utara

magnet bumi dengan kutub selatan bumi tidak berimpit, ini juga terjadi pada kutub

selatan magnet bumi. Akibat hal tersebut maka bila kita melihat kompas menunjukka

arah selatan ini berarti tidak menunjukkan persis arah selatan tetapi mengalami

penyimpangan sedikit dari kutub selatan bumi. Penyimpangan ini membentuk sudut

yang disebut dengan sudut deklinasi.

Apabila kita membawa kompas dari katulistiwa menuju kutub bumi maka

kompas itu akan condong ke bawah atau ke atas. Kecondongan ini karena tertatik

oleh kutub magnet bumi. Sudut yang dibentuk dari kecondongan kompas terhadap

arah horisontal disebut dengan sudut inklinasi.