Strukturisasi Materi Medan Magnet

Transkripsi

1 SMA Kelas XII Strukturisasi Materi Medan Magnet 1 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ] ANDI SULIANA 15B08050 PENDIDIKAN FISIKA KELAS C

2 Mata Pelajaran : Fisika Satuan Pendidikan : SMA/MA Kelas : XII Kompetensi Inti KI 1 : Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya KI : Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), beriteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia KI 3 : Memahami, menerapkan, menganalisis, dan mengevaluasi pengetahuan faktual, konseptual, prosedural dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah KI 4 : Mengolah, menalar, menyaji, dan menciptakan dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri serta bertindak secara efektif dan kreatif, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan. Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

3 A. Kompetensi Dasar: 3. 4 Menganalisis induksi magnet dan gaya magnetik pada berbagai produk teknologi B. Indikator 1. Melaksanakan pengamatan dan memformulasikan induksi magnet dan gaya magnetik di sekitar kawat berarus listrik.. Memformulasikan hokum Ampere 3. Mengaplikasikan hokum Biot Savart dan hokum Ampere untuk menentukan kuat medan magnet oleh berbagai bentuk kawat berarus listrik 4. Memformulasikan gaya magnet (Lorenz) pada kawat berarus yang berada dalam medan magnet atau partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet 5. Mengaplikasikan gaya Lorenz pada persoalan fisika sehari-hari 3 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

4 PETA KONSEP Medan Magnetik Gaya Magnet Induksi Magnet Penerapan Penghantar lurus berarus Sumbu solenoida Sumbu toroida Galvanometer Motor Listrik Penghantar melingkar berarus Penghantar berarus di medan magnet Muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet Dua penghantar sejajar 4 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

5 STRUKTURISASI MATERI MEDAN MAGNET No. Langkah-Langkah Pengetahuan & Pengalaman Pendukung Konten/Materi Utama Dalam kehidupan sehari-hari, disadari atau tidak, Anda sering menggunakan alat-alat yang memanfaatkan magnet. 1. Menjelaskan pengertian dari medan magnet Misalnya, magnet dapat menjaga agar pintu lemari atau kulkas tetap tertutup. Selain itu, ada pula alat-alat yang memanfaatkan sifat magnet, namun wujud Medan magnet adalah daerah disekitar magnet yang menyebabkan sebuah muatan yang bergerak di sekitarrnya mengalami suatu gaya. Medan magnet tidak dapat dilihat namun dapat dijelaskan dengan mengamati pengaruh magnet pada benda lain, misalnya pada serbuk besi. magnetnya sendiri tidak terlihat, seperti bel pintu, telepon, dan motor listrik pada bor. 5 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

6 Benda dapat digolongkan berdasarkan sifatnya. Kemampuan suatu benda menarik benda lain 1. Bahan Magnetik : Bahan yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet dan dapat dimagnetkan. Contoh : besi, nikel, kobalt yang berada di dekatnya. Mengetahui bahan magnetik, nonmagnetik dan bahan diamagnetik disebut kemagnetan. Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda bukan magnet. Namun, tidak semua benda yang berada di dekat magnet dapat ditarik.. Bahan Non-magnetik, terdiri dari : Bahan paramagnetik, Bahan yang ditarik dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan. Contoh : aluminium 6 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

7 3. Bahan diamagnetik, Bahan yang ditolak dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan Contoh : seng Sebagian besar peralatan Menjelaskan kuat elektronik yang kita jumpai 1. Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet 3. medan magnet, Fluks magnetik dan dalam kehidupan sehari-hari kita, bekerja pada prinsip ialah besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di dalam medan magnet. arah garis gaya fluks magnetik. Contoh. Fluks magnetik dapat didefinisikan sebagai ukuran medan terbaik adalah transformator. magnet dalam penampang tertentu. Dalam istilah sederhana, 7 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

8 Prinsip kerjanya didasarkan pada fenomena Fluks magnet. fluks magnet adalah ukuran dari jumlah garis medan magnet yang menembus suatu permukaan ( fluks adalah garis hayal, tapi garis kontinu, berjalanan dari kutub utara magnet ke kutub selatan). 3. Jumlah gari-garis gaya yang menembus tegak lurus bidang seluas 1 m disebut rapat fluks magnet (B). Dapat ditulis sebagai B A Dimana: B = Kerapatan fluks (Wb/m ) = Fluks total (Wb) A = Luas medan magnet (m ) 4. Pada umumnya, rapat fluks magnet bervariasi dari satu titik ke titik lain dalam ruang. Rapat fluks magnet di suatu titik disebut induksi magnetik. Induksi magnetik merupakan besaran vektor. Arahnya sama dengan arah garis singgung pada gari-garis gaya magnet. Induksi magnetik di suatu titik di udara sama dengan kuat medan magnet di titik itu. Secara 8 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

9 matematis, ditulis B = H Jika induksi magnetik terjadi bukan di udara, melainkan di dalam suatu zat maka: B = µ H Dimana: B = rapat garis-garis gaya. = Permeabilitas zat itu. H = Kuat medan magnet. 5. Arah garis gaya dengan menggunakan kaidah tangan kanan yaitu arah ibu jari menggambarkan arah arus listrik dan arah lipatan keempat jari menunjukkan arah garis gaya magnet atau arah induksinya. Besar kuat medan magnet sangat dipengaruhi oleh arus listrik yang menimbulkannya, jarak terhadap kawat, dan bentuk kawatnya. 9 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

10 4. Mengetahui hukum Biot-Savart Pada saat Hans Christian Oerstedmengadakan percobaan untuk mengamati hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan, ia belum sampai menghitung besarnya kuat medan magnet di suatu Sebuah kawat apabila dialiri oleh arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang garis-garis gayanya berupa lingkaran-lingkaran yang berada di sekitar kawat tersebut. Arah dari garis-garis gaya magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan (apabila kita menggenggam tangan kanan ibu jari sebagai arah arus listrik sedang keempat jari yang lain merupakan arah medan magnet). (Hk. Oersteid). 10 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

11 titik di sekitar kawat berarus. Perhitungan secara matematik baru dikemukakan oleh ilmuwan dari Prancis yaitujean Bastiste Biotdan Felix Savart. Berdasarkan hasil eksperimennya tentang pengamatan medan magnet di suatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar dl, yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa besarnya kuat medan magnet (yang kemudian disebut induksi magnet yang diberi lambang B) di titik P : Berbanding lurus dengan kuat arus listrik (I). Berbanding lurus dengan 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. I. sin k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional k = r 0 = Weber A. m Vektor B tegak lurus pada l dan r, arahnya dapat ditentukan denagan tangan kanan. Jika l sangat kecil, dapat diganti dengan dl. db = 0 4 Persamaan ini disebut hukum Ampere. I. sin r 11 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

12 panjang kawat (dl). c. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik P ke elemen kawat penghantar (r). Sebanding dengan sinus sudut apit θ antara arah arus dengan garis hubung antara titik P ke elemen kawat penghantar. 5. Induksi Magnetik Jika sebuah penghantar dialiri arus listrik maka di sekitar kawat tersebut akan timbul medan magnet. Hal ini pertama kali dikemukakan oleh seorang ilmuan yang bernama Hans Chrisitan Oersted ( ) melalu 1. Induksi magnetik di sekitar arus lurus. 1 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

13 percobaannya yang dikenal dengan percobaan Oersted. Berdasarkan hasil percobaan, Oersted menyimpulkan bahwa di sekitar arus listrik terdapat medan magnet atau perpindahan muatan listrik menimbulkan medan magnet. 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 dalam W/m I dalam Ampere a dalam meter Kuat medan dititik H = B = B = 0. I.a B I = r..a 0 r udara = 1 Jika kawat tidak panjang maka harus digunakan Rumus : i 0 B (cos 1 cos ) 4 a 13 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

14 . 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 = 0 a. I. N. r. sin atau B = 1. a 0. I. N 3 r 3. Induksi magnetik di pusat lingkaran. Dalam hal ini r = a dan = 90 0 Besar induksi magnetik di pusat lingkaran. B = 0 I. N. a 14 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

15 B dalam W/m. 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. Induksi magnetik oleh kumparan panjang (Solenoida) Solenoide adalah gulungan kawat yang di gulung seperti spiral. 15 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

16 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 16 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

17 solenoide 1. Banyaknya lilitan pada dx adalah : banyaknya lilitan tiap satuan panjang di titik P. N. dx atau n dx, n Bila 1 sangat besar dibandingkan dengan a, dan p berada di tengahtengah maka 1 = 0 0 dan = Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide : B B 0 0 n I n I Bila p tepat di ujung-ujung solenoide 1 = 0 0 dan = 90 0 B B 0 0 n I n I Induksi magnetik oleh kumparan panjang (Toroida) 17 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

18 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. B n I n dapat diganti dengan N R N banyaknya lilitan dan R jari-jari toroida. 6. Menjelaskan Gaya Lorenz Pernahkah kamu membayangkan sebuah kereta api yang mampu melaju dengan kecepatan hampir sama dengan kecepatan pesawat terbang? Bagaimana mungkin hal ini dapat terjadi? Kereta Maglev adalah kereta api yang mengambang secara 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 18 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

19 magnetik. Kereta ini memanfaatkan gaya angkat magnetik pada relnya sehingga terangkat sedikit ke atas. Gaya dorong yang dihasilkan oleh motor induksi mampu menggerakkan kereta ini dengan kecepatan hingga 650 km/jam. 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 F = gaya Lorentz. B = induksi magnetik medan magnet. I = kuat arus. = panjang kawat dalam medan magnet. 19 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

20 = sudut yang diapit I dan B. 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. 0 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

21 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 : 0 B I P a Besar gaya Lorentz pada arus dalam kawat Q F B. I Q. Q Besar gaya Lorentz tiap satuan panjang F B. I Q 0 I P a I I I 0 P F a F tiap satuan panjang dalam N/m. Q Q 1 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

22 I p dan I Q dalam Ampere dan a dalam meter. Bila kuat arus dikedua kawat sama besarnya, maka : 0 I 0 I F 10. a 4 a Untuk I = 1 Ampere dan a = 1 m maka F =.10-7 N/m Kesimpulan : 1 Ampere adalah kuat arus dalam kawat sejajar yang jaraknya 1 meter dan menimbulkan gaya Lorentz sebesar.10-7 N tiap meter. 7 I a Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Listrik. Pertambahan energi kinetik. Partikel A yang massanya m dan muatannya q berada dalam medan Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

23 listrik serba sama, kuat medannya E arah vektor E kekanan. Pada partikel bekerja gaya sebasar F = qe, oleh sebab itu partikel memperoleh percepatan : a q E. m 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 E k = q. E.d mv mv q. E. d v 1 kecepatan awal partikel dan v kecepatannya setelah menempuh medan listrik sejauh d. Lintasan partikel jika v tegak lurus E. 3 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

24 Didalam medan listrik serba sama yang kuat medannya E, bergerak partikel bermuatan positif dengan kecepatan v x. 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. t v d 1 at 1 q. E.. m v X Kecepatan pada saat meninggalkan medan listrik. X Y v v v v Y a. t q. E. m v X 4 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

25 Arah kecepatan dengan bidang horisontal : tg v v Y X 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 Arus listrik adalah gerakan partikel-partikel yang kecepatannya tertentu, oleh sebab itu rumus di atas dapat diubah menjadi : F = B. q t. v. t sin F = B. q. v sin F adalah gaya Lorentz pada partikel yang muatannya q dan kecepatannya v, B besar induksi magnetik medan magnet, sudut 5 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

26 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 90 0 F = B. q. v Vektor F selalu tegak lurus pada v, akibatnya partikel bergerak 6 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]

27 didalam medan magnet dengan lintasan bentuk : LINGKARAN. Gaya centripetalnya yang mengendalikan gerak ini adalah gaya Lorentz. F c = F Lorentz m v R = B. q. v R = m v B q 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 ) 7 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ ]