Fisika Umum (MA 301) Topik hari ini (minggu 10) Kemagnetan

Transkripsi

1 Fisika Umum (MA 301) Topik hari ini (minggu 10) Kemagnetan

2 Kemagnetan Efek dari magnet alam telah diketahui sejak waktu yang lama. Observasi yang tercatat berasal dari bangsa Yunanai lebih dari 2500 tahun yang lalu. Kata magnet berasal dari kata Yunani yang berasal dari jenis batu yang mengandung besi oksida yang ditemukan di Magnesia, sebuah distrik di Yunani utara. SIfat batu tersebut: dapat memberikan gaya pada jenis batu yang sama dan dapat memberikan sifat tersebut pada potngan besi yang tersentuhnya (magnetisasi). Bagian kecil dari batu tersebut apabila digantungkan akan selalu mengarah ke utara dan selatan (mendetaksi medan magnet bumi).

3 Magnet Batang Magnet batang... Dua kutub: N (utara) dan S (selatan) Kutub sama saling menolak; kutub berlawanan saling menarik. Garis medan magnet: (didefinisikan dengan cara yang sama seperti garis medan listrik, arah dan kerapatan) S N

4 Arah Medan Magnet Arah medan magnet (dari magnet batang) dapat ditentukan dengan menggunakan sebuah kompaskompas kecil. N S

5 Garis medan listrik pada sebuah dipol listrik Garis medan magnet pada magnet batang S N

6 Garis Medan Magnet N S

7 Monopol Magnet Mungkin terdapat juga muatan magnet, sama seperti muatan listrik. Wujud seperti itu dinamakan sebuah monopol magnet (mempunyai + atau muatan magnet). Bagaimana anda dapat memperoleh muatan magnet ini? Coba sebuah magnet batang dipotong menjadi dua bagian: S N S N S N Bahkan sebuah elektronpun mempunyai dipol magnet Banyak pencarian tentang monopol magnet keberadaannya akan menjelaskan (dalam kerangka mekanika kuantum) kuantisasi dari muatan listrik (argumennya Dirac) Tidak ada monopol magnet yang telah ditemukan sampai saat ini!

8 Sumber Medan Magnet? Jika bukan muatan magnet, lalu apa sumber medan magnet? Jawab: muatan listrik yang bergerak! contoh, arus dalam kawat yang melingkar (solenoid) menghasilkan medan magnet yang mirip dengan magnet batang. Olehkarenanya, memahami sumber medan yang dihasilkan oleh magnet batang tidak lain adalah memahami arus pada tingkat atomik dalam suatu bahan. Orbit elektron pada atom Spin intrinsik elektron (efeknya lebih besar)

9 Analogi Medan Magnet dengan Medan Listrik Medan listrik: Distribusi muatan menghasilkan medan listrik E(r) di daerah sekitarnya. Medan memberikan gaya F=q E(r) pada sebuah muatan q berjarak r Medan magnet: Muatan yang bergerak atau arus menghasilkan medan magnet B(r) di daerah sekitarnya. Medan memberikan gaya F pada sebuah muatan q yang bergerak

10 Material Magnetik Material dapat diklasifikasi berdasarkan bagaimana responnya terhadap medan manet luar, B app. Paramagnetik (aluminum, tungsten, oksigen, ) Dipol magnet atomik (~magnet batang atomik) mensejajarkan diri searah dengan arah medan, meningkatkan besar medan magnet, tetapi sangat kecil: B ind ~ B app 10-5 Diamagnetik (emas, tembaga, air, ) Medan luar yang diberikan menginduksi medan magnet yang berlawanan arah; ini juga sangat kecil; B ind ~ -B app 10-5 [Pengecualian: Superkonduktor menunjukkan diamagnetisme yang sempurna memblok semua medan magnet] Ferromagnetik (besi, kobal, nikel, ) Sama seperti paramagnetik, tetapi medan induksi yang dihasilkan lebih besar; B ind ~ B app 10 +5

11 Ferromagnetik (lanjutan) Tidak ada medan magnetik luar B, dipol-dipol sejajar berkelompok kecil domain. Ada B, domain-domain tersebut mensejajarkan diri dengan arah B, menghasilkan magnetisasi yang besar. Domain-domain magnetik

12 Ferromagnetik (lanjutan) Feromagnetik soft Domain-domain akan acak ketika B dihilangkan Feromagnetik hard Domain-domain tidak berubah ketika B dihilangkan Magnet permanen Domain-domain akan mensejajarkan diri dalam arah yang berbeda oleh pengaruh medan lain Domain-domain akan acak oleh goncangan/getaran fisik yang mendadak Jika temperatur mencapai di atas titik Curie (770 C untuk besi), domain-domain akan acak jugae paramagnetik

13 Tes konsep 1 Material jenis apa yang digunakan untuk pita kaset/video? (a) diamagnetik (b) paramagnetik (c) ferromagnetik soft (d) ferromagnetik hard Jawab d

14 Tes konsep 2 Bagaimana sebuah magnet batang dapat menarik sekrup, klip kertas, lemari es,dll., padahal semuanya bukanlah magnet! Jawab: Material-material di atas termasuk feromagnetik soft. Kehadiran B luar akan mensejajarkan domain-domain sehingga muncul dipol total, yang kemudian dapat tertarik oleh magnet batang. - Efek akan hilang ketika B dihilangkan - Tidak jadi soal kutub mana yang digunakan S N Ujung klip kertas

15 Sejarah sebuah bit IBM memperkenalkan hard disk pertamanya di tahun 1957, ketika data disimpan dalam pita. Hard disk tersebut terdiri dari 50 plat, diameter 24 inch, dan ukurannya dua kali ukuran refrigerator. Harganya $35,000 dan kapasitasnya 5 MB, angka yang sangat besar pada waktu itu!

16 Bagaimana prinsip kerja kartu kredit anda! Jalur hitam pada bagian belakang kartu kredit anda adalah jalur magnetik, biasanya disebut magstripe. Megastrip terbuat dari besi kecil yang merupakan partikel magnetik yang tersimpan dalam sebuah plastik menyerupai film. Setiap partikel adalah magnet batang yang sangat kecil. Megastrip dapat ditulis" karena magnet batang kecil dapat dimagnetisasi dalam arah utara atau selatan. Megastrip pada bagian belakang kartu sama persis dengan seuntai pita kaset.

17 Medan Magnetik Bumi Jarum pada sebuah kompas selalu menunjuk pada arah utara karena daerah dipermukaan bumi merupakan daerah bermedan magnet. Medan magnet yang muncul berasal dari bumi yang merupakan sebuah magnet yang sangat besar. Bagian utara bumi berkaitan dengan kutub selatan magnet dan bagian selatan bumi berkaitan dengan kutub utara magnet. Konfigurasi magnet bumi mirip dengan sebuah batang magnet (besar) yang diletakkan di pusat bumi.

18 Medan Magnetik Bumi

19 Medan Magnet Bumi (lanjutan) Kutub magnet utara dan selatan tidak persis tepat pada kutub selatan dan utara bumi, tetapi agak menyimpang. Kutub magnet selatan terletak 1800 km dari kutub utara, tepatnya diwilayah kanada utara, sedang kutub magnet bagian selatan terletak diwilayah Australia selatan Ketidakcocokan antara orientasi jarum pada kompas dengan kutub utara bumi yang sebenarnya dinamakan deklinasi magnetik. Sumber medan : Muatan yang bergerak (arus konveksi) yang terjadi di dalam inti bumi, di tambah juga efek rotasi bumi

20

21 Tes konsep 3 Anda berwisata ke Australia untuk urusan dan membawa kompas buatan Indonesia. Apakah kompas tersebut dapat digunakan??? Jawab Tidak masalah menggunakan kompas buatan manapun di Australia. Kutub utara kompas akan menuju ke arah kutub selatan bumi

22 Gaya Magnet pada Kawat Penghantar yang Dialiri Arus Gaya magnet bekerja pada sebuah muatan tunggal yang bergerak melalui medan. Gaya magnet juga berkerja pada kumpulan muatan yang bergerak melalui sebuah kawat penghantar, yaitu arus. Gaya pada penghantar yang dialiri arus adalah jumlah dari semua gaya yang bekerja pada masing-masing muatan yang bergerak.

23 Penulisan Arah Medan Magnet Jika B berarah masuk halaman/bidang kertas, kita menggunakan tanda kali untuk menunjukan arah medan tersebut. Jika arah B keluar halaman/bidang kertas, kita gunakan titik. x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Jika B dalam bidang kertas, kita gunakan panah.

24 Gaya pada Penghantar yang dilalui arus berada dalam medan magnet B in B in x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x B in x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x I = 0 I I

25 Tes konsep 2 Ketika terjadi kilat, terdapat aliran muatan negatif yang sangat cepat dari awan menuju tanah. Ke arah manakah kilat dibelokan oleh medan magnetik bumi? Jawab: Ke arah barat Penjelasan: Muatan negatif mengalir kebawah. Arus positif ke atas. Arah medan B dari belahan bumi selatan ke belahan bumi utara Jawab: Gaya mengarah ke barat. I

26 Medan Magnet oleh Kawat Lurus Panjang Ilmuan Denmark Hans Oersted ( ) menemukan bahwa arus listrik pada kawat dapat menyimpangkan jarum kompas. Pada tahun1820, dia melakukan eksperimen kecil dengan menggunakan banyak kompas yang berhasil menunjukkan kehadiran medan magnet disekitar kawat yang dialiri arus. I=0 I

27 Besarnya medan I B 2 o I r r B o dinamakan permeabilitas ruang hampa T m A

28 Dapatkah medan magnet mengahasilkan arus listrik?

29 GGL induksi dan Fluks Magnet Eksperimen Faraday Dua rangkaian terputus: tidak ada arus? Tetapi, ketika sakar di tutup, kita lihat bahwa jarum kompas bergerak dan kemudian kembaki ke posisi semula Tidak muncul perubahan lagi pada jarum kompas ketika arus dalam koil primer tetap (steady) Tapi hal yang sama terjadi ketika saklar dibuka, hanya jarum jam bergerak ke arah yang berlawanan Apa yang terjadi?

30 Eksperimen Faraday (lanjutan) I v S N

31 Eksperimen Faraday (lanjutan) I v B I S N B I v Arus muncul pada rangkaian selama loop bergerak relatif terhadap batang magnet.

32 Eksperimen Faraday (lanjutan) (arus induksi) I I - + AC Delco 1 volt

33 Eksperimen Faraday (lanjutan) I - + AC Delco 1 volt

34 Eksperimen Faraday (lanjutan) (induksi) I - + AC Delco 1 volt

35 Eksperimen Faraday (lanjutan) - + AC Delco 1 volt

36 Eksperimen Faraday (lanjutan) B v

37 Eksperimen Faraday (lanjutan) I B v

38 Eksperimen Faraday (lanjutan) I I B v I

39 Hukum Faraday tentang Induksi Magnetik Dalam semua eksperimen, munculnya GGL induksi disebabkan karena adanya perubahan jumlah garis medan yang menembus sebuah koil (fluks). Dengan kata lain, GGL induksi yang muncul dalam suatu rangkaian sama dengan laju perubahan fluks magnet yang menembus koil. E Hukum Lenz N t Hukum Lenz s: Arah GGL induksi sedemikian rupa sehingga menghasilkan arus dengan medan magnet yang ditimbulkannya melawan perubahan fluks magnet yang melalui loop. Oleh karenanya arus induksi cenderung untuk mempertahankan jumlah fluks semula pada rangkaian.

40 Aplikasi Induksi Magnetik Tape / Hard Drive / ZIP Readout Credit Card Reader

41 Generator Generator dan motor adalah dua contoh aplikasi yang penting dari ggl induksi. Sebuah generator adalah sesuatu yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrikis something that converts mechanical energy to electrical energy. Generator AC Generator DC Sebuah motor adalah proses sebaliknya, yaitu mengubah energi listrik menjadi amekanik.

42 AC Generators Basic operation of the generator As the loop rotates, the magnetic flux through it changes with time This induces an emf and a current in the external circuit The ends of the loop are connected to slip rings that rotate with the loop Connections to the external circuit are made by stationary brushed in contact with the slip rings

43 AC generator C D Compute EMF It is only generated in BC and DA wires EMF generated in BC and DA would be E BC E D A Blv Thus, total EMF is B v sin B A v E 2Blv 2Blvsin If the loop is rotating with a 2Blvsin t 2Bl sin t 2 E as v=r =a /2 A

44 AC generator (cont) Generalize the result to N loops E NBA sin t EMF generated by the AC generator where we also noticed that A=la E max NBA Note: is reached when t=90 or 270 (loop parallel to the magnetic field)

45 Transformers An AC transformer consists of two coils of wire wound around a core of soft iron The side connected to the input AC voltage source is called the primary and has N 1 turns

46 Transformers, 2 The other side, called the secondary, is connected to a resistor and has N 2 turns The core is used to increase the magnetic flux and to provide a medium for the flux to pass from one coil to the other The rate of change of the flux is the same for both coils

47 Transformers, 3 The voltages are related by V N 2 2 V1 N1 When N 2 > N 1, the transformer is referred to as a step up transformer When N 2 < N 1, the transformer is referred to as a step down transformer

48 Transformer, final The power input into the primary equals the power output at the secondary I 1 ΔV 1 = I 2 ΔV 2 You don t get something for nothing This assumes an ideal transformer In real transformers, power efficiencies typically range from 90% to 99%

49 DC generator By a clever change to the rings and brushes of the ac generator, we can create a dc generator, that is, a generator where the polarity of the emf is always positive. The basic idea is to use a single split ring instead of two complete rings. The split ring is arranged so that, just as the emf is about to change sign from positive to negative, the brushes cross the gap, and the polarity of the contacts is switched. The polarity of the contacts changes in phase with the polarity of the emf -- the two changes essentially cancel each other out, and the emf remains always positive. The emf still varies sinusoidally during each half cycle, but every half cycle is a positive emf.

50 Motors A motor is basically a generator running in reverse. A current is passed through the coil, producing a torque and causing the coil to rotate in the magnetic field. Once turning, the coil of the motor generates a back emf, just as does the coil of a generator. The back emf cancels some of the applied emf, and limits the current through the coil.

51 Motors and Back emf The phrase back emf is used for an emf that tends to reduce the applied current When a motor is turned on, there is no back emf initially The current is very large because it is limited only by the resistance of the coil

52 Example: coil in magnetic field A coil of area 0.10 m² is rotating at 60 rev/s with its axis of rotation perpendicular to a 0.20T magnetic field. (a) If there are 1000 turns on the coil, what is the maximum voltage induced in the coil? (b) When the maximum induced voltage occurs, what is the orientation of the coil with respect to the magnetic field?

53 20.7 Self-inductance When a current flows through a loop, the magnetic field created by that current has a magnetic flux through the area of the loop. If the current changes, the magnetic field changes, and so the flux changes giving rise to an induced emf. This phenomenon is called self-induction because it si the loop's own current, and not an external one, that gives rise to the induced emf. Faraday s law states E N t

54 The magnetic flux is proportional to the magnetic field, which is proportional to the current in the circuit Thus, the self-induced EMF must be proportional to the time rate of change of the current E L where L is called the inductance of the device I t Units: SI: henry (H) 1H 1 V s A If flux is initially zero, N L N I I

55 20.9 Energy stored in a magnetic field The battery in any circuit that contains a coil has to do work to produce a current Similar to the capacitor, any coil (or inductor) would store potential energy PEL 1 2 LI Summary of the properties of circuit elements. Resistor Capacitor Inductor units ohm, = V / A farad, F = C / V henry, H = V s / A symbol R C L relation V = I R Q = C V emf = -L ( I / t) power dissipated P = I V = I² R = V² / R energy stored 0 PE C = C V² / 2 PE L = L I² / 2

56 Example: stored energy A 24V battery is connected in series with a resistor and an inductor, where R = 8.0 and L = 4.0H. Find the energy stored in the inductor when the current reaches its maximum value.

57 A 24V battery is connected in series with a resistor and an inductor, where R = 8.0 and L = 4.0H. Find the energy stored in the inductor when the current reaches its maximum value. Given: V = 24 V R = 8.0 L = 4.0 H Recall that the energy stored in th inductor is PEL 1 2 LI 2 Find: PE L =? The only thing that is unknown in the equation above is current. The maximum value for the current is I max V R 24V A Inserting this into the above expression for the energy gives PEL H A J 2

58 Electrical Power Transmission When transmitting electric power over long distances, it is most economical to use high voltage and low current Minimizes I 2 R power losses In practice, voltage is stepped up to about V at the generating station and stepped down to V at the distribution station and finally to 120 V at the customer s utility pole