MEDAN DAN GAYA MAGNET Oleh : Sabar Nurohman,M.Pd Ke Menu Utama
Perhatikan Tampilan erikut:
Hans Christian Oersted : Jarum Kompas dibelokan oleh kawat yang mengangkut arus listrik Michael araday dan Yoseph Henry : Dengan menggerakan sebuah magnet di dekat sebuah simpal konduktor dapat menyebabkan sebuah arus dalam simpal itu.
Kita dapat menjelaskan interaksi magnetik dengan dua langkah sbb : 1. Medan magnetik dihasilkan oleh : Sebuah magnet permanen, muatan yang bergerak atau sebuah arus. 2. Medan magnetik itu mengerahkan sebuah gaya pada setiap muatan lain yang bergerak atau arus yang hadir dalam medan itu.
Garis Medan Magnet I
Diandaikan ada sebuah muatan uji q bergerak dengan kecepatan pada daerah yang mengandung medan magnet, maka besar dan arah gayanya dapat dijelaskan sbb: + + 0 + q T + qv T q sin r r r q x qsinϕ Gaya magnetik hanya akan bekerja pada muatan uji yang sedang bergerak dengan arah yang tegak lurus dengan. N: Satuan Medan magnetik dalam SI : tesla (T), untuk satuan cgs gauss (1 G 10-4 T) Jika muatan bertanda negatif, maka arah gayanya berlawanan dengan pedoman di atas.
luks Magnet Jumlah garis gaya magnet yang melalui suatu luasan tertentu (da), dapat dirumuskan sbb : da r Φ. da TdA cos da Satuan weber: 1 Wb1T.m 2 1N.m/A agaimana jika kita tinjau fluks magnet pada suatu ruang tertutup (ruang gauss). Anda ingat, bahwa banyaknya fluks listrik pada suatu ruang tertutup sebanding dengan jumlah muatan yang ada di dalamnya. agaimana untuk kasus medan magnet? Karena tidak pernah dijumpai monopol dalam magnet, maka untuk setiap magnet selalu merupakan dipol yang netral, maka. r. d A r 0 Ini merupakan pernyataan Hukum Gauss untuk Magnetisme
Gerak Partikel ermuatan Dalam Medan Magnet
Gerak Partikel ermuatan Dalam Medan Magnet Apabila sebuah partikel bermuatan melewati suatu medan magnet, maka partikel tersebut akan dipengaruhi oleh gaya magnetik yang arahnya tegak lurus dengan arah medan dan arah komponen kecepatan yang tegak lurus dengan medan magnetik. Pada gambar pertama, partikel bermuatan positif akan terpengaruh gaya magnet ke arah atas sehingga partikel akan bergerak melingkar. x x x x x x x x x x x x x x x x x + x x x V x x x x x Sedangkan pada gambar kedua, yaitu jika arah kecepatannya tidak tegak lurus terhadap arah medan magnet, maka partikel akan membentuk jalur spiral. V T + V V P
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 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 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 V 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 V X V
Dalam kasus tersebut, gaya magnet akan berperan sebagai gaya sentripetal yang menyebabkan partikel bergerak melingkar, sehingga kita dapat menurunkan persamaan sbb: Dimana m dan R adalah massa partikel dan jarijari lingkaran yang terbentuk q 2 m R erdasarkan persamaan tersebut, maka kita dapat menurunkan persamaan untuk menentukan R dan kecepatan sudut partikel sebagai berikut : R m q p q ω R > ω R q m q m
Aplikasi Gerak Partikel ermuatan 1. Pemilih Kecepatan q + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - qe Pada kasus tersebut, maka partikel yang memiliki kecepatan E/ akan bergerak lurus seperti tidak dipengaruhi oleh gaya apapun. erapa besar kecepatan yang harus dimiliki oleh partikel bermuatan, jika muatan tersebut bergerak tanpa percepatan ( konstan)? magneti k + L e 0 listrik 0 L qe e q E
2. Eksperimen e/m Prinsip eksperimen e/m yang dilakukan oleh Thomson hampir mirip pada kasus pemilih kecepatan. Pada percobaan ini, energi kinetik ½ m 2 sama dengan energi potensial ev yang hilang. 1 2 2 m ev atau 2eV m
Jika elektron bergerak lurus beraturan hingga ke layar, ini berarti bahwa kecepatan elektron E/, jadi : 2 ev m E Sehingga : e m 2 E 2V 2 erdasarkan percobaan ini, Thomson berhasil menemukan nilai e/m sebesar: 1,7588196253x10 11 C/kg 15 tahun kemudian, Robert Milikan dengan percobnaan tetes minyaknya dapat mengukur massa elektron sebesar m: 9,109389754x10-31. erdasarkan dua eksperimen tersebut, kini kita dapat mengetahui muatan elektron sebesar e1,6021773349x10-19 C.
Gaya Magnetik Pada Konduktor Pengangkut Arus Jika banyaknya muatan persatuan olum adalah n, sebuah segmen konduktor dengan panjang l mempunyai olume Al, dengan demikian ia memiliki muatan sejumlah nal.gaya total dirumuskan : x x x x x x x x V x x x x x x x + x x x x x x x x x x J r r q x ( nal ( nqa Il Il T r ) q sin ) l Jadi : r r Il Anda ingat bahwa InqA x r sin l r
Gaya dan Torka Pada Simpal Arus Kita tinjau sebuah simpal tertutup yang dialiri arus sebagaimana diperlihatkan di gambar, di sana bekerja medan magnet ke arah atas. Jika simpal tersebut membentuk sudut, maka : 1. Pada sisi simpal a akan bekerja gaya magnet sebesar : Y - A a b I -Y Ia x - 2. Pada sisi b akan bekerja gaya magnet sebesar : ' Ibsin(90 0 ) A A 0 90 i
Anda lihat, pada kedua sisi b yang berlawanan akan bekerja gaya dengan besar yang sama dan arah berlawanan, hal ini akan menyebabkan gaya total pada sumbu tersebut 0. Sedangkan pada sisi a, kedua gaya dan akan membentuk torka yang arahnya pada sumbu y positif dengan panjang lengan torka (b/2) sin. Y - A a b -Y x I - - b/2 x b/2 (b/2)sin
Jadi torka yang bekerja pada sistem tersebut adalah : Komponen IA adalah momen dipol magnetik/momen magnetik τ 2( b / 2)sin ab luas simpal A τ IAsin...Jika IA µ τ µ sin τ µ x Iabsin Sebuah simpal arus atau sebarang benda lain yang mengalami sebuah torka magnetik disebut sebagai dipol magnetik.
ila sebuah dipol magnetik berubah orientasinya dalam medan magnetik, maka medan itu berarti telah melakukan kerja sebesar : dw dw W W τ. d µ sin d 2 1 µ sin d µ cos2 µ cos1 Kerja tersebut adalah negatif dari perubahan energi potensial (U 1 -U 2 ). Maka energi potensial U yang sesuai adalah : U U ( ) µ cos r r ( ) µ.
Dipol Magnetik dan Material Magnetik Sebatang besi yang belum termagnetkan, atom-atom penyususnnya tidak memiliki momen magnetik netto, karena masing-masing momen magnetik bergerak dan memiliki arah yang acak. Apabila besi tersebut didekatkan pada suatu medan magnet yang cukup besar, maka medan magnet tersebut akan mensejajarkan arah momen magnetik tersebut yang menyebabkan besi menjadi termagnetkan. a b Gambar a menunjukan sebatang besi yang tidak termagnetkan, c Gambar b menunjukan sebuah magnet batang dengan kutub Utara pada bagian atas. Gambar c menunjukan sebuah besi yang momen magnetiknya mengalami pensejajaran akibat suatu medan magnet. Pada kondisi ini besi telah termagnetkan.
Motor Arus Searah
Gambar a, ditinjau sebuah simpal arus mengalir di dalam sebuah medan magnetik sehingga akan menyebabkan adanya momen magnetik pada arah ke bawah. Kondisi ini akan menyebabkan adanya torka sebagai perkalian kros antara Momen magnetik dengan Medan magnetik. Ini akan menyebabkan rotor berputar berlawanan arah jarum jam.
Gambar b, kini rotor sudah berada pada posisi 90 0 dari posisi awalnya, pada kondisi ini arus terhenti karena kedua komutator bersentuhan dengan tiap-tiap kuas yang menyebabkan tidak ada lagi beda potensial. Jika arus tetap ada, maka rotor hanya akan berosilasi pada posisi ini, namun karena tidak ada arus maka rotor terjatuh dan melanjutkan putaranya berlawanan arah jarum jam.
Gambar c, kini rotor pada posisi 180 0, kondisi ini mirip dengan kondisi pada gambar a yang akan menyebabkan rotor terus berputar berlawanan arah dengan jarum jam.