BAB III MAGNETISME Tujuan Penmbelajaran : - Memahami dan mengerti tentang sifat-sifat magnet, bahan dan kegunaannya. Magnetisme (kemagnetan) tercakup dalam sejumlah besar operasi alat listrik, seperti generator, motor listrik, instrumen ukur, dan trans formator. A. MAGNET DAN BAHAN MAGNETIK Bahan tertentu mempunyai kemampuan menarik besi dan baja. Benda yang mempunyai sifat ini disebut magnet. Magnet ditemukan di alam dalam bentuk mineral yang disebut magnetik.tetapi magnet alam mempunyai sedikit nilai praktis dan magnet komersial dibuat dari besi dan baja atau bahan campuran. Magnet dapat digolongkan sebagai magnet permanen dan sementara, tergantung pada kemampuannya mempertahankan sifat magnet. Baja yang dikeraskan dan campuran nikel dan kobalt ter tentu jika diberi sifat magnet, mempertahankan sifat magnetnya lama sekali dan disebut magnet permanen, tetapi jika sepotong besi lunak dijadikan magnet, ia mempertahankan sebagian kecil sifat magnetnya, setelah gaya magnetnya dihilangkan. Magnet permanen digunakan secara luas dalam instrumen listrik. Dalam generator listrik dan motor di mana diinginkan mengontrol banyaknya sifat magnet yang ada di dalam magnet, digunakan magnet sementara besilunak. Bahan yang ditarik atau ditolak oleh magnet disebut bahan magnet. Besi dan baja selama ini merupakan bahan magnet yang paling umum. Nikel dan kobalt dan beberapa campurannya juga bersifat magnet, campurannya digunakan dalam magnet permanen bermutu-tinggi. Jika suatu bahan mudah dimagnetkan, dikatakan mempunyai permeabilitas tinggi, seperti besi-lunak. Baja sukar dimagnetkan, jadi mempunyai permeabilitas yang jauh lebih rendah. 1
Sebuah batang baja lurus jika dimagnetkan disebut magnet batang. Jika magnet batang dimasukkan ke dalam serbuk besi, ternyata sejumlah besar serbuk ditarik pada ujung batang dan hanya sedikit yang ditarik ke bagian tengah magnet. Daerah pada ujung magnet di mana gaya tariknya terbesar disebut kutub magnet. B. MEDAN MAGNET DAN GARIS GAYA Telah dikatakan bahwa magnet mempunyai gaya tarik untuk bahan-bahan tertentu. Gambar 1-1, seperti ujung jarum kompas (jarum baja yang dimagnetkan) yang diberi tanda arahnya selalu menjauhi satu kutub dan mengarah ke kutub lainnya. Pada pusat magnet, jarum menunjuk arah yang sejajar dengan magnet. Kutub yang dituju oleh arah jarum disebut kutub selatan magnet dan kutub lainnya disebut kutub utara. Cara lain untuk menentukan kutub (polaritas) magnet adalah dengan menggantung atau memberi poros pada pusatnya. Magnet kemudian akan berhenti pada arah utara-selatan. Ujung magnet yang menunjuk utara disebut kutub utara magnet, sedangkan ujung yang menunjuk selatan disebut kutub selatan. Gaya magnet mempunyai arah tertetu pada semua titik dan menuruti garis lengkung dari utara ke selatan. Garis yang demikian disebut garis gaya atau garis fluks (garis khayal). Gambar 1-1 Arah garis gaya di sekitar magnet batang seperti yang ditunjukkan oleh jarum kompas. Ruang sekitar magnet atau ruang yang di dalam gaya magnet bekerja disebut medan magnet terdiri dari banyak garis gaya. Di dalam magnet, setiap garis gaya lewat dari kutub selatan ke kutub utara, sehingga membentuk lup tertutup (rangkaian magnet lengkap), yakni garis -garis tersebut tidak memotong garis-garis magnet lainnya. 2
Gambar 1-2 Medan di sekitar magnet batang. Medan magnet yang mengelilingi magnet disebut fluksi magnet, dan satuan SI dari fluksi magnet adalah weber (wb). Intensitas fluksi magnet atau fluksi setiap satuan luas disebut kerapatan fluksi (flux density),satuannya tesla (T) dan sama dengan kerapatan satu weber setiap meter persegi. Lintasan dimana fluksi magnet dibentuk disebut rangkaian magnet. Rangkaian magnet dari magnet batang terdiri dari lintasan fluksi magnet yang melalui magnet dan ruang sekitarnya. Perlawanan yang diber ikan oleh fluksi magnet dalam rangkaian magnet disebut reluktansi (reluctance) rangkaian. Udara mempunyai reluktansi yang jauh lebih besar daripada besi atau baja. Oleh sebab itu, rangkaian magnet seperti yang digunakan dalam generator dirancang dengan celah udara yang sangat kecil dan bagian terbesar dari lintasan yang dilalui oleh fluksi adalah besi. C. TARIKAN DAN TOLAKAN MAGNET Aturan tarikan dan tolakan magnet yaitu kutub magnet yang sama akan tolak menolak dan kutub magnet yang tak sama akan tarik menarik. Aturan ini didasarkan pada gambaran yang lebih teliti tentang garis gaya magnet. Jika kutub utara yang kecil bebas bergerak dalam medan dekat magnet, ia akan ditolak oleh kutub utara magnet dan ditarik oleh kutub selatan. Lintasan yang diikuti kutub utara kecil yang bergerak dari utara ke selatan magnet disebut garis gaya atau garis fluksi. D. SIFAT MAGNET Jika magnet batang dipotong menjadi dua, setiap bagian merupakan magnet lengkap yang mempunyai kutub utara dan kutub selatan. Jika setiap bagian dipotong lagi, bagian-bagiannya merupakan magnet. Jika proses berlanjut. ternyata bahwa partikel-partikel yang lebih kecil mengandung magnet (magnet elementer). 3
Teori Weber tentang sifat magnetisme didasarkan pada anggapan bahwa setiap molekul magnet adalah magnet kecil. Berdasarkan teori ini, suatu batang besi atau baja tak bermagnet tersusun dari molekul magnet kecil yang sesungguhnya sedemikian rupa sehingga magnetisme setiap molekul dinetralkan oleh molekul yang berdekatan. Tetapi jika gaya pemagne tan dikenakan pada besi atau baja, molekul diatur menjadi corak tertentu dengan kutub utara dan kutub selatannya menunjuk arah yang berlawanan. E. MEDAN SEKELILING KONDUKTOR YANG MENGALIRKAN ARUS Pada tahun 1819, Oersted menemukan bahwa ada hubungan ter tentu antara kelis-trikan dan magnetisme. Percobaan selanjutnya oleh Henry dan Faraday meletakkan dasar untuk pengembangan mesin listrik modern. Jika kompas didekatkan pada konduktor pengatur arus, jarum mengatur dirinya pada sudut tertentu terhadap konduktor, hal ini menunjukkan adanya medan magnet. Jika konduktor melalui lubang pada selembar karton seperti ditunjukkan pada Gambar 1-3 dan arus dilalukan melalui konduktor, bentuk dan arah medan dapat ditentukan dengan menyetel kompas pada berbagai titik pada karton dan mencatat simpangannya. Percobaan ini menunjukkan bahwa ada medan magnet berbentuk lingkaran konsentris di sekeliling konduktor. Jika arus mengalir ke bawah seperti ditunjukkan pada Gambar 1-3, arah medan searah dengan jarum jam. Tetapi jika polaritas catu dibalik sehingga arah arus ke atas, arah medannya berlawanan dengan jarum jam. Aturan sederhana yang disebut aturan (kaidah) tangan kanan untuk konduktor, telah menetapkan hubungan arah arus dan medan. Gambar 1-3 Percobaan untuk mengetahui medan di sekeliling konduktor. 4
Bayangkan konduktor sedang digenggam oleh tangan kanan dengan ibu jari menunjuk arah aliran arus. Maka telunjuk menunjuk arah medan di sekeliling konduktor. Simbol (.) digunakan dalam diagram untuk menunjukkan penampang konduktor pengalir arus ke arah pembaca, sedangkan simbol (+) digunakan untuk menunjukkan arus mengalir menjauhi pembaca. Simbolsimbol ini sebagai pandangan arah aliran arus. Pada gambar yang pertama anak panah mendekati pembaca dan yang terakhir anak panah pergi menjauhi pembaca. Seperti Gambar 1-4. Gambar 1-4 Gambaran tentang medan di sekeliling konduktor yang mengalirkan arus (a) menuju pembaca, dan (b) menjauhi pembaca. Gambar 1-5 Medan di sekeliling dua konduktor paralel. F. MEDAN SEKELILING KUMPARAN Magnetisme yang dikaitkan dengan konduktor pengalir arus dapat diperkuat dengan membuat konduktor ke dalam bentuk kumparan atau selenoid. Dapat ditunjukkan bagaimana medan dihasilkan di sekeliling kumparan de - ngan dua konduktor paralel membawa arus dalam arah yang sama seperti pada Gambar 1-5. Garis gaya mengelilingi setiap konduktor dalam arah yang sama, menghasilkan gaya yang semuanya mengelilingi kedua kon - duktor. Begitu juga medan yang dihasilkan oleh lingkaran beberapa konduktor yang semuanya membawa arus dalam arah sama, membungkus keseluruhan konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1-6a. Jika arus dibalik, arah medan terbalik, seperti pada Gambar 1-6b. 5
Gambar 1-7a mewakili kumparan yang dibentuk dengan melilitkan konduktor pada benda berongga atau tabung pipa dari karton. Perhatikan bahwa jika arus mengalir melalui kumparan seperti arah yang ditunjukkan, arus mengalir menjauhi pengamat pada bagian atas setiap lilitan (pada titik 1, 2, 3, 4, dan 5) dan menuju pengamat di bagian bawah setiap lilitan (pada titik 6, 7, 8, dan 9).Ini digambarkan lebih lanjut dalam pandangan melintang kumparan pada Gambar 1-7b. Gambar 1-6 Medan di sekeliling beberapa konduktor yang semuanya mengalirkan arus (a) menjauhi pembaca dan (b) mendekati pembaca. Gambar 1-7 (a) Kumparan dililitkan pada tabung berongga. (b) Pandangan potongan melintang menunjukkan medan yang dihasilkan kumparan Seperti di-tunjukkan oleh aturan tangan kanan untuk konduktor, medan d i sekeliling konduktor 1, 2, 3, 4, dan 5 adalah dalam arah jarum jam dan untuk konduktor 6, 7, 8, dan 9 berlawanan dengan arah jarum jam. Maka medan yang dihasilkan oleh kumparan serupa dengan magnet batang, yaitu fluksi muncul dari salah satu ujung kumparan dan masuk pada ujung yang lain. Ujung kumparan tempat munculnya fluksi disebut kutub utara kumparan. Polaritas setiap kumparan dapat ditentukan dengan cara aturan tangan - kanan untuk kumparan, yang dapat dinyatakan sebagai berikut: Bayangkan kumparan sedang digenggam oleh tangan kanan dengan jari menunjuk pada arah arus dalam kumparan; ibu jari kemudian menunjuk ke arah kutub utara dari kumparan. 6
G. GAYA GERAK MAGNET ATAU GGM Ukuran kemampuan kumparan untuk menghasilkan fluksi disebut gaya gerak magnet (magnetomotive force, disingkat ggm). Gaya gerak magnet berkaitan dengan ggl dalam rangkaian listrik dan dapat dianggap sebagai tekanan magnetik, sama seperti ggl dianggap sebagai tekanan listrik. Ggm kumparan berubah sesuai dengan arus yang mengalir dalam kumparan dan jumlah lilitan kumparan. Perkalian arus dalam amper dan jumlah lilitan disebut amper lilitan dari kumparan. Amper lilitan diambil sebagai satuan praktis ggm. H. ELEKTROMAGNET Kumparan dengan ggm tertentu dapat menghasilkan jumlah fluksi ya ng lebih besar jika inti besi dimasukkan ke dalam kumparan, karena permeabilitas besi jauh lebih besar dari udara. Magnet yang sangat kuat disebut elektromagnet, dan dapat dibuat dengan menempatkan kumparan di sekeliling inti besi. Kekuatan elektromagnet tergantung pada banyaknya amper-lilitan kumparan pembangkit dan pada permeabilitas intinya. Besi-lunak adalah bahan yang biasa digunakan untuk inti dari sebuah elektromagnet karena permeabilitasnya yang tinggi. Kekuatan elektromagnet dengan jumlah lilitan tertentu pada kumparan pembangkit dapat berubah dengan berubahnya arus yang melalui kumparan. Inilah cara untuk mengubah banyaknya fluksi, dan begitupun dengan besarnya ggl yang dihasilkan dalam generator. Elektromagnet mempunyai banyak aplikasi dalam mesin listrik, seperti generator. Rangkaian magnet dari generator dc dua-kutub ditunjukkan pada Gbr 1-8. Medan magnet yang kuat di hasilkan oleh kedua kumparan medan yang dililitkan pada inti kutub besi. Ketika jangkar diputar melalui medan magnet, dihasilkan ggl dalam konduktor jangkar. Gambar 1-8 generator kutub-dua. Rangkaian magnet dari 7
Gambar 1-9 Relai kutub-tiga. Relai yang ditunjukkan pada Gambar 1-9 menggambarkan aplikasi penting dari elektromagnet. Relai adalah sakelar yang dioperasikan oleh elektromagnet. Relai elektromagnet terdiri dari kumparan dan inti besi stasioner. Kontak relai dipasangkan pada batang besi bersendi disebut jangkar. Jika elektromagnet diberi energi oleh arus yang melalui kumparan, jangkar ditarik ke inti elektromagnet, sehingga menutup kontak relai. Jika energi diputuskan, kontak dibuka oleh pegas. Diperlukan arus kecil untuk menjalankan relai elektromagnet dan menutup kontak relai. Kontak relai dapat dirancang untuk mengalirkan arus besar. Sebagai contoh, relai yang ditunjukkan pada Gambar 1-9 hanya memerlukan 0,24 A untuk bekerja, sedangkan kontak mempunyai batas yang diizinkan membawa arus 25 A. Oleh sebab itu, relai digunakan jika diinginkan mengontrol alat yang mempunyai nilai arus yang tinggi, seperti misalnya pemanas listrik atau alat serupa dari jarak jauh. Tidaklah perlu menjalankan catu utama untuk alat ke titik kontrol. Kawat kontrol-jarakjauh (remote-control) harus cukup besar untuk mengalirkan arus kumparan relai. Aplikasi lain dari elektromagnet adalah dalam rem yang bekerja dengan solenoida. Rem yang ditunjukkan pada Gambar 1-10 disebut set-pegas (spring-set), yakni rem yang dilepaskan dengan listrik. Seperti namanya, rem ini disetel oleh kumparan pegas pada bagian atas rem dan dilepaskan dengan listrik dengan memberikan energi pada solenoida pada sisi sebelah kiri peralatan tersebut. Rem tipe ini digunakan untuk rem penahan pada derek, alat angkat (lift), ban berjalan, peralatan mesin, atau yang serupa. 8
Gambar 1-10 Rem yang dioperasikan dengan solenoida. I. SATURASI kumparan dengan inti udara, fluksi yang dihasilkan berbanding lurus de - ngan amper-lilitan dari kumparan. Begitu juga untuk kumparan berinti-besi sampai ke tingkat tertentu dari magnetisasi inti. Di atas titik ini, kenaikan amper-lilitan menghasilkan kenaikan fluksi yang semakin kecil dan inti di - katakan saturasi atau jenuh. Kejenuhan besi dapat diterangkan dengan teori Weber tentang magnet. Karena amper-lilitan kumparan pembangkit naik dari nol, molekul yang dipindahkan ke dalam posisi yang dimagnetkan adalah relatif mudah karena banyak molekul yang tak beraturan dalam besi yang tak bermagnet. Jika sebagian besar molekul ini diatur dalam suatu tingkat terbatas, besi dikatakan mencapai saturasi. Kenaikan amper-lilitan lebih lanjut menghasilkan kenaikan yang lebih kecil dalam sifat magnetisme besi karena tinggal sedikit molekul sisa yang dapat dibawa ke posisi yang dimagnetkan. 9
SOAL MANDIRI 1. Apakah yang membedakan bahan magnet dari bahan bukan magnet? 2. Apakah garis gaya magnet itu? Apakah medan magnet itu? 3. Berikan aturan tentang tarikan dan tolakan magnet? 4. Jelaskan teori Weber tentang magnetisme. 15. Bagaimana memperlihatkan bahwa ada medan magnet di sekeliling konduktor pembawa-arus? Berikan aturan yang menghubungkan arah arus dan arah medan. ==================== SELAMAT MENGERJAKAN ================== 10