5.5.MEDAN MAGNET

KEMAGNETAN ( MAGNETOSTATIKA )

Benda yang dapat menarik benda-benda yang terbuat dari besi disebut MAGNET.

Macam-macam bentuk magnet, antara lain :
-Silinder
-batang
-jarum
-ladam/tapalkuda/U
-keping/cakram

Magnet dapat diperoleh dengan cara buatan. Jika baja di gosok dengan sebuah magnet secara terus menerus dalam arah yang tetap, maka baja tersebut akan menjadi magnet.

Baja atau besi dapat pula dimagneti oleh arus listrik. Baja atau besi itu dimasukkan ke dalam kumparan kawat, kemudian ke dalam kumparan kawat dialiri arus listrik yang searah, maka baja atau besi tersebut akan menjadi magnet. 

Ujung-ujung sebuah magnet disebut Kutub Magnet. Garis yang menghubungkan kutub-kutub magnet disebut sumbu magnet dan garis tegak lurus sumbu magnet serta membagi dua sebuah magnet disebut garis sumbu.

Sebuah magnet batang jika digantung pada titik beratnya,sesudah keadaan setimbang tercapai, ternyata kutub-kutub batang magnet itu menghadap ke arah Utara dan Selatan.

Kutub magnet yang menghadap ke arah utara di sebut kutub Utara,sedangkan kutub magnet yang menghadap ke arah selatan disebut kutub Selatan.

Hal serupa juga terjadi pada magnet jarum yang dapat berputar pada sumbu tegak.

Kutub Utara jarum magnet  yang seimbang didekati kutub Utara magnet batang, ternyata kutub Utara magnet jarum bertolak. Bila yang didekatkan adalah kutub selatan magnet batang, maka kutub utara magnet jarum tertarik. 
Kesimpulan : Kutub-kutub yang sejenis tolak-menolak dan kutub-kutub yang tidak sejenis tarik-menarik

Jika kita gantungkan beberapa paku pada ujung-ujung sebuah magnet batang ternyata jumlah paku yang dapat melekat di kedua kutub magnet sama banyak. Makin ke tengah, makin berkurang jumlah paku yang dapat melekat.

Kesimpulan : Kekuatan kutub sebuah magnet sama besarnya semakin ke tengah kekuatannya makin berkurang.

HUKUM COULOMB UNTUK MAGNET.

Definisi : Besarnya gaya tolak-menolak atau gaya tarik menarik antara kutub-kutub magnet, sebanding dengan kuat kutubnya masing-masing dan berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.

F = gaya tarik menarik/gaya tolak menolak dalam newton.

R = jarak  dalam meter.

m₁ dan m₂ kuat kutub magnet dalam Ampere-meter.
mo= permeabilitas hampa.       Nilai mo= 4π.10^-7 Weber/A.m

Nilai permeabilitas benda-benda ternyata tidak sama dengan permeabilitas hampa.

Perbandingan antara permeabilitas suatu zat dengan permeabilitas hampa disebut permeabilitas relatif zat itu.

             m_r = m/mo       
m_r= Permeabilitas relatif suatu zat
m= permeabilitas zat itu
mo = permeabilitas hampa.

PENGERTIAN MEDAN MAGNET.

Medan magnet adalah daerah di sekitar kutub magnet, yang gaya tarik atau gaya tolaknya masih dirasakan oleh magnet lain.

Kuat Medan ( H ) .

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 N/A.m:  atau dalam weber/m²

Garis Gaya Magnet.

Garis  gaya magnet adalah : garis-garis  khayal yang berasal dari kutub utara magnet dan menuju kutub selatan magnet,arah dan kuat medan magnet di tiap titik dinyatakan oleh garis singgungnya.

Dengan kata lain, garis-garis gaya magnet keluar dari kutub utara magnet  dan masuk ke dalam kutub selatan magnet. Untuk membuat pola garis-garis gaya magnet  dapat dilakukan dengan cara menaburkan serbuk besi di sekitar sebuah magnet.

Gambar pola garis-garis gaya magnet.

Rapat Garis Gaya magnet/Induksi Magnetik (B)

Jumlah garis gaya magnet per satuan luas dalam arah tegak lurus bidang 
            B=Փ/A

Kuat medan magnet di suatu titik sebanding dengan rapat garis-garis gaya magnet dan berbanding terbalik dengan permeabilitasnya.
                   H=B/m

B = induksi magnetik m= Permeabilitas zat itu.    H = Kuat medan magnet

Catatan : 

Rapat garis gaya magnet menyatakan besarnya induksi magnetik.

Bila rapat garis-garis gaya dalam medan yang serba sama adalah B, maka banyaknya garis-garis gaya ( Փ ) yang menembus bidang seluas A m² dan mengapit sudut ϴ dengan kuat medan adalah :       

                     Փ= B.A Sinϴ    dengan satuan : Weber.

Medan magnet yang rapat garis-garis gayanya sama disebut medan magnet serba sama  ( medan magnet homogen )

Sifat Magnetik Bahan.

Sifat-sifat magnetik bahan dibedakan atas: Feromagnetik, Diamagnetik dan Para magnetik.
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 ( alnico )

Bahan diamagnetik : 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 medan magnet . 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.

LATIHAN SOAL.

1.      Dua kutub magnet sejenis kekuatannya 10^-3 A.m

a. Beberapa gaya tolak menolaknya jika jaraknya 25 cm.

b. Berapa jarak antara kutub-kutub itu bila gaya tolak-menolaknya 10 N.

2.      Sebuah kutub magnet mempunyai kekuatan 10^-5 A.m

a. Berapa kuat medan di satu titik yang jaraknya 1 m.

b. Berapa induksi magnetik di tempat itu ?

c. Berapa kuat medan dan induksi magnetik pada jarak 0,25 m.

3.      Kuat medan di titik dalam medan magnet 5 N/A.m

a. Berapa besar gaya yang bekerja pada magnet yang kekuatannya 10 A.m dititik itu ?

b. Berapa besar induksi magnetik di tempat itu ?

4.      Berapa flux magnetik kutub magnet yang kekuatannya 10^-2

5.      Medan magnet yang serba sama mempunyai kuat medan sebesar 10⁷ N/A.m

a. Berapa induksi magnetiknya ?

b. Berapa flux magnetik yang tegak lurus bidang seluas 2 m²

c. Jika bidang itu mengapit sudut 30⁰ dengan medan magnet. Berapa flux magnetik yang  menembus bidang itu ?

MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK.

Percobaan OERSTED

Di atas  jarum kompas yang seimbang dibentangkan seutas kawat, sehingga kawat itu sejajar dengan jarum kompas. jika kedalam kawat dialiri arus listrik, ternyata jarum kompas menyimpang dari keseimbangannya. Kesimpulan : Disekitar arus listrik ada medan magnet yang disebut induksi magnetik.

Analisis  penyimpangan magnet jarum.
a.  Gambar a , kawat tidak berarus listrik sehingga jarum kompas tidak menyimpang karena tidak ada       medan magnet.

b. Gambar b, kawat berarus listrik ke selatan ( ke bawah) dan  kutub utara jarum kompas menyimpang ke timur ( ke kanan ) karena di bawah kawat timbul medah magnet yang berarah ke timur ( ke arah kanan )
c. Gambar c, kawat berarus listrik ke utara ( ke atas ) dan kutub utara jarum kompas menyimpang ke barat ( ke kiri ) karena di bawah kawat timbul medan magnet yang arahnya ke barat ( ke arah kiri )

Pola garis gaya magnet di sekitar arus listrik.

Pada sebidang karton datar ditembuskan sepotong kawat tegak lurus, di atas karton ditaburkan serbuk besi  Jika kawat tersebut di aliri arus listrik maka serbuk besi di atas karton membentuk pola berupa lingkaran-lingkaran dengan kawat sebagai titik pusatnya.

Kesimpulan : Garis-garis gaya di sekitar arus listrik  berupa lingkaran-lingkaran yang berpusatkan pada arus tersebut.

Cara menentukan arah medan magnet

a. Kaidah tangan Kanan.
    Arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik dan arah putaran jari-jari yang lain menunjukkan arah       medan lsitrik induksi.
b. Kaidah skrup
    Arah maju-mundur skrup menenunjukkan arah arus listrik sedang arah putaran skrup menunjukkan     arah medan magnet induksi.

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.

        DB = k . I.Dℓ sinϴ/r²    

k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional   k = mo/4π  = 10^{-7 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.

Persamaan ini disebut hukum Ampere.

INDUKSI MAGNETIK

Induksi magnetik di sekitar arus lurus.

Besar induksi magnetik di titik P yang jaraknya a dari kawat sebanding dengan kuat arus dalam kawat dan berbanding terbalik dengan jarak titik ke kawat.

 .

B = Induksi magnetik (Wb/m²)

I  = kuat arus ( Ampere)
a= jarak titik terdekat dengan kawat ( meter)

Induksi Induksi magnetik di pusat arus lingkaran.

Titik A berjarak x dari pusat kawat melingkar besarnya induksi magnetik di P dirumuskan :

Induksi magnetik di pusat lingkaran.

Dalam hal ini r = a dan a = 90⁰

Besar induksi magnetik di pusat lingkaran.   

                                 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.

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 kaidah tangan kanan.

Besar induksi magnetik dalam solenoide.Jari-jari penampang solenoide a, banyaknya lilitan N dan panjang solenoide L. Banyaknya lilitan pada dx adalah :N/L dx atau n dx, n banyaknya lilitan tiap satuan panjang di titik P.

Bila L sangat besar dibandingkan dengan a, dan P berada di tengah-tengah maka a₁= 0⁰ dan a₂=180 ⁰

Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide :  

 Bila P tepat di ujung-ujung solenoide a₁= 0⁰ dan a₂ = 90⁰  , maka induksi magnet di titik P adalah :

Toroida
Sebuah solenoide yang dilengkungkan sehingga sumbunya membentuk lingkaran disebut Toroida.

Bila arus yang mengalir pada toroida I dan jumlah lilitan persatuan panjangnya n, maka induksi magnetik pada sumbu toroida.          

n dapat diganti dengan N/2πr

                              N=banyaknya lilitan dan r=jari-jari toroida.

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 bawah .

Gejala ini menunjukkan bahwa medan magnet mengerjakan gaya pada arus listrik yang disebut Gaya Lorentz. Vektor gaya Lorentz tegak lurus pada I dan B. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan. Bila arah jari-jari menunjukkan arah B ,ibu jari menunjukkan arah I , maka arah gaya lorentz keluar dari telapak tangan

Besar Gaya Lorentz

Besar gaya lorentz yang dialami oleh sebuah kawat berarus listrik yang berada dalam medan magnet adalah :

-sebanding dengan besar induksi magnetik B

-sebanding dengan kuat arus i

-sebanding dengan panjang kawat l

- sebanding dengan sinus sudut antara B dan i

       F_L = B i l sin ө

Gaya lorentz dua kawat sejajar berarus listrik
Dua kawat sejajar yang berarus listrik masing-masing akan mendapat gaya lorentz akibat adanya induksi magnetik pada masing-masing kawat.
Jika arah arus pada kedua kawat sama maka kedua kawat akan saling tarik menarik , sedangkan jika arah arus yang mengalir pada kedua kawat berlawanan arah maka kedua kawat akan sling tolak-menolak.
Besar gaya tarik atau gaya tolak kedua kawat persatuan panjang adalah :

Gaya lorentz pada muatan yang bergerak

Muatan yang bergerak di dalam medan magnet akan mendapat gaya lorentz.

Arah gaya lorentznya sesuai dengan kaidah tangan kanan.

Besar gaya lorentznya adalah :

        F_L = B q v sin ө