4. medan magnet dan gaya magnet
TRANSCRIPT
Afdal, Fisika Unand
Kemagnetan(Magnetism)
A Strangely Attractive Topic
Afdal, Fisika Unand
Basically, we knew the phenomenon existed and
we learned useful applications for it.
We did not understand it.
Afdal, Fisika Unand
Penggunaan magnet sehari-hari
Afdal, Fisika Unand
MOTOR
Afdal, Fisika Unand
Magnetic
Storage
Pita plastik pada kaset dilapisi dengan bubuk
magnet halus.
Arus menghasilkan medan magnet yang dapat berubah yang memagnetisasi bubuk.
Afdal, Fisika Unand
Generator / Dinamo
Afdal, Fisika Unand
Medan Magnet
dan Gaya Magnet
Afdal, Fisika Unand
Lodestone (Magnetite)
Afdal, Fisika Unand
Istilah magnet berasal dari nama kotak kuno yunani Magnesia, yang pada tempat
tersebut banyak ditemukan magnet alam. Magnet alam tersebut saat dikenal sebagai
lodestones (kadang dieja dengan loadstone; lode berarti to lead atau to attract) yang
mengandung magnetite, bahan magnet alam Fe3O4.
Orang China pada awal 121 AD mengetahui bahwa suatu batang besi bila didekatkan ke
magnet alam ini akan memperoleh sifat magnetik. Bila batang tersebut digantung pada
kawat maka akan mengarahkan dirinya sendiri ke arah utara-selatan.
Menggunakan magnet untuk membantu navigasi sekurang-kurangnya pada abad ke-11.
Afdal, Fisika Unand
Kompas Air
Beberapa bahan bersifat magnet, sifat
ini ditemukan oleh orang-orang China
dan digunakan untuk membuat
kompas lodestone pertama.
Afdal, Fisika Unand
Bahan Magnet
• Kebanyakan materi bukan magnet.
• Bahan magnet yang terbentuk secara alamiah disebut ferromagnetik.
• Bahan yang bersifat Ferromagnet antara lain– Iron (Besi)– Cobalt (Kobal)– Nickle (Nikel)
Afdal, Fisika Unand
(a)
Magnet memiliki dua kutub yang disebut kutub utara dan
kutub selatan
Exp. Pierre de Maricourt: memetakan arah jarum kompas yang diletakkan pada beberapa titik
dekat permukaan magnet
Afdal, Fisika Unand
Kutub Sejenis Saling Tolak
Kutub Magnet & Gaya Antar Magnet
N S S N
S
N
N
Afdal, Fisika Unand
N S N S
Kutub Tak-Sejenis Saling
Tarik
S
N
S
Afdal, Fisika Unand
N S N S
Kutub Magnet• Magnet adalah dua kutub (dipol)• Tidak ditemukan monopol (kutub
tunggal).• Bila suatu magnet dipotong menjadi
dua bagian maka akan diperoleh dua kutub untuk setiap potongan.
N S
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Tidak pernah ditemukan monopol (kutub tunggal) magnet
S N
Afdal, Fisika Unand
Bumi sebagai Magnet
Afdal, Fisika Unand
Kutub Utara Magnetik
Afdal, Fisika Unand
South
Afdal, Fisika Unand
Medan Magnet Bumi
• Inti bumi bukanlah bahan magnet. Jadi bagaimana bumi
memperoleh medan magnet?
• Medan magnet mengelilingi arus listrik, jadi arus listrik yang
bersirkulasi di dalam inti bumi yang berupa logam cair adalah
sumber medan magnet.
• Satu loop arus memberikan medan yang mirip dengan medan bumi.
Afdal, Fisika Unand
Kompas Magnet
Suatu potongan besi atau nikel dapat dimagnetisasi dengan
menggosok salah satu ujungnya dengan ujung magnet
permanen.
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Medan Magnet
Kuat dan arah medan disekitar suatu magnet digambarkan dengan garis berpanah yang disebut garis medan atau garis gaya magnet.
Garis medan adalah garis-garis imaginer yang mewakili arah dan kuat medan magnet.
Arah medan pada suatu titik dinyatakan oleh arah panah, sedangkan kuat medan dinyatakan oleh kerapatan garis medan pada titik tersebut.
Afdal, Fisika Unand
Arah garis medan disekitar magnet batang. (a) Ditunjukkan dengan susunan butiran pasir
besi dan arah jarum kompas. (b) Diagram skematis dari fenomena pada bagian (a).
(a) (b)
Afdal, Fisika Unand
Dari eksperimen diperoleh,
-Arah garis medan magnet masuk ke kutub selatan (S = south = selatan)
-Arah medan magnet keluar dari kutub utara (N = north = utara)
-Garis medan lebih rapat untuk daerah yang lebih dekat ke kutub magnet
Animasi
Afdal, Fisika Unand
Garis medan bila kutub utara suatu magnet berdekatan dengan
kutub selatan magnet lain.
Garis medan bila dua kutub utara dua buah magnet
berdekatan
Garis medan disekitar suatu magnet
tapal kuda
Afdal, Fisika Unand
Medan magnet digambarkan dengan anak panah. Kuat medan magnet dinyatakan oleh kerapatan
garis medan, sedangkan arah medan magnet dinyatakan oleh arah panah.
Khusus untuk medan yang berarah tegak lurus bidang gambar, maka medan magnet
digambarkan dengan tanda silang atau titik.
Medan magnet tegak lurus bidang
gambar arah ke dalam.
Medan magnet tegak lurus bidang
gambar arah ke luar.
Afdal, Fisika Unand
Gaya Magnet pada Benda
Bermuatan
Afdal, Fisika Unand
Suatu muatan yang bergerak dalam medan magnet akan dibelokkan.
Gaya Magnet pada Muatan Bergerak
Afdal, Fisika Unand
Gambar di samping menunjukkan suatu muatan (+q)
yang bergerak dalam medan magnet (B) yang berarah
tegak lurus ke dalam bidang gambar. Muatan tersebut
bergerak dengan kecepatan (v) arah vertikal ke atas.
Muatan tersebut mendapat gaya magnet atau gaya
lorentz (FB). Ditemukan bahwa arah gaya magnet
selalu tegak lurus B dan v. Gaya magnet berarah lurus
ke kiri sehingga muatan tertarik ke kiri sehingga
lintasannya sedikit membelok. Karena muatan terus
bergerak dan terus mendapat gaya, sehingga akhirnya
muatan membentuk lintasan melengkung.
Afdal, Fisika Unand
sinqvBFB
: Besar gaya magnet pada muatan q
q : besar muatan
: kelajuan muatan
: kuat medan tempat muatan berada
: sudut antara dan
Besar gaya magnet tersebut sebanding dengan q, B,
dan v, serta memenuhi hubungan:
BF qv B
BF
v
B
BF
v
B
vB
Afdal, Fisika Unand
Arah gaya magnet yang
dialami oleh suatu muatan
yang bergerak dalam medan
magnet cukup unik, dimana
arah FB selalu tegak lurus
arah v dan tegak lurus arah
B.
Afdal, Fisika Unand
Arahkan jari-jari tangan kanan ke
arah v, putar jari-jari tangan tersebut
menuju arah B, maka arah gaya (F)
adalah dalam arah ibu jari.
Beberapa cara yang membantu untuk menentukan arah gaya magnet pada muatan yang bergerak
dalam medan magnet.
Untuk semua cara gunakan tangan kanan!! ---> Aturan Tangan Kanan
Arah gaya ini adalah untuk muatan positif. Jika muatan
negatif, maka arah gaya adalah dalam arah berlawanan
dengan arah ibu jari (atau gunakan tangan kiri).
Afdal, Fisika Unand
Selain cara di atas dapat juga digunakan cara berikut,
Afdal, Fisika Unand
+
v
B
F
Aturan sekrup putar kanan:
Bila sekrup diputar dari v menuju B maka arah gerak
sekrup (maju atau mundur) adalah arah gaya pada
muatan q.
v
B
BvF
Afdal, Fisika Unand
Satun kuat medan magnet dalam SI adalah tesla ( T ),
yang juga disebut weber per meter kuadrat (Wb/m2
).
Satuan Kuat Medan Magnet
[B] = T = Wb/m2 = N/{C.(m/s)} = N/(A.m)
1 Tesla = 10.000 Gauss
Satuan yang lain adalah Gauss
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Contoh beberapa arah gaya magnet pada muatan dengan arah kecepatan dan medan magnet yang berbeda-beda.
F
x x x x x x
x x x x x x
x x x x x x
v
B
q
F = 0
v
B
q
®®®®®
®®®®®
v
B
q
F
´
v arah vertikal ke atas
B tegak lurus bidang arah ke dalam
F arah horizontal ke kiri
v arah vertikal ke atas
B horizontal ke kanan
F tegak lurus bidang arah ke
dalam
v sejajar dengan B
F = 0
Afdal, Fisika Unand
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
B
Suatu muatan (q) awalnya bergerak dalam arah vertikal ke atas di dalam medan magnet (B)
arah tegak lurus ke dalam bidang gambar. Muatan mendapat gaya magnet (F) yang
membelokkan lintasannya.
Afdal, Fisika Unand
Dalam medan magnet, muatan mendapat Gaya Lorentz :
Muatan yang bergerak melingkar juga mendapat percepatan sentripetal:
Gunakan Hukum II Newton:
F qvB
2va
R
Jari - jari lintasan muatan (R)
R
vmqvBmaF
2
qB
mvR
Afdal, Fisika Unand
Contoh
Suatu proton bergerak dengan kelajuan 3 x 104 m/s ke arah barat di dalam medan magnet 500 Gauss arah ke selatan. Tentukan besar dan arah gaya magnet pada proton? qproton = +e = 1.6 x 10
-19 C
v = 3 x 104 m/s, (ke Barat)
B = 500 Gauss * 1 Tesla/10.000 Gauss
= 0,05 T (ke Selatan)
Afdal, Fisika Unand
Besar gaya : Fmagnet = q v B sin()
Arah gaya : Aturan tangan kananBesar : F = (1.6 x 10-19 C)*(3 x 104 m/s)*(0,05 T) * sin(90o) =
2.4 x 10-16 Nt.
Arah: Ibu Jari = Tangan x Jari-Jari
= Barat x Selatan = Ke LuarPercepatan:a = F/m = 2.4 x 10-16 Nt / 1.67 x 10-27 kg = 1.44 x 1011
m/s2.
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Aplikasi yang melibatkan partikel yang bergerak dalam
medan magnet
1. Selektor Kecepatan (Velocity Selector)
Dalam eksperimen yang melibatkan
partikel yang bergerak, sangat
penting menjaga agar semua partikel
bergerak dengan kecepatan yang
sama. Hal ini dapat dicapai dengan
gabungan medan listrik dan medan
magnet seperti gambar di samping.
Lihat Animasi
Afdal, Fisika Unand
Medan listrik (E) berarah ke bawah, dan medan magnet seragam (B) di arahkan tegak
lurus medan listrik. Bila muatan positif (q) memasuki daerah ini maka akan mendapat
gaya magnet:
BF qv B
(berarah ke atas)
dan mendapat gaya listrik:
EF qE
(berarah ke bawah)
Afdal, Fisika Unand
Partikel akan bergerak dalam lintasan lurus bila gaya magnet sama besar
dengan gaya listrik (FB = FE).
qEqvB
Ev
B
Hanya partikel yang bergerak dengan kecepatan ini yang akan diteruskan.
Partikel yang bergerak dengan kecepatan lebih besar akan dibelokkan ke
atas, dan yang bergerak dengan kecepatan lebih rendah akan dibelokkan ke
bawah.
Afdal, Fisika Unand
2. Spektrometer Massa
Spektrometer massa memisahkan ion berdasrkan perbandingan massa terhadap muatan. Setrelah ion
melewati selektor kecepatan dan selanjutnya memasuki medan magnet seragam (Bo) yang memiliki arah
yang sama dengan arah medan magnet dalam selektor. Saat memasuki medan magnet kedua, ion bergerak
dalam lintasan setengah lingkaran sebelum mengenai plat fotografi.
o
mvR
qB oRBm
q v oRB Bm
q E
Afdal, Fisika Unand
3. Siklotron
Siklotron dapat mempercepat partikel
bermuatan kecepatan sangat tinggi. Partikel
bernergi tinggi ini digunakan untuk
menembaki inti atom sehingga menghasilkan
reaksi nuklir. {untuk membuat bahan
radioaktif untuk diagnosa dan perawatan, bom
nuklir, dll}
Afdal, Fisika Unand
Pemercepat Partikel (Particle Accelerator)
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Fluks Magnet (Jumlah Garis Gaya = Φ)
Bila suatu loop seluas A berada dalam medan magnet B,
maka fluks magnet atau rapat garis gaya (Φ) yang
melewati loop didefenisikan sebagai
cosBA
dimana adalah sudut antara B dan A.
Afdal, Fisika Unand
Fluks magnet pada suatu bidang yang yang terletak dalam suatu medan magnet. (a) Fluks yang
menembus bidang adalah nol bila medan magnet sejajar dengan permukaan bidang. (b) Fluks yang
menembus bidang maksimum bila medan magnet tegak lurus pada bidang.
Afdal, Fisika Unand
Gaya Magnet pada Kawat Berarus
Afdal, Fisika Unand
Sebelumnya sudah dilihat bahwa muatan yang bergerak dalam medan magnet akan
mendapat gaya Lorentz. Maka tidaklah mengherankan kawat berarus juga akan mendapat
gaya bila berada dalam medan magnet, karena arus dalam kawat sebenarnya adalah
muatan yang bergerak.
Afdal, Fisika Unand
(a)Suatu kawat digantung diantara kutub-kutub magnet.
(b) Penampang dari kutub selatan magnet dari bagian (a), bila tidak ada arus, kawat
tetap lurus vertikal.
Afdal, Fisika Unand
(c) Bila arus berarah ke atas, kawat terdorong ke kiri.
(d) Bila arus berarah ke bawah, kawat terdorong ke kanan.
Bagaimana hal ini
dapat terjadi?
Afdal, Fisika Unand
Lihat Animasi
Lihat Animasi
Afdal, Fisika Unand
Perhatikan suatu segmen kawat lurus sepanjang L dan luas penampang A, membawa arus I
dalam medan magnet luar yang seragam (B) yang tegak lurus pada arah aliran muatan seperti
gambar di bawah. Besar gaya magnet pada muatan q yang begerak dengan kecepatan alir vd
adalah
Untuk mencari gaya total pada kawat, kalikan gaya F
dengan jumlah muatan yang ada dalam segmen. Karena
volume segmen adalah AL, maka jumlah muatan dalam
segmen adalah nAL, dimana n adalah jumlah muatan per
satuan volume. Sehingga, gaya magnet total pada kawat
sepanjang L adalah
F = (qvdB)nAL
F = qvdB
Afdal, Fisika Unand
Bila kawat tidak tegak lurus terhadap medan magnet, tetapi membentuk suatu sudut ()
tertentu, maka besar gaya magnet pada kawat adalah
F = IBL sin
sedangkan nqvdA adalah kuat arus (I) , dan F dapat dinyatakan sebagai
F = IBL
F LI B
Afdal, Fisika Unand
Sedangkan arah gaya magnet ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan, seperti yang
digunakan untuk menentukan gaya magnet pada muatan yang bergerak dalam medan magnet. Tetapi disini
arah kecepatan muatan (v) digantikan dengan arah arus (I).
Afdal, Fisika Unand
FL
Dengan menggunakan aturan tangan kanan, dimana I arah vertikal ke atas, B arah tegak lurus ke dalam
bidang gambar, maka gaya pada kawat akan berarah horizontal ke kiri.
i
B
FL
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Gaya Magnet pada Loop Berarus
Bila suatu loop kawat tertutup yang terhubung dengan sumber arus diletakkan dalam medan
magnet, maka loop tersebut akan mendapat torsi dan berputar pada sumbunya.
Afdal, Fisika Unand
Gambar di atas adalah suatu loop arus persegi panjang dalam medan magnet (B) dilihat dari atas. Medan B berarah
horizontal ke kanan. Pada loop mengalir arus (I) seperti dalam gambar.
Pada segmen (1) dan (3) tidak ada gaya yang bekerja karena segmen ini sejajar dengan B.
Bagaimana ini bisa terjadi?
Sama halnya dengan kawat berarus, maka loop berarus juga akan mendapat gaya jika berada dalam medan
magnet. Karena pada dasarnya, loop adalah kawat yang ujung-ujungnya bertemu pada suatu titik.
Afdal, Fisika Unand
Tetapi segmen (2) dan (4) bekerja gaya magnet yang besarnya,
F2 = F4 = I a B
Arah dari F2 (gaya pada kawat 2) adalah ke atas, dan arah gaya F4 (gaya pada kawat 4) adalah ke bawah.
Kedua gaya ini berlawanan arah tetapi tidak bekerja dalam garis aksi yang sama. Kedua gaya ini
menghasilkan torsi terhadap O yang menyebabkan loop berotasi searah putaran jarum jam. Besar dari torsi ini
adalah
2 42 2 2 2maks
b b b bF F IaB IaB IabB
maks IAB
dimana A = ab adalah luas loop
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Afdal, Fisika Unand
Loop Berarus dalam medan magnet Rotasi
Ini adalah prinsip dasar dari kerja motor listrik
Afdal, Fisika Unand
Lihat Animasi
Lihat Animasi
Afdal, Fisika Unand
Motor Listrik:
alat yang dapat mengubah
energi listrik menjadi energi
mekanik (gerak).
Contoh penerapan:
Kipas angin, mobil-mobilan
listrik, alat ukur listrik.
Afdal, Fisika Unand
Electric Motor
Afdal, Fisika Unand
Electric Motor
Afdal, Fisika Unand
Galvanometer
Galvanometer menggunakan prinsip
motor listrik.