Magnet Bumi
Bumi mempunyai medan magnet, hal ini dapat diketahui dari arah yang ditunjuk jarum kompas. Jarum kompas adalah magnet, orientasinya akan dipengaruhi medan magnet di tempatnya berada. Jarum kompas akan selalu menunjuk ke kutub magnet Bumi, kutub utara kompas akan menunjuk ke kutub Selatan magnet Bumi, yang berada di dekat kutub Utara geografis, sedangkan kutub selatan kompas akan menunjuk ke kutub Utara magnet Bumi yang berada di dekat Kutub Selatan geografis.
Letak kutub-kutub magnet Bumi tidak sama dengan kutub Bumi, tapi letak keduanya relatif dekat. Titik kutub magnet Bumi juga tidak selalu tetap, tapi bisa bergeser setiap tahun. Apa yang menyebabkan Bumi mempunyai medan magnet sedangkan Bulan tidak? Diduga, medan magnet Bumi terjadi karena adanya pusaran logam cair di dalam perut Bumi. Sebagaimana kita ketahui perut Bumi adalah tempat yang sangat panas, sehingga logam pun dapat meleleh. Dalam bentuk cair, karena rotasi Bumi, logam cair itu menjadi berpusar.
Medan magnet Bumi, meskipun tidak terlalu kuat, rata-rata hanya sekitar 0,5 gauss, mempunyai peran penting sebagai pelindung Bumi dari hantaman partikel bermuatan dari langit. Partikel bermuatan itu bisa berasal dari Matahari, bintang-bintang lain, supernova atau pusat galaksi.
Materi : Gejala kemagnetan Kelas XII
Kompetensi Dasar :
XII.3.4 Menganalisis induksi magnet dan gaya magnetik pada berbagai produk teknologi
XII.4.4 Melaksanakan pengamatan induksi magnet dan gaya magnetik di sekitar kawat berarus listrik
126 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA
Gambar 10.1 Pola medan magnet Bumi
Partikel bermuatan berkecepatan tinggi itu, yang kebanyakan berupa proton dapat menumbuk inti atom yang berada di dalam partikel atmosfir seperti oksigen, nitrogen dan lain-lain. Tumbukan berkecepatan tinggi itu dapat membuat inti atom pecah menghasilkan partikel-partikel lain yang lebih elementer namun berusia sangat pendek. Partikel-partikel tersebut terdeteksi di Bumi dalam bentuk pancaran sinar kosmik. Jika partikel bermuatan dari langit itu langsung mengenai manusia, kesehatan manusia dan mahluk hidup akan terganggu bahkan menyebabkan kematian. Sulit dibayangkan apakah akan ada mahluk hidup di Bumi apabila tidak ada medan magnet.
Gerak Partikel Angin Matahari dalam Medan Magnet Bumi Angin Matahari yang memasuki medan magnet Bumi akan mengalami gaya Lorentz karena angin Matahari itu terdiri dari partikel-partikel bermuatan seperti elektron dan proton. Ilustrasi dasar gaya Lorentz itu dapat dilihat pada mekanisme siklotron seperti pada gambar di bawah ini. Jika sebuah partikel bermuatan positif, misalnya proton masuk ke dalam medan magnet B yang ditimbulkan oleh dua buah logam magnetik, maka partikel itu akan mengalami gaya Lorentz :
MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA 127
Gambar 10.2 Partikel bermuatan yang masuk ke dalam medan magnet akan
mendapat gaya Lorentz
B
v
Fq
(10.1)Dengan
q adalah muatan yang masuk,
v adalah kecepatan partikel bermuatan ketika berinteraksi dengan medan magnet,
B adalah kuat medan magnet
F adalah gaya yang dialami partikel bermuatan, arahnya tegak lurus terhadap arah v dan juga terhadap arah B.
Pada gambar diatas, medan magnet di dalam ruang antara kedua tablet magnet itu ke bawah, arah datang proton dari kanan ke kiri, maka gaya Lorentz yang dihasilkan adalah ke tegak lurus B dan tegak lurus v ke arah pengamat. Jika arah datang partikel bermuatan tepat tegak lurus terhadap garis gaya magnet yang uniform, maka lintasan partikel dapat menjadi berbentuk lingkaran. Besarnya radius lintasan partikel itu adalah:
qB
mv
R
(10.2) Jika arah datang partikel bermuatan itu sejajar dengan medan magnet, maka, menurut rumus gaya Lorentz diatas,gaya yang dialami partikel itu nol, atau tidak mengalami gaya Lorentz. Akan tetapi jika arah datang partikel tidak tepat tegak lurus terhadap garis gaya magnet, kita perlu menguraikan komponen kecepatan menjadi dua yaitu yang tegak lurus
128 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA terhadap medan magnet dan yang sejajar medan magnet. Jika arah kecepatan v membentuk sudut sebesar α terhadap medan magnet B, maka komponen v yang tegak lurus terhadap B adalah v sinα sedangkan yang sejajar dengan B adalah v cosα.
Gambar 10.3 vektor kecepatan v diuraikan menjadi komponen yang sejajar dengan B dan tegak lurus B. Hasil perkalian silangnya adalah vektor F yang tegak lurus
terhadap v dan B dan arahnya keluar dari bidang gambar menuju pengamat. Komponen v yang tegak lurus terhadap B, akan cenderung membuat partikel berputar dalam lintasan lingkaran, sementara komponen v yang sejajar dengan B akan membuat partikel bergerak lurus mengikuti garis gaya magnet B. Resultan dari dua macam gerak itu akan membuat partikel bergerak dalam lintasan helix.
Gambar 10.4 Lintasan helix partikel dalam medan magnet. Arah medan magnet B
adalah arah z. Vektor kecepatan tidak tepat tegak lurus terhadap medan magnet, melainkan ada komponen yang sejajar z. Arah perpindahannya partikel adalah arah
MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA 129 Jika ditinjau perpindahannya saja, maka partikel akan berpindah mengikuti garis gaya magnet. Itu yang dapat terjadi pada partikel bermuatan pada angin Matahari yang masuk ke dalam medan magnet Bumi. Jika ditinjau secara global, resultan lintasan partikel bermuatan dari Matahari akan mengikuti garis gaya magnet Bumi ke arah kutub. Karena di kutub medan magnet lebih kuat maka semakin ke kutub jejari lintasan helix semakin kecil, frekuensi gerak helix semakin tinggi. Semakin mendekat ke Kutub semakin mendekat ke permukaan Bumi, semakin tinggi kerapatan atmosfir yang dilalui partikel bermuatan itu dan semakin besar probabilitas untuk terjadinya tumbukan antara partikel bermuatan itu dengan partikel atmosfir.
Sebaliknya, angin Matahari pun menyebabkan medan magnet karena angin Matahari terdiri dari partikel-partikel bermuatan yang bergerak sehingga dapat dipandang sebagai arus listrik dan arus listrik menghasilkan medan magnet. Karena pengaruh magnet yang dibawa angin Matahari, medan magnet Bumi pun terdistorsi, memanjang menjauhi Matahari.
Gambar 10.5 Lintasan partikel bermuatan dai Matahari yang masuk ke dalam
medan magnet Bumi bergerak dalam lintasan helix mengikuti garis gaya magnet Bumi kearah kutub magnet Bumi.
130 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA
Gambar 10.6 Angin Matahari yang terdiri dari partikel bermuatan mendistorsi
medan magnet Bumi menjadi memanjang searah dengan arah angin Matahari. Sumber :
http://stargazers.gsfc.nasa.gov/images/geospace_images/magnet_in_space/Plasma _fountain.jpg
Contoh soal
Sebuah proton masuk ke daerah khatulistiwa Bumi. Pada saat ketinggiannya 20 km dari permukaan Bumi, kecepatan proton itu 0,5 kali kecepatan cahaya dengan arah tegak lurus terhadap permukaan Bumi diatas khatulistiwa Bumi. Apakah proton itu dapat mencapai permukaan Bumi jika tidak menumbuk partikel lain?
Diketahui massa proton : 1,6726 × 10-27 kg, muatan proton : 1,6 × 10-19
Coulomb dan medan magnet Bumi 0,6 gauss. Jawab:
Karena medan magnet Bumi, gerak proton akan mendapat gaya ke arah Timur sehingga lintasannya akan melengkung dengan jejari :
Dengan memasukkan angka-angka diatas diperoleh R ≈ 26 km. Karena ketinggiannya lebih kecil dari R maka proton itu akan sampai ke permukaan Bumi meski pun membelok.
MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA 131 Aurora
Pada saat partikel bermuatan angin Matahari menumbuk partikel atmosfir Bumi, terjadi eksitasi atau ionisasi pada molekul atau atom di atmosfir, kemudian dapat terjadi pelepasan gelombang elektromagnetik pada saat elektron yang tereksitasi kembali ke tingkat energi yang lebih rendah atau terjadi rekombinasi pada unsur yang terionisasi. Karena unsur terbanyak di atmosfir adalah oksigen dan nitrogen, maka tumbukan dengan kedua jenis unsur itulah yang paling sering sehingga menghasilkan warna khas yang dipancarkan oleh proses deeksitasi elektron-elektron kedua unsur itu. Karena kerapatan partikel angin matahari semakin tinggi saat mendekati kutub, maka probabilitas tumbukan semakin besar ketika semakin dekat dengan permukaan Bumi sehingga cahaya Aurora yang relatif dekat dengan permukaan Bumi yang bisa nampak dengan mata telanjang. Pada lokasi yang lebih tinggi, tumbukan yang terjadi relatif sedikit karena rendahnya kerapatan atmosfir sehingga cahaya yang dipancarkan tidak cukup terang untuk ditangkap oleh mata.
Pada lokasi yang terlalu dekat dengan permukaan Bumi, sisa partikel sinar kosmik yang dapat mengeksitasi atau mengionisasi partikel atmosfir praktis sudah habis diserap di tempat yang lebih tinggi, sehingga tidak ada lagi yang dapat menyebabkan eksitasi atau ionisasi, dan di tempat yang dekat sekali dengan permukaan Bumi tidak ada lagi cahaya aurora yang terpancar. Rata-rata ketinggian Aurora yang dapat dilihat dengan mata telanjang adalah 80 km dari permukaan Bumi.
Gambar 10.7 Cahaya aurora apabila dilihat dari angkasa luar, membentuk
lingkaran yang mengelilingi kutub magnet Bumi. Sumber:
132 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA
Gambar 10.8 Cahaya Aurora yang dilihat dari Bumi di wilayah yang dekat dengan
lingkaran kutub. Sumber : http://apod.nasa.gov/apod/ap071009.html Foto diambil oleh Bud Kuenzli, [email protected], dipublikasikan di APOD tgl 9 Okt 2007.
Magnet Matahari
Matahari mempunyai medan magnet, karena banyaknya arus partikel bermuatan disana. Struktur medan magnet Matahari tidak sederhana dan juga selalu berubah-ubah. Di tempat tertentu kadang-kadang terbentuk medan magnet yang lebih kuat dibandingkan dengan daerah lain. Kekuatan medan magnet yang terkonsentrasi di suatu daerah dapat membuat daerah tersebut bertemperatur lebih rendah sehingga nampak lebih gelap.
Daerah itu disebut bintik Matahari (sunspot). Di dalam bintik Matahari temperatur berkisar 4500 K, tapi bisa juga lebih rendah dari itu. Temperatur ini lebih rendah dibandingkan dengan temperatur rata-rata permukaan Matahari yaitu sekitar 5800 K. Kuat medan magnet di dalam sunspot adalah sekitar 2000 hingga 4000 gauss, jauh lebih tinggi dibandingkan dengan di luar bintik yang rata-rata hanya sekitar satu gauss. Banyaknya bintik Matahari di permukaan Matahari berubah-ubah. Dalam jangka panjang, ada suatu keteraturan dalam penampakan bintik Matahari yaitu banyaknya bintik meningkat dan menurun dengan secara cukup teratur periode sekitar 11 tahun. Periode perubahan aktivitas Matahari ini disebut siklus Matahari. Pada saat banyak bintik di permukaan Matahari aktivitas Matahari meningkat dan kita akan dapat mengamati lebih banyak terjadi flare, lontaran massa korona, prominensa dan aktivitas lain.
Flare adalah ledakan dahsyat di permukaan Matahari. Daerah yang mengalami flare akan nampak jauh lebih terang daripada sekitarnya karena temperaturnya sangat tinggi. Kejadiannya dapat dibandingkan dengan terjadinya halilintar di Bumi, tapi dalam skala yang jauh lebih
MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA 133 besar. Flare ini terjadi karena hubungan pendek (rekoneksi) medan magnet yang berlawanan polaritasnya.
Prominensa adalah jilatan lidah api yang menjulang tinggi keluar dari permukaan Matahari. Biasanya dasar dari prominensa ini di permukaan Matahari adalah bintik Matahari yang berpasangan dan beda polaritas. Materi bermuatan mengalir dari satu bintik ke bintik pasangannya dengan mengikuti garis gaya magnet yang menghubungkan keduanya. Selama mengalir mengikuti garis gaya magnet itu materi berpendar karena panasnya sehingga dapat terlihat dengan jelas dari Bumi dengan menggunakan teropong matahari yang dilengkapi dengan filter Hα.
Gambar 10.9 Pola Medan Magnet Matahari, garis-garis gaya pada gambar adalah
dibuat untuk memberikan gambaran tentang keadaan garis gaya disana. Sumber: http://spacefellowship.com/wpcontent/uploads/2010/08/sunmaglines.jpg Gambar 10.9 adalah citra Matahari dengan gambaran garis gaya magnet di sekitarnya. Nampak bahwa medan magnet di atmosfir matahari ternyata tidak sederhana bentuknya, hal ini karena matahari terdiri dari gas panas bermuatan yang terus bergerak mengalir, sehingga disana-sini terjadi
134 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA pusaran. Pusaran-pusaran itu akan mengakumulasikan medan magnet. Semakin kuat medan magnet, tekanan magnetik semakin tinggi, membuat probabilitas terjadinya rekoneksi magnetik (flare) juga semakin tinggi.
Bintang Neutron
Bintang neutron adalah bintang yang komponen dasarnya adalah neutron, diameternya berkisar 10 - 15 km, sementara massanya lebih besar dari massa Matahari. Dapat dibayangkan bahwa bintang neutron merupakan kumpulan neutron yang berdesak-desakan seperti proton dan neutron di dalam inti atom, berbeda dengan atom yang sebagian besar isinya merupakan ruang kosong. Maka dapat dimengerti bahwa kerapatan bintang neutron sangat tinggi, ratusan juta ton per cm3.
Bintang neutron dihasilkan dari peristiwa runtuh gravitasi inti bintang. Runtuh gravitasi ini disebabkan tekanan gas atau tekanan elektron tidak mampu menahan pengerutan bintang karena gaya gravitasi dirinya, sehingga bintang mengerut dengan cepat. Peristiwa runtuh gravitasi bisa terjadi melalui dua cara, yaitu pada bintang bermassa besar yang mengalami ledakan supernova di akhir riwayatnya atau bintang katai putih yang menyedot massa dari bintang pasangannya sehingga massanya melebihi batas Chandrasekar dan tekanan gas dan elektron tidak mampu melawan tarikan gravitasi.
Bintang neutron mula-mula terdeteksi sebagai sumber pulsa gelombang radio yang sangat teratur dan kuat, oleh karena itu ketika ditemukan disebut Pulsars (pulsating radio sources).Pulsa-pulsa itu mula-mula ditemukan oleh Jocelyn Bell pada tahun 1967 melalui pengamatan menggunakan teropong radio. Penemuan pulsar itu kemudian membuat pembimbing Jocelyn Bell, yaitu Antony Hewish memenangkan hadiah nobel pada tahun 1974 karena berhasil menunjukkan bahwa sumber pulsa-pulsa itu adalah bintang neutron, sekaligus membuktikan keberadaan bintang neutron secara observasi.
Bagaimana pulsa-pulsa gelombang radio itu dapat terjadi? Perhatikan ilustrasi bintang neutron pada gambar 10.10. Sumbu magnet bintang neutron tidak sama dengan sumbu rotasinya, sehingga arah kutub magnet berubah secara periodik sesuai dengan periode rotasinya. Kalau kebetulan dalam rotasinya arah kutub magnet menyapu arah ke Bumi, saat kutub magnet bintang neutron tepat mengarah ke Bumi terjadi lonjakan sinyal radio. Lonjakan sinyal radio itu yang terdeteksi sebagai pulsa oleh teropong radio.
MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA 135
Gambar 10.10 Pola garis gaya magnet bintang neutron atau pulsar, sumbu rotasi
bisa saja tidak berimpit dengan sumbu magnetik.
Bagaimana menghadapnya kutub magnet pulsar ke Bumi bisa menghasilkan lonjakan gelombang radio? Mari kita tinjau salah satu ilustrasi berikut. Seandainya kita dapat memasang sebuah batang magnet yang dihubungkan dengan sebuah pemutar sehingga kutub-kutub batang magnet itu dapat berputar dengan kecepatan anguler konstan. Pada bidang putar ditempatkan sebuah kawat berbentuk lingkaran atau solenoida yang sumbunya berimpit dengan garis hubung magnet dan pusat lingkaran. Pada saat salah satu kutub menyapu lingkaran kawat, pada bidang yang dilingkupi lingkaran kawat itu terjadi perubahan fluks magnet. Fluks magnet paling rapat pada saat sumbu magnet berimpit dengan sumbu lingkaran. Saat itu juga terjadi perubahan fluks magnet yang terbesar.
Gambar 10.11 Pulsa arus dapat terjadi pada kawat apabila magnet di dekatnya
136 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA Menurut hukum Faraday perubahan fluks magnet di bidang lingkaran akan menghasilkan arus listrik disepanjang kawat. Tegangan yang dihasilkan disebut GGL induksi :
dt
d
N
(10.3) Saat kutub magnet menyapu kawat saat itulah terjadi pulsa tegangan. Analogi dengan peristiwa itu, saat kutub magnet pulsar menghadap Bumi, dideteksi pulsa gelombang radio oleh teropong radio. Dibandingkan dengan kekuatan magnet batang, tentu kekuatan magnet bintang neutron jauh lebih besar. Medan magnet di permukaan bintang neutron rata-rata sekitar 9 x 1013 gauss. Bintang neutron yang medan magnetnya jauh lebih kuat dari rata-rata disebut magnetar. Kuat medan magnet magnetar dapat mencapai 2 x 1015 gauss!Akan tetapi nampaknya pulsa yang dapat terjadi seperti mekanisme diatas terlalu kecil, karena jarak pulsar yang sangat jauh. Para astronom lebih mempercayai terjadinya pancaran gelombang radio di sekitar kutub berasal dari pusaran elektron di sekitar kutub magnet bintang neutron.
Medan Magnet Galaksi
Dari pengamatan materi antar bintang diketahui bahwa di dalam ruang antar bintang yang nyaris hampa itu ternyata ada medan magnet. Medan magnet ini mempengaruhi perilaku materi antar bintang yang dilalui cahaya, sehingga ketika cahaya itu ditangkap oleh detector di Bumi, tanda-tanda pengaruh medan magnet tertangkap juga. Medan magnet menyebabkan bulir debu materi antar bintang yang tidak simetri bola menjadi mempunyai kecenderungan orientasi tertentu. Akibatnya cahaya bintang yang dihamburkan cenderung mempunyai polarisasi kearah tertentu.
Dengan mempelajari polarisasi cahaya bintang yang disebabkan materi antar bintang dari berbagai penjuru galaksi, dapat dipelajari struktur medan magnet galaksi. Besarnya medan magnet ini jauh lebih kecil dibanding medan magnet Bumi, akan tetapi cukup berpengaruh terhadap gerak materi antar bintang, sinar kosmik galaksi dan lain-lain. Karena gerak partikel dipengaruhi medan magnet, dalam skala besar, struktur galaksi juga akan terpengaruh, misalnya dalam pembentukan lengan spiral, pembentukan batang, kelengkungan bidang galaksi dan lain-lain.
MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA 137 Medan magnet galaksi yang lemah memang hanya membelokkan partikel sinar kosmik dengan sudut yang sangat kecil. Akan tetapi karena skala jarak yang begitu besar, satu kali pembelokan yang kurang dari satu detik busur pun dapat menyebabkan penyimpangan lintasan jauh lebih besar dari ukuran tata surya. Oleh karena itu jika sepanjang lintasannya sinar kosmik galaksi selalu dipengaruhi oleh medan magnet yang lemah, tentu pembelokan totalnya menjadi signfikan.
Soal-soal
1. (OSP 2004) Bintik Matahari berwarna gelap disebabkan oleh ……… a. planet dan asteroid melintas Matahari
b. medan magnetik kuat c. aliran gas ke atas d. awan di Matahari
e. reaksi nuklir di dalam Matahari
2. (OSKK 2007) Partikel angin Matahari dapat ditangkap oleh Magnetosfer Bumi. Ketika partikel-partikel ini bergerak secara spiral di sepanjang medan magnet, akan menghasilkan peristiwa ...
a. Efek rumah kaca
b. Tropical storms (daerah dimana udara berotasi dengan cepat) c. Warna kemerah-merahan yang sering kita lihat ketika Matahari
terbenam
d. Aurora (cahaya di arah utara dan selatan)
e. Kualitas program di televisi di belahan Bumi utara menjadi terganggu
3. (OSP 2013) Sebuah proton datang dari angkasa luar ke arah khatulistiwa Bumi. Arah gerak proton tegak lurus terhadap permukaan Bumi. Proton akan dibelokkan oleh gaya Lorentz yang disebabkan oleh medan magnet Bumi. Apakah proton itu dapat mencapai permukaan Bumi jika tidak bertumbukan dengan partikel lain di udara?
a. Dapat jika kecepatannya sangat tinggi melebihi kecepatan cahaya.
138 MEDAN MAGNET BENDA ANGKASA b. Dapat jika kecepatannya sangat tinggi melebihi kecepatan
suara.
c. Dapat jika kecepatannya sangat tinggi sehingga jejari pembelokannya sangat besar sehingga lintasannya memotong permukaan Bumi.
d. Dapat jika kecepatannya sangat tinggi, sehingga perisai magnetik Bumi dapat ditembus oleh proton itu.
e. Tidak dapat karena gaya Lorentz akan membelokkan proton ke arah Timur sebelum proton mencapai tanah.
4. Jika ada suatu elektron yang karena fenomena angin Matahari dilontarkan dari Matahari ke arah Bumi, lintasannya tepat tegak lurus terhadap permukaan Bumi diatas provinsi Riau. Bagaimana lintasan elektron itu ketika masuk ke magnetosfir bumi ?
a. terus lurus menuju permukaan Bumi hingga sampai permukaan Bumi
b. dibelokkan ke arah Barat
c. dipantulkan oleh mangnetosfir sehingga berbalik ke arah Matahari d. dibelokkan ke arah Timur
139