A. TUJUAN
1. Mengukur medan magnet dari sebuah solenoid dan membandingkan hasil pengukuran dengan perhitungan teoritis.
2. Mengukur frekuensi arus listrik PLN dengan eksperimen Melde.
B. ALAT DAN BAHAN
I. Pengukuran Medan Magnet dari Solenoid 1. Satu buah solenoide
2. Sebuah catu daya yang tegangan keluarnya dapat divariasikan sebagai sumber gaya gerak listrik (ggl).
3. Sebuah AVOmeter. 4. Seperangkat teslameter. 5. Penggaris.
II. Pengukuran frekuensi dari arus listrik PLN
1. Seperangkat papan eksperimen Melde yang terdiri dari: a. Sebuah kawat listrik halus
b. Sebuah penjepit kawat listrik c. Sebuah katrol
d. Sebuah batang magnet U. 2. Neraca dan sejumlah anak neraca
3. Catu daya yang dilengkapi transformator step-down untuk penurun tegangan PLN 4. Seperangkat kabel-kabel penghubung
5. Penggaris
C. DASAR TEORI 1. Medan Magnet
Kekuatan medan magnet bergantung pada kuat arus yang mengalir dan posisi titik pengukuran. Pada titik P misalnya, kekuatan medan magnet diberikan oleh turunan dari hukum Biot-Savart,
|
⃗Bp|
= µ04π
2I
r (1)
dengan arah mengikuti kaidah tangan kanan. Faktor µ0 adalah konstanta permeabilitas ruang vakum. Nilai µ0/4π sendiri adalah 10-7 N/A2. Satuan kekuatan medan magnet adalah tesla (SI) dan gauss (cgs) (1 tesla=104 gauss).
Jika kawat lurus tadi dibengkokkan sehingga menjadi lingkaran (loop) dengan jari-jari r, seperti pada Gambar 2, kekuatan medan magnet di pusat dapat dihitung dari
|
⃗Bp|
= µ04π
2πI
r (2)
Jika kawat melingkar berarusnya terdiri dari N buah lingkaran, maka kekuatan medan magnet di titik pusat adalah N kali Persamaan (2).
Pada kawat melingkar, kaidah tangan kanan diubah. Pada kasus ini ibu jari adalah arah medan magnet dan empat jari adalah arah arus listrik (lihat Gambar 2).
2. Solenoid
Medan magnet yang dibangkitkan solenoid terkontrasi dan seragam di tengah-tengah solenoid. Kekuatan medan magnetnya, |Bs|, diberikan oleh
|
⃗Bs|
=N µ0 praktiknya, terlalu rumit untuk mengetahui jumlah lilitan solenoid. Oleh sebab itu, digunakan besaran kerapatan lilitan ρ, yaitu jumlah lilitan setiap satuan panjang, menjadi setengah dari kekuatan di tengah-tengahnya, yaitu|
⃗B|
= µ04π
2πρI (5)
Medan magnet solenoid dapat diperkuat dengan cara menambahkan inti besi ke dalam solenoid. Konfigurasi inti besi yang dililit oleh solenoid adalah dasar magnet-listrik-listrik atau elektromagnet.
3. Pengukuran kekuatan medan magnet
Untuk mengukur kekuatan magnet, salah satu detector yang digunakan adalah magnetometer, teslameter, atau gaussmeter seperti pada Gambar 5. Prinsip kerja magnetometer pada umumnya berdasarkan efek Hall. Efek Hall adalah sebuah fenomena ketika sebuah pelat tipis yang dialiri arus dilewati oleh garis-garis medan magnet secara tegak lurus, maka beda potensial VH terbangkitkan antara dua sisi yang tegak lurus terhadap arah arus seperti diilustrasikan oleh Gambar 6. Oleh karena itu, dalam pengukuran kekuatan medan magnet, teslameter harus diposisikan sedemikian rupa sehingga tegak lurus terhadap garis-garis medan magnet.
4. Gaya magnet
Jika arus listrik dalam sebuah kawat membangkitkan medan magnet, maka arus listrik pada kawat yang lain akan merasakan medan magnet tersebut sebagai sebuah gaya. Eksperimen menunjukkan jika arus pada kedua kawat searah, maka kawat kedua akan tertarik oleh kawat pertama, begitu juga sebaliknya, seperti diilustrasikan oleh Gambar 7. Jika arus pada kedua kawat berlawanan arah, maka kawat kedua terdorong oleh kawat pertama, begitu juga sebaliknya, seperti diilustrasikan oleh Gambar 8.
Gaya yang bekerja pada kawat I2 karena medan magnet yang dibangkitkan oleh kawat I1 disebut gaya magnet. Medan magnet |B1| dibangkitkan oleh kawat I1 sepanjang ΔL1, gaya magnet yang dirasakan oleh kawat I2 juga sepanjang ΔL2. Besar dan arah gaya magnet yang dirasakan oleh kawat I2 karena kawat I1 tersebut diberikan oleh
dengan besar dan arah |B1| dapat dihitung dari Persamaan (1). Persamaan (6) ini disebut juga gaya Lorentz.
Perhatikan bahwa Persamaan (6) adalah perkalian silang dari dua buah vektor: ΔL
dan B. Arah vector ΔL adalah sama dengan arah arus yang mengalir pada kawat tersebut, sedangkan arah vector B ditentukan oleh kaidah tangan kanan (lihat Gambar 1). Perkalian silang dua buah vector menghasilkan vector dengan arah selalu tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh vector-vektor pengalinya, dalam hal ini arah vector F tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk vector ΔL dan B. Kaidah tangan kanan dapat dipakai lagi di sini, seperti diperagakan oleh Gambar 8.
5. Eksperimen Melde
Pembangkit medan magnet dapat digantikan dengan sepasang magnet batang yang mengapit seutas kawat dengan kutub utara-selatan masing-masing magnet saling berhadapan. Sepasang magnet batang dapat digantikan dengan sebuah magnet U. Gelombang akan teramati ketika kawat dialiri arus AC.
Fenomena yang dibahas pada dua paragraph di atas adalah mimic dari eksperimen yang dilakukan oleh Franz Melde (Fisikawan Jerman) pada pertengahan Abad ke-19 atau lebih dikenal sebagai eksperimen Melde. Melde menyebutkan bahwa gelombang yang terbentuk adalah gelombang berdiri (standing wave).
Eksperimen Melde orisinalnya adalah untuk menciptakan gelombang berdiri dari arus listrik dan memperlihatkan fenomena interferensi gelombang. James Clark Maxwell pada akhir abad ke-19, menunjukkan secara matematis bahwa medan yang dibangkitkan oleh arus listrik itu sendiri adalah gelombang, yang disebut gelombang elektromagnetik.
6. Gelombang mekanik dan frekuensi listrik
Gelombang yang membutuhkan media untuk merambat disebut gelombang mekanik. Kelajuan rambat gelombang mekanik ditentukan oleh mediumnya, pada kasus gelombang satu dimensi seperti pada kawat, diberikan oleh
V =
√
Tρ (7)dengan T adalah tegangan tali (SI: newton) dan ρ adalah masa jenis kawat (SI: kg/m).
Panjang gelombang sendiri dapat langsung dihitung dari pengamatan, yaitu
λ = Ln (8)
dengan L adalah panjang kawat yang dilewati gelombang dan n adalah jumlah siklus gelombang yang ada di sepanjang kawat. Satu siklus gelombang didefinisikan sebagai satu puncak dan satu lembah.
f λ = v (9)
karena gelombang adalah getaran yang merambat, frekuensi gelombang identik dengan frekuensi getaran. Dengan kata lain, frekuensi gelombang yang tercipta pada tali adalah sama dengan frekuensi sumber getar, yaitu arus listrik.
D. PROSEDUR KERJA
Pengukuran frekuensi dari arus listrik PLN
1. Ukur panjang dan massa kawat listrik yang digunakan. Lakukan pengukuran setidaknya tiga kali dengan orang yang berbeda. Catat hasil pengukuran sesuai dengan kaidah ketidak pastian.
2. Pilih sebuah anak neraca, beri nama N1. Catat nilai anak neraca tersebut. Berat anak neraca adalah sama dengan tegangan kawat pada Persamaan 7.
3. Rangkailah perangkat eksperimen seperti pada Gambar 10, dengan A adalah catu daya, B adalah penjepit kawat, C adalaah katrol, kawat dibentang antara B dan C, D adalah anak neraca, E adalah magnet U yang diletakkan pada posissi sembarangan, dan F adalah pemutar pada papan eksperimen
4. Nyalakan catu daya jika rangkaian telah siap dan benar.
5. Atur tegangan tali dengan cara memutar-mutar F sedemikian rupa sehingga gelombang berdiri yang terbentuk dapat diamati dengan jelas. Teramati jelas yaitu jika amplitude gelombang yang tercipta cukup besar untuk dilihat.
6. Ukur panjang antara B dan C, yaitu besaran L pada Persamaan 8. Lakukan pengukuran setidaknya tiga kali dengan orang yang berbeda. Catat hasil pengukuran sesuai dengan kaidah ketidak pastian.
