Fisika Umum (MA 301) Topik hari ini. Kemagnetan

(1)

8/14/2007 8/14/2007

Fisika Umum (MA 301)

Topik

hari

_hari

ini

_ini

(2)

Kemagnetan

Efek

Efek daridari magnet magnet alamalam telahtelah diketahuidiketahui sejaksejak waktuwaktu yang lama. yang lama. Observasi

Observasi yang yang tercatattercatat berasalberasal daridari bangsabangsa YunanaiYunanai lebihlebih daridari 2500 2500 tahun

tahun yang yang lalulalu.. Kata

Kata magnet magnet berasalberasal daridari katakata YunaniYunani yang yang berasalberasal daridari jenisjenis batubatu yang

yang mengandungmengandung besibesi oksidaoksida yang yang ditemukanditemukan didi Magnesia, Magnesia, sebuahsebuah distrik

distrik didi YunaniYunani utarautara.. SIfat

SIfat batubatu tersebuttersebut: : dapatdapat memberikanmemberikan gayagaya padapada jenisjenis batubatu yang yang sama dan

sama dan dapatdapat memberikanmemberikan sifatsifat tersebuttersebut padapada potnganpotngan besibesi yang yang tersentuhnya

tersentuhnya ((magnetisasimagnetisasi).). Bagian

Bagian kecilkecil daridari batubatu tersebuttersebut apabilaapabila digantungkandigantungkan akanakan selaluselalu mengarah

(3)

Magnet

Batang

Magnet

batang

... ... DuaDua kutubkutub: N (: N (utarautara) dan S () dan S (selatanselatan))

Kutub

sama

saling

menolak

;

kutub

berlawanan

saling

menarik

menarik.

.

Garis

medan

magnet:

((didefinisikandidefinisikan dengandengan caracara yang sama yang sama seperti

seperti garisgaris medanmedan listriklistrik, , araharah dan dan kerapatankerapatan))

N

S

(4)

Arah

Medan

Magnet

Arah

medan

magnet (

dari

magnet

batang

)

dapat

ditentukan

dengan

menggunakan

sebuah

kompas

-

-kompas

kompas

kecil

.

N

S

(5)

Garis medan magnet pada

magnet batang

_S

_N

Garis medan listrik pada

sebuah dipol listrik

(6)

Garis

Medan

Magnet

(7)

Monopol

Magnet

Mungkin

Mungkin terdapatterdapat jugajuga muatanmuatan magnetmagnet, sama , sama sepertiseperti muatanmuatan listriklistrik. . Wujud

Wujud sepertiseperti ituitu dinamakandinamakan sebuahsebuah monopolmonopol magnetmagnet ((mempunyaimempunyai + + atau

atau –– muatanmuatan magnet).magnet). Bagaimana

Bagaimana andaanda dapatdapat memperolehmemperoleh muatanmuatan magnet magnet iniini??

Coba

sebuah

magnet

batang

dipotong

menjadi

dua

bagian

:

•

• Banyak

Banyak

pencarian

tentang

monopol

magnet

—

keberadaannya

akan

menjelaskan

(

dalam

kerangka

mekanika

kuantum

)

kuantisasi

dari

muatan

listrik

(

argumennya

Dirac

)

•

• Tidak

Tidak

ada

monopol

magnet yang

telah

ditemukan

sampai

saat

ini

!

N

S

N

S

N

Bahkan sebuah elektron pun mempunyai “dipol” magnet

(8)

Sumber

Medan

Magnet ?

Jika

Jika bukanbukan muatanmuatan magnet, magnet, lalulalu apaapa sumbersumber medanmedan magnet?magnet? Jawab

Jawab: : muatanmuatan listriklistrik yang yang bergerakbergerak!!

contoh

,

arus

dalam

kawat

yang

melingkar

(solenoid)

menghasilkan

medan

magnet yang

mirip

dengan

magnet

batang.

batang

.

Oleh

Oleh karenanyakarenanya, , memahamimemahami sumbersumber medanmedan yang yang dihasilkandihasilkan oleholeh magnet

magnet batangbatang tidaktidak lain lain adalahadalah memahamimemahami arusarus padapada tingkattingkat atomikatomik dalam

dalam suatusuatu bahanbahan..

Orbit elektron pada atom

Spin intrinsik

elektron (efeknya lebih besar)

(9)

Analogi

Medan

Magnet

dengan

Medan

Listrik

Medan

listrik

:

Distribusi

muatan

menghasilkan

medan

listrik

E

(

r

)

di

daerah

sekitarnya

.

Medan

memberikan

gaya

F

=q

E

(

r

)

pada

sebuah

muatan

q

berjarak

r

Medan

magnet

:

Muatan

yang

bergerak

atau

arus

menghasilkan

medan

magnet

B

(

r

)

di

daerah

sekitarnya

.

Medan

memberikan

gaya

F

pada

sebuah

muatan

q

(10)

Kekuatan

Medan

Magnet

Mendefinisikan

medan

magnetik

B

pada

sebuah

titik

dalam

ruang

dengan

meninjau

gaya

magnetik

yang

dialami

muatan

yang

bergerak

pada

titik

tersebut

.

Pengamatan

menunjukkan

bahwa

gaya

tersebut

berbanding

lurus

dengan

medanmedan

muatanmuatan

kecepatankecepatan partikelpartikel

(11)

Kekuatan

dan

arah

Gaya

Magnetik

pada

sebuah

muatan

yang

bergerak

sin

F

=

qvB

θ

+q

F

B

v

(12)

Besarnya

Medan

Magnetik

sin

F

B

qv

θ

(13)

Satuan

Medan

Magnetik

[F] =

newton

[v] = m/s

[q] = C

[B] =

tesla

(T).

JugaJuga dinamakandinamakan weberweber ((WbWb) per meter ) per meter kuadratkuadrat.. 1 T = 1 Wb/m1 T = 1 Wb/m22.. 1 T = 1 N s m1 T = 1 N s m--11 CC--11.. 1 T = 1 N A1 T = 1 N A--11 mm--11..

Satuan

CGS

dalam

Gauss (G)

(14)

Aturan

(15)

Medan

Magnet

oleh

Kawat

Lurus

Panjang

Ilmuan

Ilmuan Denmark Hans Denmark Hans OerstedOersted (1777(1777--1851) 1851) menemukan

menemukan bahwabahwa arusarus listriklistrik padapada kawatkawat dapatdapat menyimpangkan

menyimpangkan jarumjarum kompaskompas.. Pada

Pada tahun1820, tahun1820, diadia melakukanmelakukan eksperimeneksperimen kecilkecil dengan

dengan menggunakanmenggunakan banyakbanyak kompaskompas yang yang berhasil

berhasil menunjukkanmenunjukkan kehadirankehadiran medanmedan magnet magnet disekitar

disekitar kawatkawat yang yang dialiridialiri arusarus..

(16)

I

r

B

(17)

Aturan

(18)

Gaya

Magnet

pada

Kawat

Penghantar

yang

Dialiri

Arus

Gaya

magnet

bekerja

pada

sebuah

muatan

tunggal

yang

bergerak

melalui

medan

.

Gaya

magnet

juga

berkerja

pada

kumpulan

muatan

yang

bergerak

melalui

sebuah

kawat

penghantar

,

yaitu

arus

.

Gaya

pada

penghantar

yang

dialiri

arus

adalah

jumlah

dari

semua

gaya

yang

bekerja

pada

masing

-

masing

muatan

(19)

Penulisan

Arah

Medan

Magnet

Jika

Jika B B berarahberarah masukmasuk halaman/bidang

halaman/bidang kertaskertas, , kitakita menggunakan

menggunakan tandatanda kali kali untukuntuk menunjukan

menunjukan araharah medanmedan tersebut

tersebut.. Jika

Jika araharah B B keluarkeluar halaman/bidang

halaman/bidang kertaskertas, , kitakita gunakan

gunakan titiktitik..

Jika

Jika B B dalamdalam bidangbidang kertaskertas, , kita

kita gunakangunakan panahpanah. .

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(20)

Gaya

pada

Penghantar

yang

dilalui

arus

berada

dalam

medan

magnet

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

I = 0

_I

B

_in

_B

in x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

I

B

_in

(21)

x x x x

x x x x x

x x x x x x x

x x x x x

Gaya pada sebuah kawat yang

dialiri arus dalam sebuah

medan magnet.

A

v

_d

q

(

)(

)

max

d

F

=

qv B

nAl

d

I

=

nqv A

max

F

=

BIl

Arah medan magnet dan

arus yang saling tegak

lurus.

(22)

Kasus

Umum

:

Arah

arus

dan

arah

medan

membentuk

sudut

θ

.

_.

max

sin

F

=

BIl

θ

I

B

θ

B sin θ

B

l

F

r

x

I

=

Animasi 8.3

(23)

Tes

konsep

Ketika

terjadi

kilat

,

terdapat

aliran

muatan

negatif

yang

sangat

cepat

dari

awan

menuju

tanah

.

Ke

arah

manakah

kilat

dibelokan

oleh

medan

magnetik

bumi

?

Penjelasan:

Muatan negatif mengalir kebawah. Arus positif ke atas.

Arah medan B dari belahan bumi selatan ke belahan bumi utara

Jawab:

Gaya mengarah ke barat.

I

(24)

Comparison:

Electric

Field vs. Magnetic Field

Electric

Magnetic

Source

Charges

Moving Charges

Acts on

Charges

Moving Charges

Force

F = Eq

F = q v B sin(θ)

Direction

Parallel E

Perpendicular to v,B

Field Lines

(25)

Material

Magnetik

_Magnetik

• Material dapat diklasifikasi berdasarkan bagaimana

responnya terhadap medan manet luar,

_Bapp

_.

• Paramagnetik

(aluminum, tungsten, oksigen,…)

• Dipol magnet atomik (~magnet batang atomik) mensejajarkan

diri searah dengan arah medan, meningkatkan besar medan magnet, tetapi sangat kecil: _Bind _{~ B}_app•10-5

• Diamagnetik

(emas, tembaga, air,…)

• Medan luar yang diberikan menginduksi medan magnet yang

berlawanan arah; ini juga sangat kecil; _Bind _{~ -B}_app •10-5

[Pengecualian: Superkonduktor menunjukkan diamagnetisme yang sempurna memblok semua medan magnet]

• Ferromagnetik

(besi, kobal, nikel,…)

• Sama seperti paramagnetik, tetapi medan induksi yang

(26)

Ferromagnetik

(

lanjutan

)

• Tidak ada medan magnetik luar B, dipol-dipol sejajar

berkelompok kecil – “domain”. Ada B, domain-domain

tersebut mensejajarkan diri dengan arah B, menghasilkan

magnetisasi yang besar.

Domain-domain

magnetik

(27)

•Feromagnetik “soft”

•Domain-domain akan acak ketika B dihilangkan

•Feromagnetik “hard”

•Domain-domain tidak berubah ketika B dihilangkan •Magnet “permanen”

•Domain-domain akan mensejajarkan diri dalam arah yang berbeda oleh pengaruh medan lain

•Domain-domain akan acak oleh goncangan/getaran fisik yang mendadak

•Jika temperatur mencapai di atas “titik Curie” (770˚C untuk besi), domain-domain akan acak jugae paramagnetik

Ferromagnetik

(28)

Material jenis apa yang digunakan untuk

pita kaset/video?

(a)

diamagnetik

(b)

paramagnetik

(c)

ferromagnetik “soft”

Tes

konsep

_konsep

(29)

Material-material di atas termasuk feromagnetik “soft”.

Kehadiran B luar akan mensejajarkan domain-domain sehingga

muncul dipol total, yang kemudian dapat tertarik oleh magnet

batang.

- Efek akan hilang ketika B dihilangkan

- Tidak jadi soal kutub mana yang digunakan

Ujung klip kertas

S N

Tes

konsep

_konsep

Bagaimana sebuah magnet batang dapat menarik sekrup, klip

kertas, lemari es,dll., padahal semuanya bukanlah magnet!

(30)

Sejarah

sebuah

“bit”

IBM

memperkenalkan

hard disk

pertamanya

di

tahun

1957

,

ketika

data

disimpan

dalam

pita. Hard

disk

tersebut

terdiri

dari

50

50 plat

plat

, diameter 24 inch, dan

ukurannya

dua

kali

ukuran

refrigerator.

Harganya

$35,000

dan

kapasitasnya

5 MB

,

angka

yang

sangat

(31)

Bagaimana prinsip kerja kartu kredit anda!

Jalur hitam pada bagian belakang kartu kredit anda adalah jalur magnetik, biasanya disebut magstripe. Megastrip terbuat dari besi kecil yang merupakan partikel magnetik yang tersimpan dalam sebuah plastik menyerupai film. Setiap partikel adalah magnet batang yang sangat kecil.

Megastrip dapat “ditulis" karena magnet batang kecil dapat dimagnetisasi dalam arah utara atau selatan. Megastrip pada bagian belakang kartu sama persis dengan seuntai pita kaset.

(32)

Medan

Magnetik

Bumi

Jarum

pada

sebuah

kompas

selalu

menunjuk

pada

arah

utara

karena

daerah

dipermukaan

bumi

merupakan

daerah

bermedan

magnet.

Medan

magnet yang

muncul

berasal

dari

bumi

yang

merupakan

sebuah

magnet yang

sangat

besar

.

Bagian

utara

bumi

berkaitan

dengan

kutub

selatan

magnet

dan

bagian

selatan

bumi

berkaitan

dengan

kutub

utara

magnet.

Konfigurasi

magnet

bumi

mirip

dengan

sebuah

batang

magnet (

besar

) yang

diletakkan

di

pusat

bumi

(33)

Medan

(34)

Medan

Magnet

Bumi

(

lanjutan

)

Kutub

Kutub magnet magnet utarautara dan dan selatanselatan tidaktidak persispersis tepattepat padapada kutubkutub selatan

selatan dan dan utarautara bumibumi, , tetapitetapi agakagak menyimpangmenyimpang..

KutubKutub magnet magnet selatanselatan terletakterletak 1800 km 1800 km daridari kutubkutub utarautara, ,

tepatnya

tepatnya diwilayahdiwilayah kanadakanada utarautara, ,

sedangsedang kutubkutub magnet magnet bagianbagian selatanselatan terletakterletak didi wilayahwilayah

Australia

Australia selatanselatan Ketidakcocokan

Ketidakcocokan antaraantara orientasiorientasi jarumjarum padapada kompaskompas dengandengan kutubkutub utara

utara bumibumi yang yang sebenarnyasebenarnya dinamakandinamakan deklinasideklinasi magnetikmagnetik.. Sumber

Sumber medanmedan : : MuatanMuatan yang yang bergerakbergerak ((arusarus konveksikonveksi) yang ) yang terjaditerjadi di

(35)

(36)

Tes

konsep

Anda

sedang

berwisata

di

Australia dan

membawa

kompas

buatan

Indonesia.

Apakah

kompas

tersebut

dapat

digunakan

???

• Tidak masalah menggunakan kompas buatan

manapun di Australia.

• Kutub utara kompas akan menuju ke arah kutub

selatan bumi…

(37)

Materi

sebelumnya

:

Arus

listrik

_listrik

dapat

_dapat

menghasilkan

_menghasilkan

magnet,

_magnet,

Apakah

berlaku

sebaliknya

?

Yaitu

medan

magnet

mengahasilkan

(38)

Fluks

Magnet

Sama

Sama sepertiseperti padapada kasuskasus fluksfluks listriklistrik, , tinjau

tinjau keadaankeadaan dimanadimana medanmedan magnetnya

magnetnya uniform. uniform. KemudianKemudian dalamdalam medan

medan magnet magnet tersebuttersebut ditempatkanditempatkan sebuah

sebuah loop.loop. Fluks

Fluks magnet, magnet, ΦΦ, _,didefinisikandidefinisikan sebagaisebagai perkalian

perkalian antaraantara besarbesar medanmedan dengandengan luas

luas loop yang loop yang ditembusditembus garisgaris medanmedan..

dimana

dimana adalahadalah komponenkomponen B yang B yang tegak

tegak luruslurus loop, loop, θθ adalah_adalah sudutsudut antaraantara B dan normal loop.

B dan normal loop.

Satuan

Satuan: T: T··mm22 _or_or_Webers_Webers ₍₍_Wb_Wb₎₎

cos

B A

_⊥

BA

θ

Φ =

=

B

_⊥

Nilai fluks magnet berbanding lurus dengan jumlah garis medan

(39)

Dua

Dua rangkaianrangkaian terputusterputus: : tidaktidak ada

ada arusarus?? Tetapi

Tetapi, , ketikaketika sakarsakar didi tutuptutup,, kita

kita lihatlihat bahwabahwa jarumjarum kompaskompas bergerak

bergerak dan dan kemudiankemudian kembali

kembali keke posisiposisi semulasemula Tidak

Tidak munculmuncul perubahanperubahan lagilagi pada

pada jarumjarum kompaskompas ketikaketika arus

arus dalamdalam koilkoil primerprimer tetaptetap (steady)

(steady)

Tapi

Tapi halhal yang sama yang sama terjaditerjadi ketika

ketika saklarsaklar dibukadibuka, , hanyahanya jarum

jarum jam jam bergerakbergerak keke araharah yang

yang berlawananberlawanan……

Eksperimen Faraday

Apa yang terjadi?

(40)

Eksperimen Faraday (lanjutan)

N

S

v

I

Arus muncul pada loop selama

(41)

N

S

I

v

B

I

Arus muncul pada loop selama loop bergerak relatif terhadap batang magnet

Eksperimen Faraday (lanjutan)

(42)

AC Delco

-

+

1 volt

I

Eksperimen Faraday (lanjutan)

Arus induksi muncul pada loop sesaat setelah saklar dihubungkan

(43)

AC Delco

-

+

1 volt

I

Eksperimen Faraday (lanjutan)

Arus induksi hilang setelah saklar telah lama dihubungkan

(44)

AC Delco

-

+

1 volt

I

Eksperimen Faraday (lanjutan)

Arus induksi muncul pada loop sesaat sebelum saklar dibuka

(45)

AC Delco

-

+

1 volt

Eksperimen Faraday (lanjutan)

Arus induksi hilang setelah saklar telah lama dibuka

(46)

B

v

Eksperimen Faraday (lanjutan)

(47)

B

v

I

Eksperimen Faraday (lanjutan)

(48)

B

v

I

Eksperimen Faraday (lanjutan)

(49)

Hukum

Faraday

tentang

Induksi

Magnetik

Dalam

Dalam semuasemua eksperimeneksperimen, , munculnyamunculnya GGL GGL induksiinduksi disebabkandisebabkan karena

karena adanyaadanya perubahanperubahan jumlahjumlah garisgaris medanmedan yang yang menembusmenembus sebuah

sebuah koilkoil ((fluksfluks).). Dengan

Dengan katakata lain, GGL lain, GGL induksiinduksi yang yang munculmuncul dalamdalam suatusuatu rangkaianrangkaian sama

sama dengandengan lajulaju perubahanperubahan fluksfluks magnet yang magnet yang menembusmenembus koilkoil..

Hukum

Hukum Lenz’s: Lenz’s: ArahArah GGL GGL induksiinduksi sedemikiansedemikian ruparupa sehinggasehingga menghasilkan

menghasilkan arusarus dengandengan medanmedan magnet yang magnet yang ditimbulkannyaditimbulkannya melawan

melawan perubahanperubahan fluksfluks magnet yang magnet yang melaluimelalui loop. loop. OlehOleh karenanyakarenanya arus

arus induksiinduksi cenderungcenderung untukuntuk mempertahankanmempertahankan jumlahjumlah fluksfluks semulasemula pada

pada rangkaianrangkaian..

N

t

∆Φ

=

∆

E

Hukum Lenz

(50)

Generator

Generator dan motor

adalah

dua

contoh

aplikasi

yang

penting

dari

ggl

induksi

.

Sebuah

generator

adalah

sesuatu

yang

dapat

mengubah

energi

mekanik

menjadi

energi

listrik

.

Sebuah

motor

adalah

proses

sebaliknya

,

yaitu

mengubah

energi

listrik

menjadi

(51)

Generator AC

Prinsip

kerja

generator

KetikaKetika loop loop berputarberputar, , fluksfluks

magnet yang

magnet yang menembusnyamenembusnya berubah

berubah terhadapterhadap waktuwaktu

Hal Hal iniini menginduksimenginduksi gglggl dan dan

arus

arus padapada rangkaianrangkaian eksternal

eksternal

UjungUjung--ujungujung loop loop

dihubungkan

dihubungkan dengandengan cincincincin- -cincin

cincin yang yang berputarberputar

HubunganHubungan dengandengan rangkaianrangkaian

luar

luar melaluimelalui sekatsekat yang yang dibuatdibuat tetap

tetap padapada cincincincin

(52)

Transformator

Sebuah

Sebuah transformatortransformator AC AC terdiriterdiri dari

dari duadua kawatkawat yang yang melilitmelilit padapada besi

besi

Sisi

Sisi yang yang dihubungkandihubungkan dengandengan input

input tegangantegangan sumbersumber AC AC dinamakan

dinamakan primerprimer dan dan memilikimemiliki NN₁₁ lilitan

lilitan

Sisi

Sisi yang lain yang lain dinamakandinamakan sekundersekunder dihubungkandihubungkan dengandengan resistor dan resistor dan memiliki

memiliki NN₂₂lilitanlilitan Besi

Besi intiinti digunakandigunakan untukuntuk meningkatkanmeningkatkan fluksfluks magnet dan magnet dan merupakanmerupakan medium

medium untukuntuk fluksfluks agar agar bisabisa melewatimelewati daridari satusatu lilitanlilitan keke lilitanlilitan yang lainyang lain Laju

(53)

Transformator

(

lanjutan

)

Hubungan

Hubungan tegangantegangan diberikandiberikan oleholeh Ketika

Ketika NN₂₂ > N> N₁₁, , transformatortransformator disebutdisebut sebagaisebagai step upstep up

Ketika

Ketika NN₂₂ < N< N₁₁, , transformatortransformator disebutdisebut sebagaisebagai step downstep down

Daya

Daya input input padapada primer sama primer sama dengandengan dayadaya output output padapada sekundersekunder

II₁₁ ∆V∆V₁₁= I= I₂₂∆V∆V₂₂

Anda

Anda tidaktidak akanakan memperolehmemperoleh transformatortransformator sepertiseperti iniini

Hal Hal didi atasatas adalahadalah asumsiasumsi untukuntuk transformatortransformator idealideal

Dalam

Dalam transformatortransformator nyatanyata, , efisiensiefisiensi dayadaya berkisarberkisar antaraantara 90% 90% sampai sampai 99%99% 1 1 2 2

V

N

V

=

∆

(54)

Induktansi

Diri

Ketika

arus

mengaliri

loop

maka

menghasilkan

medan

magnet yang

menembus

loop

tersebut

sehingga

muncul

fluks

magnet.

Jika

arus

berubah

maka

medan

magnet

juga

akan

berubah

, dan

fluks

magnet pun

berubah

yang

menghasilkan

ggl

induksi

.

Fenomena

seperti

ini

dinamakan

induktansi

diri

Pernyataan

hukum

Faraday:

N

t

∆Φ

= −

∆

E

(55)

Energi

Tersimpan

dalam

Sebuah

Medan

Magnet

Sama

seperti

pada

kapasitor

,

sembarang

koil/lilitan

(

atau

induktor

)

akan

menyimpan

energi

potensial

:

2

1

2

L

PE

=

LI

PE_L= L I² / 2 PE_C= C V² / 2 0 energy stored 0 0 P = I V = I² R = V² / R power dissipated emf = -L (∆I / ∆t) Q = C V V = I R relation L C R symbol henry, H = V s / A farad, F = C / V ohm, Ω = V / A units Inductor Capacitor Resistor