konsep dan prinsip kemagnetan - Spada UNS

Outline

 Magnet dan Medan Magnet

 Arus listrik menghasil kemagnetan

 Hk Ampere

 Aplikasi kemagnetan

2

Magnet dapat menarik benda-benda

dari bahan tertentu

Asal-usul Kemagnetan

 Kata magnet berasal dari kata magnesia, yang

merupakan nama suatu daerah di Asia Kecil,

dimana ditemukannya batu besi lebih dari 2000 tahun yang lalu.

 Bangsa Cina sudah

menggunakan petunjuk

arah kompas magnetik

dalam pelayaran kira-kira

mulai tahun 1200.

Bahan Magnetik dan Non- magnetik

 Bahan Magnetik :

Bahan yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet dan dapat dimagnetkan.

Contoh : besi, baja, nikel, kobalt

 Bahan Non-magnetik, terdiri dari :

 Bahan paramagnetik,

Bahan yang ditarik dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan.

Contoh : alumunium, platina

 Bahan diamagnetik,

Bahan yang ditolak dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan

Contoh : seng, bismuth

Hipotesa Weber



Besi dan baja terdiri dari atom-atom magnet yang disebut magnet elementer.



Besi dan baja yang tidak bersifat magnet susunan magnet elementernya tidak teratur.



Besi dan baja yang bersifat magnet susunan magnet elementernya teratur.



Magnet elementer pada besi mudah diarahkan.



Magnet elementer pada baja sukar diarahkan.

Bukan magnet Magnet



Kutub magnet adalah ujung- ujung magnet yang

mempunyai gaya tarik atau gaya tolak terbesar.



Setiap magnet selalu

mempunyai dua buah kutub, yaitu kutub utara ( N )dan kutub selatan (S).

Magnet Memiliki Dua Kutub

Sifat-sifat Kutub Magnet

Kutub tidak senama tarik menarik Kutub senama tolak menolak

Cara Membuat Magnet

1. Dengan gosokan

Dengan menggosokkan magnet secara berulang- ulang dan teratur pada besi dan baja, maka besi dan baja akan bersifat magnetik.

Kutub magnet yang

dihasilkan di ujung bahan selalu berlawanan dengan kutub magnet yang

menggosoknya.

2. Dengan menggunakan arus listrik (elektromagnetik )

Arah kutub magnet dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan berikut ini :

•Keempat jari = arah arus listrik ( I )

• Ibu jari = arah kutub utara ( N )

3. Dengan Induksi



Bila besi dan baja didekatkan (tidak menyentuh) pada bahan magnet yang kuat, maka besi dan baja akan menjadi

magnet. Terjadinya magnet seperti ini disebut dengan induksi.



Setelah dijauhkan kembali,

besi akan mudah kehilangan

sifat magnetnya, dan baja

tetap mempertahankan sifat

magnetnya.

Magnet Menimbulkan

Medan Magnetik di Sekitarnya



Medan magnetik adalah ruang di sekitar suatu magnet di mana magnet lain atau benda lain yang mudah dipengaruhi magnet akan mengalami gaya magnetik jika diletakkan dalam ruang tersebut.



Garis-garis gaya magnet atau fluks

magnetik adalah garis-garis yang

menggambarkan adanya medan

magnetik.

Sifat garis-garis gaya magnetik



Garis-garis gaya magnet tidak pernah saling berpotongan.



Garis-garis gaya magnet selalu keluar dari kutub utara magnet dan masuk ke kutub selatan magnet.



Tempat yang garis-garis gaya magnetnya rapat

menunjukkan medan magnetnya kuat, sebaliknya

tempat yang garis-garis magnetiknya renggang

menunjukkan medan magnetnya lemah.



Jarum kompas selalu menunjuk arah utara – selatan. Fakta ini menunjukkan bahwa bumi mempunyai sifat magnetik.



Kutub utara dari magnet batang imajiner terdapat di dekat kutub selatan geografi bumi dan kutub selatan magnet batang imajiner terdapat di dekat kutub utara geografi bumi.

Kutub Utara

Geografi bumi Kutub

Selatan magnetik bumi

Kutub Selatan Geografi bumi

Kutub Utara magnetik bumi

BUMI MEMILIKI SIFAT MAGNETIK

MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK

• Percobaan Oersted (1819)

• Tahun 1819 Hans Christian Oersted mengamati bahwa jarum kompas dapat

menyimpang di atas kawat berarus

• Arus listrik sebagai sumber

medan magnet.

HUKUM BIOT- SAVART

a) Pada saat kawat tidak dialiri arus listrik ( I = 0 ), jarum kompas tidak menyimpang ).

b) Pada saat kawat dialiri arus listrik ke atas, kutub utara jarum kompas

menyimpang ke kanan.

c) Pada saat kawat dialiri arus listrik ke bawah, kutub utara jarum kompas

menyimpang ke kiri. Kesimpulan :

1. Di sekitar penghantar kawat yang dialiri arus listrik terdapat medan magnet.

2. Arah medan magnet bergantung pada arah arus listrik yang mengalir.

 Pada tahun 1920-an Jean-Baptiste Biot dan Felix Savart melakukan eksperimen menentukan medan magnet di sekitar kawat berarus tersebut:

• Medan magnet di sekitar kawat berarus adalah:

2

ˆ r

r s

k Id B

d m 



 

m A

Wb

k m   10  /  4

0 7





µ

₀

- permeabilitas ruang hampa

I

r^

r ds

HUKUM BIOT- SAVART

konstan

 B

0

I





 B  ds

I

r

B  ds  B ds

r B I



 2



0

 rB

 2

 B  ds

I r B

₀

2   

^atau

Medan magnet di sekitar kawat berarus

HUKUM BIOT- SAVART

Induksi magnet di sekitar kawat yg berarus listrik dapat

ditentukan dari persamaan2 yg diturunkan Biot & Savart.

1. Kawat lurus panjang

induksi magnet di titik P :

2. Kawat berupa lingkaran

induksi magnet di pusat lingkaran : Jika terdiri N lilitan :

a B i



 2



0

i P

a

B

i r

r B i

2



0

 r

B iN

2



0



Hukum Biot-Savart

Induksi Magnetik pada Sumbu Solenoida

Jika arus I mengalir pada kawat solenoida, maka induksi magnetik pada pusat solenoida (kumparan panjang) berlaku:

untuk mengetahui induksi magnetik di ujung solenoida dengan persamaan:

B = µ₀.I.n/l

B = (µ₀ .I.n) /l 2

Contoh

 Tentukan besar induksi magnetik pada jarak 15 cm dari pusat sebuah penghantar lurus yang

berarus listrik 45 A!

Penyelesaian:

Diketahui:

jarak ke penghantar, a = 15 cm = 15 × 10

^-2

m kuat arus listrik, I = 45 A

permeabilitas vakum, 0 μ = -7 4π × 10

^-7

Wb/A.m

Ditanya: Besar induksi magnetik oleh penghantar lurus (B)... ?

Pembahasan :

Contoh

Sebuah kumparan kawat melingkar berjari-jari 10 cm memiliki 40 lilitan. Jika arus listrik yang mengalir dalam

kumparan tersebut 8 ampere, berapakah induksi magnetik

yang terjadi di pusat kumparan?

Penyelesaian:

Diketahui: kuat arus, I = 8 A jari-jari, r = 10 cm = 0,1 m jumlah lilitan, N = 40

Ditanya: Induksi magnetik, B ... ? Pembahasan :

Induksi magnetik di pusat kumparan kawat melingkar berarus ditentukan dengan persamaan:

contoh

Suatu solenoida yang panjangnya 2 m memiliki 800 lilitan dan jari-jari 2 cm. Jika solenoida dialiri arus 0,5 A, tentukan induksi magnetik:

a. di pusat solenoida,

b. di ujung solenoida!

Penyelesaian:

Diketahui : panjang solenoida, l = 2 m banyak lilitan, n = 800

arus listrik, I = 0,5 A Pembahasan :

Contoh :

1. Sebuah kawat lurus panjang dialiri arus 10A. Tentukan induksi magnetik (a) di titik P yang berjarak 5 cm dari kawat, dan (b) di titik Q yang berjarak 10 cm dari

kawat!

2. Sebuah penghantar yang berbentuk dua buah

setengah lingkaran konsentris dengan jari2 a

₁

= 2 cm

dan a

₂

= 4 cm dialiri arus listrik 2 A. Tentukan induksi

magnetik total yg ditimbulkan di titik pusat A!

Garis-garis Gaya Magnetik di Sekitar Penghantar Lurus

Medan magnetik ( simbol B ) di

sekitar kawat penghantar lurus yang dilalui arus listrik berbentuk

lingkaran, dan dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan.

Arah ibu jari = arah arus listrik ( I )

Arah keempat jari = arah medan magnetik ( B )

Garis-garis Gaya Magnetik pada Kumparan Berarus ( Solenoida )

Garis-garis medan magnetik yang

ditunjukkan oleh pola serbuk-serbuk besi Garis-garis gaya magnetik sebuah kumparan persis sebuah magnet batang

Kutub utara magnet kumparan dapat

ditentukan dengan aturan tangan kanan :

•Keempat jari = arah arus listrik ( I )

•Ibu jari = arah kutub utara ( N )

Gaya magnet pada kawat berarus

Gaya Lorentz pada Kawat Berarus Listrik

penghatar dengan panjang l yang dialiri arus listrik sebesar I, dipengaruhi medan magnet B, maka kawat tersebut akan

mengalami gaya Lorentz Gaya Lorentz dirumuskan:

F = Gaya lorentz

B = kuat medan magnet (Tesla)

I = kuat arus yang mengalir pada kawat (ampere) l = panjang kawat (meter)

θ = sudut yang dibentuk oleh B dan I

B x L I

F  magnet  

 F magnet  ILB sin 

Arah Gaya Lorentz

Untuk menentukan arah gaya lorentz bisa menggunakan

dua alternatif cara / kaidah yaitu kaidah tangan kanan atau kaidah pemutaran sekrup.

Ibu Jari = arah arus listrik

Jari Telunjuk = arah medan magnet

Jari Tengah = arah gaya lorentz

Jika sekrup diputar dari I ke B searah dengan arah jarum jam maka arah gaya lorentz ke bawah. Sebaliknya, jika diputar dari I ke B

dengan arah

berlawanan arah jarum jam maka akan

mengahasilkan gaya lorentz ke arah atas.

Arah Gaya Lorentz

Gaya Lorentz pad Kawat Sejajar yang Berarus Listrik

Jika ada dua buah kawat lurus berarus listrik yang diletakkan sejajar

berdekatan pada sebuah medan magnet akan

mengalami gaya Lorentz berupa gaya tarik

menarik apabila arus

listrik pada kedua kawat tersebut searah dan

gaya tolak menolak

apabila arus listrik pada

kedua kawat tersebut

berlawanan arah.

Besarnya gaya tarik menarik atau tolak menolak di antara dua kawat sejajar yang berarus listrik dan terpisah sejauh a dapat ditentukan dengan menggunakan rumus

F1 = F2 = F = gaya tarik menarik atau tolak menolak (Newton) μ_o = permeabilitas vakum (4 π. 10^-7 Wb/Am)

I¹ = kuat arus pada kawat A I² = kuat arus pada kawat B l = panjang kawat penghantar a = jarak kedua kawat

Dua buah kawat dengan konfigurasi seperti gambar di bawah!

Tentukan besar dan arah gaya magnetik yang bekerja pada kawat II untuk panjang kawat 0,5 meter!

contoh

Pembahasan

Besar gaya magnetik jika dua buah kawat berarus didekatkan adalah :

Arah gaya:

Jika kedua arus memiliki arah yang sama maka kedua kawat akan tarik menarik

Jika kedua arus memiliki arah yang berlawanan maka kedua kawat akan saling tolak

Dengan demikian arah gaya pada kawat II adalah ke kiri (ditarik mendekat

ke kawat I)

contoh

Tiga buah kawat tersusun seperti gambar !

Tentukan besar dan arah gaya magnetik pada kawat II

untuk panjang kawat 1 meter

Pembahasan

a) Kawat II dipengaruhi oleh dua kawat yang lain kawat I dan III

Gaya yang timbul pada kawat II akibat pengaruh kawat I namakan F₂₁ sebesar :

Gaya yang timbul pada kawat II akibat pengaruh kawat III namakan F₂₃ sebesar :

Arah ke kiri Arah ke kiri

Pembahasan

Resultan kedua gaya namakan F

₂

:

Arah ke kiri

Gaya Lorentz pada Muatan

Bergerak dalam Medan Magnet

Gaya lorentz ternyata tidak hanya dialami oleh kawat tetapi juga muatan listrik yang bergerak. Apabila mutan listrik q bergerak dengan kecepatan v di dalam sebuah medan magnet B, maka muatan listrik tersebut akan mengalami gaya Lorentz yang bersarnya dirumuskan

Fl = q . v . B sin θ

q = muatan listrik (Coloumb)

v = kecepatan gerak muatan (m/s) B = kuat medan magnet (T)

θ = sudut yang dibentuk oleh v dan B

Arah gaya lorentz yang dialami partikel bermuatan q yang bergerak dalam sebuah medan magnet adalah tegak lurus dengan arah kuat medan magnet dan arah kecepatan benda bermuatan tersebut. Untuk menentukan arahnya sobat perlu perhatikan hal berikut

a. Bila muatan q positif, maka arah v searah dengan I

b. Bila muatan q negatif, maka arah v berlawanan dengan I

Gaya Lorentz pada Muatan

Bergerak dalam Medan Magnet

Gaya pada muatan bergerak dalam medan magnetik

Arah keluar bidang gambar

Arah masuk dalam bidang gambar Notasi arah medan magnetik :

Arah gaya selalu tegak lurus pada arah gerak sehingga terjadi gerak melingkar

Elektromagnet

Jika ke dalam kumparan berarus listrik diberi inti besi

lunak, ternyata pengaruh kemagnetannya menjadi besar.

Susunan kumparan dan inti besi lunak inilah yang disebut

dengan elektromagnet atau magnet listrik.

Besarnya medan magnet dari magnet listrik ditentukan oleh faktor – faktor :

Kuat arus yang mengalir pada kumparan.

Semakin besar arus yang mengalir, semakin besar medan magnetnya.

Jumlah lilitan kumparan.

Semakin banyak jumlah lilitannya, semakin besar medan magnetnya

Bahan inti yang dimasukkan pada

kumparan

Penggunaan

Elektromagnetik

 Untuk mengangkat benda-benda dari besi

Baterai Saklar tekan

Jangkar besi lunak

Interuptor

Pemukul Elektromagnet

 Bel listrik

Jika sakelar ditekan maka arus akan segera mengalir sehingga kumparan menjadi bersifat magnet sehingga jangkar besi akan tertarik dan palu/ pemukul akan mengenai gong. Pada saat jangkar besi ditarik oleh magnet maka arus akan terputus di interuptor,

akibatnya jangkar besi akan

kembali ke posisi semula

dan arus kembali mengalir

pada rangkaian dan gong

kembali berbunyi. Hal ini

akan diulang-ulang sampai

sakelar dilepas kembali.

• Relai

Relai adalah sebuah alat yang dengan energi listrik (arus listrik) kecil dapat menghubungkan atau memutuskan listrik yang besar. Dengan kata lain, relai bekerja sebagai

saklar pada rangkaian listrik berarus besar.

Saklar

Elektromagnet

Motor Pegas

K

Jika sakelar ditutup, arus segera mengalir di elektromagnet dan

terjadi kontak di K dan mengalirlah arus di

rangkain sekunder (motor berputar.

Gaya Pada Penghantar Berarus Listrik

Panghantar yang berada di dalam medan magnet akan

bergerak bila dialiri arus listrik.

Besarnya gaya ini bergantung pada :

 kuat arus listrik,

 kuat medan magnet, dan

 panjang penghantar.

Arah gaya magnetik dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan (Kaidah Fleming)

sebagai berikut :

Penggunaan Gaya Magnetik



Gaya magnetik yang timbul pada penghantar berarus listrik digunakan untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak.



Contoh : motor listrik dan alat ukur listrik.

Fungsi komutator adalah agar arus listrik yang mengalir

pada loop tidak berbalik arah, sehingga loop dapat terus

berputar.

•Alat Ukur Listrik

Jika jarum dialiri arus.

Kumparan akan berputar.

Namun, kumparan tidak

dapat berputar terus karena tertahan oleh sebuah pegas spiral. Berputarnya spiral akan menggerakkan jarum penunjuk angka. Besarnya putaran kumparan sama dengan besarnya

penyimpangan jarum

penunjuk angka sehingga besarnya penyimpangan itu dapat dijadikan sebagai

hasil pengukuran.

Prinsip kerja