LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR II PERCOBAAN B1 KEMAGNETAN

LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR II PERCOBAAN B1

KEMAGNETAN

Hari : Rabu Tanggal : 14 April 2021 Jam ke : 5-6

Oleh : Esra Heni Marbun

082011133007 Anggota Kelompok :

1. M. Ariiq Setiawan 082011133006 Dosen Pembimbing : Nuril Ukhrowiyah, S.Si., M.Si.

Osmalia Nur Rahma, S.T., M.Si.

Asisten Dosen : Sofian Iramanda Eka Yuliatin

LABORATORIUM FISIKA DASAR FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS AIRLANGGA 2021

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

1. 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

Medan magnet terbangkitkan oleh arus listrik. Misalnya pada sebuah kawat lurus yang dialiri arus I seperti pada Gambar 1. Medan magnet terbangkitkan sepanjang kawat berarus dengan arah sesuai dengan kaidah tangan kanan: Jika arus listrik adalah ibu jari pada sumbu-z positif, maka medan magnet yang terbangkitkan adalah pada bidang-xy dengan arah empat jari yang lain (berlawanan arah jarum jam). Perhatikan arah medan magnet pada titik P dan Q yang sama-sarna berjarak r dari kawat berarus pada Gambar 1.

Gambar 1. Medan magnet Gambar 2.Medan magnet dari dari sebuah kawat lurus berarus. sebuah kawat melingkar berarus.

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,

|B

p

| = µ

o

2 I 4π r

dengan arah mengikuti kaidah tangan kanan. Faktor µo adalah konstanta permeabilitas ruang vakum. Nilai µo /4π sendiri adalah 10-⁷ N/A² . Satuan kekuatan medan magnet adalah tesla (SI) dan gauss (cgs).

(I tesla= 10⁴ gauss).

Jika kawat lurus tadi dibengkokkan sehingga menjadi lingkaran (loop) dengan jari-jari

|B

p

| = µ

o

2π I 4π r

Jika kawat melingkar berarusnya terdiri dari N buah lingkaran, maka kekuatan medan magnet di titik pusat adalah N kali Persarnaan (2).

Pada kawat melingkar, kaidah tangan kanan diubah. Pada kasus ini ibujari adalah arah medan magnet dan empatjari adalah arah arus listrik (lihat Gambar 2).

2. Solenoid

Kawat melingkar dapat diubah konfigurasinya menjadi serangkaian lilitan seperti pada Gambar 3. Konfigurasi lilitan kawat melingkar ini disebut solenoid. Medan magnet yang terbangkitkan mirip dengan apa yang dihasilkan oleh magnet batang seperti pada gambar 4.

Medan magnet yang dibangkitkan solenoid terkonsentrasi dan seragam di tengah-tengah solenoid. Kekuatan medan magnetnya, |Bs|, diberikan oleh.

|B

_s

| = N µ

_o

4πI 4π L

Dengan N adalah jumlah lilitan solenoid dan L adalah panjang solenoid. Dalarn praktikiiya, terlalu rumit untuk mengetahui jumlah lilitan solenoid. Oleh sebab itu, digunakan besaran kerapatan lilitan ρ, yaitu jumlah lilitan setiap satuan panjang, sehingga Persamaan (3) menjadi

|B

_s

| = µ

_o

4π ρ I 4π

Gamber 3. Sebuah magnet batang dan garis-garis medan magnet yang dibangkitkan.

Gamber 4. Sebuah magnet batang dan garis-garis medan magnet yang dihasilkan.

Di luar solenoid, medan magnet melemah dan menyebar.

Kekuatannya menjadi setengah dari kekuatan di tengah-tengahnya, yaitu

|B

_s

| = µ

_o

2π ρ I 4π

Medan magnet solenoid dapat diperkuat dengan cara menarnbahkan inti besi ke dalarn solenoid. Konfigurasi inti besi yang difilit oleh solenoid adalah dasar dari magnet-listrik -listrik atau elektromagnet.

Fungsi solenoid dalam kemagnetan analog dengan kapasitor dalarn kelistrikan. Kapasitor membangkitkan medan listrik dalam sebuah rangkaian, sementara solenoid membangkitkan medan magnet dalam sebuah rangkaian. Solenoid dapat difungsikan sebagai mekanik sakelar:

rneclan magnet yang clibangkitkannya dapat menarik dan melepas batang besi. Solenoid juga dipakai dalam piranti transformator (trafo), motor dan dinamo yang prinsip kerjanya berdasarkan perubahan kekuatan medan magnet yang dihasilkan oleh solenoid.

3. Pengukuran kekuatan medan magnet

Untuk mengukur kekuatan magnet, salah satu detektor yang digunakan adalah magnetometer, teslameter, atau gaussmeter seperti pada

Gambar 5. Contoh sebuah teslameter dengan sensor terparasan

Gambar 6. Sensor teslameter dengan menggunakan prinsip efek Hall

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 tegaklurus 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 ∆L1 gaya magnet yangdirasakan oleh kawat I2 juga sepanjang ∆L2. Besar clan arah gaya magnet yang dirasakan oleh kawat I2 karena kawat I1, tersebut diberikan oleh

F

₂₁

= I

₂

∆ L

₂

x B

₁

dengan besar dan arah |B1| dapat dihitung dari Persamaan (1).

Persamaan (6) ini disebut juga gaya Lorentz.

Gambar 7. Gaya tarik-menarik (a) dan tolak-menolak (b) karena medan magnet yang dibangkitkan oleh masing-masing kawat berarus.

Perhatikan bahwa Persamaan (6) adalah perkalian silang dari dua buah vektor: ∆L dan B. Arah vektor ∆L adalah sama dengan arah arus yang mengalir pada kawat tersebut, sedangkan arah vektor B ditentukan oleh kaidah tangan kanan (lihat Gambar 1). Perkalian silang dua buah vektor menghasilkan vektor dengan arah setalu tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh vektor-vektor pengalinya, dalarn hal ini arah vektor F tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk vektor ∆L dan B.

Kaidah tangan kanan dapat dipakai lagi di sini, seperti diperagakan oleh Garnbar 8.

Gambar 8. Kaidah tangan kanan untuk perkalian silang dua buah vektor.

5. Eksperimen Melde

Jika arus yang mengalir pada kawat I1 adalah jenis bolak-balik (AC) seclangkan I2adalah arus searah (DC), maka kawat I2 akan merasakan gaya magnet bolak-balik antara, tarikan dan dorongan. Hal yang sama juga terjadi jika I1, adalah DC sedangkan I2 adalah AC, maka kawat I2

juga merasakan gaya tarikan dan dorongan. Akibatnya, kawat I2 bergetar dan getaran tersebut dirambatkan ke sepanjang kawat. Pada akhirnya, terciptalah gelombang (getaran yang merambat) pada kawat I2.

Pembangkit rnedan magnet dapat digantikan dengan sepasang magnet batang yang mengapit seutas kawat dengan kutub utara-selatan -masing-masing magnet saling berhadapan. Sepasang magnet batang clapat digantikan dengan sebuah magnet U. Gelombang akan teramati ketika kawat dialiri arus AC.

Fenomena yang dibahas pada dua paragraf di atas adalah mimik 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 = √

^𝑻_𝝆

dengan T adalah tegangan tali (SI: newton) dan p adalah masa jenis kawat (SI: kg/m).

Panjang gelombang sendiri dapat langsung dihitung dari pengamatan, yaitu

ƛ = L n

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.

Jika kelajuan perambatan dan panjang gelombang telah diketahui, maka frekuensi gelombang, ƒ (SI: I /sekon = hertz) dapat dihitung dari relasi

ƒ λ = v

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

1. Pengukuran frekuensi dari arus listrik PLN

1. Mengukur panjang dan massa kawat listrik yang digunakan.

Melakukan pengukuran setidaknya tiga kali dengan orang yang

berbecla. Mencatat hasil pengukuran sesuai dengan kaidah ketidakpastian.

2. Memilih sebuah anak neraca, diberi nama N1. Mencatat nilai anak neraca tersebut. Berat anak neraca adalah sama dengan tegangan kawat pada Persamaan 7.

3. Merangkai perangkat eksperimen seperti pada Garnbar 10, dengan A adalah catu daya, B adalah penjepit kawat, C adalah katrol, kawat dibentang antara B dan C, D adalah anak neraca, E adalah magnet U yang diletakkan pada posisi sembarangan, dan F adalah pernutar pada papan eksperimen.

4. Menyalakan catudaya jika rangkaian telah siap dan benar.

5. Mengatur ketegangan tali dengan cara mernutar-mutar F sedemikian rupa sehingga gelombang berdiri yang terbentuk dapat diamati dengan jelas. Teramati jelas yaitu jika amplitudo gelombang yang tercipta cukup besar untuk dilihat.

6. Mengukur panjang antara B dan C, yaitu besaran L pada Persarnaan 8. Lakukan pengukuran setidaknya tiga kali dengan orang yang berbeda. Mencatat hasil pengukuran sesuai dengan kaidah ketidakpastian.

7. Menghitung dan mencatat jumlah gelombang, yaitu besaran n pada Persarnaan 8, yang terbentuik di sepanjang BC.

8. Melakukan prosedur 2 - 7 untuk dua buah anak neraca dengan massa berbeda-beda (Jadi Anda punya sernua data untuk tiga jenis anak neraca yang massanya berbeda). Beri narna anak neraca N2 dan N3.

Gambar 10. Rancangan eksperimen Melde.

E. HASIL PENGAMATAN 𝜇= 4.26 ×10⁻⁴ g/cm

𝑔=9.8 𝑚/𝑠²

(𝑚±∆𝑚)=(𝑚±0.05) 𝑘𝑔 (𝐿±∆𝐿)=(𝐿±0.005) m

Tabel Pengukuran Anak Neraca Pengukuran ke-

N1 N2 N3

1 1,9 4,0 6,0

2 1,9 4,0 5,9

3 2,0 3,8 5,9

Tabel Identitas Gelombang

n n n

1 100,0 2,5 100,0 1,5 99,0 1,5

2 98,0 2,5 98,0 1,5 98,0 1,5

3 96,0 1,5 96,0 2,5 100,0 1,5

N3 N2

Pengukuran ke- N1

Massa Anak Neraca ( ³ kg)