 |
| Teori Dasar Kemagnetan |
{getToc} $title={Daftar Isi}
Teori Dasar Kemagnetan
Lebih dari 2000 tahun yang lalu, orang Yunani yang hidup dan tinggal di suatu daerah di Turki yang dikenal sebagai Magnesia, menemukan suatu benda aneh yang dapat menarik benda yang mengandung besi dan dinamakan magnetit. Salah satu ahli Matematika dan Astronomi Yunani yaitu Thales (640 – 546 SM) merupakan orang yang menaruh perhatian terhadap benda ini karena sifat kemagnetannya. Walaupun demikian orang Yunani hanya bereksperimen terhadap magnet dimana dengan batuan aneh ini bila dibolehkan berayun bebas dari seutas tali, bagian tali yang sama selalu menunjuk ke arah yang sama, yaitu ke bintang selatan tertentu yang disebut Iodestar.
Catatan sejarah Indonesia bahwa orang China yang pertama kali menggunakan batu aneh ini sebagai kompas, baik di darat maupun di laut. Sebagai buktinya pada tahun 1000 orang China berlayar dari Kanton, China, dan Sumatera (Indonesia) menggunakan batu magnetit yang terdapat pada kompas magnetik sebagai penunjuk arah. Dalam perkembangan selanjutnya, orang dapat membuat magnet dari besi, baja atau campuran beberapa logam dengan cara : 1) digosok dengan satu arah 2) dengan cara induksi 3) lilitan yang dialiri arus listrik. Bentuk magnet yang dihasilkan berupa magnet batang, magnet silinder, magnet jarum dan magnet tapal kuda.
Menurut teori magnet, membuat sebuah calon magnet (besi) menjadi magnet berarti mengatur magnet magnet kecil pembentuk magnet tersebut (magnet elementer) pada calon magnet itu menjadi teratur, sehingga calon magnet tersebut dapat bersifat magnetis dan menjadi magnet. Dengan demikian apabila ingin menghilangkan sifat kemagnetan suatu magnet cukup dengan mengubah dan merusak keteraturan magnet elementernya saja dengan cara magnet tersebut dibakar, dipukul-pukul, dijatuhkan berulang ulang dan disimpan dengan kutub yang searah karena daya tarik magnet elementernya akan saling meniadakan.
1. Konsep Gaya Magnet
Kekhasan dari magnet adalah dapat menarik benda-benda lain di sekitarnya yang bersifat magnetis, seperti besi, baja, nikel dan lain-lain. Apabila kita meletakkan sebatang magnet dekat dengan benda lain yang bersifat magnetis, maka magnet akan menarik benda magnetis itu ke arahnya karena di sekitar magnet tersebut terdapat medan magnet. Jadi medan magnet adalah daerah/ruang di sekitar magnet yang dipengaruhi oleh gaya-gaya magnet. Medan magnet dipengaruhi oleh arah garis gaya magnet yaitu dari utara magnet ke selatan magnet
2. Teori Kemagnetan Bumi
Pada tahun 1600 seorang fisikawan Inggris bernama William Gilberth mengusulkan ide bahwa bumi itu sendiri sebagai sebuah magnet. Berdasarkan fakta, bahwa bumi bertindak seakan-akan mempunyai sebuah magnet batang besar di dalamnya. Fakta ini sekaligus menjawab pertanyaan mengapa ketika jarum kompas yang diam selalu menunjuk ke arah utara bumi (searah dengan geografi s bumi). Hal ini disebabkan karena di sekitar kutub utara bumi terdapat kutub selatan magnet bumi, sedangkan di sekitar kutub selatan bumi terdapat kutub utara magnet bumi.
3. Gaya Lorentz
Sebuah magnet memiliki sifat kemagnetan disebabkan karena dalam magnet tersebut terdapat magnet-magnet kecil yang tersusun secara teratur yang disebut magnetit/magnet elementer. Ketika sebuah magnet ini didekati dengan benda lain yang juga bersifat magnetis, maka akan terjadi gaya tarik magnet atau gaya tolak magnet. Hal ini disebabkan karena di sekitar benda yang bersifat magnetis menimbulkan medan magnet. Oleh karena itu medan magnet akan terdeteksi bila di sekitar magnet masih terdapat daya tarik magnet, dimana bila dua kutub magnet yang sama bila didekatkan akan terjadi gaya tolak-menolak atau gaya tarik magnetnya akan saling meniadakan, sebaliknya bila dua kutub magnet yang berbeda saling didekatkan maka akan terjadi gaya tarik-menarik kedua kutub tersebut, karena daya tarik magnet dari kedua kutub magnet tersebut akan saling menambah kekuatan daya tariknya.
Medan magnet dapat pula ditimbulkan oleh kawat penghantar yang berarus listrik dan medan magnet yang ditimbulkan tersebut disebut juga medan listrik. Hal ini menunjukkan bahwa medan magnet dan medan listrik sama-sama menyebabkan daya tarik atau daya tolak tergantung pada besar dan jenis magnet dan besar arus listrik yang digunakan. Medan magnet yang besar ditimbulkan oleh magnet yang berukuran besar dan sifat kemagnetannya besar, demikian pula medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang besar akan menghasilkan medan magnet yang besar pula. Jadi terdapat hubungan yang erat antara medan magnet dengan medan listrik, dimana magnet yang ditimbulkan dari arus listrik disebut elektromagnet dan medan magnet yang ditimbulkan disebut medan listrik yang di dalamnya terdapat medan magnet.
Seorang guru besar Fisika berkebangsaan Denmark yaitu Hans Christian Oersted, melakukan percobaan yang menghasilkan hubungan antara arus listrik dengan kemagnetan. Pada tahun 1829 ia menemukan bukti bahwa arus listrik yang mengalir pada kawat penghantar menghasilkan medan magnet yang arahnya tergantung pada arah arus listrik yang mengalir. Medan magnet listrik akan semakin kuat apabila kawat penghantar dibuat melingkar (berupa lilitan/ solenoida) sehingga medan magnet dihasilkan dari tiap-tiap lingkaran kawat (solenoida) saling memperkuat. Solenoida akan berlaku sebagai magnet pada saat ada arus listrik. Kutub utara dan selatan solenoida berubah jika arus listriknya pun diubah. Untuk memperbesar medan magnet pada solenoida dapat dilakukan dengan menambah jumlah lilitan kawat, dengan menambah arus listriknya, atau dengan menambah inti besi di dalam solenoida. Dengan demikian medan magnet yang ditimbulkan akan lebih besar
karena medan magnet yang dihasilkan merupakan gabungan dari medan magnet kumparan dan medan magnet besi. Hal ini dapat disimpulkan bahwa medan magnet dapat menghasilkan gaya pada arus listrik yang selanjutnya disebut gaya Lorentz. Jadi gaya Lorentz adalah gaya tarik menarik atau tolak-menolak yang bekerja pada kawat yang berarus listrik. Gaya Lorentz akan timbul pada kawat yang dialiri arus listrik yang berada di dalam medan magnet.
Hubungan antara gaya Lorentz, arah arus listrik, dan medan magnet dinyatakan dengan aturan atau kaidah tangan sebagai berikut:
- I = ibu jari menunjukkan arah arus listrik
- B = Jari telunjuk menunjukkan kuat medan magnet
- F = Jari tengah menunjukkan gaya Lorentz
Sedangkan hubungan antara besarnya gaya Lorentz, kuat medan magnet, kuat arus listrik dan panjang kawat penghantar serta sudut arus dan medan magnet dinyatakan dengan persamaan:
F = B x i x l x Sin α
Dimana :
- F = Gaya Lorentz (Newton(N))
- B = Kuat medan magnet (Tesla(T))
- i = kuat arus yang mengalir (Ampere(A))
- l = panjang kawat penghantar (meter(m))
- Sin α = sudut antara arah arus dan medan magnet
Dengan demikian persamaan di atas dapat disimpulkan 3 hal yang mempengaruhi besarnya gaya Lorentz yaitu :
a. Kekuatan medan magnet (B)
b. Besar arus listrik yang mengalir (i)
c. Panjang kawat penghantar (l)
Contoh soal :
Seutas kawat penghantar panjangnya 5 meter, dialiri arus listrik 0,5A, menimbulkan kuat medan magnet 5 Tesla. Bila sudut arus diabaikan, tentukan besar gaya Lorentz yang terjadi.
Penyelesaian :
Diketahui : l = 5 m
i = 0,5 A
B = 5 T
Ditanya : F = ….. N
Jawab : F = B x i x l
F = 5T x 0,5A x 5m
F = 25 x 0,5
F = 12,5 N
4. Induksi Elektromagnetik
Sebagaimana telah diketahui bahwa medan magnet dapat ditimbulkan oleh listrik, hal ini berarti jika ada sumber arus, kita bisa dapat membuat magnet. Michael Faraday (1831) menyimpulkan bahwa medan magnet yang tetap, tidak menghasilkan arus listrik, namun perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. Arus listrik yang dihasilkan oleh adanya perubahan medan magnet disebut arus induksi atau arus imbas. Sedangkan proses terjadinya arus listrik akibat adanya perubahan medan magnet inilah yang dikenal dengan induksi elektromagnetik.
Beberapa hal yang dapat dijelaskan terkait dengan induksi elektromagnetik berdasarkan percobaan Faraday sebagai berikut :
a. Bila garis-garis gaya magnet yang masuk ke dalam suatu kumparan berubah banyaknya, pada kedua ujung kumparan akan timbul beda potensial atau gaya gerak listrik (ggl induksi)
b. Bila magnet digerakkan masuk kumparan, jarum galvanometer akan bergerak/ menyimpang ke satu arah, hal ini berarti terjadi perubahan medan magnet dan menghasilkan arus induksi.
c. Bila magnet didiamkan dalam kumparan, jarum galvanometer menunjuk angka nol atau tidak terjadi perubahan jumlah garis gaya, sehingga dalam kumparan tidak terjadi perubahan medan magnet
d. Bila magnet digerakkan keluar kumparan, jarum galvanometer akan menunjuk ke arah berlawanan, hal ini berarti terjadi perubahan garis gaya dan menimbulkan perubahan medan magnet.
e. Perubahan garis gaya itu dapat menginduksi kumparan, maka pada kedua ujung kumparan akan terjadi beda potensial induksi, maka arus listrik yang dihasilkan pun disebut arus listrik induksi.
f. Ketika magnet digerakkan keluar masuk kumparan, jarum galvanometer akan bergerak bolak-balik dan menghasilkan ggl bolak-balik sehingga menghasilkan arus induksi bolak-balik yang disebut arus listrik bolak-balik (Alternating current/arus AC) sedang arus listrik yang dihasilkan dari gerak magnet keluar atau masuk kumparan saja, disebut arus listrik searah (Dirrect current/arus DC).
g. Induksi elektromagnetik tidak lain adalah arus listrik yang timbul karena gerak induksi magnet keluar masuk kumparan.
h. Besar kecilnya ggl induksi atau arus listrik induksi tergantung pada :
- 1) Jumlah lilitan kumparan/solenoida (makin banyak jumlah lilitan pada kumparan, makin besar pula arus induksi yang dihasilkan)
- 2) Makin cepatnya gerak magnet keluar masuk kumparan
- 3) Kekuatan magnet yang digunakan
Pernyataan inilah yang dikenal dengan hukum Faraday
i. Perubahan banyaknya garis gaya yang masuk dalam kumparan, menyebabkan timbulnya ggl induksi dapat dilakukan dengan cara :
- 1) Menggerakkan magnet keluar masuk kumparan
- 2) Menggerakan kumparan keluar masuk magnet
- 3) Memutar magnet didekat ujung kumparan
- 4) Mengubah arus listrik yang mengalir pada kumparan primer pada saat memutuskan atau menghubungkan arus listrik
j. Induksi elektromagnetik digunakan pada :
- 1) dinamo atau generator listrik untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik
- 2) transformator (trafo) untuk mengubah tegangan arus bolak balik (menaikan atau menurunkan tegangan listrik bolak balik)