Kemagnetan

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 dari sebuah kawat lurus 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,

|Bp| = µo 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 r, seperti pada Gambar 2, kekuatan medan magnet di pusat dapat dihitung dari

|Bp| = µo 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. Konfigurasi lilitan kawat melingkar ini disebut solenoid. Medan magnet yang

terbangkitkan mirip dengan apa yang dihasilkan oleh magnet batang.

Medan magnet yang dibangkitkan solenoid terkonsentrasi dan seragam di

tengah-tengah solenoid. Kekuatan medan magnetnya, |Bs|, diberikan oleh.

|Bs| = N µo 4π I

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

|Bs| = µo 4π ρ I

4π

Di luar solenoid, medan magnet melemah dan menyebar. Kekuatannya menjadi setengah dari

kekuatan di tengah-tengahnya, yaitu

|Bs| = µo 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. 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 yang dirasakan oleh kawat I2 juga sepanjang ∆L2. Besar clan arah gaya magnet yang

dirasakan oleh kawat I2 karena kawat I1, tersebut diberikan oleh

F21 = I2 ∆L2 x B1

dengan besar dan arah |B1| dapat dihitung dari Persamaan (1). Persamaan (6) ini disebutjuga

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.

  

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 orisinainya 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

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 =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.

Kuantum Planck

Teori Kuantum Planck

Akhir tahun 1800, banyak ahli fisika berpikir untuk menerangkan prinsip utama dari alam semesta dan menemukan semua hukum alam. Tetapi kokonsistenan ini tidak bisa dengan mudah diterangkan yang ditunjukkan atas beberapa area studi.

Pada tahun 1901, Planck mempublikasikan hukum radiasi. Di dalamnya Planck menyatakan bahwa suatu isolator atau apapun sistem fisik yang serupa, kemungkinan mempunyai tingkatan atau nilai satuan energi terpisah.

Planck menyatakan bahwa emisi atau pancaran dan penyerapan radiasi dihubungkan dengan transisi atau lompatan antara dua tingkatan energi. Energi yang hilang atau yang diperoleh isolator dipancarkan atau diserap sebagai kuantum dari energi radiasi yang mana besarnya tersebut dinyatakan dalam persamaan :

E = h.u ………(1)

Dengan   : E = energi radiasi

                  H         = konstanta Planck

                        (6,626 x 10^-34 J.s)

                  u = frekuensi dari radiasi

Ketetapan Planck telah ditemukan untuk mempunyai arti diluar berhubungan dengan frekuensi dan energi dari cahaya dan menjadi suatu batu penjuru dan pandangan kuantum yang mekanis dari beberapa dunia sub atomik. Pada tahun 1918, Planck telah dihadiahi sebuah nobel untuk memperkenalkan teori kuantum cahaya.

Efek Fotolistrik

Didalam emisi atau pancaran yang photoelectric, bantuan cahaya merupakan suatu material yang disebabkan oleh pancaran elektron. Model gelombang klasik diramalkan ketika intensitas dari cahaya masuk itu telah ditingkatkan amplitudonya dan begitu energi gelombang akan meningkat. Sehingga menyebabkan fotoelektron lebih cepat untuk dipancarkan. Model kuantum yang baru meramalkan cahaya dengan frekuensi yang lebih tinggi itu akan menghasilkan energi fotoelekton yang lebih tinggi, tidak terikat pada intensitas. Sedangkan intensitas ditingkatkan menyebabkan pancaran elektron banyak meningkat (arus photoelectric).

Pada awal 1900-an beberapa penyelidikan menemukan bahwa energi kinetik dari fotoelektron adalah bergantung pada panjang gelombang atau frekuensi dan tidak terikat pada intensitas, sedangkan besar dari arus photoelectric atau jumlah elektron adalah bergantung dengan intensitas seperti yang diramalkan oleh model kuantum. Einstein yang menerapkan teori Planck dan menerangkan efek fotolistrik dalam kaitannya dengan mode kuantum dengan menggunakan persamaan yang terkenal dimana ia mendapatkan nobel di tahun 1921 yaitu ;

E = h.u = K.E_maks + W₀ …. (2)

Dengan   :

E          = Energi yang disediakan oleh kuantum dari cahaya yang dikenal sebagai suatu satuan energi dalam cahaya

K.E_maks =  Energi kinetik maksimum dari emisi fotoelektron.

W₀       = Energi yang diperlukan untuk memindahkan fotoelektron dari permukaan material (fungsi kerja)

Eksperimen h/e

Suatu cahaya foton dengan energi hu adalah peristiwa ketika suatu elektron di katoda dari suatu tabung ruang hampa. Elektron menggunakan W_minimum ini merupakan energi untuk lepas dari katoda. Sisa-sisa itu dengan energi maksimum KE dalam wujud energi kinetik maksimum. Secara normal emisi elektron menjangkau kutub anoda (positif) dari tabung dan dapat diukur sebagai arus fotolistrik.

Bagaimanapun dengan menerapkan suatu potensial kebalikan antara kutub positif dan negatif. Arus fotolistrik dapat dihentikan. K.E_maks dapat ditentukan dengan mengukur potensial kebalikan yang minimum diperlukan untuk menghentikan fotoelektron dan mengurangi arus fotolistrik menjadi nol. Hubungan energi kinetik menghentikan potensial memberikan persamaan yaitu :

K.E_maks = V₀.e …… (3)

Dengan melakukan subtitusi pada persamaan Einstein maka diperoleh :

E = h.u = K.E_maks + W₀

       h.u = V₀.e + W₀

Sehingga persamaan tersebut untuk memperoleh V, maka menjadi :

Jika kita meletakkan hubungan antara frekuensi (u) Vs potensial henti (V₀) untuk cahaya pada frekuensi yang berbeda, grafik akan terlihat :

 

Grafik hubungan antara frekuensi (u) Vs Potensial henti (V₀)

V₀ akan sebanding dengan  dan kemiringannya merupakan h/e. Penggabungan percobaan ini adalah menentukan rasio dengan harga yang sebanding dengan e = 1,602 x 10^-19 C, sehingga dapat menentukan konstanta Planck (h)

Apparatus h/e

Alat ini bekerja berdasarkan efek fotolistrik ketika cahaya monokromatik jatuh pada tabung foto dioda vakum yang mempunyai fungsi kerja rendah. W₀ elektron dialirkan dari anoda ke katoda. Untuk mengukur potensial henti anoda dihubungkan dengan stopkontak output di depan panel apparatus impedansi tinggi (V_out/V_in= 1). Mengukur amplifier potensial henti dengan voltmeter digital. Kisi-kisi pendingin dengan lubang udara pada aluminium benar-benar sejuk. Pada eksperimen ini, sumber gas merkuri yang digunakan adalah model OS-9286 dari Pasco Scientific menyediakan 3000 lumen cahaya pada spektrum merkuri.

Nama          : Anggun Dias Saifunnisa'
TTL             : Trenggalek, 21 Agustus 1990
Kesibukan   : Masih kuliah aj tuh.. ....
Email           :   p_rizky71@ymail.com