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.