BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Magnet

Pengetahuan tentang sifat magnet tumbuh dari pengamatan bahwa batu-batu (magnetic) tertentu dapat menarik potongan logam besi. Kata magnet berasal dari kata magnesia (bahasa Yunani) yang berarti batu Magnesian. Magnesia adalah nama sebuah wilayah di Yunani pada masa lalu yang kini bernama Manisa (sekarang berada di wilayah Turki) di mana terkandung batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayah tersebut. Magnet dapat menarik benda lain yang berasal bahan logam. Namun tidak semua logam dapat ditarik oleh magnet.Besi dan baja adalah dua contoh logam yang mempunyai daya tarik yang tinggi oleh magnet. Magnet alam yang lain adalah bumi sendiri, yang dapat mengarahkan sebuah jarum kompas, yang telah dikenal sejak lama dan digunakan sebagai alat navigasi dalam pelayaran. Pada tahun 1820 Oested menemukan bahwa arus listrik yang dialirkan pada selembar kawat dapat menghasikan efek magnetik yaitu dapat mengubah arah (orientasi) sebuah jarum kompas. Magnet memiliki dua tempat yang gaya magnetnya paling kuat. Daerah ini disebut kutub magnet.Ada 2 kutub magnet, yang dinamakan kutub utara (U) dan kutub selatan (S).Gaya-gaya magnet juga timbul di sekitar magnet arahnya dapat dengan cara menaburkan serbuk besi pada kertas yang diletakkan di atas magnet seperti terlihat pada gambar beriut ini.

Gambar 2.1 pola garis medan magnet

5 Universitas Sumatera Utara

6

2.2 Efek Hall

Dari penelitian seorang fisikawan E.H.Hall didapatkan bahwa bukan electron yang bermuatan negative saja yang dapat menghantarkan arus listrik, sebab ternyata ditemukan juga pada keadaan khusus kita menemukan partikel-partikel bermuatan positif yang dikenal dengan sebutan hole dapat juga bertindak sebagai penghantar arus. Kita dapat menyimpulkan bahwa hole sepenuhnya berkelakuan mirip seperti partikel positif. Efek hall dari semikonduktor lebih penting dalam suatu logam, karena disini pembawa arus lebih sedikit sehingga koefisien hallnya sangat besar dibandingkan dengan logam. Tegangan timbul karena pembawa arus negative atau posisi dalam logam dibelokkan oleh medan magnet sehingga tertumpuklah pada masing masing permukaan muatan yang berlawanan.Adanya keadaan lebih positif dan lebih negative pada permukaan yang bertolak belakang yang menimbulkan beda potensial. Tegangan inilah yang dikenal dengan tegangan Hall. Efek Hall terjadi ketika konduktor pembawa arus dipengaruhi oleh medan magnet, medan magnet menimbulkan gaya pada muatan-muatan yang mengalir pada konduktor sehingga muatan akan dibelokkan sesuai dengan jenis muatannya. Gambar dibawah menunjukkan dua lempengan yang mengalirkan arus yang salah satunya menyalurkan arus I ke kanan karena sisi kiri lempengan itu dihubungkan dengan terminal positif baterai, dan sisi kanan dihubungkan ke terminal negatif baterai. Lempengan ini berada dalam medan magnetik yang diarahkan ke dalam. Pada gambar 1.a, diasumsikan bahwa arus tersebut terdiri atas muatan positif yang bergerak ke kanan.

Universitas Sumatera Utara

7

(a)

(b)

Gambar 2.2 Efek Hall, a) Partikel positif bergerak ke kanan, b) Partikel negatif bergerak ke kiri

Pembawa arus adalah hole yang bermuatan positif sehingga arahnya searah dengan arah arus. Hasil V+ x B menyebabkan timbulnya gaya F yang sejajar dengan sumbu Y. Ini mengakibatkan hole-hole tadi dibelokkan kekanan sehingga timbul medan listrik karena permukaan sebelah kanan memiliki muatan positif lebih besar dibandingkan permukaan sebelah kiri. Kesetimbangan akan terjadi karena medan magnet B yang membelokkan pembawa muatan kearah kanan/kiri diimbangi oleh tenaga listrik yang mengarah kekiri/kanan.

U

p EH

B

e

v

e

A

v

E

VH

l

t

B S

e

=

Gambar 2.3 Pembelokan medan magnet ( 2.1)


8

Jika n adalah jumlah muatan persatuan, volume : I = n q v t l ; v adalah kecepatan bergerak dari muatan. Tegangan Hall VH yang terjadi , besarnya yaitu : (2.2) Dengan : V

= Tegangan Hall (Volt)

t

= Tebal cuplikan (m)

I

= Arus yang melalui cuplikan (Ampere)

B

= Medan magnet (Wb/m2atau Tesla)

n

= Rapat muatan ( m-3)

F

= Gaya (N)

l

= Panjang cuplikan (meter)

q

= Muatan elementer (Coulomb)

2.3 Hukum Ampere

Penemuan bahwa arus efek-efek magnet dibuat Hans Cristian Oersted didalam tahun 1820.Oesrted membuat penemuannya sehubungan dengan demostrasi didalam kelas. Jika kita membuat kawat yang berarus sebagai sumber khas medan dan sebagai objek khas pada medan magnet maka sebagai anaologi dengan argumentasi untuk medan listrik kita dapat menuliskan: Arus ↔ Medan (B) ↔ Arus, Yang menyarankan bahwa arus menghasilkan medan magnet dan bahwa medan magnet mengerahkan gaya pada arus. Jika tidak ada arus didalam kawat, maka semua magnet disejajarkan dalam arah komponen horijontal medan magnet bumi. Jika didalam kawat ada sebuah arus yang kuat, maka magnet magnet mengarah demikian rupa yang menyearahkan bahwa garis-garis medan magnet berbentuk lingkaran tertutup disekeliling kawat tersebut.


9

Gambar 2.4 Hukum Ampere

Sekarang kita menuliskan hubungan kuantitatif diantara arus I dan medan magnet B sebagai: (2.3) (2.4) Dengan : B

= medan magnet (Wb/m2atau Tesla)

µo

= permebilitas vakum ( 4π.10-7Wb/Am)

I

= kuat arus listrik yang melalui kawat ( A )

r

= jarak titik kawat berarus listrik (m)

dl

= panjang elemen kawat (m)

Hubungan antara I dan B dikenal sebagai hukum ampere.Hukum Ampere menyatakan bahwa ada gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua kawat paralel yang membawa arus listrik. Gaya ini digunakan dalam definisi dari ampere, yang menyatakan bahwa "arus konstan akan menghasilkan gaya tarik dari 2 × 10-7 newton per meter panjang antara dua penghantar lurus, konduktor paralel panjang tak terbatas dan melingkar diabaikan penampang ditempatkan satu meter dalam ruang hampa / vakum ". Eksperimen tersebut terdiri dari pengukuran B berbagai jarak r dari sebuah kawat lurus yang panjang yang penampangnya berbentuk lingkaran yang mengangkut sebuah arus i. Marilah kita taruh sebuah jarum kompas yang kecil sejarak r dari kawat tersebut. Jarum seperti itu, yang merupakan sebuah dipole magnet yang kecil


10

cenderung untuk menjadi sejajar untuk medan magnet luar. Dengan kutub utaranya menunjuk kearah B. Jika arah arus didalam kawat dibalik, maka semua jarum kompas akan membalik kedudukan ujung-ujungnya, hasil eksperimen ini menunjukkan kaidah tangan kanan. Untuk menentukan arah B didekat sebuah kawat yang mengangkut arus I , genggamlah kawat tersebut dengan tangan kanan, dengan inu jari yang menunjuk didalam arah arus, maka jari lainnya akan melingkar menintari kawat didalam arah B.

Gambar2.5Medan Magnet Pada Kawat Lurus

2.4 Dua Penghantar Yang Sejajar

Gambar dibawah memperlihatkan dua kawat sejajar yang panjang yang terpisah sejarak r terhadap satu sama lain yang mengangkut arus arus I1dan I

2

. Untuk

melihat efek medan magnet yang dihasilkan oleh kawat listrik berarus, Andre Marie Ampere melakukan sederetan percobaan, beberapa minggu setelah Oersted mempublikasikan hasil temuannya mengenai arus listrik yang menghasilkan efek magnetik, dan hasilnya adalah bahwa dua rangkaian yang dialiri arus listrik yang berada pada jarak tertentu menghasilkan gaya magnet yang besarnya sebanding dengan kuat arus yang mengalir pada kawat dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan keduanya.


11

Gambar 2.6 Medan Magnet Pada Dua Kawat Lurus

Beberapa orang diantara teman sejawat Ampere berpikir bahwa berdasarkan eksperimen Oersted maka tarikan diantara kedua penghantar merupakan suatu hasil yang jelas dan tidak perlu dibuktikan. Mereka mengemukakan bahwa jika kawat 1 dan 2 masing-masing mengerjakan gaya pada sebuah jarum kompas maka kawat-kawat tersebut haruslah saling mengerahkan gaya terhadap satu sama lain. Kesimpulan mereka tersebut adalah salah. Kawat 1 akan menghasilkan sebuah medan magnet B1 pada semua titik yang berada didekatnya. Besarnya B1 yang ditimbulkan oleh arus I1 ditempat kedua kawat adalah (2.5) Dengan : B

= Medan magnet [Wb/m2atau Tesla]

µo

= pemeabilitas magnetik di udara (Wb/mA)

r

= jarak pada penghantar (m)

I

= arus pada kawat penghantar (A)

Kaidah tangan kanan memperlihatkan bahwa arah B1 pada kawat 2 adalah ke bawah.Tarikan diantara dua kawat sejajar yang panjang digunakan untuk mendefenisikan Ampere. Misalkan bahwa jarak diantara kedua kawat tersebut adalalah satu meter (r = 1.0 m) dan bahwa kedua arus tersebut adalah sama (I1 = Ib = I). Jika arus bersama ini diatur sehingga menurut pengukuran gaya tarik


12

menarik persatuan panjang diantara kawat kawat tersebut adalah tepat sebesar 2.10-7 N/m, maka arus tersebut didefenisikan sebagai satu Ampere. Dimana diketahui bahwa gaya persatuan panjang (F/l) untuk kedua penghantar sama. Apabila arah arus I1 dan I2 searah mengakibatkan terjadi gaya tarik-menarik dan bila I1 dan I2 berlawanan arah maka terjadi gaya tolak-menolak dengan: (2.6) (2.7)

Dengan :

0

=Pemeabilitas magnetik di udara (Wb/mA)

F

= Gaya (N)

B

= Medan magnet (Wb/m2atau Tesla)

d

=Jarak kedua penghantar (m)

I1

= Arus pada kawat penghantar l1 (A)

I2

= Arus pada kawat pengahntar I2 (A)

l1

=Panjang kawat penghantar 1 (m)

l2

= Panjang kawat penghantar 2 (m), Karena l1 = l2 = l

2.5 Hukum Biot-Savart

Kita dapat menggunakan hukum Ampere untuk menghitung medan–medan magnet hanya jika simetri distribusi arus adalah cukup tinggi untuk membolehkan perhitungan yang mudah dari integral garis ∮B.dl. Pernyataan ini membatasi kegunaan hukum tersebut didalam soal-soal praktis. Hukum tersebut bukan berarti gagal, hukum tersebut hanya menjadi saklar untuk dipakaikan dengan cara berguna. Kita menggunakan hukum gauss untuk menghitung medan medan listrik hanya jika simetri distribusi muatan adalah cukup tinggi untuk membolehkan perhitungan yang mudah dari intregral permukaan ∮E.ds. Untuk menghitung E didalam sebuah titik yang diberikan untuk sebuah distribusi muatan yang sembarang, maka kita membagi distribusi tersebut ke dalam elemen-elemen muatan dq dan menggunkan hukum Coulomb untuk menghitung distribusi medan dE yang ditimbulkan oleh setiap elemen pada titik yang ditinjau.


13

Kita sekarang menjelaskan sebuah prosedur yang serupa untuk menghitung B pada setiap titik yang ditimbulkan oleh sebuah distribusi arus yang sembarang.Kita membagi bagi distribusi arus tersebut ke dalam elemen-elemen arus dan dengan hukum biot savart maka kita menghitung kontribusi dB yang ditimbulkan oleh setiap elemen arus pada titik yang ditinjau. Kita mencari mean B pada titik tersebut dengan mengintegralkan kontibusi kontribusi medan magnet untuk seluruh distribusi.

Gambar 2.7Hukum Biot-Savart

Dari gambar memperlithatkan sebuah distribusi arus yang sembarang yang terdiri dari sebuah arus I di dalam kawat yang melengkung.Gambar tersebut memperlihatkan juga sebuah elemen arus khas, elemen tersebut adalah sebuah panjang dl dari penghantar yang mengangkut arus i. Arahnya adalah arah garis singgung pada penghantar.Sebuah elemen arus tidak dapat berada pada suatu kesatuan yang terisolasi karena sebuah jalan yang mengalirkan arus kedalam sebuah elemen tersebut harus disediakan pada satu ujung dan keluar dari elemen tersebut ke ujung lainnya. Misalkan P adalah titik pada nama kita ingin mengetahui medan magnet dB yang diasosiasikan dengan elemen arus tersebut. Menurut hukum Biot-Savart maka besarnya dB yang diberikan adalah (2.8) Dimana r adalah vector pergeseran dari elemen tersebut ke P dan θ adalah sudut diantara vector dl. Arah dB adalah verktor dl x r. kita dapat menuliskan hokum Biot dan Savart didalam bentuk vector sebagai : (2.9)


14

Bila kita menyatakannya didalam besarnya perumusan tersebut memberikan juga infornasi lengkap mengenai arah dB, yakni bahwa arah tersebut adalah sama seperti arah vector dl x r. Medan resultan di titik P didapatkan dengan mengintegralkan : (2.10) Dengan: dB

= Medan magnet [Wb/m2atau Tesla]

µo

= Pemeabilitas magnetik di udara (Wb/mA)

I

=kuat arus pada kawat dalam ampere ( A )

dl

= panjang elemen kawat (m)

r

=jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m )

Dimana integral tersebut adalah sebuah integral vector.

2.6 Medan magnet pada kawat melingkar

Sebuah kawat melingkar berada pada sebuah bidang mendatar dengan dialiri arus listrik,apabila kawat melingkar tersebut dialiri arus listrik dengan arah tertentu maka disumbu pusat lingkaran akan muncul medan magnet dengan arah tertentu. Arah medan magnet ini ditentukan dengan kaidah tangan kanan.Dengan aturan sebagai berikut:Apabila tangan kanan kita menggenggam maka arah ibu jari menunjukkan arah medan magnet sedangkan keempat jari yang lain menunjukkan arah arus listrik. Sebuah penghantar melingkar jika dialiri arus listrik akan menghasilkan medan listrik seperti penghantar melingkar yang berbentuk kumparan panjang disebut solenoida. Medan magnet yang ditimbulkan oleh solenoida akan lebih besar daripada yang ditimbulkan oleh sebuah penghantar melingkar, apalagi oleh sebuah penghantar lurus. Besar dan arah medan magnet disumbu kawat melingkar berarus listrik dapat ditentukan dengan rumus :


15

Gambar 2.8 Medan Magnet PadaKawat Melingkar

( 2.11) Untuk sejumlah N lilitan kawat berlaku : (2.12) Dengan : BP

= Induksi magnet di P pada sumbu kawat melingkar dalam tesla ( T)

I

= kuat arus pada kawat dalam ampere ( A )

a

= jari-jari kawat melingkar dalam meter ( m )

r

= jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m )

θ

= sudut antara sumbu kawat dan garis hubung P ke titik pada lingkaran kawat dalamderajad (°)

x

= jarak titik P ke pusat lingkaran dalam mater ( m )

Besarnya medan magnet di pusat kawat melingkar dapat dihitung : , untuk N lilitan kawat maka :

(2.13)

Dengan: B

= Medan magnet dalam tesla ( T )

µo

= Permeabilitas ruang hampa = 4п . 10 -7 Wb/am

I

= Kuat arus listrik dalam ampere ( A )

A

= Jarak titik P dari kawat dalam meter (m)


16

2.7 B untuk Sebuah Solenoida

Solenoida (solenoid) adalah sebuah kawat panjang yang dililitkan didalam sebuah helix yang terbungkus rapat dan yang mengangkut sebuah arus i. Untuk titik-titk yang dekatkepada sebuah lilitan tunggal solenoid tersebut, pengamat tidak menyadari bahwa kawat tersebut dibengkokkan didalam bentuk sebuah busur. Kawat tersebut bersikap secara magnetic hampir menyerupaisebuah kawat lurus yang panjang, dan garis-garis B yang ditimbulkan oleh lilitan tunggal ini adalah merupakan lingkaran – lingkaran konsentris. Medan solenoid tersebut adalah jumlah vector dari medan–medan yang ditimbulkan oleh semua lilitan yang membuat atau yang membentuk solenoid tersebut.Lihat gambar dibawah yang memperlihatkan sebuah solenoid dengan lilitan–lilitan yang sangat jarang (widely spaced turns), menganjurkan bahwa medan–medan

cenderung

untuk

saling

menghilangkan

diantara

kawat–

kawattersebut.

Gambar2.9 Medan Magnet Pada Selonoida

Pada gambar menjelaskan bahwa pada titik-titik di dalam solenoid dan tempat yang cukup jauh dari kawat – kawat tersebut, B adalah sejajar dengan sumbu solenoid. Didalam kasus pembatas atau limiting case mengenai kawat – kawat segiempat kuadratis yang berdekatan yang terbungkus dengan erat, maka solenoid tersebut pada pokoknya akan menjadi lembar arus silender dan persyaratan – persyaratan simetri. Untuk titik P seperti gambar diatas, lilitan solenoid yang

tandai

menunjuk kekiri dan cenderung untuk menghilangkan medan yang ditimbulkan


17

oleh bagian bawah lilitan solenoid tersebut (yang ditandai dengan

)

yang

menunjuk kekanan. Jika solenoid tersebut semakin bertambah ideal yakni jika solenoid mendekati konfigurasi sebuah lembar arus silender yang panjangnya takberhingga, maka medan B di titik – titik luar mendekati nol. Dengan mengambil medan luar sebesar nol bukanlah merupakan sebuah anggapan yang buruk untuk sebuah solenoid yang digunakan didalam praktek jika panjangnya jauh lebih besar dari pada diameternya, dan jika kita hanya meninjau titik – titik luar yang dekat dengan daerah pusat solenoid yakni yang jauh dari ujung – ujung solenoid. Pemakaian hukum ampere adalah: (2.14) Pada hukum ampere diatas menjelaskan bahwa integral sebagai jumlah dari empatintegral, satu integral untuk satu segmen: B = μ0 i n

(2.15)

dimana : B

= medan magnet [Wb/m2atau Tesla]

i

= arus yang mengalir pada kawat/lilitan [A]

μ0

= permeabilita sudara [T.m/A atau wb/A.m]

n

= jumlah lilitan

2.8 Fluks magnet

Garis-garis yang menggambarkan pola medan magnet disebut garis-garis gaya magnet. Garis-garis gaya magnet tidak pernah berpotongan satu sama lainnya. Makin banyak jumlah garis-garis gaya magnet makin besar kuat medan magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan magnet yang digambar berupa garis lengkung. Dua kutub magnet yang tidak sejenis saling berdekatan pola medan magnetnya juga berupa garis lengkung yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik. Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub


18

utara masing-masing cenderung saling menolak. Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara

garis-garis gaya yang keluar

kedua kutub utara magnet. Fluks magnet didefenisikan sebagai perkalian antara medan magnet B dengan luas bidang A yang tegak lurus dengan induksi magnetnya. Secara matematis ditulis: (2.16)

Gambar 2.10 Fluks magnet

Dalam kenyataanya, induksi magnet B tidak selalu tegak lurus pada bidang, sehingga rumus flukks magnet diatas berubah menjadi : (2.17) Dengan :

θ = sudut antara arah induksi magnet denga arah normal bidang = fluks magnet ( Wb ) A = luas bidang B = Induksi magnet ( T)

2.9 Penghitungan Induktans

Kita mampu menghitung kapasitansi secara langsung dengan menggunakan factor-faktor geometris untuk sejumlah kecil kasus, seperti kapasitor bidang sejajar. Dengan cara yang sama kita dapat menghitung induktans diri L untuk sejumlah kesil kasus khusus. L = N2µoA / l

(2.18)

µ = µr µ0

(2.19)

dimana :


19

L

= Induktansi dari kumparan dalam Henry

N

= Jumlah putaran/lilitan pada kumparan kawat (kawat yang lurus berarti N=1)

µ

= Permeabilitas dari bahan inti (absolut, bukan relatif)

µr

=Permeabilitas relatif, tidak mempunyai dimensi satuan alias konstanta (untuk udara µ0=1)

µ0

= 1.26 × 10-6 T-m/ A-t adalah permeabilitas dari ruang bebas

A

= Luas penampang kumparan dalam meter persegi (bila penampang berbentuk lingkaran = πr2)

L

= Panjang kumparan dalam meter

Induktans dari panjang l dari sebuah selonoida adalah sebanding dengan volumenya dan dengan kuadrat banyaknya lilitan per satuan panjang. Perhatikan bahwa induktans tersebut hanya bergantung pada factor-faktor geometris. jika kita melipat duakan banyaknya lilitan persatuan panjang, maka hanya lilitan total N yang dilipat duakan tetapi juga fluks ϕB yang melalui setiap lilitan akan dilipat duakan, yang menghasilkan factor keseluruhan sebesar empat untuk tautan fluks NϕB. Karena pada faktanya, nilai permeabilitas berubah-ubah bila intensitas medannya berubah (ingat ketidaklinieran kurva B/H untuk berbagai macam bahan). Karena nilai permeabilitas (µ) pada persamaan itu tidak stabil, maka induktansi (L) juga tidak stabil dalam beberapa derajat bila arus yang mengaliri koil berubah-ubah

2.10 kurva Histerisis Magnet

Bahan feromagnetik memiliki suseptibilitas magnetik yang amat besar, yakni dalam orde ribuan, bahan tersebut juga memiliki sifat khusus, yakni memperlihatkan gejala apa yang disebut histerisis yang secara umum didefinisikan sebagai keterlambatan reaksi atau respon atas aksi yang lazim terjadi pada kebanyakan komponen mesin. Perilaku Histeresis dan magnetisasi permanen dapat dijelaskan oleh gerakan dinding domain. Setelah pembalikan arah medan dari kejenuhan, proses di mana perubahan struktur domain terbalik. Pertama, ada


20

rotasi dari domain tunggal dengan bidang terbalik. Selanjutnya, domain memiliki momen magnetik sejajar dengan bentuk bidang baru dan tumbuh dengan mengorbankan mantan domain. Kritis untuk penjelasan ini adalah perlawanan terhadap gerakan dinding domain yang terjadi sebagai respons terhadap peningkatan medan magnet dalam arah yang berlawanan, ini menyumbang B dengan H, atau histeresis. Ketika medan listrik mencapai nol, masih ada beberapa fraksi volume net domain berorientasi di bekas arah, yang menjelaskan keberadaan Br remanen . Untuk mengurangi lapangan B dalam spesimen ke nol, medan H besarnya Hc harus diterapkan dalam arah yang berlawanan dengan medan asli, Hc disebut koersivitas, atau kadang-kadang kekuatan koersif. Setelah kelanjutan dari medan listrik dalam arah sebaliknya ini, seperti yang ditunjukkan pada gambar, saturasi akhirnya dicapai dalam arti yang berlawanan, sesuai dengan titik S. Sebuah pembalikan kedua lapangan untuk titik saturasi awal (titik S) melengkapi hysteresis loop simetris dan juga menghasilkan kedua remanen negatif (Br) dan koersivitas positif ( Hc).

Gambar 2.11 Kerapatan Fluks versus Kekuatan Medan Magnet

Sebagai bidang H diterapkan, domain berubah bentuk dan ukuran dengan pergerakan batas-batas domain. Struktur domain Skema diwakili di beberapa titik di sepanjang B – versus- H kurva pada gambar diatas. Awalnya, saat-saat domain konstituen secara acak berorientasi sedemikian rupa sehingga tidak ada jaring B (atau M) lapangan. Sebagai bidang eksternal diterapkan, domain yang berorientasi


21

pada arah yang menguntungkan (atau hampir sejajar dengan) medan listrik tumbuh dengam yang berorientasi tidak baik .

Gambar 2.12PerilakuB-versus-H

Bidang B mulai meningkat perlahan-lahan, kemudian lebih cepat, akhirnya meratakan off dan menjadi independen H. Nilai maksimum ini B adalah kejenuhan kerapatan fluks B, dan magnetisasi sesuai adalah magnetisasi saturasi Ms . Karena permeabilitas adalah kemiringan kurva B - versus- H, dapat dicatat dari Gambar diatas bahwa perubahan permeabilitas dengan dan tergantung pada H. Pada kesempatan tersebut, kemiringan kurva B - versus- H di H 0 ditetapkan sebagai properti material, yang disebut sebagai permeabilitas awal.Dalam kemagnetan, histerisis ini berkaitan dengan keterlambatan variasi induksi magnetik B terhadap variasi medan magnet H yang dikenakan, yang berarti permeabilitas magnetik bahan bukan merupakan tetapan melainkan bervariasi selama proses pengubahan kuat medan magnet. Dalam proses magnetisasi bahan, semula induksi magnetik B lebih pesat daripada bertambahnya kuat medan magnet H, tetapi kemudian variasi B itu lebih lambat sampai terjadi keadaan jenuh di mana variasi H hampir tidak mengubah B. Kalau kemudian kuat medan magnet H semakin dikurangi, maka induksi magnetik B tidak segera mengikuti pengubahan H, sehingga pada saat H = 0, B belum menjadi nol tetapi masih tersisa sebesar apa yang dinamakan remanen magnetik Br. Untuk membuat B = 0 diperlukan pembalikan medan magnet H sampai sejauh apa yang disebut gaya


22

koersif Hc, selanjutnya pembalikan kembali arah

H

yang mengakibatkan

pembalikan arah B, tetapi perubahan B tidak secepat perubahan H.

2.11 Permeabilitas Magnet

Permeabilitas (permeability) adalah kemampuan suatu benda untuk dilewati garis gaya magnet. Permeabilitas dinyatakan dengan simbol µ . Benda yang mudah dilewati garis gaya magnet disebut memiliki permabilitas yang tinggi. Permebilitas magnet merupakan konstanta perbandingan antara rapat fluks (B) dengan kuat medan (H) yang digasilkan magnet. Untuk udara dan bahan nonmagnetik, permeabilitas dinyatakan sebagai permeabilitas ruang kosong (µo = 4π.10-7 H/m ), sehingga : B/H = µo

(2.20)

Untuk bahan lain maka permeabilitasnya sebanding dengan permeabilitas ruang kosong dikalikan permeabilitas relatif bahan (µr). Sehingga diperoleh : B/H = µo µr

(2.21)

Permeabilitas relatif didefenisikan debagai : (2.22) Dengan : B

= kerapatan fluks per medter persegi (Tesla)

µ

= permeabilitas suatu benda

µr

= permeabilitas relatif

µo

=permeabilitas udara

H

= kuat medan magnet dalam satuan ampere-turns per meter (At/m)

Sehingga pada ruang hampa, µr = 1 dan µo µr = µ, dinamakan permeabilitas absolut. Dengan konstanta permeabilitas maka karakteristik kemagnetan suatu bahan dapat digambarkan dalam kurva perbandingan B – H. Permeabilitas µ dari benda-benda magnetik adalah perbandingan antara B dengan H, dinyatakan dengan rumus: (2.23)


23

Semakin besar arus yang mengalir didalam suatu kumparan, semakin besar kuat medannya, begitu juga semakin banyak lilitan kawatnya, semakin banyak dihasilkan garis gaya magnet. Perkalian antara kuat arus dan jumlah lilitan disebut Ampere-lilitan, atau gaya gerak magnet, dinyatakan dengan rumus : (2.24) Dengan : F = gaya gerak magnet (ggm) dalam satuan At (=Ampere turns) N = jumlah lilitan I = kuat arus pada kawat kumpaaran dalam satuan Ampere

Bila suatu kumparan direnggangkan menjadi dua kali dari panjang aslinya, maka kuat medan magnetnya menjadi setengahnya. Field intensity (kuat medan magnet) berbanding lurus dengan jumlah lilitan dan besar arus pada kawat kumparan dan berbanding terbalik dengan panjang kumparan. Hal ini dinyatakan dengan rumus: (2.25) Dengan : H

= kuat medan magnet dalam satuan ampere-turns per meter (At/m)

NI

= ampere-turns (lilitan-ampere), dalam satuan At

l

= panjang

Persamaan diatas untuk kumparan dengan inti udara. Bila digunakan inti yang lain, misalnya besi, maka H adalah kuat medan magnet pada inti, sedangkan l adalah jarak antara ujung kedua kutub inti (panjang inti) tersebut.

2.12 Dipol Magnet

Kekuatan magnet yang dihasilkan dengan memindahkan partikel bermuatan listrik, Pasukan magnetic ini di samping setiap gaya elektrostatik yang mungkin berlaku. Banyak kali akan lebih mudah untuk memikirkan kekuatan magnet dalam hal bidang. Garis imajiner kekuatan dapat ditarik untuk menunjukkan arah gaya pada posisi di sekitar sumber lapangan. Distribusi medan magnet seperti yang ditunjukkan oleh garis-garis gaya diperlihatkan untuk loop saat ini dan juga.


24

Dipol magnetik dapat dianggap sebagai magnet bar kecil yang terdiri dari kutub utara dan selatan bukan muatan listrik positif dan negatif. Dipol magnetik dipengaruhi oleh medan magnet dalam cara yang mirip dengan cara di mana dipol listrik dipengaruhi oleh medan listrik. Dalam medan magnet, kekuatan bidang itu sendiri memberikan sebuah torsi yang cenderung mengarahkan dipol dengan lapangan.

2.13 Kemagnetan Bahan

Kita dapat menggolongkan benda berdasarkan sifatnya. Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda bukan magnet. Namun, tidak semua benda yang berada di dekat magnet dapat ditarik. Benda yang dapat ditarik magnet disebut benda magnetik. Benda yang tidak dapat ditarik magnet disebut benda nonmagnetik. Benda yang dapat ditarik magnet ada yang dapat ditarik kuat, dan ada yang ditarik secara lemah. Oleh karena itu, benda dikelompokkan menjadi tiga, yaitu benda feromagnetik, benda paramagnetik, dan benda diamagnetik. Bendabenda magnetik yang bukan magnet dapat dijadikan magnet. Benda itu ada yang mudah dan ada yang sulit dijadikan magnet. Besi mudah untuk dibuat magnet, tetapi jika setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya mudah hilang. Oleh karena itu, besi digunakan untuk membuat magnet sementara.

2.13.1 Bahan Diamagnetik

Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing atom/ molekulya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin elektronnya tidak nol. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektronelektron dalam atom akan mengubah gerakannya sedemikian rupa sehingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan medan

magnet

luar

tersebut.Contohnya

timah,

aluminium,

emas,

dan

bismuth.Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron.Karena


25

atom mempunyai elektron orbital, maka semua bahan bersifat diamagnetik. Suatu bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis gaya.

2.13.2 Bahan Paramagnetik

Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/ molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom/ molekul dalam bahan nol, hal ini disebabkan karena gerakan atom/ molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan. Di bawah pengaruh medan eksternal, mereka mensejajarkan diri karena torsi yang dihasilkan. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar.

Gambar 2.13 Arah domain-domain dalam bahan paramagnetik sebelum diberi medan magnet luar

Bahan ini jika diberi medan magnet luar, elektron-elektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar.


26

Gambar 2.14 Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberi medan magnet luar. Dalam bahan ini hanya sedikit spin elektron yang tidak berpasangan, sehingga bahan ini sedikit menarik garis-garis gaya. Dalam bahan paramagnetik, medanB yang dihasilkan akan lebih besar dibanding dengan nilainya dalam hampa udara.

2.13.3 Bahan Feromagnetik

Bahan ferromagnetik mempunyai resultan medan magnet atomis besar, hal ini disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan ini banyak spin elektron yang tidak berpasangan, masing-masing spin elektron yang tidak berpasangan ini akan menimbulkan medan magnetik, sehingga medan magnet total yang dihasilkan oleh satu atom menjadi lebih besar. Medan magnet dari masing-masing atom dalam bahan ferromagnetik sangat kuat, sehingga interaksi diantara atom-atom tetangganya menyebabkan sebagian besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok, kelompok inilah yang dikenal dengan domain. Domain-domain dalam bahan ferromagnetik, dalam ketiadaan medan eksternal, momen magnet dalam tiap domain akan paralel, tetapi domain-domain diorientasikan secara acak, dan yang lain akan terdistorsi karena pengaruh medan eksternal. Domain dengan momen magnet paralel terhadap medan eksternal akan mengembang, sementara yang lain mengerut. Semua domain akan menyebariskan diri dengan medan eksternal pada titik saturasi, artinya bahwa setelah seluruh domain sudah terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang perlu disearahkan, keadaan ini disebut dengan penjenuhan (saturasi). Bahan ini juga mempunyai sifat remanensi, artinya bahwa setelah medan magnet luar


27

dihilangkan, akan tetap memiliki medan magnet, karena itu bahan ini sangat baik sebagai sumber magnet permanen.

2.14 Power Supply ( Sumber Daya )

Semua peralatan elektronika menggunakan

sumber tenaga untuk beroperasi,

suber tenaga tersebut bermacam-macam ada dari battery, accu, dan ada yang langsng menggunakan tenaga listrik jala-jalaPLN. Power supply adalah sebuah perangkat yang memasok energy listrik untuk satu alat atau system yang berfungsi untuk menyalurkan energy listrik. Istilah ini sering diterapkan ke perangkat yang mengkorversi salah satu bentuk energy listrik yang lain. Sebuah catu daya diatur adalah salah satu yang mengontrol tegangan output atau untuk nilai tertentu, nilai dikendalikan mengadakan hamper konstan, meskipun variasi baik dalam beban atau tegangan yang diberikan oleg sumber energy satu daya. Secara prinsip rangkaian power supply adalah menurunkan tegangan AC, menyearahkan tegangan AC sehingga menjadi DC, menstabilkan tegangan DC.

Gambar 2.15 Konversi Arsu AC menjadi Arus DC.

Untuk konversi AC ke DC, ada dua metode yang digunakan.Pertama dengan linear power supply, ini adalah rangkaian AC ke DC yang sangat sederhana. Msetlah listrik AC dari kine input di step down oleh transformer, kemudian dijadikan DC secara sederhana dengan rangkaian empat diode penyearah. Komponen tambahan lain adalah kapasitor untuk meratakan tegangan.


28

Tambahan komponen yang mungkin disertakan adalah linear regulation, yang bertugas menjaga tegangan sesuai yang diinginkan, meski daya output yang dibutuhkan semakin bertambah. Prinsip kerja dari power supply adalah menurunkan tegangan AC, menyearahkan tegangan AC sehingga menjadi DC, menstabilkan tegangan DC, yang terdiri atas transformer, diode, dan kapasitor. Tegangan jala- jala 220 Volt dari linstrik PLN diturunkan oleh trasformator penurun tegangan ( step Down ) yang menerapkan perbandingan lilitan. Dimana perbandingan lilitan dari suatu trasformator akan mempengaruhi tegangan yang dihasilkan. Rangkaian penyearah yang digunakan memanfaatkan empat dioda brigde yang telah dirancang untuk meloloskan kedua sirklus gelombang Ac menjadi saru arah.Arus masuk ke dioda jembatan sehingga arus yang awalnya arus AC menjadi arus DC. Hal ini disebabkan karena selama setengah siklus tegangan sekunder yang positif menyebabkan arus akan mengalir ke diode ke 2 dan tidak akan mengalir ke dioda 1 karena diode 1 yang merefers arus kemudian diode 2 yang memfordward arus. Kemudian pada saat arus kembali ke penyearah jembatan maka arus melalui diode ke 3 karena arus cenderung mengalir dari potensial tinggi ke rendah dan kembali ke trafo.Dan selama setengah siklus tegangan sekunder yang negative maka arus melalui diode ke 4 lalu masuk ke rangkaian.Pada saat arus kembali ke penyearah jembatan arus hanya melalui diode 1 dan kembali ke trafo. Dari proses tersebut rangkaian hanya mengalami satu kondisi meyebabkan arus dari ac menjadi dc. Gelombang dua arah yang telah diubah menjadi satu arah keluaran dari dioda brigde masih memiliki tegangan amplitude yang tidak merata, hal ini dikarenakan diode brigde hanya menghilakan sirklus negative dan menjadikannya sirklus positif tetapi tidak berubah bentuk gelombang sama sekali dimana masih memiliki lembah dan bukit. Untuk itu dimanfaatkan kapasitor yang mempunyai kapasisitansi yang cukup besar untuk membuat rata gelombang tersebut menjadi rata.

Hal ini dikarenakan lamanya proses pelepasan muatan oleh kapasitor

sehingga seolah-olah amplitude dari gelombang tersebut menjadi merata. Tingkat kerataan dari gelombang yang dihasilkan maish dipengaruhi oleh impedansi beban yang kelak akan dihubungkan dengan rangkaian power suppy tersebut. Seakin kecil inpedan si beban maka akan menjadikan pelepasan muatan pada kapasitor


29

akan semakin cepat, sehingga dengan begitu makan bisa dipastikan gelombang semula rata akan berubah kembali memiliki ripple akibat pelepasan muatan yang begitu cepat. 2.15 Constant Current

Bila pada kumparan kawat kita alirkan arus listrik, maka pada daerah yang dibatasi oleh kumparan tersebut akan timbul medan magnet. Besar medan magnet yang ditimbulkan tergantung kepada permebilitas daripada bahan yang berada pada daerah yang dibatasi oleh kumparan, dan juga tergantung pada arus listrik yang dilewatkan pada kumparan kawat. Bila permebilitas bahan dianggab tetap, maka teknik yang paling mudah untuk mendapatkan medan magnet dengan besar tertentu adalah dengan mengalirkan sejumlah arus pada kumparan yang meliliti kawat tersebut. Namun medan yang diperoleh belum tentu konstan. Hal itu disebabkan karena besaran arus sangat bergantung pada besaran potensial listrik dan juga resistansi yang dilaluinya. Untuk potesial yang berubah-ubah atau harga resistor yang berubah-ubah, maka arus yang mengalir tidak konstan dan akibatnya medan magnet yang ditimbulkan menjadi tidak konstan. Di laboratorium stuktur dan sifat-sifat material LIPI, telah ada sebuah alat yang akan menghasilkan medan magnet konstan. Sensitivitas dari alat itu tiap 1 gauss dibutuhkan arus sebesar 1Ampere. Arus tersebut tidak selalu menghasilkan besarnya medan magnet yang linear terhadap arusnya, tetapi pada suatu titik tertentu medan magnet ini seakan akan sudah jenuh dan ia akan menjadi konstan terhadap perubahan ampere. Keadaan jenuh tersebut terletak kira-kira 10 A. Pada pendahuluan telah dikatakan bahwa pada kumparan kawat, dialirkan arus listrik, maka pada daerah yang dibatasi oleh kumparan akan timbul magnet, hubungan ini secara matematis dituliskan dengan rumus sederhana yaitu : (2.26) Dimana :

µ = permebibilitas inti kumparan N = banyaknya lilitan i = besarnya arus yang dilewatkan ( A ) B = besarnya medan magnet yang ditimbulkan ( T ) r = jari-jari selonoida/ kumparan ( m )


30

Bila µ, N, L, adalah konstan, hubungan diatas tampaknya linear.Disini besarnya arus I juga bisa berubah akibat perubahan tahanan kawat yang dipakai. Oleh sebab itu sumbar daya yang dipakai (power supply) yang akan dibuat harus bisalah mengatasi persoalan ini, selain juga harus memuhi persyaratan yang diperlukan. Jadi fungsi regulator adalah mengatur arus yang masuk pada beban, dan sekaligus dapat menjaga supaya arus tersebut dapat konstan, baik oleh karena perubahan tegangan jala-jala atau oleh perubahan resistansi beban.Artinya jika kita membutuhkan sekian gauss, maka kebutuhan itu bisa kita atur dari regulator.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents