BAB II
MEDAN MAGNET DAN ELEKTROMAGNET Kompetensi dasar
: Mengenal gejala kemagnetan
Indikator Oersted
: - Konsep medan magnet oleh arus listrik didapatkan dari percobaan - Konsep magnet dan medan magnet dapat didefenisikan - Sifat-sifat kutub magnet dapat diidentifikasi - Konsep kemagnetan bumi diketahui
Tujuan
Materi
: 1. 2. 3. 4.
Mengetahui konsep medan magnet oleh arus listrik Mengetahui definisi konsep magnet dan medan magnet Mengidentifikasi sifat-sifat kutub magnet Mengetahui konsep kemagnetan bumi
:
1. Konsep medan magnet oleh arus listrik Medan magnet oleh arus listrik pertama kali diketahui oleh Hans Christian Oerstead (17771851). Pada kawat berarus listrik terdapat medan magnet yang menimbulkan pergeseran jarum yang berada di bawahnya. Dengan kata lain : „ disekitar arus listrik terdapat medan magnet, atau perpindahan muatan listrik menimbulkan medan magnet“ Arah medan magnet pada kawat lurus berarus listrik ditentukan dengan kaidah tngan kanan. Jika tangan kanan di kepal : i = arah ibu jari i B = lipatan empat jari
B
2. Konsep magnet dan medan magnet Medan magnet yaitu daerah yang berada disekitar magent, dan dinyatakan dengan garis – garis gaya magnet yang arahnya dari utara ke selatan 3. Sifat-sifat kutub bumi 4. Konsep kemagnetan bumi
Tugas : 1. Jelaskan kesimpulan dari konsep magnet oleh Oerstead 2. Apa yang dimaksud dengan medan magnet
Kompetensi dasar sederhana
: Menguasai hukum-hukum kemagnetan dan melakukan perhitungan
Indikator dirumuskan
: - Induksi magnetik disekitar kawat berarus listrik (hukum Biot Savart)
Tujuan
: 1. Mengetahui perumusan medan magnet disekitar kawat arus lurus 2. Mengetahui perumusan Medan magnet di sekitar kawat melingkar berarus 3. Mengetahui perumusan Medan magnet di sekitar solenoida
4. 5. 6. 7.
Mengetahui perumusan Medan magnet di sekitar toroida Mengetahui perumusan Medan magnet di sekitar kawat sejajar Mengetahui perumusan Medan magnet di sekitar kumparan Mengetahui perumusan Gerak muatan dalam medan magnet
Materi : 1. HUKUM BIOT SAVART Induksi magnetik (B) Yaitu Kuat medan magnet disuatu titik dalam medan magnet yang dihasilkan arus listrik Menurut Biot savart Besarnya besarnya induksi magnetik pada sebuah titik di dekat kawat lurus panjang adalah : a. Berbanding lurus dengan kuat arus b. Berbanding lurus dengan panjang elemen c. Berbanding lurus dengan sinus sudut antara garis singgung pada elemen arus dan garis penghubung anatar elemen arus dan titik P d. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik terhadap elemen arus e. Arah induksi tegak lurus bidang yang melalui elemen arus dari titik Menurut Biot savart besarnya induksi magnetik pada sebuah kawat lurus panjang : Ket : 2 B = Medan magnet (weber/m ) atau satuan lainnya gauss = oerstad -4 2 1 gauss = 10 Wb/m -7 0 = 4 . 10 Wb/Am i = kuat arus listrik (A) a = jarak titk ke kawat CONTOH SOAL Tentukan induksi magnetik yang dihasilkan kawat lurus berarus 45 A pada titik yang berjarak 15 cm dari kawat Diket : i = 45 A -2 a = 15 cm = 15. 10 m Dit : B = ...? Jawab : -5
=
= 2. 10 Wb/m
2
2. Medan magnet di sekitar kawat melingkar berarus r a
B
P
i a. Besar induksi magnet di titik P b. Besar induksi di pusat lingkaran Ket :
2
B = induksi magnet (Wb/m = Tesla) N = Jumlah lilitan -7 0 = 4 . 10 Wb/Am i = kuat arus listrik (A) a = jari-jari penghantar melingkar (m) CONTOH SOAL : Hitunglah induksi magnet pada pusat kawat melingkar arus 25 A dengan jari-jari 20 cm dan jumlah lilitan kawat 5 lilitan -1 Diket : a = 20 cm = 2. 10 m N=5
i = 25 A Dit : B = ...? Jawab :
-6
= 125 . 10 Wb/m
2
3. Medan magnet di sekitar solenoida Solenoida : kawat panjang yang dililitkan pada inti yang berbentuk silinder a. Induksi magnet di pusat solenoida
b. Induksi magnet di ujung solenoida Ket :
2
B = induksi magnet (Wb/m = Tesla) N = Jumlah lilitan solenoida -7 0 = 4 . 10 Wb/Am i = kuat arus listrik (A) L = Panjang solenoida (m) CONTOH SOAL : Solenoida panjang 2 m terdiri dari 800 lilitan dialiri arus 0,5 A. Tentukan induksi magnet pada : a. Pusat solenoida b. Ujung solenoida Diket : L=2m N = 800 lilitan i = 0,5 A Dit : B =...? a. Pusat solenoida b. Ujung solenoida Jawab : 5
c.
2
a. = 8 10 Wb/m 5 2 5 2 b. Bu = ½ B0 = ½. 8 10 Wb/m = 4 10 Wb/m Medan magnet di sumbu toroida Toroida : kawat yang dililitkan pada inti yang berbentuk lingkaran (solenoida yang intinya dibengkokkan) Besar induksi magnet di sumbu toroida Ket :
2
B = induksi magnet (Wb/m = Tesla) N = Jumlah lilitan solenoida -7 0 = 4 . 10 Wb/Am a = Jari-jari efektif (m) CONTOH SOAL : Induksi magnetik di sumbu toroida yang dialiri arus 0,9 A dan jari-jari 30 cm -6 2 adalah 21.10 Wb/m . Hitunglah jumlah lilitan toroida tersebut. Diket : i = 0.9 A a = 30 cm = 0,3 m -6 2 B = 21.10 Wb/m Dit : N = ...? Jawab :
=3,5.10 =35 lilitan d. Medan magnet disekitar kawat sejajar Disekitar kawat lurus berarus listrik ada medan magnet. Jika ada 2 kawat lurus berarus listrik kita pasang sejajar sudah pasti medan magnet disekitar kawat saling mempengaruhi Jika ke dua kawat lurus sejajar dialiri arus listrik yang searah maka arah induksi magnetik B1 dan B2 di titik P antara kedua kawat akan berlawanan arah. Besar resultan induksi magnetik di titik P sama dengan selisih aljabar antara B1 dan B2 atau Bp =B1-B2 Jika B1 = B2 maka besar induksi magnetik di titik P sama dengan nol CONTOH SOAL : i1 i2 3A 3A Ke dua kawat dialiri arus listrik 3A dengan arah saling P 0.4 m berlawanan. Tentukan besar induksi magnet di titik P
0.5 m Diket : i1 = i2 = 3 A a1 = (0.5 -0.4)m =0.1 m a2 = 0,4 M Dit : Bp = Jawab :
-6
= 6.10 Wb/m
2
-6
=1,5.10 Wb/m
2
B = B1 –B2 -6 2 -6 2 = 6.10 Wb/m – 1,5.10 Wb/m -6 2 = 4,5 .10 Wb/m Jika kedua kawat lurus sejajar dialiri arus listrik yang berlawanan arah maka arah induksi magnetik B1 dan B2 di titik P adalah hasil penjumlahan aljabar dari B1 dan B2 Bp = B1 + B2 e. Medan magnet di sekitar kumparan Dapat diperkuat dengan pemasangan inti besi (bahan feromagnetik) di dalam kumparan f. Gerak muatan dalam medan magnet Pada partikel yang bergerak di dalam suatu daerah medan magnetik akan mengalami gaya/ gaya lorentz Besarnya gaya yang dialami partikel bermuatan yang bergerak memasuki medan magnetik F = Q.V.B sin θ Besarnya gaya lorentz : Untuk kawat lurus panjang berarus yang bergerak dalam medan magnet F = B.i.l sin θ Ket : F = gaya lorentz (N) I = kuat arus listrik (A) L = panjang penghantar (m)
2
B = induksi magnetik (Wb/m ) Θ =sudut antara i dan B Q = muatan listrik (c) V = kecepatan partikel bermuatan (m/s) Θ = Sudut antara V dan B CONTOH SOAL : Seutas kawat lurus panjang 10 cm dialiri arus 3A digerakkan tegak lurus 2 terhadap medan magnet 0,6 Wb/m .Hitung gaya lorentz yang dialami kawat tersebut? Diket : l = 10 cm = 0,1 m i = 3A 2 B = 0,6 Wb/m Dit : F = ...? Jawab : F = B.I.L.sin Θ 0 = 0.6 .3.0.1 sin 90 = 0.18 .1 = 0.18 N
Arah gaya Lorentz : kaidah tangan kanan 1. Bila Tangan kanan di buka, ibu jari menunjukkan arah arus (i) dan keempat jari yang lainnya arah medan magnet (B) keluar dari telapak tangan adalah arah gaya lorentz (F). 2. Bila tangan kanan dibuka, ibu jari menunjukkan arah kecepatan gerak partikel (v) dan empat jari yang lain menunjukkan arah medan magnet (B) keluar dari telapak tangan menunjukkan arah gaya lorentz (F) Contoh :
F
x x x x
Arah F ke kiri x ix x x x x x x x x x x
arah F ke bawah o o o o o o o oi o o o o o o oF o
xF x x x o ov o o x x x x o o o o x ex x vx o o o o F x x x x o o o o Arah F ke atas arah F ke kanan Ket : x = Medan magnet menembus bidang O = Medan magnet keluar dari bidang Penerapan gaya Lorentz 1. Pada Motor Listrik 2. Pada Galvanometer Prinsip Kerjanya : Kawat yang ditempatkan dalam medan magnet akan mengalami gaya lorentz. Gaya lorentz menyebabkan timbuknya momen kopel (M = N i B A sin ) yang menyebabkan kawat dapat berputar Satuan Kuat arus Jika dua kawat berarus diletakkan dalam medan magnet maka gaya lorentz yang dialami kawat saling mempengaruhi Bila kawat dipasang sejajar maka : 1. Terjadi gaya tarik-menarik untuk ke dua kawat yang arusnya searah 2. Terjadi tolak-menolak untuk kedua kawat yang arusnya berlawanan arah Besarnya gaya tarik menarik/ gaya tolak tersebut
SIFAT MAGNETIK BAHAN 1. Ferromagnetik Yaitu bahan-bahan yang sangat kuat menarik garis garis gaya magnet Contoh : Nikel, Kobal, besi dan baja 2. Parromagnetik Yaitu : bahan-bahan yang kurang kuat menarik garis-garis gaya magnet Contoh : aluminium, platina, kayu 3. Diamagnetik Yaitu : bahan-bahan yang sedikit menolak garis-garis gaya magnet Contoh : bismuth, tembaga, emas, seng, garam dapur Tugas : 1. Berapakah induksi magnet pada sebuah titik yang berjarak 3 cm dari suatu penghantar lurus dan panjang berarus listrik 15 A? 2. Sebuah solenoida yang panjangnya panjangnya 20 cm dialiri arus 5 A. Pada solenoida terdapat 100 lilitan. Hitunglah induksi magnet di pusat dan di ujung solenoida? 3. Seutas kawat penghantar panjangnya 200 cm berarus listrik 10 A, berada dalam medan 0 magnet homogen dengan induksi magnet 0,02 tesla dan membentuk sudut 30 terhadap arus listrik. Hitung besar gaya lorentz yang timbul pada kawat tersebut
Kompetensi dasar Indikator
: Mengenal penggunaan magnet dan elektromagnet dalam teknologi : - Gelombang elektromagnetik dalam alat-alat ukur listrik, piranti komunikasi dan penggunaan medan magnet diterapkan - Gelombang elektromagnetik dan spektrumnya diidentifikasi
Tujuan : 1. Menjelaskan pengguanaan magnet dan elektromagnet 2. Mengidentifikasikan gelombang elektromagnetik dan spektrumnya
Materi : 1. Pada alat-alat ukur listrik Misalnya : Galvanometer (alat ukur arus listrik) Prinsip kerjanya : ‚ kawat yang ditempatkan dalam medan magnet akan mengalami gaya lorentz. Gaya lorentz menyebabkan timbulnya momen kopel yang menyebabkan kawat dapat berputar.“ 2. Pada piranti komunikasi Penerapan bahan ferromagnetik pada pita/media perekam tinta-tinta magnetik dapat dibuat dengan mencampur pertikel-partikel suatu bahan magnetik (misalnya = Fe2O3) dengan suatu cairan. Tinta ini digunakan untuk melapisi pita perekam (dari bahan plastik ) dengan lapisan magnetik, agar dapat digunakan sebagai pita perekam 3. Penggunaan magnet Sebagai alat untuk mengangkat rongsokan besi atau lempengan besi yangdit berat. Cara kerja alat ini adalah : Ketika saklar ini ditutup, arus listrik mengalir melalui elektromagnet yang menghasilkan medan magnet yang cukup kuat disekitarnya.Medan magnet ini mampu mengangkat rongsokan atau lempengan besi yang berat 4. GELOMBANG ELEKTROMAGNET DAN SPEKTRUMNYA Berdasarkan konsep : 1. Medan listrik dihasilkan oleh muatan listrik (Hk coulomb) 2. Medan magnet dihasilkan oleh aliran muatan listrik (Hk Biot Savart) 3. Medan listrik dapat dihasikan oleh perubahan medan magnet (Hk Induksi Faraday) J.C Maxwell mengemukakan hipotesa bahwa perubahan medan listrik dapat menimbulkan medan magnet.
Proses perambatan medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus berlangsung terus menerus secara berkala dan menjalar ke segala arah disebut gelombang elektromagnetik.
Jenis-jenis gelombang elektromagnetik 1. Sinar Gamma 2. Sinar x 3. Sinar Ultraviolet 4. Cahaya tampak f>> 5. Inframerah 6. Radar 7. Televisi 8. Radio
λ <<
Frekuensi (f), λ(panjang gelombang ), >>> = bertambah besar, <<< = bertambah kecil Tugas : Tuliskan sifat, sumber dan manfaat gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari.
