SMA Kelas XII
Strukturisasi Materi Medan Magnet
1 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
ANDI SULIANA 15B08050 PENDIDIKAN FISIKA KELAS C
Mata Pelajaran
: Fisika
Satuan Pendidikan
: SMA/MA
Kelas
: XII
Kompetensi Inti KI 1
: Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya
KI 2
: Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), beriteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia
KI 3
: Memahami, menerapkan, menganalisis, dan mengevaluasi pengetahuan faktual, konseptual, prosedural dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah
KI 4
: Mengolah, menalar, menyaji, dan menciptakan dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri serta bertindak secara efektif dan kreatif, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan.
2 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
A. Kompetensi Dasar: 3. 4 Menganalisis induksi magnet dan gaya magnetik pada berbagai produk teknologi
B. Indikator 1. 2. 3. 4. 5.
Melaksanakan pengamatan dan memformulasikan induksi magnet dan gaya magnetik di sekitar kawat berarus listrik. Memformulasikan hokum Ampere Mengaplikasikan hokum Biot Savart dan hokum Ampere untuk menentukan kuat medan magnet oleh berbagai bentuk kawat berarus listrik Memformulasikan gaya magnet (Lorenz) pada kawat berarus yang berada dalam medan magnet atau partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet Mengaplikasikan gaya Lorenz pada persoalan fisika sehari-hari
3 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
PETA KONSEP Medan Magnetik
Gaya Magnet
Induksi Magnet
Penghantar lurus berarus
Penerapan
Galvanometer
Penghantar melingkar berarus
Motor Listrik
Penghantar berarus di medan magnet
Sumbu solenoida
Muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet
4 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Dua penghantar sejajar
Sumbu toroida
STRUKTURISASI MATERI MEDAN MAGNET No.
Langkah-Langkah
Pengetahuan & Pengalaman Pendukung
Konten/Materi Utama
Dalam kehidupan sehari-hari, disadari atau tidak, Anda sering menggunakan alat-alat yang memanfaatkan magnet. Misalnya, Menjelaskan 1.
pengertian dari medan magnet
magnet
dapat
menjaga agar pintu lemari atau kulkas tetap tertutup. Selain itu, ada pula alat-alat yang
memanfaatkan
magnet, magnetnya
namun sendiri
sifat wujud
Medan magnet adalah daerah disekitar magnet yang menyebabkan sebuah muatan yang bergerak di sekitarrnya mengalami suatu gaya. Medan magnet tidak dapat dilihat namun dapat dijelaskan dengan mengamati pengaruh magnet pada benda lain, misalnya pada serbuk besi.
tidak
terlihat, seperti bel pintu, telepon, dan motor listrik pada bor.
5 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Benda dapat
1. Bahan Magnetik :
digolongkan berdasarkan
Bahan yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet dan dapat
sifatnya. Kemampuan suatu
dimagnetkan.
benda menarik benda lain
Contoh : besi, nikel, kobalt
yang berada di dekatnya Mengetahui bahan 2.
magnetik, nonmagnetik dan bahan diamagnetik
disebut kemagnetan. Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda
2. Bahan Non-magnetik, terdiri dari :
bukan magnet. Namun,
Bahan paramagnetik,
tidak semua benda yang
Bahan yang ditarik dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat
berada di dekat magnet dapat
dimagnetkan.
ditarik.
Contoh : aluminium
6 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
3. Bahan diamagnetik, Bahan yang ditolak dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan Contoh : seng
Sebagian
3.
besar
peralatan
Menjelaskan kuat
elektronik yang kita jumpai
medan magnet,
dalam kehidupan sehari-hari
ialah besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di
Fluks magnetik dan
kita, bekerja pada prinsip
dalam medan magnet.
arah garis gaya
fluks
magnetik.
Contoh
terbaik adalah transformator.
7 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
1.
2.
Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet
Fluks magnetik dapat didefinisikan sebagai ukuran medan magnet dalam penampang tertentu. Dalam istilah sederhana,
Prinsip kerjanya didasarkan
fluks magnet adalah ukuran dari jumlah garis medan magnet
pada fenomena Fluks magnet.
yang menembus suatu permukaan ( fluks adalah garis hayal, tapi garis kontinu, berjalanan dari kutub utara magnet ke kutub selatan). 3.
Jumlah gari-garis gaya yang menembus tegak lurus bidang seluas 1 m2 disebut rapat fluks magnet (B). Dapat ditulis sebagai
B
A
Dimana: B = Kerapatan fluks (Wb/m2) = Fluks total (Wb) A = Luas medan magnet (m2) 4.
Pada umumnya, rapat fluks magnet bervariasi dari satu titik ke titik lain dalam ruang. Rapat fluks magnet di suatu titik disebut induksi magnetik. Induksi magnetik merupakan besaran vektor. Arahnya sama dengan arah garis singgung pada gari-garis gaya magnet. Induksi magnetik di suatu titik di udara sama dengan kuat medan magnet di titik itu. Secara
8 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
matematis, ditulis B=H Jika induksi magnetik terjadi bukan di udara, melainkan di dalam suatu zat maka: B=µH Dimana: B = rapat garis-garis gaya.
= Permeabilitas zat itu. H = Kuat medan magnet. 5.
Arah garis gaya dengan menggunakan kaidah tangan kanan yaitu arah ibu jari menggambarkan arah arus listrik dan arah lipatan keempat jari menunjukkan arah garis gaya magnet atau arah induksinya. Besar kuat medan magnet sangat dipengaruhi oleh arus listrik yang menimbulkannya, jarak terhadap kawat, dan bentuk kawatnya.
9 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
4.
Mengetahui hukum Biot-Savart
Pada saat
Hans
Christian
Oerstedmengadakan percobaan untuk mengamati hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan,
ia
belum
sampai menghitung besarnya kuat medan magnet di suatu
Sebuah kawat apabila dialiri oleh arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang garis-garis gayanya berupa lingkaran-lingkaran yang berada di sekitar kawat tersebut. Arah dari garis-garis gaya magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan (apabila kita menggenggam tangan kanan ibu jari sebagai arah arus listrik sedang keempat jari yang lain merupakan arah medan magnet). (Hk. Oersteid).
10 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
titik
di
sekitar
kawat Besar induksi magnetik di satu titik di sekitar elemen arus,
berarus. Perhitungan
secara sebanding dengan panjang elemen arus, besar kuat arus, sinus sudut
matematik baru dikemukakan yang diapit arah arus dengan jaraknya sampai titik tersebut dan oleh ilmuwan yaituJean
dari
Bastiste
Felix Savart.
Prancis berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya. Biotdan
Berdasarkan
B=k.
I . sin r2
hasil eksperimennya tentang pengamatan medan magnet di suatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional dl, yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa
k=
Weber A. m
= 10-7
0
4
besarnya kuat medan magnet Vektor B tegak lurus pada l dan r, arahnya dapat ditentukan denagan (yang kemudian
disebut tangan kanan. Jika l sangat kecil, dapat diganti dengan dl.
induksi magnet yang diberi lambang B) di titik P :
0
4
I . sin r2
Berbanding lurus dengan Persamaan ini disebut hukum Ampere. kuat arus listrik (I).
dB =
Berbanding lurus dengan
11 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
panjang
kawat
(dl). c.
Berbanding dengan
terbalik
kuadrat
jarak
antara titik P ke elemen kawat penghantar (r).
Sebanding dengan sinus sudut apit θ antara arah arus dengan garis hubung antara titik P ke elemen kawat penghantar.
5.
Induksi Magnetik
Jika sebuah penghantar dialiri arus listrik maka di sekitar kawat tersebut akan timbul medan pertama
magnet. kali
Hal
ini
dikemukakan
oleh seorang ilmuan yang bernama
Hans
Chrisitan
Oersted (1777 – 1851) melalu
12 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
1. Induksi magnetik di sekitar arus lurus.
percobaannya yang dikenal Besar induksi magnetik di titik A yang jaraknya a dari kawat dengan percobaan Oersted.
sebanding dengan kuat arus dalam kawat dan berbanding terbalik
Berdasarkan hasil percobaan, dengan jarak titik ke kawat. Oersted
menyimpulkan B=
bahwa di sekitar arus listrik terdapat medan magnet atau
B dalam W/m2
perpindahan
I dalam Ampere
muatan listrik
menimbulkan medan magnet.
0
2
.
I .a
a dalam meter Kuat medan dititik H =
B
=
I B = 2 . a r . 0
r udara = 1
Jika kawat tidak panjang maka harus digunakan Rumus : B
13 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
0
i
4 a
(cos 1 cos 2 )
2. Induksi magnetik di pusat arus lingkaran.
Titik A berjarak x dari pusat kawat melingkar besarnya induksi magnetik di A dirumuskan : Jika kawat itu terdiri atas N lilitan maka :
a. I . N . sin 1 B= . 2 r2 0
atau
a2 . I. N B= . 2 r3
3. Induksi magnetik di pusat lingkaran. Dalam hal ini r = a dan = 900 Besar induksi magnetik di pusat lingkaran. B=
14 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
2
0
.
I. N a
0
B dalam W/m2. I dalam ampere. N jumlah lilitan. a jari-jari lilitan dalam meter. Arah medan magnetik dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan.
Jika arah arus sesuai dengan arah melingkar jari tangan kanan arah ibu jari menyatakan arah medan magnet.
4. Induksi
magnetik
oleh
kumparan
panjang
(Solenoida) Solenoide adalah gulungan kawat yang di gulung seperti spiral.
15 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Bila kedalam solenoide dialirkan arus listrik, di dalam selenoide terjadi medan magnet dapat ditentukan dengan tangan. Gambar :
Besar induksi magnetik dalam solenoide.
Jari-jari penampang solenoide a, banyaknya lilitan N dan panjang
16 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
solenoide 1. Banyaknya lilitan pada dx adalah :
N
. dx atau n dx, n
banyaknya lilitan tiap satuan panjang di titik P. Bila 1 sangat besar dibandingkan dengan a, dan p berada di tengahtengah maka 1= 0 0 dan 2 = 180 0 Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide : B
0
2
n I . 2
B n I 0
Bila p tepat di ujung-ujung solenoide 1= 0 0 dan 2 = 90 0 B
B
5. Induksi (Toroida)
17 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
0
n I .1
0
n I
2
2
magnetik
oleh
kumparan
panjang
Sebuah solenoide yanfg dilengkungkan sehingga sumbunya membentuk lingkaran di sebut Toroida. Bila keliling sumbu toroida 1 dan lilitannya berdekatan, maka induksi magnetik pada sumbu toroida.
B n I n dapat diganti dengan
N 2 R
N banyaknya lilitan dan R jari-jari toroida.
6.
Menjelaskan Gaya
Pernahkah
kamu
Pada percobaan oersted telah dibuktikan pengaruh arus
Lorenz
membayangkan sebuah kereta
listrik terhadap kutub magnet, bagaimana pengaruh kutub magnet
api
terhadap arus listrik akan dibuktikan dari percobaan berikut :
yang
dengan sama
mampu
kecepatan dengan
melaju
hampir Seutas kawat PQ ditempatkan diantara kutub-kutub magnet ladam kecepatan kedalam kawat dialirkan arus listrik ternyata kawat melengkung
pesawat terbang? Bagaimana kekiri. mungkin hal ini dapat terjadi?
Gejala ini menunjukkan bahwa medan magnet mengerjakan
Kereta Maglev adalah kereta gaya pada arus listrik, disebut Gaya Lorentz. Vektor gaya Lorentz api yang mengambang secara tegak lurus pada I dan B. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan
18 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
magnetik.
Kereta
ini dengan tangan kanan. Bila arah melingkar jari-jari tangan kanan
memanfaatkan gaya angkat sesuai dengan putaran dari I ke B, maka arah ibu jari menyatakan magnetik
pada
relnya arah gaya Lorents.
sehingga terangkat sedikit ke gambar : atas.
Gaya
dorong
yang
dihasilkan oleh motor induksi mampu menggerakkan kereta ini dengan kecepatan hingga 650 km/jam.
Besar Gaya Lorentz. Hasil-hasil yang diperoleh dari percobaan menyatakan bahwa besar gaya Lorentz dapat dirumuskan sebagai : F=BI
sin
F = gaya Lorentz. B = induksi magnetik medan magnet. I = kuat arus.
19 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
= panjang kawat dalam medan magnet.
= sudut yang diapit I dan B.
Satuan Kuat Arus. Kedalam kawat P dan Q yang sejajar dialirkan arus listrik. Bila arah arus dalam kedua kawat sama, kawat itu saling menarik. Penjelasannya sebagai berikut : Dilihat dari atas arus listrik P menuju kita digambarkan sebagai arus listrik dalam kawat P menimbulkan medan magnet. Medan magnet ini mengerjakan gaya Lorentz pada arus Q arahnya seperti dinyatakan anak panah F. Dengan cara yang sama dapat dijelaskan gaya Lorentz yang bekerja pada arus listrik dalam kawat P.
20 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Kesimpulan : Arus listrik yang sejajar dan searah tarik-menarik dan yang berlawanan arah tolak- menolak. Bila jarak kawat P dan Q adalah a, maka besar induksi magnetik arus P pada jarak a : B
0
2
IP a
Besar gaya Lorentz pada arus dalam kawat Q
F B. I Q . Q Besar gaya Lorentz tiap satuan panjang
F B. I Q
F
0
2
2
0
IP IQ a I P IQ
a
F tiap satuan panjang dalam N/m.
21 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Ip dan IQ dalam Ampere dan a dalam meter. Bila kuat arus dikedua kawat sama besarnya, maka : F
0 2I 2 I2 I2 2.10 7 a 2 a 4 a 0
Untuk I = 1 Ampere dan a = 1 m maka F = 2.10-7 N/m Kesimpulan : 1 Ampere adalah kuat arus dalam kawat sejajar yang jaraknya 1 meter dan menimbulkan gaya Lorentz sebesar 2.10-7 N tiap meter.
Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Listrik . Pertambahan energi kinetik.
Partikel A yang massanya m dan muatannya q berada dalam medan
22 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
listrik serba sama, kuat medannya E arah vektor E kekanan. Pada partikel bekerja gaya sebasar F = qE, oleh sebab itu partikel memperoleh percepatan : a
q. E m
Usaha yang dilakukan gaya medan listrik setelah partikel berpindah d adalah : W = F . d = q . E .d Usaha yang dilakukan gaya sama dengan perubahan energi kinetik Ek = q . E .d 1 2
mv2 21 mv1 q. E . d 2
2
v1 kecepatan awal partikel dan v2 kecepatannya setelah menempuh medan listrik
sejauh d.
Lintasan partikel jika v tegak lurus E.
23 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Didalam medan listrik serba sama yang kuat medannya E, bergerak partikel bermuatan positif dengan kecepatan vx. Dalam hal ini partikel mengalami dua gerakan sekaligus, yakni gerak lurus beraturan sepanjang sumbu x dan gerak lurus berubah beraturan sepanjang sumbu y. Oleh sebab itu lintasannya berupa parabola. Setelah melintasi medan listrik, lintasannya menyimpang dari lintasannya semula.
t
v
d 21 at 2 21 .
q. E 2 . m vX 2
Kecepatan pada saat meninggalkan medan listrik. v v X vY 2
v Y a. t
24 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
2
q. E . m vX
Arah kecepatan dengan bidang horisontal :
tg
vY vX
Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Magnet Besar gaya Lorentz pada partikel.
Pada arus listrik yang berada dalam medan magnet bekerja gaya Lorentz. F=B.I.
sin
Arus listrik adalah gerakan partikel-partikel yang kecepatannya tertentu, oleh sebab itu rumus di atas dapat diubah menjadi : F=B.
q . v . t sin t
F = B . q . v sin
F adalah gaya Lorentz pada partikel yang muatannya q dan kecepatannya v, B besar induksi magnetik medan magnet, sudut
25 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
yang diapit vektor v dan B. Lintasan partikel bermuatan dalam medan magnet.
Tanda x menyatakan titik tembus garis-garis gaya kemagnetan yang arah induksi magnetiknya ( B ) meninggalkan kita. Pada partikel yang kecepatannya v, bekerja gaya Lorentz. F = B . q . v sin 900 F=B.q.v Vektor F selalu tegak lurus pada v, akibatnya partikel bergerak
26 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
didalam medan magnet dengan lintasan bentuk : LINGKARAN. Gaya centripetalnya yang mengendalikan gerak ini adalah gaya Lorentz. Fc = F Lorentz
m v2 =B.q.v R R=
mv B q
R = jari-jari lintasan partikel dalam magnet. M = massa partikel. v = kecepatan partikel. q = muatan partikel. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan kadah tangan kanan bila tangan kanan di buka : Ibu jari menunjukkan ( v ), keempat jari menunjukkan ( B ) dan arah telapak tangan menunjukkan ( F )
27 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
