MEDAN MAGNET

Arus Listrik Menimbulkan Medan Magnet Medan magnet adalah ruang disekitar magnet dimana tempat benda-benda tertentu mengalami gaya magnet. Hans Christian Oersted (1777-1851 orang Denmark) merupakan orang pertama yang menemukan adanya medan magnet disekitar arus listrik. Gambar di samping tampak jarum kompas diletakkan di bawah kawat penghantar. Saat saklar terbuka, pada kawat tidak ada arus listrik yang mengalir dan jarum kompas pada posisi sejajar dengan kawat. Apabila saklar ditutup sehingga arus mengalir pada kawat penghantar, maka jarum kompas menyimpang. Simpangan jarum kompas tergantung arah arus pada kawat dan letaknya.. Dari percobaan yang pernah dilakukan, Oersted menyimpulkan bahwa "disekitar penghantar berarus listrik timbul medan magnet".

Bentuk Medan Magnet Disekitar Penghantar Berarus

A. Penghantar Lurus Untuk mengamati bentuk medan magnet di sekitar penghantar lurus, lewatkan penghantar itu pada sehelai karton yang disekitarnya ditaburi serbuk besi. Apabila kertas diketuk, ternyata serbuk besi akan membentuk pola lingkaran sepusat dengan penghantar itu sebagai pusatnya. Hal ini menunjukkan bahwa medan magnet disekitar penghantar lurus berarus listrik berbentuk lingkaran sepusat dengan penghantar itu sebagai pusatnya. Arah medan magnet di sekitar penghantar berarus listrik dapat dilihat pada gambar di samping.

Cara untuk menentukan arah medan magnet disekitar penghantar berarus digunakan :

1. Kaidah tangan kanan, dengan ketentuan :

- ) arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik.

- ) arah lipatan jari yang lain menunjukkan arah medan magnet

2. Kaidah sekrup putar kanan, dengan ketentuan :

- ) arah putaran sekrup menunjukkan arah medan magnet.

- ) arah maju/mundurnya sekrup menunjukkan arah arus listrik

B. Penghantar Berbentuk Lingkaran Apabila kawat dilengkungkan seperti gambar di samping pola medan magnetnya dapat dilihat pada gambar. Kaidah tangan juga berlaku pada kawat melengkung.

C. Kumparan (Solenoida) Bila suatu kumparan diberi arus listrik, setiap bagian kumparan ini menimbulkan medan magnet disekitarnya. Medan magnet yang timbul merupakan gabungan medan magnet dari tiap bagian itu. Garis-garis medan magnet didalam selenoida (kumparan) saling sejajar satu dengan lainnya, yang dinamakan medan magnet homogen. Untuk menentukan arah medan magnet dalam selenoida digunakan aturan tangan kanan seperti pada penghantar melingkar

Gaya Magnetik (Gaya Lorentz)

Pada rangkaian di samping, apabila saklar ditutup maka arus listrik mengalir dari A ke B. Pada saat itu alumunium foil akan melengkung ke atas. Kemudian bila kutub sumber dibalik (arus mengalir dari B ke A), ternyata alumunium foil melengkung ke bawah. Yang menyebabkan alumunium foil melengkung ke atas atau ke bawah tidak lain adalah suatu gaya yang dikenal sebagai gaya magnetik (gaya Lorentz). Jadi arus listrik yang berada di dalam medan magnet mengalami gaya magnetik. Arah gaya magnetik ini tergantung pada arah arus dan arah medan magnet.

Untuk menentukan arah gaya magnetik (gaya Lorentz) digunakan aturan tangan kanan sebagai berikut: - ) arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik ( i ) - ) arah jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet ( B ) - ) dorongan telapak tangan menunjukkan arah gaya Lorentz (F )

Besar gaya magnetik (gaya Lorentz) dipengaruhi:

a. besar kuat arus listruk ( i )

b. besar medan magnet ( B )

c. panjang kawat ( l )

d. sudut antara arah arus dan arah medan magnet

Perlu diketahui bahwa gaya magnetik merupakan reaksi dari gaya Biot Savart, yaitu gaya yang menggerakkan kutub magnet karena pengaruh arus listrik.

Penerapan Gaya Magnetik Pada Motor Listrik dan Meter Listrik

Motor listrik dan meter listrik bekerja dengan prinsip mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dengan memanfaatkan timbulnya gaya magnetik. Gerak yang dimaksudkan disini adalah gerak rotasi. Dalam mekanika, gerak rotasi dipengaruhi oleh koppel, yaitu pasangan dua gaya sejajar tetapi berlawanan arah.

Motor Listrik Motor listrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik dapat dijumpai pada mobil-mobilan, VCD player, mixer dan masih banyak lagi pada peralatan rumah tangga. Bagian utama dari motor listrik adalah kumparan dan magnet. Pada dasarnya sumbu motor listrik dilengkapi dengan kumparan penghantar yang dialiri arus listrik. Jendela dari kumparan diterobos garis-garis medan listrik seperti gambar di samping. Pada saat kumparan dialiri arus, QR mendapat gaya Lorentz ( F l ) keatas, sedangkan kumparan PS mendapat gaya Lorentz kebawah. Karena kedua gaya ini membentuk koppel, maka kumparan akan berotasi. Perlu diketahui bahwa kedudukan antara arus listrik pada QR maupun PS terhadap medan magnet selalu tegak lurus. Sedangkan pada RS dan QP selalu membentuk gaya sama besar, berlawanan arah dan resultannya selalu segaris dengan sumbu putar, sehingga saling meniadakan. Jika motor listrik memakai arus searah (DC), maka agar motor selalu menghasilkan arah putaran yang tetap, arah arus harus disesuaikan. Dalam hal ini saat kedudukan kumparan akan menghasilkan arah putaran berlawanan dengan semula, maka arus listriknya harus dibalik. Untuk keperluan ini, pada motor listrik dilengkapi dengan cincin belah (komutator). Untuk menghasilkan putaran yang lebih kuat, maka diperlukan jumlah lilitan kumparan yang lebih banyak dan medan magnet yang lebih kuat.

Meter Listrik (Galvanometer) Meter listrik juga mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Meter listrik dapat dijumpai pada peralatan-peralatan ukur listrik seperti amperemeter, voltmeter dan ohmmeter. Pada meter listrik, kumparan dipasang pada dua poros, yaitu poros atas dan bawah. Poros ini masing-masing dilengkapi dengan pegas spiral. Pegas berfungsi untuk mengendalikan putaran jarum penunjuk agar berputar sebanding dengan kuat arus yang mengalir pada kumparan. Pada saat kumparan tidak dialiri arus listrik, pegas mengatur letak jarum hingga menunjuk angka nol. Hal itu terjadi saat bidang kumparan sejajar dengan arah medan magnet. Jika arus listrik dialirkan, kopel gaya Lorentz pada kumparan memutar kumparan ke arah tegak lurus medan, tetapi putaran ini ditahan oleh pegas sehingga sudut putaran jarum sebanding dengan kuat arus.

---

Medan Magnet

Jenis-jenis magnet berdasarkan bentuknya:
1. Magnet Batang
2. Magnet jarum
3. Magnet Tabung
4. Magnet Tapal Kuda

Magnet memiliki dua buah kutub magnet yaitu kutub utara dan kutub selatan magnet.

Medan magnet adalah daerah atau ruang di sekitar magnet dimana magnet lain atau benda lain yang mudah dipengaruhi magnet akan mengalami gaya magnetik jika diletakkan dalam ruang tersebut.

Garis-garis gaya magnet adalah garis-garis yang menunjukkan arah dari gaya magnet dimana garis gaya menunjukkan arah keluar dari kutub utara magnet menuju masuk ke kutub selatan magnet.

2. Medan Magnetik di Sekitar Kawat Berarus Listrik

      Kita telah mempelajari bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnetik. Hans Christian Oersted pada tahun 1820 dalam percobaannya, ia menggunakan sebuah kompas jarum untuk menunjukkan bahwa ketika arus listrik mengalir pada seutas kawat, jarum kompas yang diletakkan pada daerah medan magnetik yang dihasilkan oleh kawat berarus menyebabkan jarum kompas menyimpang dari arah utara-selatan.

2.1. Arah Induksi Magnetik di Sekitar Kawat Berarus Listrik

         Cara kita menentukan arah garis medan-medan magnet di sekitar kawat berarus listrik adalah dengan menggunakan kaidah putaran tangan kanan yaitu sebagai berikut:

           Genggam kawat lurus dengan tangan kanan sedemikian hingga ibu jari menunjukkan arah kuat arus listrik, maka arah putaran keempat jari yang dirapatkan akan menyatakan arah lingkaran garis-garis medan magnetik.

atau

           Apabila kawat berbentuk lingkaran maka arah putaran keempat jari yang dirapatkan akan menunjukkan arah putaran arus listrik, demikian sehingga ibu jari menyatakan arah garis-garis medan magnetik.

           Seperti pada kasus solenoida, arus i-nya berputar sehingga untuk memudahkan kaidah tangan kanan, arah putaran keempat jari yang dirapatkan menunjukkan arah putaran arus, sedang arah ibu jari menunjukkan arah garis-garis medan magnetiknya. Ketika sebuah solenoida dialiri arus listrik maka garis-garis medan magnetik yang dihasilkan mirip seperti magnet batang, dimana garis gaya magnet akan keluar dari ujung ibu jari (kutub utara) dan masuk ke pangkal ibu jari (kutub selatan).

2.2. Besar Induksi Magnetik

              Dua ilmuwan pertama yang menyelidiki besar induksi magnetik yang ditimbulkan oleh kawat berarus listrik adalah Biot dan Savart. Keduanya berhasil menemukan persamaan kuantitatif untuk menentukan besar induksi magnetik oleh kawat berarus, yang disebut hukum Biot-Savart. Hukum ini berbentuk persamaan sebagai berikut.

 

dengan  adalah sudut apit antara elemen arus i dl dengan vektor posisi r.
             adalah permeabilitas vakum, 
                   
 2.2.1. Besar Induksi magnetik di Sekitar Kawat Lurus Berarus 

Besar induksi magnetik untuk 
kawat lurus berarus 
dengan panjang tertentu

Besar induksi magnetik kawat lurus 
sangat panjang dan berarus

2.2.2. Besar Induksi Magnetik pada Kawat Lingkaran Berarus

Besar induksi magnetik di pusat 
kumparan kawat lingkaran berarus

jika kawat terdiri dari N lilitan, maka

dengan a adalah jari-jari lingkaran. 

3. Gaya Lorentz (F)

        Gaya Lorentz adalah gaya magnetik yang timbul apabila kawat berarus listrik diletakkan memotong garis-garis medan magnet yang dihasilkan oleh pasangan kutub utara-selatan suatu magnet tetap.

3.1 Gaya Lorentz pada Penghantar Berarus

              Jika anda melakukan percobaan meletakkan pita aluminium diantara dua buah kutub yang berlawanan jenis dan pita aluminium dihubungkan dengan sumber arus. Maka saat pita aluminium dialiri arus, pita aluminium akan melengkung ke atas. Ini menunjukkan bahwa gaya Lorentz (F) berarah vertikal keatas. Jika kita buka telapak tangan kanan kita dengan empat jari (selain ibu jari) dirapatkan, ternyata arah kuat arus listrik i, arah induksi magnetik (B), dan arah gaya Lorentz(F) yang dihasilkan mengarah ke atas. Jadi, arah gaya Lorentz yang dialami oleh sebuah konduktor yang diletakkan dalam daerah medan magnetik dapat ditentukan dengan mudah dengan menggunakan kaidah telapak tanganyang berbunyi sebagai berikut.

Buka telapak tangan kanan dengan empat jari selain ibu jarai dirapatkan. Arahkan keempat jari yang dirapatkan sesuai dengan arah induksi magnetik B dan arahkan ibu jari hingga sesuai dengan arah kuat arus listrik i, maka arah gaya Lorentz F yang dialami oleh konduktor akan sesuai dengan arah dorongan telapak tangan.

Adapun besar gaya Lorentz dinyatakan oleh 

 

dengan L adalah panjang kawat konduktor dan

            adalah sudut apit terkecil antara arah arus i dan arah induksi magnet B.