Medan Magnet Disekitar Kawat Berarus Listrik

Medan Magnet Di Sekitar Kawat Berarus Listrik

 Gejala ini pertama kali dikaji oleh Hans Christian Oersted. Melalui percobaan, ia berhasil mengungkap hubungan antara listrik dan magnet. Ia berhasil membuktikan bahwa penghantar yang berarus listrik dapat menghasilkan medan magnetik.

Kumparan kawat berinti besi yang dialiri listrik dapat menarik besi dan baja. Hal ini menunjukkan bahwa kumparan kawat berarus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Medan magnet juga dapat ditimbulkan oleh kawat penghantar lurus yang dialiri listrik. Berdasarkan hasil percobaan tersebut terbukti bahwa arus listrik yang mengaliri dalam kawat penghantar ini menghasilkan medan magnetik, atau disekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnetik.

Pada saat arus listrik yang mengalir dalam penghantar diperbesar, ternyata kutub utara jarum kompas menyimpang lebih jauh. Hal ini berarti semakin besar arus listrik yang digunakan semakin besar medan magnetik yang dihasilkan.

Gambar: penyimpangan magnet kompas

Arah medan magnetik di sekitar kawat penghantar lurus berarus listrik dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Jika arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik (I), maka arah keempat jari yang lain menunjukkan arah medan magnetik (B). Kaidah tangan kanan ini juga dapat digunakan untuk menemukan arah medan magnetik pada penghantar berbentuk lingkaran yang dialiri listrik.

Gambar: kaidah tangan kanan

Untuk mengetahui letak kutub utara dan kutub selatan yang terbentuk pada kumparan berarus listrik, dapat dilakukan dengan cara:

1. Perhatikan arah listrik yang mengalir pada kumparan.
2. Ujung kumparan yang pertama kali mendapat arus listrik dijadikan sebagai pedoman untuk menentukan letak kutub-kutub magnet.
3. Kemudian, genggam ujung kumparan yang pertama kali teraliri arus listrik dengan posisi jari tangan kanan sesuai dengan letak kawan pada inti besi.
4. Apabila kawat itu berada di depan inti besi, letakkan telapak tangan menghadap ke depan, kemudian genggam kumparan yang berinti besi.
5. Letak kutub utara magnet ditunjukkan oleh arah ibu jari, sedangkan arah sebaliknya menunjukkan kutub selatan.
6. Jika kawat penghantar yang pertama kali teraliri arus listrik berada di belakang inti besi, maka hadapkan telapak tangan ke belakang, kemudian genggam kumparan kawat itu.
7. Dengan cara yang sama kita dapat juga menentukan letak kutub utara, dan kutub selatan magnet.

Ternyata penghantar berarus listrik yang ditempatkan dalam medan magnet  juga mengalami gaya magnet. Hal ini ditemukan pertama kali oleh Hendrik Antoon Lorentz. Gaya Lorentz terjadi apabila kawat penghantar berarus listrik berada di dalam medan magnetik. Besar gaya Lorentz bergantung pada besar medan magnetik, panjang penghantar, dan besar arus listrik yang mengalir dalam kawat penghantar. Untuk arah aliran arus listrik tegak lurus terhadap arah medan magnet, gaya Lorentz dapat dinyatakan dengan:

F = B x I x l

Keterangan:

F = gaya Lorentz pada kawat (N)

B = medan magnet (Tesla)

I = arus listrik (A)

l = panjang kawat (m)

Gaya Lorentz sudah banyak diterapkan dalam peralatan sehari-hari, antara lain:

1. Alat bor listrik

Gambar: bor listrik

2. Blender rumah tangga

Gambar: blender

3. mikser

Gambar: mikser

3. Alat pengering rambut (Hair Dryer)

Gambar: pengering rambut

4. mesin penyedot air

Gambar: mesin air

5. mesin cuci

Gambar: mesin cuci

Prinsip kerja dari semua alat diatas adalah dengan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

MEDAN MAGNET

Medan Magnet

Medan magnet merupakan sebuah gambaran yang biasa kita gunakan untuk merepresentasikan bagaimana gaya magnet terdistribusi diantara suatu benda bermagnet atau disekitar benda bermagnet tersebut.

Seperti yang sudah kita ketahui bahwa magnet memiliki dua kutub dimana jika kita dekatkan dua buah magnet maka dapat terjadi gaya tarik-menarik ataupun gaya tolak-menolak tergantung kutub-kutub yang didekatkan. Selain itu, kita juga tahu bahwa gaya tarik-menarik atau tolak-menolak tersebut memiliki batas jangkauan disekitar magnet tersebut yang tidak bisa kita lihat. Medan magnet dapat mendeskripsikan bagaimana gaya yang tidak terlihat tersebut disekitar magnet.

Visualisasi Medan Magnet

Terdapat dua cara untuk menggambarkannya:

1. Dideskripsikan secara matematik sebagai vektor. Setiap vektor pada setiap titik yang berbentuk panah tersebut memiliki arah dan besaran tergantung dari besar gaya magnetik pada titik tersebut.

Gambar. Vektor medan magnet pada sebuah magnet persegi panjang

2. Cara lain untuk mengilustrasikannya adalah dengan menggunakan garis. Setiap vektor disambungkan dengan sebuah garis yang tidak terputus dan banyaknya garis dapat dibuat sebanyak mungkin. Cara inilah yang paling sering dipakai untuk menggambarkan suatu medan magnet.

Gambar. Garis-garis medan magnet pada sebuah magnet persegi panjang

Garis-garis medan magnet memiliki karakteristik yang berguna untuk analisa:

• Setiap garis tidak pernah berpotongan satu sama lain
• Garis akan makin semakin rapat pada wilayah dimana medan magnet semakin besar. Hal ini menandakan bahwa semakin rapat garis-garis medan magnet, maka semakin besar gaya magnetnya pada wilayah tersebut.
• Garis-garis ini tidak bermulai atau berhenti dari manapun, akan tetapi garis-garis tersebut membentuk suatu lingkaran tertutup dan tetap menyambung di dalam material magnet.
• Arah medan magnet direpresentasikan dengan panah pada garis-garisnya. Terkadang, tanda panah tidak digambar pada garis-garis medan magnet, akan tetapi medan magnet akan selalu memiliki arah dari kutub Utara (North) ke Selatan (South).
• Garis-garis ini dapat divisualisasikan secara nyata. Cara yang paling sederhana adalah dengan menyebarkan bubuk pasir besi di sekitar magnet dan akan menghasilkan karakteristik yang sama seperti pada garis-garis medan magnet.

Gambar. Visualisasi secara nyata menggunakan bubuk pasir besi

Pengukuran dan Rumus Medan Magnet

Karena medan magnet merupakan besaran vektor, maka terdapat dua aspek untuk mengukur medan magnet: besarnya dan arahnya.

Untuk mengukur arahnya, kita dapat menggunakan kompas magnet. Jika kompas magnet diletakkan di sekitar medan magnet, maka arah jarum kompas akan mengikuti arah medan magnet di titik tersebut.

Pada rumus medan magnet, besarnya medan magnet dituliskan dengan simbol B. Sesuai dengan sistem Internasional, besarnnya memiliki satuan dalam tesla (T) yang diambil dari nama Nikola Tesla. Tesla didefinisikan sebagai seberapa besar gaya medan magnet. Contohnya, sebuah kulkas kecil memproduksi medan magnet sebesar 0,001 T.

Terdapat satu cara untuk membuat medan magnet tanpa menggunakan magnet, yakni dengan mengalirkan arus listrik.

Jika kita alirkan arus listrik melalui kabel (contohnya dengan menyambungkannya ke baterai), maka kita akan mendapat dua fenomena. Semakin besar arus yang mengalir pada kabel, maka akan semakin besar pula medan magnet yang dihasilkan. Demikian juga sebalilknya.

Sesuai dengan hukum Ampere, besar medan magnet yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus:

dimana I adalah besar arus listrik, r jarak dari kabel, dan merupakan konstanta permeabilitas ().

Untuk mengetahui arahnya, kita dapat menggunakan prinsip tangan kanan. Ibu jari merupakan arah aliran listrik dan jari-jari lainnya menunjukkan arah medan magnet disekitar kabel.

Gambar. Prinsip tangan kanan untuk menentukan arah medan magnet (B) berdasarkan arah arus listrik (I)

Contoh Soal Medan Magnet & Pembahasan

Contoh Soal 1

Perhatikan gambar diatas, sebuah kabel beralirkan arus listrik ditempatkan di dekat kompas magnet. Berapa besar arus listrik (dan arahnya) yang dibutuhkan untuk meniadakan medan magnet bumi terhadap kompas sehingga kompas menjadi tidak berfungsi?

(Medan magnet bumi diasumsikan sebesar ).

Pembahasan:

Dengan menggunakan rumus medan magnet:

Dapat dicari besar arus listrik yakni:

Diketahui bahwa jarak r dari kompas ke kabel sebesar 0,05 m. Maka didapar:

Dengan menggunakan kaidah tangan kanan kita harus menempatkan ibu jari kita ke bawah agar jari-jari yang lain memiliki arah yang berlawanan dengan medan magnet kompas. Sehingga arah arus harus menembus menuju kertas/layar, menjauhi kita.

Contoh Soal 2

Bedasarkan soal sebelumnya, jika diketahui bahwa arus yang dapat dialirkan melalui kabel hanya sebesar 1,25 Ampere. Berapa besar jarak r untuk tetap meniadakan medan magnet bumi terhadap kompas?

Pembahasan:

Dengan menggunakan rumus medan magnet:

Dapat dicari jarak r yakni:

Dari persamaan diatas diketahui bahwa besar arus listrik I sebanding dengan jarak r. Sehingga jika arus listriknya diperkecil menjadi 1/10 (sepersepuluh) dari sebelumnya, maka besar jarak r juga mengecil 1/10 (sepersepuluh) dari besar sebelumnya.

Maka jarak r sebesar 0,005 m atau 5 mm.

KEMAGNETAN BUMI

Pernah liat kompas nggak? Maksudnya bukan koran kompas, lho. Tapi, kompas yang alat untuk menentukan arah mata angin. Nah, kalian yang pernah menggunakan kompas, pasti tahu kan, kalau jarum kompas selalu menunjuk ke arah utara dan selatan. Hmm… Kira-kira kenapa bisa begitu, ya? Hayoo… ada yang kepikiran nggak, nih? Yuk, kita simak penjelasan berikut untuk tahu jawabannya!

Kompas menunjuk ke arah utara dan selatan (Sumber: Wikipedia.org)

Ternyata, hal ini disebabkan oleh gaya tarik menarik antara jarum kompas dengan magnet bumi, lho!.

“Hah? Magnet bumi? Emangnya bumi ada magnetnya?”

Nah, kamu baru tahu, kan kalau bumi yang kita diami memiliki sifat kemagnetan. Secara geografis, kutub utara magnet bumi berada di selatan bumi dan kutub selatan magnet bumi berada di utara bumi.

Ngomongin magnet bumi, kalian tahu nggak kalau ternyata teori ini pertama kali dicetuskan oleh William Gilbert. Pada teorinya dijelaskan kalau bumi bersifat magnet karena inti bumi dipenuhi dengan loadstone atau batuan yang mengandung magnetik.

Pada eksperimennya, dia menyadari kalau magnet bumi kehilangan kemampuan magnetiknya ketika terkena suhu yang tinggi. Selain itu, karena kekuatan magnetik sering menghasilkan gerakan melingkar, maka dia mulai menghubungkan fenomena magnet tersebut dengan rotasi bumi.

Selain teori William Gilbert, ternyata ada teori lain bernama teori dinamo yang juga menjelaskan tentang kemagnetan bumi, lho. Pada teori ini, inti luar bumi yang bersifat cair mengandung arus listrik. Nah, sejumlah muatan listrik tersebut lalu berputar mengelilingi sumbunya dan menghasilkan medan magnet. Kebayang nggak, nih? Kalau masih bingung, coba deh kamu perhatikan gambar berikut ini.

Struktur bumi tersusun dari beberapa lapisan, yaitu inti bumi, mantel bumi, dan kerak bumi. Inti bumi terbagi menjadi dua, yaitu inti dalam yang bersifat padat dan inti luar yang bersifat cair. Ketika bumi berotasi, partikel bermuatan listrik dalam cairan inti luar bumi ikut bergerak dan menghasilkan medan magnet.

Nah, kembali ke persoalan jarum kompas tadi. Karena bumi bersifat magnetik, maka timbul gaya tarik menarik antara magnet bumi dengan jarum kompas, akibatnya kompas selalu menunjukan arah utara dan selatan.

Ketika menggunakan kompas, coba kalian perhatiin lebih detail deh. Kok kayaknya ada yang aneh ya? Ternyata, jarum utara kompas nggak menunjuk tepat ke arah utara lho. Ada penyimpangan pada jarum kompas tersebut yang membentuk sudut bernama sudut deklinasi. Hmm… lalu apa itu sudut deklinasi?

Sudut deklinasi adalah sudut yang dibentuk oleh kutub utara jarum kompas dengan arah utara magnet/selatan geografis. Sudut deklinasi akan bernilai positif jika kutub utara kompas menyimpang ke timur dan bernilai negatif jika kutub utara kompas menyimpang ke barat. Misalnya, suatu objek yang berada di atas kutub utara memiliki sudut deklinasi +90°, sedangkan jika objek berada di atas kutub selatan maka sudut deklinasinya -90°.

Selain terdapat sudut deklinasi, ternyata ada juga penyimpangan jarum kompas lainnya seperti gambar di bawah.

Kalian tahu nggak, kenapa sih kedudukan jarum kompas tidak mendatar? Hal tersebut dikarenakan arah garis gaya medan magnet bumi tidak sejajar dengan permukaan bumi (bidang horizontal). Posisi jarum kompas ternyata agak miring pada sudut tertentu. Sudut itu dinamakan sudut inklinasi. Lalu, apa itu sudut inklinasi?

Sudut inklinasi adalah sudut yang dibentuk antara ujung jarum kompas dengan arah horizontal permukaan bumi. Sudut inklinasi bernilai positif, jika kutub utara jarum kompas berada di sebelah atas garis mendatar dan bernilai negatif jika kutub utara jarum kompas berada di bawah garis mendatar. Misalnya, suatu objek yang berada di kutub utara memiliki sudut deklinasi -90°, sedangkan jika objek berada di kutub selatan maka sudut deklinasinya +90°.

Pada teori kemagnetan bumi ini, kita dapat mengetahui beberapa fakta unik nih tentang jarum kompas. Pertama, alasan jarum kompas selalu menunjuk ke arah utara dan selatan adalah karena adanya gaya tarik menarik antara jarum kompas dengan magnet bumi. Kedua, pada jarum kompas ternyata terdapat penyimpangan yang dapat membentuk sudut, yaitu  sudut deklinasi dan inklinasi.

Nah, gimana sekarang kalian sudah tahu kan tentang teori kemagnetan bumi? Jika kalian ingin belajar lebih banyak tentang teori fisika lainnya, ayo tonton di ruangbelajar! Banyak video dan kumpulan materi yang dapat kalian nikmati.

PEMBUATAN MAGNET

Cara Pembuatan Magnet

Disamping magnet yang ditemukan di alam (magnet alam) ada juga magnet yang dibuat manusia (mgnet buatan). Bahkan magnet yang kebanyakan dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari yaitu magnet buatan.

Benda yang dapat dibuat magnet adalah benda-benda yang tergolong dalam benda magnetik terutama ferromgnetik, contohnya besi atau baja. Pada prinsipnya membuat magnet adalah mengubah susunan magnet elementer yang tidak beraturan menjadi searah dan teratur.

Ada tiga cara membuat magnet, yaitu dengan cara menggosok, dengan cara induksi, dan dengan cara mengalirkan arus listrik.

1. Membuat Magnet dengan Cara Menggosok

Besi yang semula bukan magnet, dapat dijadikan magnet. Caranya besi digosok dengan salah satu ujung magnet tetap. Arah gosokan dibuat searah agar magnet elementer yang terdapat pada besi letaknya menjadi teratur dan mengarah ke satu arah. Apabila magnet elementer besi telah teratur dan mengarah ke satu arah, dikatakan besi dan baja telah menjadi magnet. Ujung-ujung besi yang digosok akan terbentuk kutub-kutub magnet. Kutub-kutub yang terbentuk tergantung pada kutub magnet yang digunakan untuk menggosok. Pada ujung terakhir besi yang digosok, akan mempunyai kutub yang berlawanan dengan kutub ujung magnet penggosoknya.

Cara membuat magnet dengan cara menggosok

2. Membuat magnet dengan cara Induksi

 

Besi dan baja dapat dijadikan magnet dengan cara induksi. Caranya adalah besi dan baja diletakkan di dekat magnet tetap. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh atau terinduksi magnet tetap yang menyebabkan letaknya teratur dan mengarah ke satu arah. Besi atau baja akan menjadi magnet sehingga dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya. Ujung besi yang berdekatan dengan kutub magnet batang, akan terbentuk kutub yang selalu berlawanan dengan kutub magnet penginduksi. Apabila kutub utara magnet batang berdekatan dengan ujung A besi, maka ujung A besi menjadi kutub selatan dan ujung B besi menjadi kutub utara atau sebaliknya.

3. Membuat Magnet Dengan Cara Arus Listrik

 

Besi dan baja dapat juga dijadikan magnet dengan arus listrik. Caranya besi dan baja dililiti kawat yang dihubungkan dengan baterai. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh aliran arus searah (DC) yang dihasilkan baterai. Hal ini menyebabkan magnet elementer letaknya teratur dan mengarah ke satu arah. Besi atau baja akan menjadi magnet dan dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya. Magnet yang dibuat dengan cara arus listrik disebut magnet listrik atau elektromagnet.