4. Medan Magnet Dan Gaya Magnet

Afdal, Fisika Unand

Kemagnetan(Magnetism)

A Strangely Attractive Topic

Afdal, Fisika Unand

Basically, we knew the phenomenon existed and

we learned useful applications for it.

We did not understand it.

Afdal, Fisika Unand

Penggunaan magnet sehari-hari

Afdal, Fisika Unand

MOTOR

Afdal, Fisika Unand

Magnetic

Storage

Pita plastik pada kaset dilapisi dengan bubuk

magnet halus.

Arus menghasilkan medan magnet yang dapat berubah yang memagnetisasi bubuk.

Afdal, Fisika Unand

Generator / Dinamo

Afdal, Fisika Unand

Medan Magnet

dan Gaya Magnet

Afdal, Fisika Unand

Lodestone (Magnetite)

Afdal, Fisika Unand

Istilah magnet berasal dari nama kotak kuno yunani Magnesia, yang pada tempat

tersebut banyak ditemukan magnet alam. Magnet alam tersebut saat dikenal sebagai

lodestones (kadang dieja dengan loadstone; lode berarti to lead atau to attract) yang

mengandung magnetite, bahan magnet alam Fe3O4.

Orang China pada awal 121 AD mengetahui bahwa suatu batang besi bila didekatkan ke

magnet alam ini akan memperoleh sifat magnetik. Bila batang tersebut digantung pada

kawat maka akan mengarahkan dirinya sendiri ke arah utara-selatan.

Menggunakan magnet untuk membantu navigasi sekurang-kurangnya pada abad ke-11.

Afdal, Fisika Unand

Kompas Air

Beberapa bahan bersifat magnet, sifat

ini ditemukan oleh orang-orang China

dan digunakan untuk membuat

kompas lodestone pertama.

Afdal, Fisika Unand

Bahan Magnet

• Kebanyakan materi bukan magnet.

• Bahan magnet yang terbentuk secara alamiah disebut ferromagnetik.

• Bahan yang bersifat Ferromagnet antara lain– Iron (Besi)– Cobalt (Kobal)– Nickle (Nikel)

Afdal, Fisika Unand

(a)

Magnet memiliki dua kutub yang disebut kutub utara dan

kutub selatan

Exp. Pierre de Maricourt: memetakan arah jarum kompas yang diletakkan pada beberapa titik

dekat permukaan magnet

Afdal, Fisika Unand

Kutub Sejenis Saling Tolak

Kutub Magnet & Gaya Antar Magnet

N S S N

S

N

N

Afdal, Fisika Unand

N S N S

Kutub Tak-Sejenis Saling

Tarik

S

N

S

Afdal, Fisika Unand

N S N S

Kutub Magnet• Magnet adalah dua kutub (dipol)• Tidak ditemukan monopol (kutub

tunggal).• Bila suatu magnet dipotong menjadi

dua bagian maka akan diperoleh dua kutub untuk setiap potongan.

N S

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Tidak pernah ditemukan monopol (kutub tunggal) magnet

S N

Afdal, Fisika Unand

Bumi sebagai Magnet

Afdal, Fisika Unand

Kutub Utara Magnetik

Afdal, Fisika Unand

South

Afdal, Fisika Unand

Medan Magnet Bumi

• Inti bumi bukanlah bahan magnet. Jadi bagaimana bumi

memperoleh medan magnet?

• Medan magnet mengelilingi arus listrik, jadi arus listrik yang

bersirkulasi di dalam inti bumi yang berupa logam cair adalah

sumber medan magnet.

• Satu loop arus memberikan medan yang mirip dengan medan bumi.

Afdal, Fisika Unand

Kompas Magnet

Suatu potongan besi atau nikel dapat dimagnetisasi dengan

menggosok salah satu ujungnya dengan ujung magnet

permanen.

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Medan Magnet

Kuat dan arah medan disekitar suatu magnet digambarkan dengan garis berpanah yang disebut garis medan atau garis gaya magnet.

Garis medan adalah garis-garis imaginer yang mewakili arah dan kuat medan magnet.

Arah medan pada suatu titik dinyatakan oleh arah panah, sedangkan kuat medan dinyatakan oleh kerapatan garis medan pada titik tersebut.

Afdal, Fisika Unand

Arah garis medan disekitar magnet batang. (a) Ditunjukkan dengan susunan butiran pasir

besi dan arah jarum kompas. (b) Diagram skematis dari fenomena pada bagian (a).

(a) (b)

Afdal, Fisika Unand

Dari eksperimen diperoleh,

-Arah garis medan magnet masuk ke kutub selatan (S = south = selatan)

-Arah medan magnet keluar dari kutub utara (N = north = utara)

-Garis medan lebih rapat untuk daerah yang lebih dekat ke kutub magnet

Animasi

Afdal, Fisika Unand

Garis medan bila kutub utara suatu magnet berdekatan dengan

kutub selatan magnet lain.

Garis medan bila dua kutub utara dua buah magnet

berdekatan

Garis medan disekitar suatu magnet

tapal kuda

Afdal, Fisika Unand

Medan magnet digambarkan dengan anak panah. Kuat medan magnet dinyatakan oleh kerapatan

garis medan, sedangkan arah medan magnet dinyatakan oleh arah panah.

Khusus untuk medan yang berarah tegak lurus bidang gambar, maka medan magnet

digambarkan dengan tanda silang atau titik.

Medan magnet tegak lurus bidang

gambar arah ke dalam.

Medan magnet tegak lurus bidang

gambar arah ke luar.

Afdal, Fisika Unand

Gaya Magnet pada Benda

Bermuatan

Afdal, Fisika Unand

Suatu muatan yang bergerak dalam medan magnet akan dibelokkan.

Gaya Magnet pada Muatan Bergerak

Afdal, Fisika Unand

Gambar di samping menunjukkan suatu muatan (+q)

yang bergerak dalam medan magnet (B) yang berarah

tegak lurus ke dalam bidang gambar. Muatan tersebut

bergerak dengan kecepatan (v) arah vertikal ke atas.

Muatan tersebut mendapat gaya magnet atau gaya

lorentz (FB). Ditemukan bahwa arah gaya magnet

selalu tegak lurus B dan v. Gaya magnet berarah lurus

ke kiri sehingga muatan tertarik ke kiri sehingga

lintasannya sedikit membelok. Karena muatan terus

bergerak dan terus mendapat gaya, sehingga akhirnya

muatan membentuk lintasan melengkung.

Afdal, Fisika Unand

sinqvBFB

: Besar gaya magnet pada muatan q

q : besar muatan

: kelajuan muatan

: kuat medan tempat muatan berada

: sudut antara dan

Besar gaya magnet tersebut sebanding dengan q, B,

dan v, serta memenuhi hubungan:

BF qv B

BF

v

B

BF

v

B

vB

Afdal, Fisika Unand

Arah gaya magnet yang

dialami oleh suatu muatan

yang bergerak dalam medan

magnet cukup unik, dimana

arah FB selalu tegak lurus

arah v dan tegak lurus arah

B.

Afdal, Fisika Unand

Arahkan jari-jari tangan kanan ke

arah v, putar jari-jari tangan tersebut

menuju arah B, maka arah gaya (F)

adalah dalam arah ibu jari.

Beberapa cara yang membantu untuk menentukan arah gaya magnet pada muatan yang bergerak

dalam medan magnet.

Untuk semua cara gunakan tangan kanan!! ---> Aturan Tangan Kanan

Arah gaya ini adalah untuk muatan positif. Jika muatan

negatif, maka arah gaya adalah dalam arah berlawanan

dengan arah ibu jari (atau gunakan tangan kiri).

Afdal, Fisika Unand

Selain cara di atas dapat juga digunakan cara berikut,

Afdal, Fisika Unand

+

v

B

F

Aturan sekrup putar kanan:

Bila sekrup diputar dari v menuju B maka arah gerak

sekrup (maju atau mundur) adalah arah gaya pada

muatan q.

v

B

BvF

Afdal, Fisika Unand

Satun kuat medan magnet dalam SI adalah tesla ( T ),

yang juga disebut weber per meter kuadrat (Wb/m2

).

Satuan Kuat Medan Magnet

[B] = T = Wb/m2 = N/{C.(m/s)} = N/(A.m)

1 Tesla = 10.000 Gauss

Satuan yang lain adalah Gauss

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Contoh beberapa arah gaya magnet pada muatan dengan arah kecepatan dan medan magnet yang berbeda-beda.

F

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

v

B

q

F = 0

v

B

q

®®®®®

®®®®®

v

B

q

F

´

v arah vertikal ke atas

B tegak lurus bidang arah ke dalam

F arah horizontal ke kiri

v arah vertikal ke atas

B horizontal ke kanan

F tegak lurus bidang arah ke

dalam

v sejajar dengan B

F = 0

Afdal, Fisika Unand

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

x x x x x x x

B

Suatu muatan (q) awalnya bergerak dalam arah vertikal ke atas di dalam medan magnet (B)

arah tegak lurus ke dalam bidang gambar. Muatan mendapat gaya magnet (F) yang

membelokkan lintasannya.

Afdal, Fisika Unand

Dalam medan magnet, muatan mendapat Gaya Lorentz :

Muatan yang bergerak melingkar juga mendapat percepatan sentripetal:

Gunakan Hukum II Newton:

F qvB

2va

R

Jari - jari lintasan muatan (R)

R

vmqvBmaF

2

qB

mvR

Afdal, Fisika Unand

Contoh

Suatu proton bergerak dengan kelajuan 3 x 104 m/s ke arah barat di dalam medan magnet 500 Gauss arah ke selatan. Tentukan besar dan arah gaya magnet pada proton? qproton = +e = 1.6 x 10

-19 C

v = 3 x 104 m/s, (ke Barat)

B = 500 Gauss * 1 Tesla/10.000 Gauss

= 0,05 T (ke Selatan)

Afdal, Fisika Unand

Besar gaya : Fmagnet = q v B sin()

Arah gaya : Aturan tangan kananBesar : F = (1.6 x 10-19 C)*(3 x 104 m/s)*(0,05 T) * sin(90o) =

2.4 x 10-16 Nt.

Arah: Ibu Jari = Tangan x Jari-Jari

= Barat x Selatan = Ke LuarPercepatan:a = F/m = 2.4 x 10-16 Nt / 1.67 x 10-27 kg = 1.44 x 1011

m/s2.

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Aplikasi yang melibatkan partikel yang bergerak dalam

medan magnet

1. Selektor Kecepatan (Velocity Selector)

Dalam eksperimen yang melibatkan

partikel yang bergerak, sangat

penting menjaga agar semua partikel

bergerak dengan kecepatan yang

sama. Hal ini dapat dicapai dengan

gabungan medan listrik dan medan

magnet seperti gambar di samping.

Lihat Animasi

Afdal, Fisika Unand

Medan listrik (E) berarah ke bawah, dan medan magnet seragam (B) di arahkan tegak

lurus medan listrik. Bila muatan positif (q) memasuki daerah ini maka akan mendapat

gaya magnet:

BF qv B

(berarah ke atas)

dan mendapat gaya listrik:

EF qE

(berarah ke bawah)

Afdal, Fisika Unand

Partikel akan bergerak dalam lintasan lurus bila gaya magnet sama besar

dengan gaya listrik (FB = FE).

qEqvB

Ev

B

Hanya partikel yang bergerak dengan kecepatan ini yang akan diteruskan.

Partikel yang bergerak dengan kecepatan lebih besar akan dibelokkan ke

atas, dan yang bergerak dengan kecepatan lebih rendah akan dibelokkan ke

bawah.

Afdal, Fisika Unand

2. Spektrometer Massa

Spektrometer massa memisahkan ion berdasrkan perbandingan massa terhadap muatan. Setrelah ion

melewati selektor kecepatan dan selanjutnya memasuki medan magnet seragam (Bo) yang memiliki arah

yang sama dengan arah medan magnet dalam selektor. Saat memasuki medan magnet kedua, ion bergerak

dalam lintasan setengah lingkaran sebelum mengenai plat fotografi.

o

mvR

qB oRBm

q v oRB Bm

q E

Afdal, Fisika Unand

3. Siklotron

Siklotron dapat mempercepat partikel

bermuatan kecepatan sangat tinggi. Partikel

bernergi tinggi ini digunakan untuk

menembaki inti atom sehingga menghasilkan

reaksi nuklir. {untuk membuat bahan

radioaktif untuk diagnosa dan perawatan, bom

nuklir, dll}

Afdal, Fisika Unand

Pemercepat Partikel (Particle Accelerator)

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Fluks Magnet (Jumlah Garis Gaya = Φ)

Bila suatu loop seluas A berada dalam medan magnet B,

maka fluks magnet atau rapat garis gaya (Φ) yang

melewati loop didefenisikan sebagai

cosBA

dimana adalah sudut antara B dan A.

Afdal, Fisika Unand

Fluks magnet pada suatu bidang yang yang terletak dalam suatu medan magnet. (a) Fluks yang

menembus bidang adalah nol bila medan magnet sejajar dengan permukaan bidang. (b) Fluks yang

menembus bidang maksimum bila medan magnet tegak lurus pada bidang.

Afdal, Fisika Unand

Gaya Magnet pada Kawat Berarus

Afdal, Fisika Unand

Sebelumnya sudah dilihat bahwa muatan yang bergerak dalam medan magnet akan

mendapat gaya Lorentz. Maka tidaklah mengherankan kawat berarus juga akan mendapat

gaya bila berada dalam medan magnet, karena arus dalam kawat sebenarnya adalah

muatan yang bergerak.

Afdal, Fisika Unand

(a)Suatu kawat digantung diantara kutub-kutub magnet.

(b) Penampang dari kutub selatan magnet dari bagian (a), bila tidak ada arus, kawat

tetap lurus vertikal.

Afdal, Fisika Unand

(c) Bila arus berarah ke atas, kawat terdorong ke kiri.

(d) Bila arus berarah ke bawah, kawat terdorong ke kanan.

Bagaimana hal ini

dapat terjadi?

Afdal, Fisika Unand

Lihat Animasi

Lihat Animasi

Afdal, Fisika Unand

Perhatikan suatu segmen kawat lurus sepanjang L dan luas penampang A, membawa arus I

dalam medan magnet luar yang seragam (B) yang tegak lurus pada arah aliran muatan seperti

gambar di bawah. Besar gaya magnet pada muatan q yang begerak dengan kecepatan alir vd

adalah

Untuk mencari gaya total pada kawat, kalikan gaya F

dengan jumlah muatan yang ada dalam segmen. Karena

volume segmen adalah AL, maka jumlah muatan dalam

segmen adalah nAL, dimana n adalah jumlah muatan per

satuan volume. Sehingga, gaya magnet total pada kawat

sepanjang L adalah

F = (qvdB)nAL

F = qvdB

Afdal, Fisika Unand

Bila kawat tidak tegak lurus terhadap medan magnet, tetapi membentuk suatu sudut ()

tertentu, maka besar gaya magnet pada kawat adalah

F = IBL sin

sedangkan nqvdA adalah kuat arus (I) , dan F dapat dinyatakan sebagai

F = IBL

F LI B

Afdal, Fisika Unand

Sedangkan arah gaya magnet ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan, seperti yang

digunakan untuk menentukan gaya magnet pada muatan yang bergerak dalam medan magnet. Tetapi disini

arah kecepatan muatan (v) digantikan dengan arah arus (I).

Afdal, Fisika Unand

FL

Dengan menggunakan aturan tangan kanan, dimana I arah vertikal ke atas, B arah tegak lurus ke dalam

bidang gambar, maka gaya pada kawat akan berarah horizontal ke kiri.

i

B

FL

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Gaya Magnet pada Loop Berarus

Bila suatu loop kawat tertutup yang terhubung dengan sumber arus diletakkan dalam medan

magnet, maka loop tersebut akan mendapat torsi dan berputar pada sumbunya.

Afdal, Fisika Unand

Gambar di atas adalah suatu loop arus persegi panjang dalam medan magnet (B) dilihat dari atas. Medan B berarah

horizontal ke kanan. Pada loop mengalir arus (I) seperti dalam gambar.

Pada segmen (1) dan (3) tidak ada gaya yang bekerja karena segmen ini sejajar dengan B.

Bagaimana ini bisa terjadi?

Sama halnya dengan kawat berarus, maka loop berarus juga akan mendapat gaya jika berada dalam medan

magnet. Karena pada dasarnya, loop adalah kawat yang ujung-ujungnya bertemu pada suatu titik.

Afdal, Fisika Unand

Tetapi segmen (2) dan (4) bekerja gaya magnet yang besarnya,

F2 = F4 = I a B

Arah dari F2 (gaya pada kawat 2) adalah ke atas, dan arah gaya F4 (gaya pada kawat 4) adalah ke bawah.

Kedua gaya ini berlawanan arah tetapi tidak bekerja dalam garis aksi yang sama. Kedua gaya ini

menghasilkan torsi terhadap O yang menyebabkan loop berotasi searah putaran jarum jam. Besar dari torsi ini

adalah

2 42 2 2 2maks

b b b bF F IaB IaB IabB

maks IAB

dimana A = ab adalah luas loop

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Afdal, Fisika Unand

Loop Berarus dalam medan magnet Rotasi

Ini adalah prinsip dasar dari kerja motor listrik

Afdal, Fisika Unand

Lihat Animasi

Lihat Animasi

Afdal, Fisika Unand

Motor Listrik:

alat yang dapat mengubah

energi listrik menjadi energi

mekanik (gerak).

Contoh penerapan:

Kipas angin, mobil-mobilan

listrik, alat ukur listrik.

Afdal, Fisika Unand

Electric Motor

Afdal, Fisika Unand

Electric Motor

Afdal, Fisika Unand

Galvanometer

Galvanometer menggunakan prinsip

motor listrik.