BAB 13 – Magnet & Sifatnya

A. Sejarah Magnet

Lebih dari 2000 tahun yang lalu, orang Yunani yang hidup di suatu daerah di Turki yang dikenal sebagai Magnesia menemukan batu aneh. Batu tersebut menarik benda-benda yang mengandung besi seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Karena batu tersebut ditemukan di Magnesia, orang Yunani memberi nama batu tersebut magnet.

Gambar 1

Kemagnetan adalah suatu sifat zat yang teramati sebagai suatu gaya tarik atau gaya tolak antara kutub kutub tidak senama maupun senama. Gaya magnet tersebut paling kuat di dekat ujung-ujung atau kutub-kutub magnet tersebut. Semua magnet memiliki dua kutub magnet yang berlawanan, utara (U) dan selatan (S). Apabila sebuah magnet batang digantung maka magnet tersebut berputar secara bebas, kutub utara akan menunjuk ke utara.

B. Bahan Magnetik

Jika kamu mendekatkan sebuah magnet pada sepotong kayu, kaca, alumunium, maupun plastik, apa yang terjadi? Ya, kamu betul jika kamu mengatakan tidak terjadi apa-apa. Tidak ada pengaruh apapun antara magnet dan bahan-bahan tersebut. Disamping itu, bahan-bahan tersebut tidak dapat dibuat magnet. Tetapi, bahan-bahan seperti besi, baja, nikel, dan kobalt bereaksi dengan cepat terhadap sebuah magnet. Seluruh bahan tersebut dapat dibuat magnet. Mengapa beberapa bahan mempunyai sifat magnetik sedangkan yang lain tidak?

Secara sederhana kita dapat mengelompokkan bahan-bahan menjadi dua kelompok. Pertama adalah bahan magnetik, yaitu bahan-bahan yang dapat ditarik oleh magnet. Kedua adalah bahan bukan magnetik, yaitu bahan-bahan yang tidak dapat ditarik oleh magnet.

Gambar 2. Arah Magnet Secara Mikroskopik

Bahan magnetik yang paling kuat disebut bahan ferromagnetik. Nama tersebut berasal dari bahasa Latin ferrum yang berarti besi. Bahan ferromagnetik ditarik dengan kuat oleh magnet dan dapat dibuat menjadi magnet. Sebagai contoh, jika Anda mendekatkan sebuah magnet pada  sebuah paku besi, magnet akan menarik paku tersebut. Jika Anda menggosok paku dengan magnet beberapa kali dengan arah yang sama, paku itu sendiri akan menjadi sebuah magnet. Paku tersebut akan tetap berupa magnet meskipun magnet yang digunakan menggosok tersebut telah dijauhkan.

Bahan-bahan magnetik tersebut dapat dibagi menjadi dua macam. Bahan ferromagnetik, yaitu bahan yang dapat ditarik oleh magnet dengan kuat. Bahan ini misalnya adalah besi, baja, dan nikel. Bahan paramagnetik, yaitu benda yang dapat ditarik oleh magnet dengan lemah. Benda-benda ini misalnya adalah aluminium, platina, dan mangan. Sedangkan bahan yang tidak dapat ditarik oleh magnet digolongkan sebagai bahan diamagnetik misalnya bismut, tembaga, seng, emas dan perak.

Beberapa bahan, seperti besi lunak, mudah dibuat menjadi magnet. Tetapi bahan tersebut mudah kehilangan kemagnetannya. Magnet yang dibuat dari bahan besi lunak seperti itu disebut magnet sementara. Magnet lain dibuat dari bahan yang sulit dihilangkan kemagnetannya. Magnet demikian disebut magnet tetap. Kobalt, nikel, dan besi adalah bahan yang digunakan untuk membuat magnet tetap. Banyak magnet tetap dibuat dari campuran aluminium, nikel, kobalt dan besi.

C. Kutub Magnet

Kutub magnet selalu ditemukan berpasangan, kutub utara dan kutub selatan. Jika sebuah magnet dipotong menjadi dua buah, dihasilkan dua magnet yang lebih kecil masing-masing mempunyai satu kutub utara dan satu kutub selatan. Prosedur ini dapat diulang-ulang, namun selalu dihasilkan sebuah magnet lengkap yang terdiri dari dua kutub (Gambar 3).

D. Medan Magnet

Meskipun gaya magnet paling kuat terdapat pada kutub-kutub magnet, gaya tersebut tidak terbatas hanya pada kutub. Gaya magnet juga terdapat di sekitar bagian magnet yang lain. Daerah di sekitar magnet tempat gaya magnet bekerja disebut medan magnet.

Sangat membantu jika Anda memikirkan medan magnet sebagai suatu daerah yang dilewati oleh garis-garis gaya magnet. Garis gaya magnet menentukan medan magnet sebuah benda. Seperti halnya garis-garis medan listrik, garis-garis gaya magnet dapat digambar untuk memperlihatkan lintasan medan magnet tersebut.

Garis medan magnet berkeliling dalam lintasan tertutup dari kutub utara ke kutub selatan dari sebuah magnet. Suatu medan magnit yang diwakili oleh garis-garis gaya yang terentang dari satu kutub sebuah magnet ke kutub yang lain, merupakan suatu daerah tempat bekerjanya gaya magnet tersebut.

Garis gaya magnet dapat diperlihatkan dengan mudah dengan menaburkan serbuk besi pada selembar kertas yang diletakkan di atas sebuah magnet. Lihatlah Gambar 3. Di manakah garis gaya magnet selalu ditemukan paling banyak dan paling berdekatan satu sama lain?

Gambar 5 memperlihatkan garis gaya magnet yang terdapat di antara kutub-kutub taksenama dua buah magnet batang. Pola serbuk besi memperlihatkan kutub-kutub senama tolak-menolak. Gambar 5 memperlihatkan garis gaya magnet yang terdapat di antara kutub-kutub taksenama dua buah magnet batang. Pola serbuk besi memperlihatkan kutub-kutub tidak senama tarik menarik.

E. Flux Magnetik

Garis medan magnit yang dianggap berasal dari kutub utara sebuah magnet disebut flux magnetik. Simbolnya adalah huruf Yunani ? (phi). Medan magnet yang kuat mempunyai lebih banyak garis gaya dan flux magnetik daripada medan magnet yang lemah.

Satu Maxwell (Mx) sama dengan satu garis medan magnet. Pada Gambar 6, flux yang digambarkan adalah 6 Mx sebab terdapat 6 garis medan yang keluar maupun masuk ke tiap kutub. Weber adalah satuan flux magnetik yang lebih besar. Satu weber (Wb) sama dengan 1 x 108 garis medan atau Maxwell. Karena weber satuan yang besar, satuan mikro weber dapat digunakan, 1 ?Wb = 10-6 Wb.

Untuk mengubah mikro weber ke garis medan, kalikan dengan faktor konversi 108 garis per weber, seperti berikut:

1 ?Wb = 1 x 10-6 Wb x 108 garis/Wb = 1 x 102 garis
1 ?Wb = 100 garis atau Mx

Satuan dasar flux magnetik dapat didefinisikan dalam dua cara., Maxwell adalah satuan cgs, sedangkan weber (Wb) adalah satuan mks atau SI. Untuk bidang sains dan rekayasa, satuan SI lebih disukai daripada satuan cgs, tetapi satuan cgs masih banyak digunakan pada banyak aplikasi praktis.

F. Kerapatan Flux B

Seperti diperlihatkan pada Gambar 6, kerapatan flux adalah jumlah garis medan magnet per satuan luas bagian yang tegak lurus terhadap arah flux. Kerapatan flux dinyatakan sebagai:

B = Φ / A

dimana  Φ adalah flux yang melalui luas A dan kerapatan flux adalah B. Pada sistem cgs, satu gauss (G) adalah satu garis per centimeter persegi atau 1 Mx/cm2. Contoh, pada Gambar 6, flux total adalah 6 garis atau 6 Mx.

Tetapi pada daerah P, kerapatan flux B adalah 2 G sebab terdapat 2 garis per cm2. Kerapatan flux mempunyai nilai yang lebih besar jika dekat dengan kutub.

Contoh:
Dengan flux 10.000 Mx yang melalui luasan tegak lurus 5 cm2, berapakah kerapatan flux dalam gauss?

Jawab:

B = Φ /A = 10.000 Mx / 5 cm2 = 2000 Mx/cm2,

B = 2000 G

Dalam SI, satuan kerapatan flux B adalah weber per meter persegi (Wb/m2). Satu weber per meter persegi disebut satu tesla, yang disingkat T. Ketika mengkonversi satuan cgs ke mks atau sebaliknya, perhatikan

1 m = 100 cm atau 102 cm
1 m2 = 10.000 cm2 atau 104 cm2

Sebagai contoh, 5 cm2 sama dengan 0,0005 m2 atau 5 x 10-4 m2. Perhitungan konversi adalah…

5 cm2 x 0,0001 m2 / cm2 = 0,0005 cm2 atau
5 cm2 x 10-4 m2/cm2 = 5 x 10-4 m2

G. Induksi Medan Magnet

Pengaruh magnetik salah satu benda pada benda lain tanpa sentuhan fisik di antara keduanya disebut induksi. Contoh, magnet tetap dapat mendinduksikan batang besi yang belum menjadi magnet menjadi magnet tanpa bersentuhan. Lalu batang besi menjadi magnet, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 7.

Apa yang terjadi adalah garis gaya magnetik yang dibangkitkan oleh magnet tetap menimbulkan magnet-magnet molekul dalam batang besi.

Berikut ini merupakan tampilan GGL akibat induksi dari magnet yang keluar/masuk sehingga memberikan perubahan fluks magnetik pada kumparan yang terlihat dari perubahan tegangan di antara  kedua ujungnya.

H. Medan Magnet di Sekitar Arus Listrik

Selama bertahun-tahun Hans Cristian Oersted, seorang guru fisika dari Denmark, mempercayai ada suatu hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan, namun dia tidak dapat membuktikan secara eksperimen. Baru pada tahun 1820 dia akhirnya Oersted mengamati bahwa ketika sebuah kompas diletakkan dekat kawat berarus, jarum kompas tersebut menyimpang atau bergerak, segera setelah arus mengalir melalui kawat tersebut. Ketika arah arus tersebut dibalik, jarum kompas tersebut bergerak dengan arah sebaliknya. Jika tidak ada arus listrik mengalir melalui kawat tersebut, jarum kompas tersebut tetap diam. Karena sebuah jarum kompas hanya disimpangkan oleh suatu medan magnet, Oersted menyimpulkan bahwa suatu arus listrik menghasilkan suatu medan magnet.

Perhatikan Gambar 8, ketika kompas-kompas kecil tersebut diletakkan di sekitar penghantar lurus yang tidak dialiri arus listrik, jarum-jarum kompas tersebut sejajar (semuanya menunjuk ke satu arah). Keadaan ini memperlihatkan bahwa jarum kompas tersebut hanya dipengaruhi oleh medan magnet Bumi. Dengan demikian suatu arus listrik yang mengalir melalui sebuah kawat menimbulkan medan magnet yang arahnya bergantung

pada arah arus listrik tersebut. Garis gaya magnet yang dihasilkan oleh arus dalam sebuah kawat lurus berbentuk lingkaran dengan kawat berada di pusat lingkaran.

Oersted mengamati bahwa ketika sebuah kompas diletakkan dekat kawat berarus, jarum kompas tersebut menyimpang atau bergerak, segera setelah arus mengalir melalui kawat tersebut. Ketika arah arus tersebut dibalik, jarum kompas tersebut bergerak dengan arah sebaliknya. Jika tidak ada arus listrik mengalir melalui kawat tersebut, jarum kompas tersebut tetap diam. Karena sebuah jarum kompas hanya disimpangkan oleh suatu medan magnet, Oersted menyimpulkan bahwa suatu arus listrik menghasilkan suatu medan magnet.

Lihatlah Gambar 8. Ketika kompas-kompas kecil tersebut diletakkan di sekitar penghantar lurus yang tidak dialiri arus listrik, jarum-jarum kompas tersebut sejajar (semuanya menunjuk ke satu arah). Keadaan ini memperlihatkan bahwa jarum kompas tersebut hanya dipengaruhi oleh medan magnet Bumi. Dengan demikian suatu arus listrik yang mengalir melalui sebuah kawat menimbulkan medan magnet yang arahnya bergantung pada arah arus listrik tersebut. Garis gaya magnet yang dihasilkan oleh arus dalam sebuah kawat lurus berbentuk lingkaran dengan kawat berada di pusat lingkaran.

Kaidah tangan kanan dapat digunakan untuk menentukan arah medan magnet sekitar penghantar lurus yang dialiri arus listrik. Lihatlah Gambar 9. Arah ibu jari tangan kanan menunjukkan arah arus listrik. Jari-jari tangan yang melingkari penghantar tersebut menunjukkan arah medan magnet.

Dari percobaannya, Oersted menyimpulkan bahwa kerapatan fluk (B) bergantung pada kuat arus dan jarak antara magnet jarum dan kawat berarus listrik. Hal ini juga telah diselidiki lebih jauh oleh Jean Baptiste Biot dan Felix Savart. Dari hasil percobaannya, mereka merumuskan:

B = μ0i / (2πa)

dimana:

μ0= permeabilitas ruang hampa udara = 4π x 10-7 Wb/A.m
B = kerapatan flux dalam satuan Wb/m2
a = jarak titik ke kawat dalam satuan m
Rumus diatas disebut juga hukum Biot-Savart

I. Gaya Gerak Magnet Pada Kumparan

1. Amper-lilit

Oersted menyadari bahwa jika sebuah kawat berarus dililit menjadi suatu kumparan, medan magnet yang dihasilkan oleh tiap lilitan dijumlahkan menjadi satu. Hasilnya adalah sebuah medan magnet yang kuat pada tengahtengah kumparan dan pada kedua ujungnya. Kedua ujung kumparan tersebut berperilaku seperti kutub-kutub sebuah magnet. Sebuah kumparan kawat panjang dengan banyak lilitan disebut solenoida. Dengan demikian sebuah solenoida bekerja seperti sebuah magnet ketika arus listrik mengalir melalui solenoida tersebut. Kutub utara dan selatan berubah sesuai dengan arah arus tersebut. Medan magnet solenoida dapat diperkuat dengan memperbesar jumlah belitan atau besar arus yang mengalir melalui kawat tersebut.

Dengan magnet koil, kuat medan magnet bergantung pada seberapa besar arus yang mengalir pada lilitan koil. Semakin besar arus, semakin besar medan magnet. Koil berperan seperti sebuah magnet batang yang memberikan medan magnet sebanding dengan amper-lilit. Rumusnya adalah

Amper-lilit = I x N = ggm

dimana I adalah arus dalam amper yang dikalikan dengan jumlah lilitan N. Besaran IN menentukan jumlah gaya magnet yang merupakan gaya gerak magnet (ggm).

2. Intensitas Medan (H)

Intensitas medan bergantung pada panjang koil. Pada suatu titik tertentu, nilai ggm tertentu akan menghasilkan intensitas medan yang lebih kecil untuk koil yang panjang daripada koil yang pendek. Intensitas medan dalam satuan mks adalah …

H = ggm / panjang

Rumus ini untuk solenoida. Intensitas medan H adalah pada tengah-tengah inti udara. Jika solenoida menggunakan inti besi, H adalah intensitas medan pada seluruh inti besi. Panjang pada Rumus (H) adalah panjang antar  kutub-kutub. Pada Gambar 10a, panjang adalah 1 m diantara kutub-kutub pada ujung koil. Pada Gambar 10b, panjang adalah 1 m antara ujung inti besi. Pada Gambar 10c, panjang adalah 2 m antara kutub-kutub pada ujung inti besi, meskipun panjang lilitan hanya 1 m.

Contoh pada Gambar 10 mengilustrasikan perbandingan berikut:

  1. Pada semua kasus, ggm adalah 1000 amper-lilit
  2. Pada Gambar 10a dan b, H adalah 1000 A-l/m. Pada a, H ini adalah intensitas medan pada tengah-tengah inti udara; pada b, H ini adalah intensitas medan pada seluruh inti besi
  3. Pada Gambar 10c, karena panjang adalah 2 m, H adalah 1000/2 atau 500 A-l/m. H ini adalah intensitas medan pada seluruh inti besi
%d blogger menyukai ini: