Medan Magnet dan Induksi Magnetik

PERKEMBANGAN TEORI KEMAGNETAN

Magnet sudah dikenal sejak jaman Yunani kuno (800 SM) dimana orang menemukan bahwa sejenisbatuan yang sekarang disebut magnet (Fe3O4) mampu menarik potongan besi kecil. Para filosof Yunaniberusaha menjelaskan tentang kelakuan benda-benda yang dianggap aneh tersebut. Plato menyebutkan bahwa gaya tarik dari batuan aneh tersebut disebabkan oleh suatu kekuatan supernatural dan Archimedes membuat hipotesa bahwa magnet mempunyai jiwa yang menyebabkan timbulnya gaya tariktersebut.

Tahun 1269, Pierre de Maricourt, berdasarkan eksperimen menyimpulkan bahwa magnet mempunyaidua kutub, yang kemudian disebut kutub utara dan selatan. Pada magnet juga berlaku bahwa kutubsenama akan saling tarik menarik dan kutub yang berlawanan akan saling tolak-menolak.

Pada abad ke 16, William Gilbert menerbitkan sebuah buku tentang kemagnetan serta merumuskanbeberapa sifat magnet sederhana seperti adanya kutub-kutub magnet. Gilbert juga mengusulkan bahwabumi merupakan suatu magnet permanen yang sangat besar.

Tahun 1750, John Mitchell melakukan percobaan-percobaan dengan batang magnet dan menyimpulkan bahwa gaya tarik magnet ini berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kutub-kutub magnet itu.Pernyataan ini mirip dengan konsep gaya listrik dari Coloumb, tapi magnet tidak seperti listrik karena kita tidak akan pernah mendapatkan kutub utara dan selatan secara terpisah karena jika magnet kita potong secara terus menerus samapai sekecil-kecilnya maka kita akan tetap mendapat kutub utara dan selatan dalam sebuah potongan magnet tersebut. Sejak saat itu orang berusaha menemukan hubungan antara magnet dan listrik.

Pada tahun 1819, tanpa sengaja Fisikawan Denmark Hans Oersted menemukan hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan. Ia menemukan bahwa muatan listrik yang bergerak (dalam bentuk arus listrik) dapat menimbulkan medan magnet.

teori tangan Hans Oersted

Rumus matematika dari medan magnet yang disebabkan oleh kawat berarus listrik ditemukan oleh Andre Ampere beberapa tahun setelah penemuan Oersted.

Sepuluh tahun setelah penemuan Oersted, Michael Faraday dan Joseph Henry berhasil menunjukkan bahwa medan listrik dapat diperoleh dari perubahan medan magnet dan sejak saat itu orang percaya bahwa kelistrikan dan kemagnetan sebenarnya adalah satu fenomena. Kita dapat menghasilkan sifat kelistrikan dari medan magnet dan menghasilkan sifat kemagnetan dari arus listrik.

Beberapa tahun kemudian Maxwell menuliskan hukum lengkap tentang kelistrikan dan kemagnetan yangmerupakan awal dari suatu revolusi besar dalam bidang teknologi diantaranya teknologi komunikasi,satelit, komputer dan yang lainnya.

MEDAN MAGNETIK

Medan magnet adalah daerah disekitar magnet yang masih merasakan adanya gaya magnet. Jikasebatang magnet diletakkan dalam suatu ruang, maka terjadi perubahan dalam ruang ini yaitu dalamsetiap titik dalam ruang akan terdapat medan magnetik. Arah medan magnetik di suatu titik didefenisikan sebagai arah yang ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas ketika ditempatkan pada titik tersebut.

Medan Magnet Disekitar Kawat Berarus Listrik

Pada tahun 1820, seorang profesor Denmark, Hans Christian Oersted (1777-1851) melalui suatu percobaan menemukan bahwa arus listrik (muatan yang bergerak) dapat menimbulkan medan magnetik .Penemuan Oersted ini telah membuka wawasan baru mengenai hubungan listrik dan magnet, yaitu bahwa suatu muatan listrik dapat berinteraksi dengan magnet ketika muatan itu bergerak. Penemuan ini membangkitkan kembali teori tentang “muatan” magnet, yaitu bahwa magnet terdiri dari muatan listrik.

Ampere mengusulkan bahwa sesungguhnya batang magnet yang statis (diam) itu terdiri dari muatan-muatan listrik yang senantiasa bergerak dan sesungguhnya fenomena kelistrikan dan kemagnetan itu adalah satu fenomena.

Selanjutnya dari hasil percobaan menggunakan kompas, dapat diketahui bahwa medan magnet melingkar disekitar kawat berarus dengan arah yang dapat kita tentukan dengan aturan tangan kanan.Caranya adalah, genggamlah kawat dengan tangan kanan anda sedemikian sehingga ibu jari anda menunjuk arah arus. Arah putaran genggaman keempat jari anda menunjukkan arah medan magnet.

Medan Magnet yang dihasilkan oleh muatan yang bergerak

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa besar medan megnetik B sebanding dengan besar muatan q danberbanding terbalik dengan kuadrat jarak r2 . Disamping itu, kuat medan magnetik B juga sebanding dengan laju partikel ѵ dan sudut yang dibentuk oleh ѵ dan B.

B = induksi magnetik

r = jarak

v = laju partikel

Medan Magnet Pada Kawat Melingkar (loop) Berarus Listrik

Berdasarkan hasil percobaan, didapat bahwa garis-garis medan magnet pada loop berarus listrik mirip dengan garis-garis medan magnet pada magnet batang . Kemiripan ini menunjukkan bahwa loop listrik dapat dianggap sebagai sebuah magnet batang dan lebih jauh lagi kesamaan ini menimbulkanpertanyaan apakah mungkin sifat kemagnetan pada magnet batang ditimbulkan oleh loop arus listrik atau oleh muatan yang bergerak ?

Pada abad 19, Ampere menjawab pertanyaan tersebut berdasarkan teori atom. Menurut teori atom,material terbuat dari atom yang terdiri dari sebuah inti yang dikelilingi oleh elektron yang mengorbit inti.Karena elektron bermuatan, maka gerakan orbitnya menimbulkan arus listrik yang otomatis menghasilkan medan magnetik. Medan magnetik ini kita namakan medan magnetik orbit. Disamping elektron mengorbit, elektron juga ber-spin atau berputar terhadap sumbunya. Spin elektron ini juga menimbulkan medan magnetik yang kita namakan medan magnetik spin. Medan magnetik spin ini lebih besar dibandingkan dengan medan magnetik orbit.Elektron-elektron dalam suatu atom umumnya berpasangan. Tiap pasang elektron terdiri dari 1 elektron yang ber-spin searah putaran jarum jam dan 1 elektron lain yang ber-spin berlawanan arah dengan putaran jarum jam. Akibatnya medan magnetik yang dihasilkan sama dengan nol (saling meniadakan).Hal inilah yang menyebabkan kebanyakan material bersifat netral (tidak bersifat magnetik).Hal seperti diatas tidak terjadi pada material yang bersifat magnetik seperti besi, nikel dan kobalt. Pada material ini ada elektron yang tidak berpasangan, misalnya pada atom besi terdapat 4 buah elektron yang tidak berpasangan. Masing-masing elektron yang tidak berpasangan ini akan meberikan medan magnetik sehingga total medan magnetik yang dihasilkan oleh satu atom menjadi sangat besar. Medan magnetik dari masing-masing atom besi sedemikian kuatnya sehingga interaksi diantara atom-atomtetangganya menyebabkan sejumlah besar dari atom-atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok yang dinamakan domain. Dalam sekeping besi, arah domain ini

acak sehingga medan magnetik yang dihasilkan tiap domain saling meniadakan. Hal ini mengakibatkan keping besi itu bersifat netral.Ketika sebatang magnet didekatkan pada sekeping besi yang netral, domain-domain besi akan menyerahkan (mensejajarkan) diri dengan medan magnetik yang dihasilkan medan magnet tersebutsehingga keping besi akan menjadi magnet. Jika domain-domain pada keping besi sebagian besar/ seluruhnya searah maka besi akan menjadi sebuah magnet permanen. Sefat magnet permanen dapatdihilangkan dengan cara memukul-mukul atau dengan cara memanaskan magnet tersebut.Penjelasan diatas menyimpulkan bahwa sesungguhnya medan magnetik berasal dari muatan-muatanlistrik kecil yang bergerak yang membentuk arus listrik. Kesimpulan ini dapat menjelaskan mengapa sulit menemukan kutub magnet tunggal, karena tidak ada cara untuk memotong arus menjadi dua maka tidakmungkin kita akan memeroleh magnet 1 kutub.

Kuat Medan Magnetik Pada Solenoida

Solenoida merupakan lilitan kawat berbentuk melingkar pada silinder.Biasanya solenoida memiliki penampang berbentuk lingkaran.

Kuat Medan Magnetik Pada Toroida

Toroida adalah sebuah solenoida yang dibengkokkan sehingga berbentuk seperti kue donat. Arus yang mengalir melalui sekeliling toroida itu menghasilkan komponen medan magnetik yang tegak lurus bidang.Akan tetapi, jika kawat-kawat itu dililitkan sangat rapat, kita dapat meninjaunya seperti kawat-kawat melingkar berarus listrik di antara jari-jari luar dan jari-jari dalam. Jadi arus yang mengalir mengelilingi toroida dapat diabaikan. Demikian juga medan megnetik yang tegak liris bidang dapat diabaikan.

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Pada suatu titik ada medan magnet bila muatan yang bergerak pada titik tersebut mengalami gaya magnet. Medan magnet ini dikenal juga sebagai induksi magnet. Induksi magnet dapat dilukiskan sebagai garisgaris yang arah singgungnya pada setiap titik menunjukkan arah vektor induksi magnet di titik-titik tersebut. Induksi magnetik pada batang magnet akan muncul seperti diperlihatkan dalam Gambar 9.2

Banyaknya garis-garis induksi magnet yang melalui satuan luas bidang dinyatakan sebagai besar induksi magnet di titik tersebut. Banyaknya garis-garis induksi magnet dinamakan fluks magnet sedang banyaknya garis-garis induksi magnet persatuan luas dinamakan rapat fluks magnet (B).

PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi mekanik yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal itu menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang berulang secara periodik.

1. Generator

Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator AC dapat diubah menjadi generator DC dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah generator AC kumparan berputar di antara kutub- kutub yang tak sejenis dari dua magnet yang saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian generator yang berputar (bergerak) disebut rotor. Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator. Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 0 derajat), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi (perhatikan Gambar 12.2). Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.

Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahanlahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga membentuk sudut 360 derajat.

2. Dinamo

Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di

dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator.

Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

Penerapan Medan Magnet di dalam kehidupan

Penerapan medan magnet dan medan elektromagnet sudah sangat banyak dalam berbagai midang, misangnya bidang kedokteran, permesinan, alat transportasi, komunikasi dan hardware komputer.

Kereta Maglev

Pada gambar diperlihatkan bentuk dari kendaraan maglev. Maglev memanfaatkan komponen superkonduktor dan medan magnet. Kendaraan ini akan bergerak sekitar 6 inci atau 15cm di atas rel.