nota penuh 4

Unit 4 SRF3023 Keelektrikan, Kemagnetan dan Gelombang Medan Magnet

1

Unit 4

Medan dan Daya Magnet

HASIL PEMBELAJARAN

Di akhir unit ini, anda diharap dapat:

(a) menyatakan hukum daya antara dua kutub (b)

menerangkan bagaimana arah medan magnet

ditentukan menggunakan kompas.

(c) Mendefinasikan keamatan medan magnet dalam

sebutan daya dikenakan pada zarah bercas yang

bergerak.

(d) Menentukan dan mengira daya magnet dikenakan

pada zarah bercas.

(e) Memahami punca medan magnet dan mengira

keamatannya bagi beberapa bentuk terlazim

(f) menentukan arah medan magnet dihasilkan oleh

wayar yang membawa arus.

(g)menerangkan bagaimana bahan ferromagnet

meninggikan medan magnet luaran

(h)menerangkan bagaimana magnet kekal dihasilkan

(i)menerangkan bagaimana kemagnetan

dimusnahkan.


2

Magnet, Kutub dan Arah Medan Magnet

Ada dua kutub magnet; kutub utara dan kutub

selatan. Kutub yang sama menolak, manakala

kutub berlainan menarik.

Kutub magnet adalah diperhatikan secara

berpasangan, iaitu mesti mempunyai kutub

utara dan kutub selatan. Kutub berlawanan

dinamakan dwikutub magnet (‘magnetic

dipole’).

Nota: Tidak ada kutub tunggal (magnetic

monopole). Walaupun ianya dipostulatkan untuk

wujud, tapi secara eksperimen masih tidak dapat

ditemui. Ianya berpunca dari punca penghasilan

kemagnetan, iaitu dari cas elektrik yang

bergerak- samada arus atau pengorbitan elektron.

Medan elektrik, pula berpunca dari cas pegun.


3

Arah Medan Magnet

Medan magnet adalah merupakan suatu kuantiti

vektor diwakili oleh B. Arah bagi suatu magnet

bar ditunjukkan pada rajah di bawah

Arah medan magnet, B, pada mana-mana

lokasi, adalah pada arah kutub utara pada

kompas.

Arah medan magnet di luar magnet bar adalah

dari kutub utara ke kutub selatan


4

Keamatan (Kekuatan) Medan Magnet dan

Daya Magnet Pada Zarah Bercas Yang

Bergerak

Kajian mengenai interaksi antara zarah bercas

dan medan magnet dinamai keelektromagnetan.

Rajah di bawah yang menunjukkan satu zarah

bercas positif bergerak melalui medan elektrik.

Zarah bercas positif itu terpesong ke plat negatif.

Ini menunjukkan terdapat daya elektrik yang di

alami oleh zarah bercas. (Rujuk kepada bab

elektrostatik)

Dengan anologi yang sama, perhatikan rajah di

bawah yang menunjukkan satu zarah bercas yang

bergerak melalui suatu kawasan medan magnet.


5

Zarah bercas positif itu terpesong. Ini

menunjukkan terdapat daya magnet yang dialami

oleh zarah bercas positif itu. Perhatikan arah

pesongan adalah ke atas.

Bermakna zarah bercas yang bergerak di

dalam medan magnet akan mengalami daya

magnet.

Medan magnet dan daya magnet bagi zarah

bercas dengan halaju zarah, v berserenjang

dengan medan magnet, B

Secara eksperimen, didapati bahwa keamatan

(kekuatan) medan magnet pada keadaan halaju

zarah bercas,v bergerak secara serenjang dengan

medan magnet, B diberikan oleh:

B=qv

F (1)


6

B difahami sebagai daya magnet per unit cas per

unit laju. Persamaan di atas hanya benar jika v

dan B berserenjang, iaitu v B. Unit S.I bagi B

ialah N(Am)1 @ T(Tesla). Unit-unit lain ialah

Wbm1 dan Gauss. (1 gauss= 1 104Tesla)

Seterusnya, dari (1), magnitud daya magnet

terhadap zarah bercas yang bergerak dengan

halaju v secara berserenjang dalam medan

magnet, B diberikan:

F=qvB (2)

Persamaan magnitud daya pada zarah bercas di

atas hanya benar jika v B

Daya magnet bagi zarah bercas dengan halaju

zarah, v bersudut dengan medan magnet, B

Bagi keadaan yang lebih umum, iaitu zarah

bercas bergerak dengan halaju, v pada sudut

dengan B, magnitud daya magnet diberikan oleh

persamaan:

F=qvBsin (3)


7

Di mana F=magnitud daya magnet pada zarah

bercas yang bergerak dalam medan magnet pada

sebarang sudut.

Penentuan Arah Daya Magnet Bagi Zarah

Bercas-Peraturan Hukum Genggaman

Tangan Kanan

Arah daya magnet pada zarah bercas positif

ditentukan oleh halaju dan vektor medan

magnet. Ianya dinyatakan oleh hukum

genggaman tangan kanan, iaitu

“Apabila semua jari pada tangan kanan

diarahkan pada arah halaju v, kemudian

digenggam ke vektor medan magnet B, arah ibu

jari ialah arah daya magnet jika cas bergerak

ialah cas positif”


8

Hukum “tiga jari” tangan kanan juga boleh

digunakan bagi mendapatkan arah daya magnet

bagi zarah positif bercas, iaitu jari telunjuk-arah

halaju, jari tengah-arah medan magnet dan jari

ibu mewakili arah daya yang ditentukan seperti

ditunjukkan pada rajah di bawah.

Nota:

(1) Untuk cas negatif arah daya adalah

bertentangan dengan arah yang diperolehi

menggunakan hukum tangan kanan.


9

(2) Oleh kena masalah melibatkan tiga

dimensi, kita perlu gunakan arah vektor

keluar dari kertas sebagai dan arah

vektor masuk ke dalam kertas sebagai

Contoh 1: Arah Daya Magnet Pada Zarah

Bercas

Pertimbangkan rajah di bawah. Tentukan arah

daya dialami oleh proton apabila ia berada di

dalam medan magnet.

Penyelesaian

×

V

Proton

Medan Magnet

V

Proton

Medan Magnet

F


10

Contoh 2: Daya Dialami Oleh Zarah Bercas

Satu zarah bercas 5.0104C bergerak terhadap

medan magnet 0.2 T pada arah +y dengan laju

1.0103ms1 pada arah +x.

a. Kirakan daya dialami pada ketika zarah

memasuki medan magnet

b. Terangkan jejak zarah, apabila berada di

dalam medan magnet.

Penyelesaian

(a) F=qvBsin=(5.0104

)( 1.0103)(0.2)(sin90

o)

=0.1 N

Cas negatif

v

Pandangan sisi

Pandangan atas

Cas negatif

+z

v

F


11

(b) Gerakan membulat kerana F v. Bermakna

F=maC=qvB

m qvBr

v2

maka

rbulatan=qB

mv

Keelektromagnetan-Punca Medan Magnet

Fenomena keelektrikan dan kemagnetan

walaupun berbeza, tetapi saling berkait antara

satu sama lain. Medan magnet dihasilkan oleh

arus elektrik dan seterusnya akan mengenakan

daya pada zarah bercas yang bergerak. Ianya

disedari pada tahun 1820 oleh Hans Christian

Oersted, iaitu beliau mendapati medan magnet

terhasil dari aliran arus pada konduktor, apabila

terdapatnya pesongan pada kompas. Magnitud

medan magnet bagi bentuk-bentuk terlazim

konduktor adalah seperti berikut. Pembuktian

tidak ditunjukkan kerana ianya memerlukan ilmu

kalkulus.


12

Magnitud Medan Magnet Di Sekeliling

Konduktor Membawa Arus Dengan Panjang

Tak Terhingga.

Pertimbangkan rajah di bawah yang

menunjukkan corak medan magnet di sekeliling

wayar panjang.

Arah medan magnet di sekeliling konduktor

berarus diperolehi dengan menggunakan

genggaman tangan kanan, iaitu.

“Letakkan arah ibu jari tangan kanan pada

arah arus, arah genggaman merupakan arah

medan magnet di sekeliling konduktor

berarus”


13

Magnitud medan magnet, B pada jarak d yang

serenjang dengan konduktor berarus, diberikan

sebagai

d2

IB o

(4)

di mana o= 4107

T.m/A atau Wb/A.m dan

dinamakan pemalar ketelusan magnet bagi ruang

bebas.


14

Magnitud Medan Magnet Di Titik Tengah

Konduktor Berarus Berbentuk Gelung.

Rajah menunjukkan suatu konduktor gelung

berarus.

Pada pandangan sisi, rajah di atas dapat dilukis

seperti berikut:

Pada kedudukan di titik tengah, C bagi

konduktor berbentuk gelung dengan jejari r yang

Arah arus-ikut jam

× × ×

× ×

×

×

× × ×

×

×

×

Arah medan- masuk

ke kertas

C

r

I


15

membawa arus I, magnitud medan magnet

diberikan oleh

r2

IB o (5)

Arah medan magnet B pada keadaan ini

diperolehi dengan menggunakan hukum

genggaman tangan kanan dan ianya berserenjang

dengan satah gegelung.

Magnitud medan magnet di dalam solenoid

berarus.

Pertimbangkan rajah di bawah yang

menunjukkan satu solenoid berarus

Magnitud medan magnet di tengah solenoid

diberikan oleh


16

B=L

NIo (6)

Di mana I ialah arus, N ialah bilangan lilitan, dan

L ialah panjang lilitan. Oleh kerana n=L

N, iaitu

bilangan lilitan se unit panjang. Maka

B=onI (7)

Nota: Medan magnet merentasi luas keratan

rentas di dalam solenoid adalah lebih seragam

jika solenoid lebih panjang.

Bahan Bermagnet

Terdapat setengah-setengah bahan yang

bermagnet, dan ada juga bahan yang senang

dimagnetkan. Tetapi ianya tidak berlaku pada

semua bahan. Bagaimana pula dengan magnet

bar yang mempunyai medan magnet. Jelas tiada

arus yang mengalir.

Dengan pengetahuan bahwa arus menghasilkan

medan magnet, dan dengan membandingkan


17

corak medan magnet antara magnet bar dan dan

solenoid, kemagnetan mungkin berlaku

disebabkan oleh “arus dalaman” atau gerakan

elektron.

Terdapat dua jenis pergerakan elektron yang

terlibat, iaitu gerakan orbitan dan gerakan spin.

Mengikut teori klasik, gerakan orbitan elektron

ialah gerakan elektron mengelilingi nukleus.

Gerakan spin, ialah gerakan elektron berputar

seperti gasing.

Nota: Spin elektron adalah satu fenomena kesan

kuantum, yang tidak dapat diterangkan secara

fizik klasik. Gerakan spin di atas hanya

gambaran minda pada peringkat ini sahaja. Itu

tidak benar!!!.

Berdasarkan model atom ringkas. Atom terdiri

dari elektron yang bergerak mengelilingi

nukleus, iaitu gerakan orbital. Bermakna wujud

satu gelung arus dan menghasilkan medan

magnet. Tetapi secara umumnya susunan atom-

atom adalah secara rawak. Hasilnya kesan

magnet bersih hasil daripada orbitan elektron

adalah hampir-hampir sifar.


18

Medan magnet yang disebabkan oleh spin

elektron adalah lebih dominan daripada gerakan

orbitan bagi kebanyakan magnet. Setiap atom

adalah satu elektromagnet. Mengikut teori

moden, kemagnetan berpunca dari spin

elektron.

Bagi suatu atom dengan dua atau lebih elektron,

biasanya elektron-elektron tersebut adalah

berpasangan dengan spinnya dijajar secara

bertentangan. Pada keadaan ini, medan magnet

membatal antara satu sama lain. Hasil bahan

bukan bahan bermagnet. Contohnya aluminium

Bahan ferromagnet (bahan bermagnet kuat), spin

elektron adalah tidak berpasangan atau tidak

terbatal sepenuhnya. Ini menghasilkan interaksi

antara atom berjiran, menghasilkan sekumpulan

atom dipanggil domain magnet. Bagi domain

yang sama, spin elektron dijajar pada arah yang

sama, ia menghasilkan medan magnet bersih

Contohnya besi, nikel dan kobalt.

Bahan ferromagnet yang tidak dimagnetkan,

orientasi domain adalah secara rawak dan tiada

kesan bersih kemagnetan.


19

Bila bahan ferroelektrik diletakkan di dalam

medan magnet luaran, dua keadaan mungkin

berlaku.

(a) Sempadan domain mungkin berubah, dengan

sempadan domain yang mempunyai orientasi

selari dengan medan magnet luaran bertambah.

(b) Orientasi setengah-setengah orientasi domain

berubah kepada orientasi medan.

Hasilnya bahan menjadi termagnet atau

menunjukkan ciri-ciri magnet.


20

Kesannya tak kekal. Ia akan hilang kemagnetan

selepas beberapa ketika. Tapi kalau magnet luar

yang digunakan mempunyai medan magnet

luaran yang kuat maka kemagnetan besi mungkin

dapat kekal lebih lama. Maka kita boleh hasilkan

magnet kekal dengan mengaruh besi dengan

magnet yang amat kuat.

Elektromagnet dan Pemalar Ketelusan Bahan

Bahan-bahan ferromagnet digunakan bagi

menghasilkan elektromagnet, iaitu dengan melilit

suatu wayar mengelilingi besi “lembut” seperti

rajah di bawah.

Apabila elektromagnet dihidupkan, besi teras

dimagnetkan dan menambahkuatkan medan

magnet pada solenoid. Magnitud medan magnet

paduan diberikan sebagai oleh

B=nI (8)

Suis terbuka

Suis tertutup


21

Perhatikan persamaan (8) seiras dengan

persamaan magnitud medan magnet di tengah

solenoid, iaitu

B=onI

Di mana ialah pemalar ketelusan bahan.

Hubungan antara dan o bagi bahan bermagnet

diberikan oleh

= Mo (9)

Di mana M pemalar ketelusan relatif magnet,

dan ianya boleh dianalogikan dengan pemalar

ketelusan relatif dielektrik.

Gantikan dalam persamaan menjadi

B=M onI (10)

M adalah merupakan sifat bahan. Apabila satu

bahan dengan nilai M tinggi akan meningkatkan

nilai medan elektromagnet.


22

Daya Magnet Dialami Oleh Konduktor Berarus

Cas elektrik yang bergerak dalam medan magnet

akan mengalami daya kecuali ianya bergerak

selari dengan arah medan magnet, iaitu

F=qvBsin

Bermakna, konduktor berarus di dalam medan

magnet juga akan mengalami daya kerana arus

ialah kadar pengaliran cas. Pertimbangkan rajah

yang ditunjukkan.

Dalam masa t, satu cas q1 akan bergerak secara

purata sejauh L=vt, di mana v= halaju hanyutan

dan arah v dan B dijadikan berserenjang.

Bermakna cas itu akan mengalami daya

sebanyak

F1=q1vB (11)

F F

B

I

Arah arus

L=vt


23

Oleh kerana terdapat banyak cas yang mengalir

melalui wayar itu, maka jumlah magnitud daya

yang dialami wayar ialah,

Fwayar=(iqi)vB= Bt

Lqi

(12)

Maka,

F=ILB (13)

Secara umumnya, jika sudut antara arah arus dan

B ialah , persamaan menjadi:

F=ILBSin

Arah daya magnet terhadap konduktor berarus

diberikan oleh hukum genggaman tangan kanan,

iaitu:

“Apabila semua jari pada tangan kanan

diarahkan pada arah arus I, kemudian

digenggam ke vektor medan magnet B, arah ibu

jari ialah arah daya magnet.”


24

LATIHAN UNIT 4

1. Jika kutub utara dua magnet bar di bawa

berdekatan di antara satu sama lain, kedua-dua

magnet akan

a. Menarik

b. Menolak

2. Cas positif memasuki medan magnet seragam

seperti ditunjukkan dalam Rajah di bawah.

Apakah arah daya magnet?

a) keluar daripada satah mukasurat

b) ke dalam satah mukasurat

c) ke kanan

d) ke kiri


25

3. Cas negatif memasuki medan magnet seragam



a) keluar daripada satah mukasurat

b) ke dalam satah mukasurat

c) ke kanan

d) ke kiri

4. Cas negatif memasuki medan magnet seragam



a) Keluar daripada satah mukasurat

b) Masuk ke dalam satah mukasurat

c) Sifar

d) Ke kanan


26

5. Nyatakan Hukum Genggaman Tangan Kanan ?

6. Apakah arah medan magnet pada pusat ( titik P )

gelung arus segiempat sama seperti ditunjukkan

dalam Rajah di bawah?

a) ke kanan

b) sifar

c) ke dalam mukasurat

d) ke luar daripada mukasurat

nota penuh 4

Documents