TEKNOLOGI BAHAN MAKNETIK

Tujuan Penmbelajaran :

- Memahami dan mengerti tentang sifat-sifat magnet, bahan dan

kegunaannya.

Magnetisme (kemagnetan) tercakup dalam sejumlah besar operasi alat listrik,

seperti generator, motor listrik, instrumen ukur, dan transformator.

A. MAGNET DAN BAHAN MAGNETIK

Bahan tertentu mempunyai kemampuan menarik besi dan baja. Benda

yang mempunyai sifat ini disebut magnet. Magnet ditemukan di alam dalam

bentuk mineral yang disebut magnetik.Tetapi magnet alam mempunyai

sedikit nilai praktis dan magnet komersial dibuat dari besi dan baja atau

bahan campuran.

Magnet dapat digolongkan sebagai magnet permanen dan sementara,

tergantung pada kemampuannya mempertahankan sifat magnet. Baja yang

dikeraskan dan campuran nikel dan kobalt tertentu jika diberi sifat magnet,

mempertahankan sifat magnetnya lama sekali dan disebut magnet

permanen, tetapi jika sepotong besi lunak dijadikan magnet, ia

mempertahankan sebagian kecil sifat magnetnya, setelah gaya magnetnya

dihilangkan.

Magnet permanen digunakan secara luas dalam instrumen listrik. Dalam

generator listrik dan motor di mana diinginkan mengontrol banyaknya sifat

magnet yang ada di dalam magnet, digunakan magnet sementara besi-

lunak.

Bahan yang ditarik atau ditolak oleh magnet disebut bahan magnet. Besi

dan baja selama ini merupakan bahan magnet yang paling umum. Nikel

dan kobalt dan beberapa campurannya juga bersifat magnet, campurannya

digunakan dalam magnet permanen bermutu-tinggi.

1

Jika suatu bahan mudah dimagnetkan, dikatakan mempunyai permeabilitas

tinggi, seperti besi-lunak. Baja sukar dimagnetkan, jadi mempunyai

permeabilitas yang jauh lebih rendah.

Sebuah batang baja lurus jika dimagnetkan disebut magnet batang. Jika

magnet batang dimasukkan ke dalam serbuk besi, ternyata sejumlah besar

serbuk ditarik pada ujung batang dan hanya sedikit yang ditarik ke bagian

tengah magnet. Daerah pada ujung magnet di mana gaya tariknya terbesar

disebut kutub magnet.

B. MEDAN MAGNET DAN GARIS GAYA

Telah dikatakan bahwa magnet mempunyai gaya tarik untuk bahan-bahan

tertentu. Gambar 1-1, seperti ujung jarum kompas (jarum baja yang

dimagnetkan) yang diberi tanda arahnya selalu menjauhi satu kutub dan

mengarah ke kutub lainnya. Pada pusat magnet, jarum menunjuk arah

yang sejajar dengan magnet. Kutub yang dituju oleh arah jarum disebut

kutub selatan magnet dan kutub lainnya disebut kutub utara.

Cara lain untuk menentukan kutub (polaritas) magnet adalah dengan

menggantung atau memberi poros pada pusatnya. Magnet kemudian akan

berhenti pada arah utara-selatan. Ujung magnet yang menunjuk utara

disebut kutub utara magnet, sedangkan ujung yang menunjuk selatan

disebut kutub selatan.

Gaya magnet mempunyai arah tertetu pada semua titik dan menuruti garis

lengkung dari utara ke selatan. Garis yang demikian disebut garis gaya

atau garis fluks (garis khayal).

Gambar 1-1 Arah garis gaya di sekitar magnet batang seperti yang ditunjukkan

oleh jarum kompas.

2

Ruang sekitar magnet atau ruang yang di dalam gaya magnet bekerja

disebut medan magnet terdiri dari banyak garis gaya. Di dalam magnet,

setiap garis gaya lewat dari kutub selatan ke kutub utara, sehingga

membentuk lup tertutup (rangkaian magnet lengkap), yakni garis-garis

tersebut tidak memotong garis-garis magnet lainnya.

Gambar 1-2 Medan di sekitar magnet batang.

Medan magnet yang mengelilingi magnet disebut fluksi magnet, dan satuan

SI dari fluksi magnet adalah weber (wb). Intensitas fluksi magnet atau

fluksi setiap satuan luas disebut kerapatan fluksi (flux density),satuannya

tesla (T) dan sama dengan kerapatan satu weber setiap meter persegi.

Lintasan dimana fluksi magnet dibentuk disebut rangkaian magnet.

Rangkaian magnet dari magnet batang terdiri dari lintasan fluksi magnet

yang melalui magnet dan ruang sekitarnya. Perlawanan yang diberikan

oleh fluksi magnet dalam rangkaian magnet disebut reluktansi (reluctance)

rangkaian. Udara mempunyai reluktansi yang jauh lebih besar daripada

besi atau baja. Oleh sebab itu, rangkaian magnet seperti yang digunakan

dalam generator dirancang dengan celah udara yang sangat kecil dan

bagian terbesar dari lintasan yang dilalui oleh fluksi adalah besi.

C. TARIKAN DAN TOLAKAN MAGNET

Aturan tarikan dan tolakan magnet yaitu kutub magnet yang sama akan

tolak menolak dan kutub magnet yang tak sama akan tarik menarik.

Aturan ini didasarkan pada gambaran yang lebih teliti tentang garis gaya

magnet. Jika kutub utara yang kecil bebas bergerak dalam medan dekat

magnet, ia akan ditolak oleh kutub utara magnet dan ditarik oleh kutub

3

selatan. Lintasan yang diikuti kutub utara kecil yang bergerak dari utara ke

selatan magnet disebut garis gaya atau garis fluksi.

D. SIFAT MAGNET

Jika magnet batang dipotong menjadi dua, setiap bagian merupakan

magnet lengkap yang mempunyai kutub utara dan kutub selatan. Jika

setiap bagian dipotong lagi, bagian-bagiannya merupakan magnet. Jika

proses berlanjut. ternyata bahwa partikel-partikel yang lebih kecil

mengandung magnet (magnet elementer).

Teori Weber tentang sifat magnetisme didasarkan pada anggapan bahwa

setiap molekul magnet adalah magnet kecil. Berdasarkan teori ini, suatu

batang besi atau baja tak bermagnet tersusun dari molekul magnet kecil

yang sesungguhnya sedemikian rupa sehingga magnetisme setiap molekul

dinetralkan oleh molekul yang berdekatan. Tetapi jika gaya pemagnetan

dikenakan pada besi atau baja, molekul diatur menjadi corak tertentu

dengan kutub utara dan kutub selatannya menunjuk arah yang berlawanan.

E. MEDAN SEKELILING KONDUKTOR YANG MENGALIRKAN ARUS

Pada tahun 1819, Oersted menemukan bahwa ada hubungan tertentu

antara kelis-trikan dan magnetisme. Percobaan selanjutnya oleh Henry dan

Faraday meletakkan dasar untuk pengembangan mesin listrik modern.

Jika kompas didekatkan pada konduktor pengatur arus, jarum mengatur

dirinya pada sudut tertentu terhadap konduktor, hal ini menunjukkan

adanya medan magnet. Jika konduktor melalui lubang pada selembar

karton seperti ditunjukkan pada Gambar 1-3 dan arus dilalukan melalui

konduktor, bentuk dan arah medan dapat ditentukan dengan menyetel

kompas pada berbagai titik pada karton dan mencatat simpangannya.

Percobaan ini menunjukkan bahwa ada medan magnet berbentuk lingkaran

konsentris di sekeliling konduktor. Jika arus mengalir ke bawah seperti

ditunjukkan pada Gambar 1-3, arah medan searah dengan jarum jam.

Tetapi jika polaritas catu dibalik sehingga arah arus ke atas, arah

medannya berlawanan dengan jarum jam. Aturan sederhana yang disebut

aturan (kaidah) tangan kanan untuk konduktor, telah menetapkan

hubungan arah arus dan medan.

4

Gambar 1-3 Percobaan untuk mengetahui medan di sekeliling konduktor.

Bayangkan konduktor sedang digenggam oleh tangan kanan dengan ibu

jari menunjuk arah aliran arus. Maka telunjuk menunjuk arah medan di

sekeliling konduktor.

Simbol (.) digunakan dalam diagram untuk menunjukkan penampang

konduktor pengalir arus ke arah pembaca, sedangkan simbol (+) digunakan

untuk menunjukkan arus mengalir menjauhi pembaca. Simbol-simbol ini

sebagai pandangan arah aliran arus. Pada gambar yang pertama anak

panah mendekati pembaca dan yang terakhir anak panah pergi menjauhi

pembaca. Seperti Gambar 1-4.

Gambar 1-4 Gambaran tentang medan di sekeliling konduktor yang

mengalirkan arus (a) menuju pembaca, dan (b) menjauhi pembaca.

5

Gambar 1-5 Medan di sekeliling dua konduktor paralel.

F. MEDAN SEKELILING KUMPARAN

Magnetisme yang dikaitkan dengan konduktor pengalir arus dapat

diperkuat dengan membuat konduktor ke dalam bentuk kumparan atau

selenoid.

Dapat ditunjukkan bagaimana medan dihasilkan di sekeliling kumparan de -

ngan dua konduktor paralel membawa arus dalam arah yang sama seperti

pada Gambar 1-5. Garis gaya mengelilingi setiap konduktor da lam arah

yang sama, menghasilkan gaya yang semuanya mengelilingi kedua kon-

duktor. Begitu juga medan yang dihasilkan oleh lingkaran beberapa

konduktor yang semuanya membawa arus dalam arah sama, membungkus

keseluruhan konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1-6a. Jika arus

dibalik, arah medan terbalik, seperti pada Gambar 1-6b.

Gambar 1-7a mewakili kumparan yang dibentuk dengan melilitkan

konduktor pada benda berongga atau tabung pipa dari karton. Perhatikan

bahwa jika arus mengalir melalui kumparan seperti arah yang ditunjukkan,

arus mengalir menjauhi pengamat pada bagian atas setiap lilitan (pada titik

1, 2, 3, 4, dan 5) dan menuju pengamat di bagian bawah setiap lilitan

(pada titik 6, 7, 8, dan 9).Ini digambarkan lebih lanjut dalam pandangan

melintang kumparan pada Gambar 1-7b.

6

Gambar 1-6 Medan di sekeliling beberapa konduktor yang semuanya mengalirkan arus (a) menjauhi pembaca dan (b) mendekati pembaca.

Gambar 1-7 (a) Kumparan dililitkan pada tabung berongga. (b) Pandangan potongan melintang menunjukkan medan yang

dihasilkan kumparan

Seperti di-tunjukkan oleh aturan tangan kanan untuk konduktor, medan di

sekeliling konduktor 1, 2, 3, 4, dan 5 adalah dalam arah jarum jam dan

untuk konduktor 6, 7, 8, dan 9 berlawanan dengan arah jarum jam. Maka

medan yang dihasilkan oleh kumparan serupa dengan magnet batang,

yaitu fluksi muncul dari salah satu ujung kumparan dan masuk pada ujung

yang lain. Ujung kumparan tempat munculnya fluksi disebut kutub utara

kumparan.

Polaritas setiap kumparan dapat ditentukan dengan cara aturan tangan-

kanan untuk kumparan, yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

Bayangkan kumparan sedang digenggam oleh tangan kanan dengan jari

menunjuk pada arah arus dalam kumparan; ibu jari kemudian menunjuk ke

arah kutub utara dari kumparan.

G. GAYA GERAK MAGNET ATAU GGM

Ukuran kemampuan kumparan untuk menghasilkan fluksi disebut gaya

gerak magnet (magnetomotive force, disingkat ggm). Gaya gerak magnet

berkaitan dengan ggl dalam rangkaian listrik dan dapat dianggap sebagai

tekanan magnetik, sama seperti ggl dianggap sebagai tekanan listrik. Ggm

kumparan berubah sesuai dengan arus yang mengalir dalam kumparan dan

jumlah lilitan kumparan. Perkalian arus dalam amper dan jumlah lilitan

disebut amper lilitan dari kumparan. Amper lilitan diambil sebagai satuan

praktis ggm.

H. ELEKTROMAGNET

7

Kumparan dengan ggm tertentu dapat menghasilkan jumlah fluksi yang

lebih besar jika inti besi dimasukkan ke dalam kumparan, karena

permeabilitas besi jauh lebih besar dari udara. Magnet yang sangat kuat

disebut elektromagnet, dan dapat dibuat dengan menempatkan kumparan

di sekeliling inti besi.

Kekuatan elektromagnet tergantung pada banyaknya amper-lilitan

kumparan pembangkit dan pada permeabilitas intinya. Besi-lunak adalah

bahan yang biasa digunakan untuk inti dari sebuah elektromagnet karena

permeabilitasnya yang tinggi. Kekuatan elektromagnet dengan jumlah

lilitan tertentu pada kumparan pembangkit dapat berubah dengan

berubahnya arus yang melalui kumparan. Inilah cara untuk mengubah

banyaknya fluksi, dan begitupun dengan besarnya ggl yang dihasilkan

dalam generator.

Elektromagnet mempunyai banyak aplikasi dalam mesin listrik, seperti

generator. Rangkaian magnet dari generator dc dua-kutub ditunjukkan

pada Gbr 1-8. Medan magnet yang kuat di hasilkan oleh kedua kumparan

medan yang dililitkan pada inti kutub besi. Ketika jangkar diputar melalui

medan magnet, dihasilkan ggl dalam konduktor jangkar.

Gambar 1-8 Rangkaian magnet dari generator kutub-dua.

8

Gambar 1-9 Relai kutub-tiga.

Relai yang ditunjukkan pada Gambar 1-9 menggambarkan aplikasi penting

dari elektromagnet. Relai adalah sakelar yang dioperasikan oleh

elektromagnet. Relai elektromagnet terdiri dari kumparan dan inti besi

stasioner. Kontak relai dipasangkan pada batang besi bersendi disebut

jangkar. Jika elektromagnet diberi energi oleh arus yang melalui kumparan,

jangkar ditarik ke inti elektromagnet, sehingga menutup kontak relai. Jika

energi diputuskan, kontak dibuka oleh pegas.

Diperlukan arus kecil untuk menjalankan relai elektromagnet dan menutup

kontak relai. Kontak relai dapat dirancang untuk mengalirkan arus besar.

Sebagai contoh, relai yang ditunjukkan pada Gambar 1-9 hanya

memerlukan 0,24 A untuk bekerja, sedangkan kontak mempunyai batas

yang diizinkan membawa arus 25 A. Oleh sebab itu, relai digunakan jika

diinginkan mengontrol alat yang mempunyai nilai arus yang tinggi, seperti

misalnya pemanas listrik atau alat serupa dari jarak jauh. Tidaklah perlu

menjalankan catu utama untuk alat ke titik kontrol. Kawat kontrol-jarak-jauh

(remote-control) harus cukup besar untuk mengalirkan arus kumparan

relai.

Aplikasi lain dari elektromagnet adalah dalam rem yang bekerja dengan

solenoida. Rem yang ditunjukkan pada Gambar 1-10 disebut set-pegas

(spring-set), yakni rem yang dilepaskan dengan listrik. Seperti namanya,

rem ini disetel oleh kumparan pegas pada bagian atas rem dan dilepaskan

dengan listrik dengan memberikan energi pada solenoida pada sisi sebelah

kiri peralatan tersebut. Rem tipe ini digunakan untuk rem penahan pada

derek, alat angkat (lift), ban berjalan, peralatan mesin, atau yang serupa.

9

Gambar 1-10 Rem yang dioperasikan dengan solenoida.

I. SATURASI

kumparan dengan inti udara, fluksi yang dihasilkan berbanding lurus de-

ngan amper-lilitan dari kumparan. Begitu juga untuk kumparan berinti-besi

sampai ke tingkat tertentu dari magnetisasi inti. Di atas titik ini, kenaikan

amper-lilitan menghasilkan kenaikan fluksi yang semakin kecil dan inti di-

katakan saturasi atau jenuh.

Kejenuhan besi dapat diterangkan dengan teori Weber tentang magnet.

Karena amper-lilitan kumparan pembangkit naik dari nol, molekul yang

dipindahkan ke dalam posisi yang dimagnetkan adalah relatif mudah

karena banyak molekul yang tak beraturan dalam besi yang tak bermagnet.

Jika sebagian besar molekul ini diatur dalam suatu tingkat terbatas, besi

dikatakan mencapai saturasi. Kenaikan amper-lilitan lebih lanjut

menghasilkan kenaikan yang lebih kecil dalam sifat magnetisme besi

karena tinggal sedikit molekul sisa yang dapat dibawa ke posisi yang

dimagnetkan.

10

1. Apakah magnet itu ? Dalam dua klasifikasi manakah magnet dapat

dibagi

2. Disebut apakah magnetisme yang tetap sebagai magnet setelah gaya

untuk menjadikan magnet dihilangkan?

3. Apakah yang membedakan bahan magnet dari bahan bukan magnet?

4. Bagaimana kutub utara dan kutub selatan magnet dapat diketahui?

5. Apakah garis gaya magnet itu? Apakah medan magnet itu?

6. Apakah satuan SI dari fluksi magnet?

7. Apakah yang dimaksud dengan istilah rapat fluksi? Apakah satan SI

dari rapat fluksi?

8. Berikan aturan tentang tarikan dan tolakan magnet?

9. Jelaskan teori Weber tentang magnetisme.

10. Bagaimana memperlihatkan bahwa ada medan magnet di sekeliling

konduktor pembawa-arus? Berikan aturan yang menghubungkan arah

arus dan arah medan.

11

LATIHAN SOAL

MEDAN MAGNET DAN GAYA GERAK LISTRIK

Tujuan Pembelajaran :

Menyebutkan pengertian gaya gerak listrik

Membuktikan terjadinya GGL

Memberikan definisi GGL induksi

A. MAGNET

Benda yang mempunyai kemampuan menarik besi dan baja disebut

magnet.

Magnet ditemukan di alam dalam bentuk mineral. Magnet pertama kali

ditemukan oleh orang Yunani di Asia Kecil dekat kota Magnesia,yang

disebut batu Magnetie.

1. Sifat-Sifat Magnet :

a. Dapat menarik besi dan baja

b. Daya tarik yang terbesar di kedua ujungnya

c. Ujung yang sama tolak-menolak,ujung yang

berlainan tarik-menarik

d. Ujungnya selalu menunjuk arah utara – selatan

2. Bahan magnet

a. Feromagnet

Mudah dijadikan magnet,mempunyai permeabilitas yg lebih tinggi

dari pada permeabilitas hampa udara.

Misal : besi,baja,nikel,cobalt

b. Paramagnet

12

Menghasilkan medan magnet yg lemah,mempunyai permeabilitas

sedikit lebih besar daripada permeabilitas hampa udara.

Mis : alumunium,platina, mangan,chrom

c. Diamagnet

Menghasilkan medan magnet yg lemah,mempunyai permeabilitas

yang lebih kecil dari permeabilitas udara.

Mis : bismuth,tembaga,seng,air raksa,emas,perak

B. MEDAN MAGNET

Daerah-daerah di sekitar magnet yang ditembus oleh garis-garis gaya

magnet disebut medan magnet.

Jumlah garis-garis gaya dalam medan magnet disebut fluksi magnet.

C. GGL INDUKSI

Apabila suatu penghantar di dalam medan magnet maka pada penghantar

itu timbul gaya gerak listrik induksi.

Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Faraday I.

Berdasarkan hukum tersebut syarat timbulnya GGL :

1. Ada medan magnet

2. Ada penghantar yang bergerak

3. Kecepatan gerakan mempengaruhi

besarnya GGL

Hukum Faraday II :

Bila di dalam konduktor terdapat fluksi magnet (garis-garis gaya magnet )

yg berubah-ubah besar dan arahnya hingga setiap saat memotong

penghantar maka pada penghantar itu timbul GGL induksi.

D. ARAH GGL INDUKSI

Untuk menentukan arah GGL induksi dapat dilakukan dengan

menggunakan kaidah tangan kanan Fleming yang disusun sbb :

1. Buka tangan kanan sehingga ibu

jari tegak lurus dgn empat jari lainnya

2. Letakkan tangan kanan tadi pada

medan magnet sehingga fluks magnet memotong tegak lurus pd

telapak tangan

13

3. Pada saat itu ibu jari menunjuk

arah gerak penghantar dan empat jari tangan menunjuk arah GGL

Induksi.

Rangkaian seri (Rumus)

I = I1 = I2 = I3 = .…..

E1 = I x R1

E2 = I x R2

E3 = I x R3

Rangkaian parallel (Rumus)

E = E1 = E2 = E3 = ……

I1 = E / R1, I2 = E / R2, I3 = E / R3

14