Halaman
133KemagnetanAnda tentu sudah pernah mempelajari magnet. Kegunaan magnet banyak sekali dipergunakan dalam kehidupan sehari-hari, seperti magnet banyak dimanfaatkan seba-gai kompas, alat-alat ukur listrik, telepon, relai, dinamo sepeda, dan sebagainya.Pada bab ini kamu akan mempelajari gejala kemag-netan, sifat-sifat magnet, serta penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Dalam materi bab ini juga kamu akan mempelajari hubungan antara kemagnetan dan listrik serta magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik.A.Pengertian KemagnetanB.Medan MagnetikC.Gaya MagnetD. Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi Sumber: CD Image, 2004Bab3Bab3Standar KompetensiMempersiapkan konsep kelis-trikan dan kemagnetan dalam berbagai penyelesaian masalah dan produk teknologiKompetensi DasarMenerapkan induksi magnetik dan gaya megnetik pada beberapa produk teknologi133
134Fisika untuk SMA/MA kelas XII A. Pengertian KemagnetanKata “magnet” diduga berasal dari kata “magnesia”,yaitu nama suatu daerah di Asia Kecil. Diperkirakan beberapa abad sebelum masehi di daerah itu ditemukan suatu jenis batuan yang memiliki sifat dapat menarik bahan besi atau baja. Diperkirakan orang Cina adalah kali pertama memanfaatkan batu bermuatan ini sebagai kompas, baik di darat maupun di laut. Selain itu, sekarang orang telah dapat membuat magnet dari bahan besi, baja, maupun campuran logam lainnya. Manfaat lain dari magnet adalah banyak dimanfaatkan alat-alat ukur listrik, telepon, relai, dinamo sepeda, dan sebagainya.Seorang ahli matematika dan astronomi berke-bangasaan Yunani, Thales, banyak menaruh perhatian pada magnet. Akan tetapi, kajian tentang magnet kali pertama dilakukan oleh Sir William Gilbert (1544–1603) dengan menerbitkan hasil kajiannya dalam buku De Magnete.1. Sifat-Sifat MagnetApakah itu magnet? Samakah magnet dengan kemagnetan? Secara sederhana magnet adalah suatu benda yang memi-liki gejala dan sifat dapat mempengaruhi bahan-bahan tertentu yang berada di sekitarnya. Gejala dan sifat yang dimiliki oleh megnet itulah yang disebut kemagnetan.Sebuah magnet terdiri dari magnet-magnet kecil yang mengarah ke arah yang sama. Magnet-magnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet elementernya memiliki arah sembarangan sehingga efeknya saling meniadakan yang mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub di ujung logam.Gambar 3.2a) Benda yang memiliki sifat kemagnetanb) benda-benda yang tidak memiliki sifat kemagnetan Gambar 3.1Manfaat magnet dalam ke-hidupan sehari-hariba
135KemagnetanSetiap magnet memiliki dua kutub magnet, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Kekuatan sifat kamagnetan yang paling besar berada pada kutub magnet. Bagaimanakah sifat-sifat magnet? Selain memiliki sifat menarik logam tertentu, magnet juga memiliki sifat-sifat tertentu apabila kutub magnet yang satu berdekatan dengan kutub magnet yang lain.Gambar 3.3a) Kutub magnet yang sejenis (tolak-menolak)b) Kutub magnet yang tidak sejenis (tarik-menarik)a. Kutub-kutub magnet sejenis (kutub utara dengan kutub utara atau kutub selatan dengan kutub selatan) akan saling tolak-menolak.b. Kutub-kutub magnet tidak sejenis (kutub utara dengan kutub selatan atau kutub selatan dengan kutub utara) akan saling tarik-menarik.Apa yang terjadi apabila sebuah magnet batang dipo-tong pada bagian tengahnya?Bagian tengah magnet yang terpotong akan mem-bentuk kutub-kutub magnet yang baru. Kemudian, apa yang terjadi apabila potongan magnet tadi dipotong lagi? Ternyata, potongan-potongan magnet tadi akan memben-tuk kutub-kutub magnet yang baru lagi. Jadi, sebuah mag-net terdiri dari magnet-magnet kecil yang terletak berderet dari kutub utara menghadap ke arah kutub selatan magnet, dan sebaliknya kutub selatan menghadap ke arah kutub utara maget. Magnet-magnet kecil tersebut dinamakan domain atau magnet elementer.Sifat domain pada baja sulit diatur, berarti baja sukar dimagnetkan, tetapi apabila telah teratur sukar berubah, atau dikatakan sifat kemagnetan baja tetap. Pada besi, domainnya mudah diatur atau mudah dimagnetkan, tetapi juga mudah berubah atau sifat kemagnetannya semen-tara.2. Bahan Magnetik dan Bahan Nonmag-netikApakah semua benda dapat dipengaruhi oleh magnet? Jika dapat, samakah pengaruh magnet pada setiap benda yang ada di sekitarnya?tolak-menolaktarik menarikTahukah Anda?Listrik dan GerakanPada 1823, ilmuwan Inggris bernama William Sturgeonmembaut magnet listrik per-tama dengan melilitkan seutas kawat pada batang besi. Pada saat arus listrik mengalir pada kawat, batang besi menjadi magnet. Delapan tahun kemu-dian, ilmuwan Amarika serikat Joseph Henry memakai efek ini untuk membuat motor listrik pertama.Sumber: Buku Saku Penemuan, 1997
136Fisika untuk SMA/MA kelas XII ketika sebuah magnet tetap didekatkan pada bahan aluminium, platina, mangan, tembaga, seng, emas, kayu, dan plastik seolah-olah tidak terjadi apa-apa. Akan tetapi, saat didekatkan pada bahan besi, nikel, dan baja, bahan-bahan yang tidak dapat ditarik dengan kuat oleh magnet tidak dapat dijadikan magnet. Namun, sebaliknya bahan-bahan yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet dapat dijadikan magnet.Bahan-bahan yang dapat ditarik oleh magnet disebut bahan magnetik dan yang tidak dapat ditarik oleh magnet disebut bahan nonmagnetik. Lebih lanjut, bahan magnetik diklasifikasikan sebagai berikut.a. Bahan ferromagnetik, bahan yang ditarik dengan kuat oleh magnet. Contohnya, nikel, besi, baja, dan kobalt.b. Bahan diamagnetik, bahan yang ditarik lemah oleh magnet. Contohnya, aluminium dan platina.c. Bahan diamagnetik, bahan yang sedikit menolak mag-net. Contohnya, seng, bismuth, dan natrium klorida.Berdasarkan asalnya, magnet dibagi menjadi dua kel-ompok, yaitu magnet alam adalah magnet yang ditemukan di alam dan magnet buatan adalah magnet yang sengaja dibuat oleh manusia.Berdasarkan sifat kemagnetannya, magnet buatan dikelompokan menjadi magnet tetap (permanen) dan megnet sementara. Magnet tetap adalah magnet yang sifat kemagnetannya tetap (terjadi dalam waktu yang relatif lama). Sebaliknya, magnet sementara adalah magnet yang sifat kemagnetannya tidak tetap atau sementara.Berdasarkan penggolongan magnet buatan serta ke-mampuan bahan menyimpan sifat magnetnya maka kita dapat menggolongkannya bahan-bahan magnetik ke dalam magnet keras dan magnet lunak. Contoh magnet keras ada-lah baja dan alcomax. Bahan ini sulit untuk dijadikan magnet maka bahan-bahan magnet keras ini sangat sulit untuk di-jadikan magnet. Namun, setelah bahan ini menjadi magnet, sifat magnetiknya relatif sangat lama. Karena pertimban-gan atau alasan itulah bahan-bahan magnet keras ini lebih banyak dipakai untuk membuat magnet tetap (permanen).Contoh pemakaiannya adalah pita kaset dan kompas.Hans Christian Oersted(1777-1851)Hans Christian Oersted lahir di kota terpencil Pulau Langland, Denmark. Dia dan saudara laki-lakinya belajar secar mandir dengan sangat baiksehingga dapat di terima di Universitas Copenhagen. Akhirnya, saudara laki-laki Oersted menjadi pengacara dan Oersted sendiri men-jadi ahli fisika terkenal di Denmark.Pada suatu hari, tahun 1820 ketika memberikan suatu kulaih, Oersted secara tidak sengaja meletakkan megnet jarum sejajar dan berimpit dengan kawat percobaan. Ketika arus listrik dialirkan pada kawat, ternyata magnet jarum menyimpang dari kedudukan semula. Kemu-dian, setelah meneliti lebih lanjtu, akhirnya Oersted me-nyimpulkan bahwa di sekitar arus listrik timbul medan magnet atau kawat berarus listrik dapat menimbulkan medan magnet di sekitarnya. Penemuan ini mengilhami sejumlah penelitian tentang kelistrikan dan kemagnetan oleh ilmuwan-ilmuwan terke-nal seperti Andre Marie Am-pere (Prancis) dan Michael Farady (Inggris).Sumber: Tokoh-Tokoh Terkenal Ilmuwan, 2000Fisikawan Kita
137KemagnetanGambar 3.4Contoh pemakaian magnet dalamkehdupansehari-hariBahan-bahan magnet kunak, misalnya besi dan mu-meta, jauh lebih mudah untuk dijadikan magnet. Namun demikian, sifat kemagnetannya bersifat sementara atau mudah hilang. Itulah sebabnya, bahan-bahan magnet lu-nak ini banyak dipakai untuk membuat elektromagnetik (magnet listrik). 3. Kutub-kutub MagnetApakah kamu pernah memperhatikan di mana kutub-kutub magnet itu? Untuk mempermudah pemahamanmu tentang bagian magnet yang memiliki gaya tarik terbesar terhadap benda-benda di sekitarnya.Bagian magnet yang memiliki gaya tarik terbesar disebut kutub-kutub magnet. Setiap magnet memiliki dua kutub dan bagian magnet di antara dua kutub itu disebut daerah netral. 4. Menentukan Kutub-kutub MagnetApabila semua magnet dapat bergerak bebas, magnet terse-but akan selalu berusaha untuk menempatkan diri sehingga salah satu kutubnya menghadap kutub utara geografis dan kutub selatan geografis.Apabila kamu buat tanda pada kedua ujung magnet, kamu dapat menentukan arah masing-masing ujung magnet itu. Menurut kesepakatan para ahli, ujung-ujung magnet yang mengarah ke kutub utara geografis bumi disebut kutub utara magnet dan ujung yang mengarah ke arah utara kutub selatan geografis bumi disebut kutub selatan magnet.
138Fisika untuk SMA/MA kelas XII Dengan demikian, magnet memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Berdasarkan penentuan kutub-kutub magnet dapat dimanfaatkan sebuah kompas, misalnya untuk menentukan haluan kapal atau pesawat terbang.5. Membuat MagnetAda tiga cara membuat magnet, yaitu menggunakan arus listrik, dengan cara menggosok, dan dengan cara induksi.a. Menggunakan Magnet dengan Menggunakan Arus ListrikJika sebuah besi dililit kawat berarus listrik, besi akan menjadi magnet-magnet hanya selama arus listrik menga-lir. Apabila arus listrik dihentikan, sifat magnetik bahan tadi menjadi hilang kembali. Umumnya, sifat magnetik elektromagnetik dapat diatur melalui sebuah sakelar yang berfungsi sebagai penyambung dan pemutus arusb. Membuat Magnet dengan Cara MenggosokApabila kamu menggosok ujung magnet batang permanen ke sepanjang permukaan batang besi atau baja dengan satu arah saja, kutub magnet yang dihasilkan pada ujung terakhir penggosok selalu berlawanan dengan kutub ujung magnet penggosoknya.Gambar 3.5Membuat magnet menggu-nakan arus listrikKamu perlu perhatikan bahwa pada ujung gosokan, magnet permanen diangkat tinggi-tinggi di atas bahan yang dibuat magnet agar kemagnetannya tidak menjadi lemah.
139KemagnetanGambar 3.7Membuat magnet dengan cara induksiSepotong besi/baja didekatkan pada kutub utara mag-net tersebut (tidak menyentuh). Apabila di bawah batang besi/baja itu diletakkan paku-paku kecil/serbuk besi, paku-paku/serbuk besi akan ditarik oleh kedua batang tersebut. Hal ini berarti bahan batang besi/baja tersebut menjadi magnet.Peristiwa batang/besi menjadi magnet akibat dide-katkan pada magnet permanen yangkuat disebut induksi magnet. Kutub magnet induksi selalu berlawanan denga kutub magnet permanen.Jika magnet tersebut kita jauhkan dari batang besi dan baja, sifat kemagnetan pada besi menjadi hilang, sedang-kan sifat kemagnetan pada baja tetap. Hal ini disebabkan sifat kemagnetan yang dimiliki oleh bahan baja lebih kuat dibandingkan dengan sifat kemagnetan yang dimiliki oleh bahan besi.6. Menghilangkan Sifat KemagnetanSebelumnya kita telah mempelajari bagaimana membuat magnet dengan menggunakan beberarapa cara. Sekarang, kita akan mempelajari bagaimana menghilangkan sifat kemagnetan sebuah benda. Magnet dapat rusak atau hilang sifat kemagnetannya. Penyebab hilangnya sifat kemagnetan antara lain dengan cara dipukul-pukul dengan palu, dipanaskan atau dibakar, dan dialiri arus listrik bolak-balik (AC).Gambar 3.6Membuat magnet dengan cara digosokc. Membuat Magnet dengan Cara InduksiBagaimana membuat magnet dengan cara induksi? Coba kamu sediakan ssebatang magnet permanen yang kuat digantung pada tiang seperti pada gambar berikut.
140Fisika untuk SMA/MA kelas XII B. Medan Magnetik Medan magnet adalah ruang di sekitar magnet tempat magnet lain atau benda lain yang dapat dipenagruhi mag-net mengalami gaya magnet. Jika Anda meletakkan kertas putih di atas sebuah magnet dan menaburkan garis-garis gaya magnet dari magnet tersebut. Perhatikan gambar berikut.Garis-garis gaya magnet selalu keluar dari kutub utara magnet dan masuk ke kutub selatan magnet. Sementara dalam magnet, garis-garis gaya magnet memiliki arah dari kutub selatan magnet ke kutub utara magnet. Garis-garis tersebut tidak pernah saling berpotongan. Kerapatan garis-garis gaya magnet menunjukkan kekuatan medan magnet.Gambar 3.8Menghilangkan sifat maget dengan cara dipukul Gambar 3.9Menghilangkan sifat maget dengan cara dibakar a. Dipukul dengan PaluMagnet yang dipukul dengan palu akan mengakibatkan magnet tidak beraturan. Ini mengakibatkan magnet kehi-langan sifat magnetnya.b. Dipanaskan atau DibakarApabila kita membakar magnet, magnet akan cepat kehi-langan sifat magnetnya. Hal ini disebabkan magnet kecil bertambah getarannya yang mengakibatkan magnet kecil tidak beraturan letaknya.c. Dialiri Arus Bolak-Balik (AC)Cara yang terbaik untuk menghilangkan sifat magnet suatu bahan adalah dengan menggunakan arus bolak-balik (AC). Dengan menempatkan magnet ke dalam solenoida yang dihubungkan dengan arus bolak-balik (AC), magnet secara perlahan akan berpindah mengikuti aliran listrik bolak-balik dalam solenoida.Gambar 3.10Garis gaya manet dapat ditunjukkan jika serbuk kayu didekatkan denan magnet
141KemagnetanJika dua kutub yang tidak sejenis saling berhadapan akan diperoleh garis-garis gaya magnet yang saling ber-hubungan. Jika dua kutub yang sejenis dan saling berhada-pan akan diperoleh garis-garis gaya magnet yang menekan dan saling menjauhi.Kutub-kutub yang tidak sejenis (utara-selatan) apabila didekatkan akan saling tarik-menarik,sedangkan kutub-kutub yang sejenis (utara-utara atau selatan-selatan) apa-bila didekatkan akan saling tolak-menolak.1. Medan Magnetik di Sekitar Kawat Lurus Berarus ListrikDi sekitar kawat yang berarus listrik terdapat medan mag-netik yang dapat mempengaruhi megnatik lain. Medan magnetik adalah ruang di mana magnet lain masih menga-lami magnetil. Magnet jarum kompas dapat menyimpang dari posisi normalnya jiak dipengaruhi oleh medan mag-netik. Pada keadaan diam, kompas selalu menunjukkan ara utara-selatan.Hans Christian Oersted adalah orang yang kali per-tama melakukan penelitian untuk menentukan adanya medan magnetik di sekitar yang berarus listrik. Coba Anda perhatikan eksperimen Oersted berikut ini.Gambar 3.11a) garis gaya yang sekutubb) aris-garis gaya magnet yang tidak searahGambar 3.12Hans Christian Oersted ba
142Fisika untuk SMA/MA kelas XII Mengamati Medan Magnet di SekitarKawat Berarus ListrikAlat dan Bahan:· Sebuah sakelar· Sebuah kompas kecil· Seutas kawat panjang ±1 m Langkah-Langkah Eksperimen:1. Coba Anda susun rangkaian seperti gambar berikut.Eksperimen 3.12. Dalam keadaan sakelar (s) terbuka,letakkan kawat di atas kompas dengan arah memanjang dan kawat sejajar dengan arah jarum kompas.3. Kemudian, tutuplah sakelar (s), sperti Gambar (b). Apakahyang terjadi pada jarum kompas tersebut?4. Balikkan polaritas baterai seperti Gambar ( c ), lalu lakukan pengamatan yang sama seperti pada langkah (3).5. Kemudian, tambahkan jumlah baterai. Ulangi pengamatan yang sama seperti pada langkah (1) sampai dengan langkah (4).6. Geserkan kompas hingga menjauhi kawat, kemudian catat jaraknya. Ulangi pengamatan seperti pada langkah (1) sampai dengan langkah (4).7. Apa yang dapat Anda simpulkan?Dari eksperimennya, Oersted mengambil suatu kes-impulan bahwa di sekitar arus listrik ada medan magnetik sehingga dapat mempengaruhi kedudukan magnet jarum. Arah garis-garis medan magnetik yang terdapat di sekitar Gambar 3.13Eksperimen yang dilakukan Oersted
143Kemagnetankawat berarus sesuai dengan kaidah tangan kanan atau aturan sekrup putar kanan, seperti yang terlihat pada gambar berikut.Kaidah Tangan Kanan“Arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik dan arah lipatan jari-jari yang lainnya menunjukkan arah putaran garis-garis medan magnetik.”2. Hukum Biot-SavartSecara teoritis, Lorentz telah menyatakan besar kuat medan magnetik atau induksi magnetik di sekitar arus listrik.Menurut teori Lorentz, besarnya induksi magnetik yang disebabkan oleh elemen arus adalah berbanding lurus dengan kuat arus listrik, berbanding lurus dengan panjang kawat, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak titik yang diamati ke kawat dan arah induksi magnetiknya tegak lurus terhadap bidang yang melalui elemen arus dan titik yang diamati.Pada 1820, setahun setelah Oersted mencetuskan teorinya,dau orang ilmuwan Prancis bernama Jean Bap-tise Biot (1774-1862) dan Felix Savart (1791-1841), mengemukakan perhitungan lebihlanjut tentang induksi magnetic oleh elemen arus.Coba Anda perhatikan gambar di atas, sepotong elemen kawat dl dilalui arus listrik (i). Arus listrik menimbulkan induksi magnetic di P sebesar dB. Jarak titik P ke kawat dl adalah r, dengan arah arus i dan jarak membentuk sudut Gambar 3.14a. Jika arus tegak lurus bidang ke atas menuju Anda. Arah medan magnet berputar berlawanan arah jarum jam. Namun, jika arah arus tegak lurus bidang ke bawah menu-ju Anda arah kedua magnet berputar searah jarum jamb. Kaidah Tangan Kanan Gambar 3.15....BBBiabBi
144Fisika untuk SMA/MA kelas XII J. Besarnya induksi magnetic di titik P karena pengaruh elemen kawat yang berarus listrik menurut Biot-Savart adalah Dengan menggantikan nilai k menjadi: 10-7 weber/AmMaka, akan diperoleh:Untuk nilai l yang sangat panjang sehingga nilai batasnya ditentukan:• Batas-batas menjadi dan • Batas-batas menjadi 0 dan Dengan mempergunakan gambar di atas akan diperoleh:Sehingga persamaan di atas dapat ditulis menjadi:Untuk menentukan nilai induksi magnet (B) pada persamaan di atas maka persamaan itu perlu diitegrasikan sehingga akan diperoleh:
145KemagnetanKarena Dengan demikian, persamaanya menjadiKeterangan:B = induksi magnetik di titik yang diamati (Wbm-2)0M = 7410P−× WbA-1m-1i= kuat arus listrik (A)a = jarak titik dari kawat (m)Sebuah kawat lurus panjang dialiri arus sebesar 4 A. Tentukanlah besarnya induksi magnetik pada sebuah titik yang berada sejauh 20 cm disebleah kanan kawat. Jika arah arus pada kawat ke atas, ke manakah arah induksi magnetiknya?Jawaban :Diketahui:i = 4 A; a = 20 cm = 0,2 m WbA-1m-1Maka, Jadi, besarnya induksi megnetik di titik P adalah 4 × 10-5 Wbm-2. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan, arah induksi magnetic di sekitar kawat di sebelah • Kanan kawat masuk bidang kertas• Kiri kawat keluar bidang kertasContoh Soal 3.1Setelah penemuan Oersted ini, lalu Biot-Savart men-jelaskan tentang induksi magnetic di sekitar kawat berarus listrik, serta Ampere menemukan hubungan antara kuat arus listrik dan induksi magnetic di sekitar kawat berarus listrik. Hasil perhitungan yang ditunjukkan Ampere jauh Tahukah Anda?Kareta Api MaglevSelama tahun 1950-an, se-orang insinyur dari Inggris, Eric Lathwaite, mengembangkan sebuah motor yang dapat men-gangkat kereta api di atas rel oleh tarikan magnetik. Walau-pun sekarang digunakan dalam skala kecil, kereta api Maglev ini akan menjadi kereta apai masa depan.Sumber: Buku Saku Penemuan, 1997
146Fisika untuk SMA/MA kelas XII lebih sederhana dibandingkan dengan perhitungan yang telah diberikan Oersted serta Biot-Savart. Ampere menda-patkannya dengan menggunakan Hukum Gauss, berbeda dengan Oersted dan Biot-Savart yang menggunakan pen-delatan Hukum Coulomb.Menurut Ampere,Dengan adalah keliling lingkaran di sekitar ka-wat berarus listrik. Jika jari-jari keliling lingkaran a, sehingga akan diperoleh persamaan sebagai berikut.Jadi, persamaan yang diperoleh Ampere sama dengan hasil penemuan Biot-Savart, tetapi untuk mendapatan persamaan tersebut jauh lebih sederhana.3. Medan Magnetik di Sekitar Kawat Me-lingkar Berarus ListrikJika pada kawat lurus panjang kita dapat menentukan induksi magnetik pada sembarang titik di sekitar kawat tersebut. Maka, pada kawat yang bentuknya melingkar, medan magnetic yang akan ditentukan dibatasi pada sumbu kawat saja, termasuk pada pusat lingkaran kawat. Karena induksi magnetik pada sembarang titik di sekitar arus melingkar sangat kompleks. Coba Anda perhatikan gambar berikut, sebuah kawat membentuk lingkaran dengan jari-jari a dialiri arus listrik i. Jarak titik P ke keliling lingkaran adalah r dan sudut yang dibentuk oleh r dan sumbu pusat lingkaran adalah A.Untuk menentukan arah medan magnet pada sumbu lingkaran, coba Anda gunakan aturan tangan kanan beri-kut ini.Gambar 3.16Sebuah kawat membentuk lingkaran denganjari-jari a
147KemagnetanInduksi magnetik di P oleh elemen kawat yang dilalui arus i adalah sebagai berikut. Oleh karena r tegak lurus , berarti = 90o sehingga per-samaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut menjadiCoba Anda perhatikan, vektor dapat diuraikan men-jadi dua komponen, yaitu yang sejajar dengan sumbu lingkaran adalah dan yang tegak lurus sumbu lingkaran adalah . Komponen akan saling menghilangkan dengan komponen yang berasal dari elemen lain yang berseberan-gan sehingga hanya komponen saja yang masih tersisa.Induksi magnetik di titik P dari seluruh bagian ling-karan yang kelilingnya sama dengan panjang seluruh kawat adalahJika P digeser sehingga menjadi titik pusat lingkaran, r = a dan = 90o. Induksi magnetik di titik pusat lingkaran menjadi Jadi, persamaan di atas digunakan untuk menentukan induksi magnetik di titik pusat lingkaran kawat dengan jari-jari a dan arus listrik i.Untuk suatu kumparan tipis dengan N buah lilitan, induksi magnetic di titik pusat lingkaran menjadi Gambar 3.17Jari-jari yang dilipat sebahai arus dan ibu jari arahmedanm-magnet
148Fisika untuk SMA/MA kelas XII Untuk menentukan induksi magnetik di titik P yang terletak pada sumbu lingkaran akan diperolehKarena sehingga persamaan tersebut dapat diubah menjadiPersamaan di atas digunakan untuk menentukan in-duksi magnetik pada sebuah titik sumbu lingkaran yang memiliki jari-jari a.Sebuah kawat yang dibentuk menjadi sebuah lingkaran dengan jari-jari 20 cm dialiri arus listrik sebesar 6 A. Tentukanlah besarnya induksi magnetik di titik pusat lingkaran.Penyelesaian:Diketahui:a = 20 cm = 0,2 m; i = 6ADengan menggunakan persamaan 02iBaM= akan diperoleh()()()7-26-20410Wbm 6A610Wbm220,2iBaPMP−−×===×Jadi, induksi magnetik di titik pusat lingkaran adalah 6-2610WbmP−×.Contoh Soal 3.2 4. Medan Magnetik SolenoidaKumparan panjang yang terdiri dari banyak lilitan kawat penghantar, yang menyerupai sebuah lilitas pegas disebut dengan solenoida. Gambar berikut ini ditunjukkan sebuah solenoida.
149KemagnetanMisalnya, panjang solenoida l terdiri atas N buah lilitan. Jumlah lilitan setiap satuan panjang menjadi Nn=l dan jari-jari kumparan a. Menurut Biot dan Savart, induksi magnetic di titk P yang terletak pada sumbu solenoida dan disebabkan oleh elemen solenoida sepanjang dx adalah sebagai berikut.Dengan A adalah sudut antara r dan x.Dengan cara mensubtitusikan harga r dan dx ke dalam persamaan akan diperoleh Jika solenoida sangat panjang sehingga batas-batas sudut-nya menjadi 2A= 0o dan 1A = 180o. Untuk titik P yang terletak di tengah solenoida, induksi magnetic di titik Pakan menjadiGambar 3.18Solenoida denganpangang danterdiri atas M buah lilitan
150Fisika untuk SMA/MA kelas XII atau dengan n adalah banyaknya lilitan per panjang kawat (). Coba bandingkan dengan penemuan Ampere.dengan Δl adalah panjang solenoida sehinggaHasilnya sama, tetapi cara untuk memperoleh persamaan tersebut lebih sederhana.Untuk titik P yang berada di ujung kiri dan kanan sole-noida, persamaannya akan menjadi2A= 0o dan 1A = 90o. atau Jadi, induksi magnetik pada sumbu solenoida dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dan Suatu solenoida panjangnya 8 m dengan jumlah lilitan 1600 lilitan. Jika pada solenoida megnalir arus sebesar 4 A, tentukanlah induksi magnetic pada sebiah titik di tengah solenoida yang terletak pada sumbunya.Penyelesaian:Diketahui:N = 1600 lilitanl= 16 m ⇒7-1-10410 WbA mMP−=×i = 4 AContoh Soal 3.3
151KemagnetanMaka,Jadi, induksi magnetiknya adalah -21, 61 0 4 W b mP×−.2. Medan Magnet ToroidaApabla sebuah solenoida dilengkungkan sehingga sum-bunya membentuk sebuah lingaran, solenoida tersebut disebut toroida. Coba Anda perhatikan gambar sebuah toroida berikut ini.Sesuai dengan persamaan induksi magnetik di tengah solenoida maka besarnya magnetic pada sumbu toroida akan menjadi persamaan berikut.Dengan n adalah jumlah lilitan kawat (N) per satuan panjang kawat. Dalam hal ini panjang kawat adalah sama dengan keliling lingkaran (2rP) sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut.dengan a adalah jari-jari toroida.Akan tetapi, menurut Ampere persamaannya akan menjadi sebagai berikut.dengan Δl adalah 2rP sehingga C. Gaya MagnetJika sebuah penghantar yang ditempatkan pada medan magnet atau induksi magnetic maka akan mengalami gaya. Gaya yang dialami oleh penghantar yang berarus listrik disebut gaya Lorentz.Gambar 3.19Sebuah magnet dengan jari-jari a
152Fisika untuk SMA/MA kelas XII Mengamati Medan Magntik di Sekitar Kawat Berarus Listrik• Alat dan Bahan:• Selembar pita aluminium (aluminium foil)• Sebuah magnet U yang kuat• Sebuah baterai• Sebuah sakelar• Dua buah penjepit (klip)Eksperimen 3.21. Gaya Magnetik pada Sebuah Kawat Berarus ListrikGaya magnet dapat dialami oleh sebuah kawat berarus lis-trik dalam medan magnet. Untuk memahami gaya magnet tersebut, coba Anda lakukan eksperimen berikut ini.Gambar 3.20Langkah-Langkah Kegiatan:1. Coba Anda rentangkan pita aluminium di antara kutub utara-selatan magnet.2. Hubungkan ujung-ujung pita ke baterai melalui sake-lar.3. Tutuplah sakelar agar arus listrik mengalir melalui pita.4. Apa yang terjadi dengan pita aluminium?5. Balikkan polaritas baterai, kemudian ulangi langkah nomor 1 sampai dengan nomor 4.6. Berikan kesimpulan dari eksperimen yang Anda laku-kan.Besaran-besaran yang mempengaruhi gaya magnet Fpada sebuah kawat berarus listrik i dalam medan magnet Bdengan cara mengamati besarnya penyimpangan pita alu-minium. Semakin besar gaya magnet maka akan semakin besar pula penyimpangan pita aluminium.ba
153KemagnetanApabila Anda memperbesar kuat arus listrik i dengan cara menambah jumlah baterai, tanpa mengganti magnet U, ternyata penyimpangan pita menjadi semakin besar. Kita dapat simpulkan bahwa besarnya gaya magnet F bergantung pada magnet U yang semula dengan magnet U yang lebih kuat, tanpa menambah jumlah baterai, ternyata penyimpangan pita menjadi semakin besar. Kita dapat simpulkan pula bahwa besarnya gaya magnet F bergantung pada induksi magnet B. Jika Anda mengganti pita alu-minium yang semula dengan pita aluminium yang sedikit lebih panjang, tanpa menambah jumlah baterai ataupun mengganti magnet U, ternyata penyimpangan pita menjadi semakin besar. Dapat disimpulkan bahwa besarnya gaya magnet F bergantung pada panjang kawat l. Kawat penghantar berarus listrik yang ditempatkan dalam induksi magnetic akan melengkung karena pengaruh gaya Lorentz.Coba Anda perhatikan gambar berikut, tampak kawat melengkung ke kanan sebab induksi magnetik yang arah-nya keluar tegak lurus bidang gambar.Gambar 3.21Sebuah kawat penghantar berarus listrik melengkung ke bawah kaena pengaruh gya lorenzBesarnya gaya Lorentz yang dialami oleh penghantar dengan panjang l yang dialiri arus listrik I dalam medan magnet homogen B, memenuhi persamaandengan Q dalah sudut yangdibentuk oleh arus I dan arah medan magnet B. Jika Q = 90o atau i dan B saling tegak lurus, persamaannya menjadikarena sin 90o = 1BFi
154Fisika untuk SMA/MA kelas XII Jadi, besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh kawat penghantar sebanding dengan induksi magnetik (B), arus listrik (i), panjang kawat (l), serta bergantung pada sudut yang dibentuk oleh B dan i.Gambar 3.22Penghanta dengan panjang berarus listrik i dengan medan-magnet homogen2. Gaya Magnetik pada Muatan Berge-rakCoba Anda perhatikan gambar di bawah ini, untuk muatan listrik yang bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnet homogen B, penjelasannya adalah sebagai beri-kutHubungan antara muatan (q) dan kuat arus (i) adalah . Lalu, ruas kiri dan ruas kanan dikalikan dengan dl sehinggaCoba Anda subtitusikan nilai idl ke dalam persamaan sinFidQ=l sehingga diperoleh persamaanGambar 3.23Muatan listrik q bergerak den-gan kecepatan v dalam medan magnet homogen B (searah medanmagnet masuk bidang kertas)
155KemagnetanPersamaan di atas serupa dengan persamaanjika Q = 90o atau sin 90o = 1 besarnya gaya Lorentz pada sebuah partikel bermuatan listrik yang bergerak da-lammedan magnet B menjadi .Untuk menentukan arah gaya Lorentz yang dialami oleh penghantar berarus listrik maupun muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet yang homogen, digunakan aturan sekrup. Jika arus listrik i diputar ke arah medan magnet B, F adalah arah sekrup. Coba Anda perhatikan gambar berikut.Arah gaya Lorentz juga dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan. Untuk menentukan arah gaya Lorentz pada muatan positif dengan meng-gunakan aturan tangan kanan, coba Anda amati gambar berikut ini.Gambar 3.24Aturan sekrup untuk muatan positifCoba Anda perhatikan gambar berikut ini, tiga par-tikel, yaitu A, B, dan G bergerak dalam medan magnet homogen yang arahnyatt tegak lurus bidang kertas⊗. Jika diketahui bahwa partikel bermuatan positif, partikel ber-muatan negatif, dan partikel tidak bermuatan. Coba Anda tentukan arah pembelokan arah ketiga pertikel tersebut dengan menggunakan aturan tangan kanan.Gambar 3.25Aturan tangan kanan untuk muatan positifFBvBvF
156Fisika untuk SMA/MA kelas XII Jika sebuah partikel bermuatan listrik bergerak dengan kecepatan v, tegak lurus dengan medan magnet homogen yang mempengaruhinya. Lintasan partikel tersebut berupa lingkaran. Gaya Lorentz berfungis sebagai gaya sentripetal untuk bergerak melingkar ini. Selanjutnya, coba Anda perhatikan gambar berikut ini. Gambar 3.26Arah pembelokan dari partikel, dan dalam medan magnet.Gambar 3.27Gaya yang dialami muatan bergerak dalam medan magnet Dari persamaan jika untuk Q = 90o, persamaannya menjadiPartikel tersebut bergerak melingkar karena menda-patkan gaya sentripetal yaitu nilainya sama dengan gaya Lorentz. Menurut Hukum II Newton, pada gerak melingkar beraturan berlaku persamaan:, dengan
157KemagnetanMaka, dengan:B = induksi magnetik homogen yang arahnya masuk bidang kertas (Wbm-2)v = kecepatan partikel (m/s)q = muatan partikel ( C )m = massa partikel (kg)R = jari-jari lintasannya (m)Jadi, jari-jari sebuah lintasan partikel yang bergerak dalam medan magnet homogen sebandingdengan momentum partikel (mv) serta berbanding terbalik dengan besarnya muatan partikel (q) dan induksi magnetik (B) yang mem-pengaruhinya.Sebuah partikel bermuatan 0,6 MC berada dalam medan magnet homogen B = 10-2 Wbm-2. Jika kecepatan partikel tegak lurus medan magnetnya dan lintasan partikel berupa lingkaran dengan jari-jari 80 cm, tentukanlah besarnya momentum partikel.Penyelesaian:Diketahui:q = 0,6 C = 6 10-7 C; B = 10-2 Wbm-2; R = 80 cm = 0,8 mDengan menggunakan persamaansehingga momentum partikelnya adalahContoh Soal 3.4 3. Gaya Magnetik di Antara Dua Kawat SejajarCoba Anda perhatikan gambar berikut ini, dua kawat penghantar dipasang dan dialiri arus listrik.
158Fisika untuk SMA/MA kelas XII Ternyata pada gambar (a) kedua kawat saling mendekati atau tarik-menarik, sedangkan pada gambar (b) kedua kawat saling menjauhi atau tolak-menolak. Ini menunjukkan bahwa antara kedua kawat timbul gaya Lorentz. Coba Anda perhatikan gambar berikut, besarnya gaya timbal balik antara satu kawat dan kawat yang lain dapat diturunkan sebagai berikut.Gambar 3.28Dua prosespenghantar yang di-pasang sejajar dialri arus listrik denganarah a. searah;b. berlawananKawat pertama (I) akan dipengaruhi oleh induksi magnetik yang ditimbulkan oleh i2 sebesar B dengan arah masuk bidang kertas sehingga arah gaya F12 ke kiri., dengan sehingga Besarnya gaya per satuan panjang kawat adalah Kawat kedua (II) akan dipengaruhi oleh induksi mag-netik yang ditimbulkan oleh i1 sebesar B1, dengan arah masuk bidang kertas sehingga arah gaya F21 ke kanan. Da-lam contoh ini, i1 dan i2 berlawanan arah sehingga kawat Gambar 3.29Gaya timbal balik antara kawat (I) dan kawat (II)ba
159Kemagnetan(I) dan kawat (II) mengalami gaya tolak-menolak, yaitu F12pada kawat (I) ke kiri, sedangkan pada kawat (II) mendapat gaya F21 ke kanan menjauhi kawat (II)., dengan sehingga Besarnya gaya per satuan panjang kawat adalah Jadi, , dan besarnya gaya per satuan panjang kawat pada masing-masing kawat adalah Jika kuat arus pada masing-masing kuat sama (i1 = i2) maka persamaannya dapat ditulis sebagai berikut.Satuan dari adalah N/m.Dua kawat sejajar satu sama lain berjarak 20 cm, dialiri arus listrik sama besar. Jika antara kedu akawat timbul gaya tarik-menarik per satuan panjang kawat sebesar 2× 10-4 N/m, hitunglah besarnya kuat arus pada masing-masing kawat.Penyelesaian:Dikatahui:a= 20 cm = 0,1 m; F = 2×10-4 N/mGaya per satuan panjang dialami kedua kawat memenuhi persa-maan:Contoh Soal 3.5
160Fisika untuk SMA/MA kelas XII 4. Penerapan Gaya MagnetGaya magnet dapat dimanfaatkan pada alat-alat yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak, misalnya motor listrik dan alat ukur listrik.1. Motor ListrikMotor listrik sederhana arus searah terdiri dari kumparan yang ditempelkan pada as roda sehingga dapat berputar di antara kutub-kutub magnet berbentuk ladam. Ujung-ujung kumparan (koil) dihubungkan dengan cincin belah yang disebut komutator. Dua blok karbon yang disebut sikat menekan komutator.Arus listrik dialirkan masuk dan keluar dari kumparan/kolil melalui sikat-sikat karbon. Komutator akan berpoutar bersamaan dengan kumparan, tetapi sikat-sikat karbon tidak ikut berputar sehingga kawat-kawat penghubung baterai tidak melintir (berpilin).Dua sikat pada komutator mengubah arah arus sehingga mengubah-ubah gaya lorentz pada keempat sisi kumparan. Akibatnya, kumparan berputar di antara dua kutub magnet. Motor listrik mengubah energi listrik menjadi energi gerak.2. Alat Ukur ListrikSalah satu jenis alat ukur listrik yang banyak digunakan adalah alat ukur jenis kumparan berputar. Bagian utama dari alat ukur jenis kumparan berputra adalah inti besi lunak berbentuk silinder yang dililiti kawat membentuk kumparan. Kumparan dengan inti besi lunak ini diletakkan di antara kutub-kutub sebuah magnet permanen.Ketika arus listrik mengalir dalam kumparan maka di sisi kumparan yang dekat dengan kutub-kutub magnet mengalami gaya magnet yang berlawanan arah sehingga Gambar 3.30Motor listrik
161Kemagnetanmenyebabkan kumparan berputar. Karena putaran kump-aran tersebut ditahan eoleh kedua pegas spiral maka kumparan mengambil kedudukan pada suatu sudut putaran tertentu. Makin besar arus listrik yang mengalir ke dalam kumparan, makin besar pula sudut putarannya. Putaran dari kumparan diteruskan pegas ke jarum untuk menun-jukkan angka dengan skala tertentu. Angka tersebut me-nyatakan besar kuat arus listrik atau besar tegangan listrik yang diukur. Alat ukur listrik dengan kumparan berputar banyak digunakan pada galvanometer, amperemeter, dan voltmeter.D. Gaya Gerak Listrik (GGL) InduksiEksperimen Oersted menunjukkan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet. Sepuluh tahun kemudian, Michael Faraday (1771-1867), seorang ahli Fisika berke-warganegaraan Inggris dan Yoseph Henry (1797-1878), seorang ahli Fisika berkewarganegaraan Amerika Serikat, menemukan kebalikan dari proses tersebut, yaitu medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Akan tetapi, arus listrik dalam kumparan hanya timbul apabila medan magnetnya selalu berubah terhadap waktu. Jadi, menurut Faraday perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. 1. Fluks MagnetikKonsep fluks magnetic untuk kali pertama dikemukakan oleh Ilmuwan Inggris yang bernama Michael Faraday untuk menggambarkan medan magnetic. Faraday menggambarkan medan magnet sebagai garis-garis gaya medan. Seberkas garis gaya yang dilingkupi oleh luas daerah tertentu disebut fluks garis medan. Oleh karena satu berkas dapat diambil Gambar 3.31Alat ukur listrikba
162Fisika untuk SMA/MA kelas XII untuk sembarang luas tertentu, besarnya suatu fluks ber-gantung pada luas berkas yang diambil.Faraday menggambarkan medan magnet dengan bantuan garis-garis meda. Lalu, garis-garis medan itu dinyatakan dengan angka-angka. Induksi magnetik B dinyatakan sebagai kerapatan garis medan. Kerapatan garis medan didefinisikan sebagai banyaknya garis medan yang me-nembus suatu bidang secara tegak lurus persatuan luas. Coba Anda perhatikan gambar berikut.Dengan menggunakan ungkapan kerapatan garis me-dan, nilai B pada sebuah titik tertentu dapat dinyatakan sebagai berikut. atau Oleh karena B bersatuan Wbm-2 dan luas A bersatuan m2, satuan fluks adalah weber. Persamaan di atas berlaku untuk medan magnet B yang tegak lurus pada bidang atau sejajar dengan garis normal pada bidang. Jika kerapatan garis gaya medan magnetnya membentuk sudut Q terh-adap garis normal bidang, persamaan fluks magnetiknya akan menjadiDengan Q adalah sudut yang dibentuk oleh induksi mag-netik B terhadap garis normal bidang.Jadi, sebenarnya persamaan ataumenyatakan bahwa besarnya fluks magnetik pada sebuah titik sama dengan hasil kali induksi magnetic di titik itu dengan luas bidang yang ditembus oleh kerapatan garis medan secara tegak lurus.Fluks magnetik merupakan besaran skalar.Gambar 3.32Fokus garis medan menembus tegak lurus suatu bidangGambar 3.33Arus yang terbentuk pada jarum galvanometer menun-jukkan bahwa magnet jika digesekkan bolak-balik dalam kumparan dapat menimbulkan arus listrik
163KemagnetanGaris gaya medan magnet B = 10-2 Wbm-2 menembus tegak lurus bidang seluas 10 cm2. Tentukanlah besar fluks magnetiknya.Jaaban:Diketahui:B = 10-2 Wbm-2A = 10 cm2 = 10-3 m2Q = 0Karena B⊥ A, berarti B membentuk sudut nol terhadap garis normal.Contoh Soal 3.6 1. Hukum Faraday dan Hukum Lenz Sebuah magnet batang digerakkan mendekati kumparan kawat dengan kutub utara menghadap pada kumparan. Ketika magnet sedang bergerak, jarum galvanometer me-nyimpang. Hal ini menunjukkan bahwa suatu arus telah dihasilkan dalam kumparan tersebut.Gambar 3.34Penyimpangan jarum gal-vamometerPenyimpangan jarum galvanometer pada eksperimen itu menunjukkan bahwa dalam rangkaian timbul arus listrik. Arus listrik dapat timbul jika ada beda potensial. 0UGalvanometerS0UGalvanometerS0UGalvanometerS
164Fisika untuk SMA/MA kelas XII Beda potensial ini ditimbulkan oleh adanya perubahan fluks magnetic yang dinamakan gaya gerak listrik induksi (GGL induksi), sedangkan arus yang timbul disebut arus induksi. Arah arus induksi yang timbul karena adanya perubahan fluks magnetic dalam kumparan dapat ditentu-kan dengan menggunakan Hukum Lenz. Menurut Hukum Lenz, arah arus induksi dalam suatu penghantar adalah sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang arahnya melawan perubahan garis gaya yang men-imbulkannya. Jadi, ketika magnet mendekati kumparan, jumlah garis gaya yang dilingkupinya bertambah sehingga timbul arus induksi. Medan magnet yang ditimbulkan arus induksi berlawanan arah dengan medan magnet dari magnet batang. Jika Anda tinjau dari gambar di atas, timbulnya arus listrik pada kumparan sesuai dengan Hukum Lenz. Pada saat kutub U magnet batang didekatkan pada ujung kump-aran A, ujung kumparan A akanmenjadi kutub magnet U dan ujung ku,mparan B akan menjadi kutub magnet S. Dengan demikian, kumparan AB bersifat magnetik.Untuk menentukan arah arusnya dapat digunakan aturan sebagai berikut. Ibu jari sebagai arah kutub U pada kumparan danjari-jarin lainnya dilipatkan sebagai arah arus listrik. Dengan menggunakan aturan tersebut dapat ditentukan arah arus dalam kumparan.Jika kumparan dijauhi oleh kutub U dari magnet batang, ujung kumparan A menjadi kutub magnet S dan ujung kumparan B menjadi kutub magnet U.Ini berarti bahwa jika didekati oelh kutub magnet apa pun, kumparan akan memebrikan gaya tolak, sedangkan jika dijauhi oleh kutub magnet apa pun, kumparan itu akan Gambar 3.35Eksperimen hukum Lenz
165Kemagnetanmemberikan gaya tarik. Inilah penemuan awal dari Hukum Lenz untuk menentukan arah arus dalam kumparan.a. GGL Induksi pada Kawat Dalam Me-dan MagnetCoba Anda perhatikan gambar berikut ini.Bagaimanakah cara untuk mendapatkan arus induksi pada sebuah konduktor PQ? Medan magnet homogen dengan rapat garus gaya B, arahnya tegak lurus masuk bidang kertas. Sebuah penghantar PQ dapat digerakkan bebas ke kiri ataupun ke kanan pada kawat melengkung berbentuk U. Jika penghantar PQ digerakkan ke kanan dengan kecepatan v dan sejauh s, akan terjadi perubahan jumlah garis gaya yang dilingkupi oleh penghantar PQ dengan kawat U sehingga akan timbul arus induksi pada rangkaian.Arah arus induksi pada PQ dan kawat, dapat diten-tukan dengan menggunakan Hukum Lenz. Arah medan magnet B masuk dan arah kecepatan v ke kanan maka muatan positif pada batang PQ mendapat gaya ke atas dari Q ke P, sedangkan muatan negatif mendapat gaya ke bawah dari P ke Q. Arah arus listrik sesuai dengan arah muatan positif sehingga arus induksi mengalir dari Q ke P. Oleh karena arah arus ke atas (dari Q ke P), akan timbul pula gaya Lorentz F yang arahnya ke kiri (dicaridengan kaidah tangan kanan).Persamaan besar gaya Lorentz dapat ditulis sebagai berikut.Agar kecepatan penghantar PQ konstan, pada PQ harus diberikan gaya sebesar F’ untuk melawan gaya Lorentz Fatau F’ = -F. Untuk mempertahankan kecepatan v, gaya F’Gambar 3.36a) Kawat penghantar PQ disusun sejau s a dalam medan magnet B.b) Target batang ditarik ke luar kumparan.
166Fisika untuk SMA/MA kelas XII sama besar dengan gaya Lorentz F ke kanan. Penghantar PQ berpindah sejauh s, dengan kecepatan v dalam waktu t. Besarnya usaha yang harus dilakukan untuk melawan gaya Lorentz adalah sebagai berikut.Usaha yang dilakukan berubah menjadi energi listrik yang besarnya sebagai berikut.Usaha itu berubah menjadi energi listrik. Besarnya energi listrik yang dihasilkan Berdasarkan hokum kekekalan energi maka persamaan akan sama dengan persamaan .Jarak tempuh (s) per satuan waktu (t) adalah kecepatan (v) sehingga besarnya GGL induksi yang dihasilkan oleh kawat PQ adalahTanda negatif (-) menunjukkan persesuaian arah gaya gerak listrik induksi dengan Hukum Lenz.Apabila sebuah penghantar dengan panjang l dan memi-liki hambatan R digerakkan dengan kecepatan v dalam induksi magnetik homogen B, besarnya gaya perlawanan yang diberikan oleh penghantar memenuhi persamaan, dengan Telah diketahui bahwa BvE=l sehingga didapatkanDengan E adalah beda potensial antara P dan Q yang disebut GGL induksi.
167KemagnetanInduksi magnetik homogen B = Wbm-2 tegak lurus masuk bidang kertas. Kertas PQ dengan panjang 2 m diegrakkan ke kanan dengan kecepatan 20 m/s. Tentukanlah GGL induksi yang timbul pada kawat PQ.Penyelesaian:Diketahui:B = Wbm-2l = 2 mv = 20 m/sMaka, diperolehJadi, GGL induksi pada kawat PQ sebesar 2 volt dengan arah ar-usnya dari Q ke P.Contoh Soal 3.7a. GGL Induksi karena Perubahan Fluks MagnetikHukum Faraday yang menyatakan bahwa besarnya gaya gerak listrik bergantung pada kecepatan perubahan fluks magnetic. Ini berarti bahwa1) jika jumlah fluks magnetik yang memasuki kumparan berubah, pada ujung-ujung kumparan akan timbul GGL induksi;2) besarnya GGL induksi bergantung pada laju peruba-han fluks dan banyaknya lilitan pada kumparan. Coba Anda tinjau kembali gambar berikut ini.Setelah PQ bergeser sejauh ds, besarnya perubahan fluks magnetik yang terjadi adalah
168Fisika untuk SMA/MA kelas XII Dari persamaan BvE=−lsehingga akan berlaku persa-maanUntuk N lilitan persamaannya menjadiApabila perubahan fluks magnetiknya konstan terhadap waktu, persamaannya dapat menjadiTanda (-) menyatakan arah arus induksi seperti yang dijelaskan oleh Hukum Lenz. Jika positif, E ber-nilai negatif. Ini berarti arah arus fluks magnetik induksi berlawanan dengan arah fluks magnetic utama. Jika negatif, bernilai positif. Ini berarti, arah fluks magnetic induksi searah dengan arah fluks magnetik utama.Jika suatu kumparan dengan 2.000 lilitan berada dalam medan magnet. Apabila pada suatu kumparan terjadi perubahan fluks mag-netik sebesar 2 × 10-4 weber dalam waktu 0,02 sekon, tentukanlah besarnya gaya gerak listrik induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan itu. Tentukan pula arah arus induksi yang terjadi.Jawab:Diketahui:N = 2.000 lilitan∅ = webert= 0,02 sekonJadi, GGL induksi yang timbl pada ujung-ujung kumparan adalah 20 volt.Contoh Soal 3.8
169Kemagnetan3. InduktansiIstilah “indukstansi” seringkali Anda mendengarnya, na-mun kita sering tidak mengetahui istilah ini. Induktansi itu sndiri artunya “imbasan”. Kita akan membahas mengenai induktansi atau imbasan dalam suatu medan magnetik. Dalam pembahasan induktansi taua imbasan ini kita akan membahas 2 jenis induktansi, yaitu:a. Induktansi DiriCoba Anda perhatikan rangkaian listrik tertutup berikut ini.Gambar 3.37Rangkaian pada saat a. saklar s terbuka lampu pada;b. saklar s ditutup, lampu men-yala.Suatu rangkaian tertutup yang terdiri atas sebuah lampu, induktor L, dan sumber tegangan E dilengkapi dengan sakelar s. Pada awalnya, sakelar s dalam keadaan terbuka Gambar (a) dan lampu dalam keadaan padam. Kemudian, sakelar s ditutup pada Gambar (b) dan secara perlahan-lahan lampu menyala. Pada saat arusnya diputus lagi, lampu tetap menyala beberapa saat, kemudian men-jadi padam lagi (Gambar (c)). Peristiwa ini menunjuk-kan timbulnya arus induksi yang disebabkan oleh adanya perubahan fluks magnetik pada induktor.Dari peristiwa di atas diperoleh bahwa perubahan arus pada sebuah kumparan dapat menimbulkan GGL in-duksi. Besarnya GGL induksi ini berbanding lurus dengan kecepatan perubahan kuat arusnya pada kumparan. Jika perubahan arusnya konstan, persamaannya dapat ditulis sebagai berikut.Untuk perubahan yang kecil, persamaannya akan menjadi
170Fisika untuk SMA/MA kelas XII dengan:E = GGL induksi diri (volt)L = induktansi diri kumparan (henry)= kecepatan perubahan kuat arus (As-1)Tanda (-) merupakan penyesuaian dari Hukum Lenz.Dalam sebuah kumparan dengan 2.000 lilitan dan induktansi diri 0,1 H, mengalir arus listrik sebesar 200 mA dan kemudian berubah menjadi 80 mA dalam waktu 0,02 sekon.Tentukanlah GGL induksi yang timbul pada kumparan tersebut.Jawaban:Diketahui:N = 2.000 lilitani1 = 200 mA = 0,2 At = 0,02L = 0,1 Hi2 = 80 mA = 0,08 ADengan menggunakan persamaanmaka,Contoh Soal 3.9 Induksi diri berharga 1 henry adalah besarnya induk-tansi yang dimiliki sebuah kumparan apabila pada kump-aran timbul GGL induksi sebesar 1 volt yang diakibatkan oleh adanya perubahan kuat arus satu ampere dalam waktu satu sekon. Oleh karena kecepatan perubahan kuat arus ditentukan oleh kecepatan perubaan fluks magnetic , besar induktansi dari suatu kumparan dapat diten-tukan dengan menggunakan persamaan dan GGL induksi yang ditimbulkan oleh perubahan fluks magnetik sama dengan GGL induksi yang ditimbulkan oleh perubahan arus sehingga akan diperoleh persamaan
171Kemagnetandengan:L = induktansi diri kumparan (henry)N = jumlah lilitan kumparan∅ = fluks magnetik kumparani = kuat arus kumparan (ampere)Apabila sebuah induktor dilalaui oleh arus listrik, be-sarnya energi listrik yang dapat dimanfaatkan (tersimpan dalam) inductor sama dengan energi listrik yang diambil oleh induktorKetiak pengisian inductor, arus berubah dari 0→i dalam selang waktu dt. Energi yang dimanfaatkan menjadi, dengan Oleh sebab itu, akan diperolehKemudian, kedua ruas kiri dan kana diintegralkan sehingga diperolehdengan:W = energi yang dimabil oleh inductor (J)U = energi yang tersimpan dalam inductor (J)L = induktansi diri (H)i = kuat arus yang melalui inductor (A)
172Fisika untuk SMA/MA kelas XII Induksi magnetic pada suatu toroida telah diturunkan, coba Anda lihat kebali pembahasan mengenai induksi magnetic pada toroida. Induksi magnetic suatu toroida memenuhi persamaan sebagai berikut.Flusk magnetic dalam suatu toroida dirumuskan sebagai berikut.Dengan cara mensubtitusikan harga induksi magnetic B pada persamaan tersebut akan diperoleh persamaan sebagai berikut.Dari persamaan Dari persamaan dan . Maka, akan diperoleh persamaan sebagai berikut.dengan:L = induktansi diri (H)0M= permeabilitas magnetic untuk ruang hampa (7410P−× WbA-1m-1)N = jumlah lilitanl = panjang toroida (m)A = luas penampang (m2)Jika sebuah toroida dengan luas penampang 8 cm2 dan panjang 80 cm memiliki 800 buah lilitan. Tentukanlah induktansi toroida.Contoh Soal 3.10
173Kemagnetana. Induktansi SilangCoba Anda perhatikan gambar di bawah ini, kumparan primer (P) dihubungkan dengan sumber tegagan (E) dan hambatan variabel (R), sedangkan kumparan sekunder (S) dihubungkan dengan sebuah galvanometer (G). Apabila pada kumparan primer dilakukan perubahan kuat arus dengan mengubah-ubah harga R, akan terjadi perubahan fluks magnetic pada kumparan primer. Perubahan pada kumparan primer ini akan menimbulkan perubaan fluks magnetic pada kumparan sekunder dan akan menimbulkan GGL induksi. Jadi, peristiwa ini disebut induktnasi silang atau induksi timbal-balik.Jawaban:Diketahui:A = 8 cm2 = 4810−× m2N = 800 lilitanl = 80 cm = 0,8 m0M = 7410P−× WbA-1m-1Maka,Besarnya GGL induksi yang timbul pada kumparan sekunder karena pengaruh perubahan fluks magnetik ∅pada kumparan primer dalam waktu dt adalah sebagai berikutGambar 3.38Kumparan primer dihubung-kan dengan sumber tegangan dankumparan sekunder dengan galvanometer
174Fisika untuk SMA/MA kelas XII GGL pada bagian kumparan sekunder ini juga dapat ditentukan karena pengaruh arus di kumparan primer sebesar di1 dalam waktu dt.M didefinisikan sebagai induktansi silang sehingga dari persamaan dan akan diperoleh persamaan sebagai berikut.11221didMN MdiNddtdt∅=−→=∅Apabila kedua ruas kiri dan kanan dari persamaan tersebut diintegrasikan akan diperoleh persamaan berikut ini.dengan:1∅= fluks magnetic yang dilingkupi oleh sekunder dan ditimbulkan oleh primeri1 = kuat arus primerM = induktansi silang N2 = jumlah lilitan sekunderInduktansi silang (M) dapat juga ditentukan dengan meng-gunakan persamaan sebagai berikut.Jadi, induktansi silang dapat dibuat persamaannya sebagai berikut. dan
175Kemagnetan4. GGL Induksi pada GeneratorDari pembahasan yang lalu, Anda sudah memahami cara menimbulkan arus induksi seperti yang dikemukakan Faraday, yaitu dengan menggerakkan konduktor dalam medan magnet. Kamu juga telah melakukan pengamatan dengan cara menggerakkan magnet keluar masuk konduk-tor yang berbentuk kumparan sehingga timbul arus induksi pada konduktor.Dari pendapat Faraday dan pengamatan yang telah kamu lakukan maka dapat disimpulkan bahwa baik kumparan ataupun magnet yang digerakkan sama-sama menghasilkan arus induksi. Perubahan energi yang terjadi adalah dari energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip perubahan energi seperti inilah yang menjadi dasar pem-buatan dinamo dan generator. Generator adalah mesin yang mengubah energi gerak/kinetik menjadi energi listrik. Generator yang berukuran kecil disebut dinamo. Untuk memahami cara kerja dinamo atau generator sehingga dapat menghasilkan arus listrik, ikuti penjelasan berikut ini.Pada prinsipnya, generator akan lebih efisien apabila kumparannya yang dibuat berputar dalam medan magnet tetap sehingga fluks magnet yang menembus kumparan itu berubah-ubah secara periodik. Besarnya GGL induksi yang dihasilkan sesuai dengan jumlah lili-tan kumparan yang digunakan serta laju perubahan fluks magnet yang menembus kumparan itu.Sesuai dengan arah arus induksi yang dihasilkan, generator di kelompokkan menjadi dua, yaitu generator yang menghasilkan arus bolak-balik dan generator yang menghasilkan arus searah. Generator yang menghasilkan arus bolak-balik disebut generator AC atau alternator. AC berasal dari kata alternating current yang artinya arus bolak-balik. Generator yang menghasilkan arus searah disebut juga generator DC, yang berasal dari kata diorect current yang artinya arus searah.Perbedaan antara generator arus bolak-balik dengan generator arus searah adalah pada bentuk cincin lucurnya. Generator arus bolak-balik memiliki dua cincin luncur yang masing-masing dihubungkan dengan ujung-
176Fisika untuk SMA/MA kelas XII ujung kumparan, sedangkan generator arus searah hanya memiliki satu cincin yang terbelah di bagian tengahnya dan disebut cincin belah atau komutator. Komponen generator yang bergerak disebut rotor dan yang diam disebut stator.Jika sebuah kumparan penghantar digerakkan dalam medan magnet dan memotong garis-garis gaya magnet pad akumpran tersebut akan timbul GGL induksi yang memenuhi persamaan sebagai berikut.Persamaan tersebut telah diperkenalkan oleh Faraday da-lam menentukan GGLinduksi pada sebuah kumparan.a. Generator Arus Bolak-Balik (AC)Coba kamu perhatikan gambar generator AC berikut ini.Gambar 3.39Generator arus bolak-balik (AC)Pada generator arus bolak-balik (AC), kumparan dibuat berputar dalam medan magnet yang diam. Apabila kumparan diputar, timbullah GGl induksi pada ujung-ujung kumparan yang dihubungkan dengan cincin-cincin generator. Arus listrik mengalir melalui sikat-sikat yang terbuat dari karbon yang dihubungkan dengan cincin-cincin generator. Selama kumparan berputar, arus listrik yang dihasilkan adalah arus bolak-balik. Bagian generator yang berputar disebut rotor, sedangkan bagian yang diam disebut stator.a. Generator Arus Searah (DC)Sebuah generator arus searah (DC) sederhana ditunjukkan pada gambar berikut ini.
177KemagnetanBerbeda dengan generator AC yang memiliki dua cincin, generator DC hanya memiliki satu cincin yang terbelah di tengahnya sehingga dinamakan cincin belah atau komutator.Salah satu belahan komutator selalu berpolari-tas positif dan belahan komutator yang lain berpolaritas negatif. Hal ini menyebabkan arus listrik induksi yang mengalir melalui rangkaian luar (lampu) selalu memiliki satu arah, yaitu dari komutator berpolaritas positif mela-lui lampu ke komutator berpolaritas negatif. Arus listrik semacam ini dinamakan arus searah atau DC (Direct Cur-rent).c. Dinamo SepedaDinamo sepeda menggunakan magnet yang berputar dekat kumparan.Magnet permanen berputar di dekat sebuah kumparan diam yang dililitkan pada inti besi. Akibat perputaran magnet, garis-garis gaya magnet yang memotong kump-aran berubah-ubah. Hal ini menyebabkan timbulnya GGL induksi pada ujung-ujung kumparan sehingga menghasil-kan arus listrik induksi. Arus listrik induksi akan mengalir melalui lampu sepeda. Makin cepat sepeda dikayuh maka makin besar laju perubahan garis-garis gaya magnetnya sehingga arus listrik induksi yang dihasilkan makin besar dan lampu tampak menyala lebih terang.Gambar 3.40Generator arus searah (DC)
178Fisika untuk SMA/MA kelas XII 5. TransformatorApakah transformator itu? Dalam kehidupan sehari-hari tentunya kamu sering mendengar atau mungkin telah menggunakan transformator. Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik (AC) dari satu nilai tertentu menjadi nilai yang diingin-kan.Transformator atau trafo terdiri dari pasangan kump-aran primer dan sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak. Kumparan primer berfungsi sebagai input dan kumparan sekunder berfungsi sebagai output. Prinsip dasar cara kerja transformator adalah hukum induksi Fara-day. Kumparan primer dihubungkan ke suatu sumber arus bolak-balik yang besar arus listriknya senantiasa berubah terhadap waktu. Arus pada kumparan primer ini bekerja seolah-oleh mengalirkan atau memutuskan arus searah secara berulang-ulang sehingga terjadi perubahan garis-garis gaya magnet yang memotong kumparan sekunder. Akibatnya, timbul GGL induksi dalam kumparan sekunder yang berfungsi sebagai output dengan mengalirkan arus listrik induksi. Dengan menentukan jumlah lilitan yang sesuai untuk tiap kumparan, dapat dihasilkan GGL kump-aran sekunder yang berbeda dengan GGL pada kumparan primer.Bagaimanakah hubungan antara tegangan dengan jum-lah lilitan kumparan pada sebuah transformator? Untuk memperoleh jawaban dari pertanyaan tersebut, coba kamu lakukan percobaan berikut ini.Gambar 3.41Dinamo sepeda
179KemagnetanTujuan Eksperimen:Menyelidiki hubungan antara tegangan dengan jumlah lilitan kumparan pada sebuah transformator.Alat dan Bahan:Sebuah inti besi lunak, sebuah kumparan 1.000 lilitan, dua buah kumparan 500 lilitan, sebuah kumparan 250 lilitan, sebuah catu daya sebagi sumber tegangan AC, sebuah voltmeter AC 0–100 V, serta kabel penghubung secukupnya.Langkah-langkah Eksperimen:1. Coba kamu rangkai alat seperti pada gambar berikut.Gunakan kumparan pirmer 500 lilitan dan kumparan sekunder juga 500 lilitan.2. Hubungkan kumparan primer dengan sumber tegangan Ac dari catu daya 12 volt. Coba amati dan catat angka yang ditunjuk oleh jarum voltmeter sebagai tegangan keluaran.Eksperimen 3.3 1. 500 lilitan 500 lilitan 12 volt ... V 2. 500 lilitan 1.000 lilitan 12 volt ... V3. 500 lilitan 500 lilitan 12 volt ... VLilitanPrimer(Np) LilitanSekunder(Ns)TeganganPrimer(Vp)TeganganSekunder(Vs)No.3. Ganti kumparan sekunder berturut-turut dengan kumparan 1.000 lilitan dan kumparan 250 lilitan. Catat tegangan keluaran tiap kumparan tersebut.Pertanyaan:Coba diskusikan bersama teman-teman Anda dan buatlah kesimpu-lannya.Hasil pengamatan menunjukkan hal-hal sebagai berikut.1. Besarnya tegangan induksi pada kumparan sekunder bergantung pada besarnya tegangan pada kumparan primer.
180Fisika untuk SMA/MA kelas XII 2. Besarnya tegangan induksi sebanding dengan jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan kumparan sekunder maka makin besar tegangannya.3. Perbandingan antara tegangan sekunder dengan tegangan primer sama dengan perbandingan jumlah lilitan kumparan sekunder dengan jumlah lilitan kumparan primer.Hubungan tersebut dapat ditulis secara matematis sebagai berikut.dengan:Vs = tegangan sekunder (volt)Vp = tegangan primer (volt)Ns = lilitan sekunder (lilitan)Np = lilitan primer (lilitan)Bagaimanakah hubungan antara perbandingan tegangan, per-bandingan kuat arus, dan perbandingan jumlah lilitan sebuah trans-formator? Untuk memperoleh jawaban dari pertanyaan tersebut, coba lakukan percobaan berikut bersama teman-teman Anda.1. Persamaan Trafo untuk Transformator IdealApakah jumlah energi yang masuk sama dengan jumlah energi yang keluar? Menurut hukum kekekalan energi, Sebuah tarfo step-up kumparan primernya terdiri atas 50 lilitan dan kumparan sekundernya 100 lilitan. Jika tegangan primernya 110 V, berapakah tegangan pada kumparan sekundernya?Jawab:Ditanyakan: Vs = ?Jawab:Jadi, tegangan pada kumparan sekunder adalah 220 V.Contoh Soal 3.11
181Kemagnetanapabila transformator itu adalah transformator ideal maka jumlah energi yang masuk ke dalam sebuah transformator sama dengan jumlah energi yang keluar dari transforma-tor itu. Akibatnya, daya listrik yang ada pada kumparan primer (Pp) adalah sama dengan daya listrik yang ada pada kumparan sekunder (Ps). Dengan demikian, secara matematis dapat ditulis:Pp = PsKarena Pp = Vp Ip dan Ps = Vs IsMaka, Vp Ip = Vs IsKeterangan:Pp = daya pada kumaparan primer (watt)Ps = daya pada kumparan sekunder (watt)Sebuah trafo step-down dihubungakan dengan sumber tegangan 220 V. Trafo ini digunakan untuk menyalakan lampu bertegangan 10 V. Jika kuatarus listrik yang melalui lampu 4 A, berapakah kuat arus listrik yang melalui kumparan primer?Penyelesaian:Diketahui:Vp= 220 VVs= 10 VIs= 4 ADitanyakan:Ip = ?Jawab:Jadi, arus listrik yang melewati kumparan primer adalah 0,182 A.Contoh Soal 3.12
182Fisika untuk SMA/MA kelas XII 2. Efisiensi Transformator (Rendemen)Inti transformator terbuat dari pelat-pelat besi. Ketika suatu tegangan bolak-balik dihubungkan pada transformator maka akan dihasilkan garis-garis gaya magnet yang selalu berubah. Hal ini dapat menyebabkan timbulnya arus pusat pada inti tarnsformator. Inti transformator terbuat dari besi yang bersifat sebagai penghantar yang memiliki hambatan listrik sehingga timbul kehilangan energi dalam bentuk kalor. Selain itu, kumparan primer dan sekunder yang terbuat dari kawat tembaga dan bersifat sebagai penghantar dengan nilai hambatan listrik tertentu juga menimbulkan kehilangan energi dalam bentuk kalor.Dalam trnsformator selalu timbul kalor sehingga energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada energi listrik yang masuk ke transformator. Sebagian energi listrik itu berubah menjadi kalor. Keadaan ini merupakan sesuatu yang tidak dapat dihindarkan. Efisiensi transformator didefinisikan sebagai per-bandingan antara daya listrik yang keluar dari transforma-tor dengan daya listrik yang masuk ke transformator. atau Transformator adalah alat atau mesin yang sangat efisien.Efisiensi transformator dapat mencapai 99%.Sebuah tarnsformator memiliki tegangan primer 220 V dan tegan-gan sekunder 110 V. Apabila kuat arus yang mengalir melalui tegangan primer sebesar 0,2 A, ternyata kuat arus yang mengalir pada kumparan sekunder menjadi 0,3 A. Berapakah efisiensi trans-formator itu?Jawaban:Diketahui:Vp = 220 VVs = 110 VIp = 0,2 AContoh Soal 3.13
183KemagnetanIs = 0,3 ADitanyakan:h= ?Jawab:Jadi, efisiensi transformator adalah 75%. Medan magnet adalah ruang disekita magnet tempat magnet lain atau benda lain yang dapat dipengaruhi magnet mengalami gaya magnet.Besarnya induksi magnetik disebuah titik karena pengaruh kawat lurus panjang d yang berarus listrik memenuhi persamaan.Induksi magnetik dipusat lingkaran memenuhi persamaan.Induksi magnetik pada sumbu solenoida, di tengah solenoidaDi ujung solenoida. atau Induksi magnetik pada sumbu toroida memenuhi persamaanBesarnya gaya lorentz yang dialami penghantar dengan panjang l yang dialiri Ringkasanarus listrik i dalam medan magnet homogen Bmemenuhi persamaanGaya Lorentz yang dialami muatan listrik qyang bergerak dengan kecepatan v dalam medan induksi magnetik B adalahJari-jari lintasan sebuah partikel yang bergerak di dalam medan magnet homogen memenuhi persamaanBesarnya gaya timbal balik antara satu kawat dan kawat yang lain per satuan panjang adalah Pada bahan ferromagnetik, seperti besi, atom-atom yang bersifat magnetik berkumpul dalam kelompok–kelompok kecil yang disebut domain. Suhu ketika doamin magnetik mulai hilang disebut suhu Curie.Fluks magnetik didefinisikan sebanyaknya garis gaya magnetik yang menembus suatu luas daerah tertentu dalam arah tegak lurus dengan fluks magnetik
184Fisika untuk SMA/MA kelas XII Menurut hukum Faraday, gaya gerak listrik induksi yang terjadi dalam suatu rangkaian besarnya berbanding lurus dengan kecepatan perubahan fluks magnetik yang dilingkupinya. atau Besarnya GGL induksi yang disebabkan perubahan arus suatu kumparan/solenoida berbanding lurus dengan cepat perubahan kuat arusnya.Besarnya energi listrik pada induktor yang dialiri arus I adalahPersamaan induktansi diri pada toroida adalahMotor listrik mengubah energi litrik menjadi energi gerak. Momen gaya atau torsi yang timbul pada kumparannya memenuhi persamaanGenerator adalah alat yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. GGL induksi yang dihasilkan memenuhi persamaan
185KemagnetanTes Kompetensi Bab 3A. Pilihlah satu jawaban yang benar6. Dua kawat lurus sejajar masing-masing ar-usnya i1 = 3 A dan i2 = 12 A searah. Jarak antara kedua kawat 30 cm. Tentukanlah letak sebuah titik yang berada di antara kedua kawat yang memiliki induksi magnetic nol (diukur dari kawat pertama).a. 6 cm d. 12 cmb. 8 cm e. 24 cmc. 9 cm7. Suatu partikel bermuatan 0,04 C bergerak sejajar dengan kawat berarus listrik 10 A. Jika jarak partikel-partikel 5 cm, kelajuan partikel 5 m/s dan = 10-7 Tm/A. Maka, gaya yang dialamu partikel-partikel tersebut adalah ... N.a. 0 d. 6b. 2 e. 8c. 4 8. Sebuah toroida memiliki jari-jari lingkaran efektif 10 cm. Banyaknya lilitan pada tor-oida tersebut 400 lilitan. Apabila dialiri arus listrik sebesar 5 A, induksi magnetic pada sumbu toroida adalah ....a. 0,5 mT d. 2,5 mTb. 1,0 mT e. 4,0 mTc. 2,0 mT 9. Suatu muatan positif 0,2 C bergerak dengan kecepatan 2 m/s dalam medan magnetic yang besarnya 5 Wb/m2. Arah kecepatan muatan itu sejajar dengan arah medan magnetic. Gaya yang dialami muatan tersebut ....a. nol d. 2 Nb. 0,08 N e. 50 Nc. 0,5 N10. Sebuah kawat beraus listrik 2 A berada dalam medan magnet homogen 10–4 Wb/m2. Jika panjang kawat 5 m dan arah arus berlawanan arah dengan arah medan mag-netiknya, gaya Lorentz yang mem pengaruhi kawat tersebut sebesar ....1. Besar kuat medan magnetik di suatu titik yang letaknya sejauh r dari suatu penghantar lurus yang dialiri arus I adalah sebanding dengan ....a. I d. I/rb. rI e. 1/rIc. r/I2. Kawat berarus listrik memanjang dari barat ke timur. APabila arah arus listrik pada ka-wat tersebut dari barat, arah medan magnet pada titik-titik yang berada di atas kawat akan menuju ke ....a. timur d. selatanb. bawah e. baratc. utara3. Sebuah kawat yang berbentuk linkaran den-gan jari-jari L dialiri arus listrik I. Besarnya kuat medan magnetic pada pusat lingkaran itu adalah ....a. tidak bergantung pada Lb. sebanding dengan L2c. berbending terbalik dengan Ld. berbanding lurus dengan Le. berbanding terbalik L24. Tempat kedudukan titik-titik yang memi-liki besar induksi magnetic yang sama dari sebiah kawat lurus panjang berarus listrik adalah berupa ....a. garis lurus d. kulit silinderb. lingkaran e. kulit bolac. dua garus sejajar5. Dua kawat sangat panjang dipasang vertical sejajar dengan jarak d, Kawat pertama dialiri arus sebesar I ke atas. Titik P (dalam bidang kedua kawat itu) yang terletak di antaranya dan berjarak 1/3d dari kawat pertama. Jika induksi magnetic di titik P besarnya nol, ini berarti arus yang mengalir dalam kawat kedua adalah ....a. 1/3 ke bawah d. 2I ke atasb. ½ ke bawah e. 2I ke bawahc. 3I ke atas
186Fisika untuk SMA/MA kelas XII a. nol d. 10-4 Nb. 10-2 N e. 10-5 Nc. 10-3 N11. Perhatikan gambar berikut ini.x dan y adalah dua kawat yang dialiri arus sama, dengan arah menuju pembaca. Agar tidak dipenagruhi oleh medan magnetic, sejauh kompas harus diletakkan di titik ....a. 5 d. 2b. 4 e. 1c. 312. Dua partikel q1 : q2 dan m1 : m2 = 1 ; 4 berg-erak memotong secara tegak lurus medan magnet homogen dengan kelajuan sama. Perbandingan jari-jari kelengkungan per-tama dan kedua adalah ....a. 1 : 1 d. 1 : 8b. 1 : 2 e. 8 : 1c. 2 : 113. Perhatikan gambar berikut.Sebuah loop arus berbentuk lingkaran berjari-jari r dialiri arus I yang menimbulkan medan induksi (imbas) magnetic B di pusat-nya P seperti pada gambar di atas. Besar dan arah B tersebut adalah ....a. , tegak lurus keluar bidang gam-barb. , tegak lurus keluar bidang gambarc. , tegak lurus masuk bidang gambard. , tegak lurus masuk bidang gambare. nol 14. Jika sebuah kawat digerakkan sedemikina rupa sehingga memtong garis-garis gaya suatu medan magnet pada kedua ujung kawat itu timbul gaya gerak listrik induksi. KAidah itu dirumuskan oleh ....a. Maxwell d. Ampereb. Lenz e. Faraday c. Foucault15. Perhatikan gambar berikut ini.Kawat ½ lingkaran dengan jari-jari 3 meter dialiri arus 6 ampere. Besar induksi magnetic pada pusat lingkaran (P) adalah ....a. d. b. e. c. 16. Berdasarkan Hukum Faraday, satuan weber indetik dengan ....a. volt per meterb. watt per meterc. ampere per sekond. volt sekone. ampere sekon17. Sepotong kawat berarus listrik I dengan arah sejajar sumbu Y, berada di antara kutub mag-net. Kawat akan mendapat gaya Lorentz ke arah ....a. sumbu X+ d. sumbu Z+b. sumbu Y- e. sumbu Z-c. sumbu X-
187Kemagnetan18. Tentukan besarnya GGL induksi pada kumparan sekinder, jika induktansi timbale balik kumparan tersebut 0,01 henry dan pada kumparan primernya terjadi perubahan arus listrik sebesar 5 A dalam selang waktu 0,1 sekon.a. 0,5 V d. 5,0 Vb. 1,5 V e. 50 Vc. 2,5 V19.Pada gambar di atas terlukis bahwa kawat lurus pq dilalui arus listrik sebesar I1 = 10 A dan kawat empat persegi panjang abcd dilalui arus I2 = 5A. Resultan gaya yang dialami kawat empat persegi panjang abcd sebesar ... mikronewton.a. 20 b. 60c. 120d. 180e. 22020. Sebuah kumparan dengan induktansi 0,5 H dialiri arus listrik yang merupakan fungsi waktu, menurut persamaan i = (10 + 4t) ampere, dengan t dalam sekon. Besarnya GGL induksi pada kumparan adalah ....a. 2 Vb. 4 Vc. 5 Vd. 6 Ve. 8 VB. Soal UraianJawablah pertanyaan-pertanyaan dibawah ini dengan benar.1. Dua penghantar I dan III sejajar beraus dengan gaya yang dialami masing-masing penghantar per satuan panjang F1. Jika pada penghnatar I arus dinaikkan 4 kali semual adan jarak kedua penghantar menjadi ½ kali semula, gaya pada masing-masing peng-hantar menjadi F2. Tentukan per bandingan besar gaya F1 dan F2.2. Sebuah toroida dengan jari-jari 6 cm terdiri atas 800 lilitan. Berapakah arus yang menaglir pada toroida agar induksi magnetic yang terjadi dalam toroida adalah 4× 10–3 Wb/m2?3. Perhatikan gambar berikut.Kawat MN panjangnya 40 cm digerakkan dalam medan magnet homogen B = 10-2 T dengan kecepatan 20 m/s. Jika hambatan dalam rangkaian R = 5 ohm, tentukanlah besar dan arah gaya Lorentz yang bekerja pada kawat MN.4. Sebuah solonoida memiliki induktansi 500 mH. Tentukanlah besar GGL induksi diri yangdibangkitkan dalam kumparan itu jika terdapat perubahan arus listrik dari 200 mA menjadi 50 mA dalam waktu -2 sekon secara beraturan.5. Dari gambar berikut jika induksi magnetic 0,2 T dan kawat PQ dengan panjang 40 cm digeser ke kanan, tentukanlah GGl Induksi yang ditimbulkan serat arah arus induk-sinya.
188Fisika untuk SMA/MA kelas XII 6. Sebuah kumparan memiliki induktansi 0,4 H. Jika dalam waktu 1/6 sekon arusnya berubah dari 70 mA menjadi 120 mA, berapakah besar GGL induksi dirinya?7. Perhatikan gambar berikut.Kawat MN digerakkan pad amedan magnet homogen B dengan kecepatan v arah ke kanan. Tentukanlah arah gaya Lorentz yang dialami oleh MN.8. Sebuah kawat membentuk menjadi 4/5 lingkaran dengan jari-jari 10 cm. Hitunglah induksi magnetic di titik P yang berada di pusat lingkaran jika arus yang mengalir pada kawat 18 A.9. Pada sebuah inductor dengan 50 lilitan men-galir arus yang selalu berubah-ubah terhadap waktu yaitu sebesar 0,05 A/s dan perubahan fluks magnetic yang ditimbul kannya sebesar 0,01 W. Tentukanlah:a. indutansi diri kumparan tersebut;b. GGL induksi pada ujung-ujung kum-paran.10. Dua buah kawat lurus, panjang, dan sejajar berada pada jarak 40 cm dan masing-masing dialiri arus listrik 6 A dan 3,5 A berlawanan arah. Tentukanalah letak ititik P yang memi-liki induktansi magnetic nol.Physics in Action Dalam superkonduktor tidak terdapat hambatan yang menghalangi aliran muatan listrik. Oleh sebab itu, tidak ada energi yang terbuang meskipun arus sangat besar. Elektromagnet yang menggunakan gulungan superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet yang sangat kuat dan juga ekonomis. Di Fermilab dekat Chicago, elektromagnet superkonduktor telah memberikan ke untungan bagi laboratorium tersebut karena penggunaan listrik yang sebelumnya boros dan mahal menjadi murah serta efisien.Aplikasi lain dari penemuan superkonduktor adalah penemuan kendaraan maglev atau “magneticall levited”. Pada gambar diperlihatkan bentuk model dari kendaraan maglev. Maglev memanfaatkan kumparan superkonduktor dan medan magnet. Kendaraan ini akan bergerak sekitar 6 inchi atau 15 cm di atas rel. Suatu hari kamu akan dapat menumpang kendaraan ini dengan cepat dan lancar tanpa gangguan dari satu kota ke kota lainnya.Elektromagnet Superkonduktor