Halaman
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 179MEDAN MAGNETIK INDUKSIBAB5Tahukah kamu,bagaimana motor listrikpada kipas angin dapatberputar?Ehm.... Motor listrikitu berputar karena adanyainduksi magnetik. Hal ituakan kita pelajari padabab ini.Ya. Kita akan mem-pelajari medan magnetik induksidi sekitar kawat berarus. Arahmedan magnetik induksi dapatkita ketahui dengan ”kaidahtangan kanan”.Selanjutnya kitamempelajari hukumBiot-Savart pada medanmagnetik di sekitar arusyang melingkar padasolenoide.Selain itu, kita jugabelajar mengenai gayaLorentz melalui praktikumdan arah gaya lorentzmenggunakan kaidahsekrup.Aha.... Setelahmempelajari bab ini kitadapat mengetahui penerapaninduksi magnetik padaproduk-produkteknologi.
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 180A. Medan Magnetik InduksiPada umumnya, medan magnetik muncul di sekitar magnet. Benda-benda yang memiliki sifat kemagnetan akan terpengaruh oleh medanmagnetik itu. Sesuatu yang mengejutkan, bila di sekitar benda yang bukantermasuk magnetik terdapat medan magnetik. Peristiwa keanehan itupertama kali ditemukan oleh Oersted.Hans Christian Oersted pada tahun 1820 menemukan bahwa aruslistrik dalam sebuah kawat penghantar dapat menghasilkan efek magnetik.Efek magnetik yang ditimbulkan oleh arus tersebut dapat membelokkanarah jarum kompas.Pernahkah kamu membayangkan sebuah kereta api yang mampu melaju dengan kecepatanhampir sama dengan kecepatan pesawat terbang? Bagaimana mungkin hal ini dapat terjadi?Kereta Maglev adalah kereta api yang mengambang secara magnetik. Kereta ini memanfaatkangaya angkat magnetik pada relnya sehingga terangkat sedikit ke atas. Gaya dorong yangdihasilkan oleh motor induksi mampu menggerakkan kereta ini dengan kecepatan hingga 650km/jam. Pada bab ini kita akan mempelajari dasar dari gaya magnetik yang memungkinkanhal di atas terjadi.Kata Kunci:Medan Magnetik – Kaidah Tangan Kanan – Hukum Biot-Savart – Gaya LorenzGambar 5.1 Sebuah kereta api berkecepatan tinggi menggunakan rel khusus dengan prinsip induksi magnetikRep. www.japaneserailwaysocietyGerbang
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 181Sebelum mempelajari konsep medan magnetik induksi secara lebihjauh, lakukanlah percobaan berikut!Praktikum 1Medan Magnetik InduksiA. TujuanMengamati adanya medan magnetik di sekitar kawat berarus dan faktor-faktor yangmempengaruhi.B. Alat dan Bahan1. Kawat tembaga/penghantar secukupnya2. Potensiometer 10 k:1 buah3.Basicmeter1 buah4. Statif2 buah5. Klem penjepit4 buah6. Kompas6 buah7. Kertas karton/tripleks20 cm × 20 cm8. Catu daya/baterai1 buahC. Langkah Kerja1. Susunlah alat dan bahan seperti gambar di bawah ini!–+potensiometerbasicmeterke catu daya/baterai
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 182a. Aturlah tegangan keluaran 3 volt DC!b. Fungsikan basicmeter sebagai amperemeter dengan batas ukur 5A!c. Tempatkan kompas dengan jarak radius ± 2 cm terhadap kawat penghantar!2. Hidupkanlah catu daya!3. Amati apa yang terjadi pada kompas!4. Ubahlah arus dengan memutar potensiometer!5. Amati apa yang terjadi pada jarum kompas!6. Dengan arus yang tetap, ubahlah radius kompas!7. Bandingkan penyimpangan kompas jika jarak kompas dari penghantar diubah-ubah!8. Diskusikan hasil pengamatanmu dengan anggota kelompokmu!9. Buatlah kesimpulan dan komentar berdasarkan hasil pengamatanmu!10.Ingat, setelah melakukan praktikum, kembalikan peralatan ke tempat semuladalam keadaan baik!Kaidah tangan kanan menyatakan bahwa, jika kita menggenggampenghantar sehingga ibu jari kita menunjukkan arah arus maka arahgenggaman jari yang lain menunjukkan arah medan magnetik induksi disekitar penghantar. Sedangkan arah medan magnetik di suatu titik searahdengan garis singgung lingkaran di titik tersebut, seperti yang ditunjukkanpada gambar 5.3.Berdasarkan percobaan di atas dapat disimpulkan bahwa penyim-pangan jarum kompas ternyata disebabkan oleh medan magnetik yangditimbulkan saat penghantar dialiri arus listrik. Medan magnetik yang timbulakibat adanya arus listrik inilah yang disebut medan magnetik induksi.Medan magnetik induksi disimbolkan dengan huruf B dengan satuanweber/m2 atau Tesla. Medan magnetik merupakan besaran vektor.Arah medan magnetik induksi dapat ditentukan dengan menggunakankaidah tangan kanan seperti gambar 5.2 di bawah ini.KaidahTanganKananMedanMagnetI (arus)medanmagnetI (arus)tangan kananGambar 5.2 Kaidah tangan kananGambar 5.3 Arah medan magnetikinduksi di suatu titik di sekitar aruslistrikIrPB
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 183B. Hukum Biot-SavartKeberadaan medan magnetik di sekitar kawat berarus telahditunjukkan oleh Oersted dengan terpengaruhnya magnet di sekitar kawatberarus. Pengaruh tersebut menunjukkan bahwa medan magnetik dapatdihasilkan oleh penghantar berarus. Lalu bagaimanakah cara menentukanmedan magnetik di sekitar kawat berarus?Medan magnetik di suatutitik yang diakibatkan oleh aruslistrik pada sebuah rangkaianmerupakan resultan medan-medan magnetik yang ditimbul-kan oleh semua muatan yangbergerak pada rangkaian itu.Kita misalkan suatu peng-hantar sembarang yang dialiriarus I.Perhatikan gambar 5.4 di atas! Titik P adalah suatu titik di sekitarpenghantar yang berjarak r. Kita dapat membagi-bagi panjang penghantartersebut dalam elemen-elemen kecil arus sebesar I dL dan besarnyamedan magnetik akibat arus pada elemen ini adalah dB.Besarnya medan magnetik di titik P dinyatakan sebagai berikut..TSP4 o2I dL sin dB = r. . . (5.1)Keterangan:Po: permeabilitas udara = 4S. 10-7 N/A2T: sudut antara dL dengan rPersamaan 5.1 di atas dikenal sebagai Hukum Biot-Savart. Denganmenggunakan persamaan 5.1, dapat ditentukan besarnya medanmagnetik pada titik P, yaitu:.SPoIB = r2 . . . (5.2)Keterangan:B: kuat medan magnetik induksi (wb/m2)I: kuat arus (A)r: jarak titik ke penghantar (m)Untuk lebih jelasnya, simaklah contoh soal berikut!HukumBiot-SavartI dLrrPdBTGambar 5.4 Besarnya medan magnet di suatu titik di sekitar penghantar
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 184Contoh SoalTentukanlah besarnya medan magnetik di suatu titik yang berjarak 5 cm daripenghantar yang sangat panjang berarus 2 ampere!Penyelesaian:Diketahui:r = 5 cmI = 2 ADitanyakan: B = . . . ?Jawab:Dengan menggunakan persamaan 5.2, besarnya B adalah:.TSPo2IdL sindB = r4 = 0,8 . 10-5 wb/m21. Medan Magnetik di Sekitar Arus yang MelingkarUntuk menyederhanakan/me-mudahkan penentuan medan mag-netik di tengah kawat melingkar,kita ambil sebuah potongan kecil(elemen dL) dari kawat tersebut.Perhatikan gambar 5.5 di samping!Gambar 5.5 menunjukkan kawatyang melingkar dengan jari-jari r.Arah medan magnetiknya dapatditentukan dengan menggunakankaidah tangan kanan, denganmenganggap potongan kawattersebut sebagai kawat lurus.Dengan demikian, besar medanmagnetik tiap elemen adalah:.SPo2IdB = dLr4Medan magnetik total pada arus melingkar dapat ditentukandengan mengintegralkan seluruh elemen pada kawat. Medanmagnetik total pada arus melingkar dirumuskan:.SP³³o2IB dB dLr4==Integral dL akan merupakan keliling lingkaran (2Sr) sehingga:.SSPPoo2I rIB = =2rr2 4. . . (5.3)Untuk lebih memahami rumus di atas, perhatikan contoh soal berikut!Gambar 5.5 Medan magnetik di pusatarus yang melingkarzrdBxyI
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 185Contoh SoalTentukanlah besarnya medan magnetik di pusat lingkaran berarus 2 ampere,jika jari-jari lingkaran 8 cm!Penyelesaian:Diketahui:I = 2 Ar = 8 cmDitanyakan: B = . . . ?Jawab:Dengan menggunakan persamaan 5.3, B dapat kita hitung sebesar:B = S-7.4 10. 2.2 0,08 = 5S. 10-7 wb/m22. Medan Magnetik pada SolenoideSolenoide disebut juga kumparan. Solenoide merupakanpenghantar panjang yang terdiri atas banyak lilitan. Jika solenoidediberi arus maka akan timbul medan magnetik.Solenoide yang digulung rapat dapat dianggap sebagai sederetankawat melingkar beraturan yang ditempatkan berdampingan sertamembawa arus yang sama. Solenoide ini menghasilkan medanmagnetik seragam di dalamnya. Adapun ujung-ujung solenoide memiliki sifat kemagnetan, danberfungsi sebagai kutub-kutub magnetik. Penentu-an kutub magnetik dari solenoide dapat meng-gunakan kaidah tangan kanan.Perhatikan gambar 5.6 di samping! Polamedan magnetik pada solenoide mirip denganmedan magnetik pada magnet batang. Jikapanjang kumparan adalah L dan jumlah lilitanadalah N maka besarnya medan magnetik padapusat kumparan dirumuskan sebagai:Bpusat = Po.I "N. . . (5.4)Sedang medan magnetik di ujung-ujung solenoideadalah:Bpusat = 12Po.I "NKeterangan:N: banyaknya lilitan dalam solenoide": panjang solenoide (m)Gambar 5.6 Medan magnetik padakumparan"IUSUSarah arusutaraGambar 5.7 Kutub magnetik solenoide dapatditentukan dengan menggunakan tangan kanan
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 186Praktikum 2C. Gaya LorentzPernahkah kamu mengamati bagaimana kipas angin atau motor listrikbekerja? Percobaan sederhana berikut ini akan membantumu menjelaskanbagaimana keduanya dapat bekerja.Gaya LorentzA. TujuanMengamati gejala gaya Lorentz.B. Alat dan Bahan1. Statif2 buah2. Pita alumunium foil dengan lebar 0,5 cm± 20 cm3. Kabel penghubung merah2 buah4. Kabel penghubung hitam2 buah5. Kabel penghubung merah dengan penjepit buaya1 buah6. Kabel penghubung hitam dengan penjepit buaya1 buah7. Ammeter 0 – 5 A1 buah8. Magnet U1 buah9. Catu daya1 buahC. Langkah Kerja1. Susunlah alat dan bahan seperti gambar berikut!alumunium foilpenjepit buayapenjepit buayaU+–ke catu daya
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 187Gaya magnetik atau gaya lorentz adalah gaya yang timbul padapenghantar berarus atau muatan yang bergerak dalam medan magnetik.Besarnya gaya Lorentz dirumuskan sebagai berikut.F = IBL sin T. . . (5.5)Keterangan:F= gaya lorentz (N)GayaLorentzArah gaya Lorentzdapat ditentukan de-ngan menggunakankaidah sekrup putarkanan seperti ditun-jukkan pada gambar5.7.Coba perhatikan sebuah kumparan berarus yangberada dalam medan magnetik berikut ini!Gambar 5.8 Gaya Lorentz pada sebuah kumparanp"IaF1dBcF2ObGambar 5.7 Aturan sekrup putar kananuntuk menentukan arah gaya LorentzFBIKereta api ini mampu berjalandengan kecepatan rata-rata 435km/jam. Namun demikian, keretaapi ini tidak menimbulkankebisingan. Hal ini karena tidakada gesekan antara roda keretadengan relnya. Bagaimana hal initerjadi?Ketika kereta berjalan, gaya mag-netik pada landasan rel, akanmenyebabkan kereta melayang diatas rel. Gaya yang sama jugabekerja ke arah kiri dan kanansehingga kereta dapat stabil.Bayangkan, kereta ini sepertiterbang.Sebaiknya TahuGambar 5.9 Shinkansen, sebuah keretaapi magnetik mampu bergerak dengankecepatan tinggi tanpa kebisinganRep. shinkasan. hanghaiexpat.blogsome2. Perhatikan hal-hal berikut!a. Aturlah catu daya pada posisi off dengan tegangan output 3 volt DC!b. Usahakan agar tarikan pita terhadap statif jangan terlalu tegang!c. Jangan menghidupkan catu daya terlalu lama agar pita alumunium tidakterbakar!3. Hidupkanlah catu daya sekejap! Amati apa yang terjadi dengan pita alumuniumfoil!4. Ulangilah langkah 1 dengan mengubah-ubah arah kutub magnet U! Adakahperubahan arah gerakan pita alumunium?5. Diskusikan dengan kelompokmu, adakah hubungan antara arah arus, arahkutub magnet dan gerakan pita alumunium! (Informasi: Gerakan yang timbulpada pita alumunium foil saat ada aliran arus listrik disebut gaya magnetik ataugaya Loretz).6. Buatlah kesimpulan dan komentar berdasarkan hasil pengamatanmu!7. Setelah selesai melaksanakan praktikum, jangan lupa untuk mengembalikanalat dan bahan ke tempat semula! Jagalah kebersihan lingkungan dan tubuhmu!
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 188Sebuah kumparan abcd dengan panjang p dan lebar " dalam medanmagnetik B dialiri arus searah anak panah. Pada sisi ab akan timbul gayaLorentz F1 ke bawah dan pada sisi cd akan timbul gaya Lorentz F2 denganarah ke atas. Kedua gaya ini menyebabkan momen gaya terhadap O.Akibat momen gaya inilah maka kumparan akan menyimpang terhadapkeadaan mendatar sehingga dapat berputar.Besarnya momen gaya yang timbul pada kumparan dapat dirumuskansebagai berikut.W=W1+W2. . . (5.6)= F1 . 12" + F2 . 12"= IBp"= IBAJika kumparan terdiri atas N lilitan maka besarnya momen gaya padakumparan tersebut adalah:W = N .I . B . A. . . (5.7)Keterangan:A = Luas penampang kumparan (m2)Prinsip yang sama juga berlaku pada motor listrik, kipas angin, dansebagainya.Gambar 5.10 Kipas angin bekerja menurut prinsipgaya LorentzSumber: Dok. CAPUntuk memperjelas pemahamanmu tentang uraian di atas, perhatikancontoh soal berikut! Selanjutnya, kerjakan soal di bawahnya!
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 189Sebuah motor listrik menggunakan kumparan berbentuk lingkaran dengan jari-jari5 cm yang terdiri atas 100 lilitan. Medan magnet yang melingkupi kumparan adalah0,05 wb/m2. Jika kumparan dialiri arus 10 mA, tentukanlah besarnya momen gayayang menggerakkan motor listrik tersebut!Penyelesaian:Diketahui:r= 5 cmN= 100I= 10 mADitanyakan: B = . . . ?Jawab:Luas kumparan A= S. r2= 3,14 . (5.10-2)2= 7,85 . 10-3Dengan menggunakan persamaan 6.6 besarnya momen gaya pada kumparanadalah:W= 100.10-2 . 0,05 . 7,85 . 10-3= 3,925 . 10-4 NmContoh SoalKerja MandiriKerjakan soal berikut dengan tepat!1. Tentukanlah kuat medan magnetik induksi pada jarak 2 cm disekitar penghantar lurus yang dialiri arus listrik sebesar 0,5ampere!2. Tentukanlah fluks magnetik yang menembus kumparan yangterdiri atas 100 lilitan dengan jari-jari penampang 5 cm! Arus yangmelalui kumparan sebesar 2 ampere.3. Mengapa kumparan pada motor listrik dibuat sedemikian rupasehingga arah penampang kumparan tidak hanya pada satu arahsaja?Setelahlah kamu memahami perhitungan teoritis mengenai motorlistrik, mantapkan pemahamanmu dengan melakukan kegiatan praktikberikut ini!
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 190Praktikum 3Membuat Motor ListrikA. TujuanMenerapkan prinsip induksi magnetik dan gaya magnetik dalam teknologi berupamotor listrik.B. Alat dan Bahan1. Batu baterai2 buah2. Kawat tembagasecukupnya3. 2 magnet batang2 buah4. Penyangga kumparan dari logam1 pasang5. Perekat untuk menyatukan baterai dan penyangga kumparansecukupnyaC. Langkah Kerja1. Buatlah kumparan kawat tembaga dengan berbagai bentuk yang paling kamusukai! Kumparan dapat berbentuk persegi panjang, lingkaran, atau lainnya!2. Hubungkan kumparan pada sumber arus melalui penyangga kumparan.3. Variasikanlah jumlah lilitan dalam kumparan dengan banyak sedikitnya batubaterai yang digunakan! Semakin sedikit batu baterai yang digunakan makasemakin efisien motor listrik yang kamu buat.4. Gunakan ilustrasi di bawah ini untuk memperjelas rangkaian yang dimaksud!Letakkanlah dua magnet batang berseberangan di antara kumparan danhadapkan dua kutub magnet yang tak sejenis!5. Presentasikan motor buatan kelompokmu di depan kelas dan diskusikankelebihan serta kekurangannya!6. Setelah dipresentasikan, kumpulkan motor buatanmu di laboratorium untukdijadikan media pembelajaran!7.Ingat, setelah selesai melaksanakan praktikum, kembalikan peralatan (alatdan bahan) ke tempat semula dalam keadaan baik! Jaga kebersihan lingkungandan kesehatanmu!
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 191Rangkuman1. Medan magnetik induksi adalah medan magnetik yang timbul akibat adanya aruslistrik.2. Besarnya kuat medan magnetik induksi sebanding dengan besarnya arus listrikyang mengalir..SPoIB = r2 3. Arah medan magnet induksi di sekitar arus listrik mengikuti kaidah tangan kananAmpere.4. Gaya Lorentz adalah gaya yang timbul pada muatan listrik yang bergerak di dalammedan magnetik.F = IBL sin T5. Momen gaya yang timbul pada kumparan adalah sebagai berikut.W = N . I. B . A
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 192A.Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!1. Sebatang penghantar yang sangatpanjang dialiri arus listrik sebesar 2 A.Kuat medan magnetik induksi di seke-liling penghantar yang berjarak 4 cmadalah . . . .a. 4 . 10-5 wb/m2b. 2 . 10-5 wb/m2c. 1 . 10-5 wb/m2d. 0,5 . 10-5 wb/m2e. 0,25 . 10-5 wb/m22. Perhatikan gambar berikut!Ketika kumparan dialiri arus sepertigambar di atas, maka kutub utaramagnet jarum akan bergerak ke . . . .a. kananb. kiric. atasd. bawahe. tak menentu3. Pada koordinat kartesius (XYZ),sumbu X dan sumbu Z dialiri arusmasing-masing 6 ampere dan 4ampere searah sumbu positif. Besardan arah medan magnetik induksipada koordinat (4,0,3) cm adalah . . . .a. 6 . 10-5 wb/m2 searah sumbu Ypositifb. 6 . 10-5 wb/m2 searah sumbu Ynegatifc. 2 . 10-5 wb/m2 searah sumbu Ypositifd. 2 . 10-5 wb/m2 searah sumbu Ynegatife. 04. Kuat medan magnetik induksi disuatu titik yang berjarak 20 cm disekitar penghantar berarus adalah5.10-5 wb/m2. Kuat arus listrik yangmelalui penghantar tersebut adalah. . . .a. 2 ampereb. 5 amperec. 10 ampered. 20 amperee. 50 ampere5. Kuat medan magnetik induksi padapusat lingkaran dengan jari-jari 10 cmyang dialiri arus 2 ampere adalah. . . .a. -2 S. 10-6 wb/m2b. -4 S. 10-6 wb/m2c. -5 S. 10-6 wb/m2d. -6 S. 10-6 wb/m2e. -8 S. 10-6 wb/m26. Dua buah kawat penghantar disusunsebagai berikut.i1 = i2 = 2 ampere, dan jari-jarilingkaran 4 cm. Kuat medan magnetiki2PRi1i1Soal-soal Uji KompetensiiUZ(4,0,3)XY
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 193induksi pada pusat lingkaran adalah. . . .a. 10-5 wb/m2b. 10-5 S wb/m2c. (1 – S) . 10-5 wb/m2d. (1 + S) . 10-5 wb/m2e. 2S. 10-5 wb/m27. Sebatang kumparan dengan panjang20 cm, terdiri atas 1.000 lilitan dialiriarus sebesar 100 mA. Kuat medanmagnetik pada pusat kumparantersebut adalah . . . .a. -2 S. 10-5wb/m2b. -2 S. 10-4wb/m2c. -2 S. 10-3wb/m2d. -2 S. 10-2wb/m2e. -2 S. 10-1wb/m28. Sebatang penghantar dialiri arus listrikke arah utara di dalam medan magnetyang arahnya ke timur. Penghantartersebut akan mengalami gaya Lorentzke arah . . . .a. baratb. selatanc. timurd. atase. bawah9. Sebuah partikel bermuatan q denganmassa m melintas memotong tegaklurus medan magnet dengan laju v.Jika kuat medan magnet adalah B,maka jari-jari lintasan partikel tersebutadalah . . . .a. mvBqb. mqBvc. Bvqmd.mBqve.Bqmv10. Sebuah kumparan dengan luas penam-pang 50 cm2 terdiri atas 1.000 lilitan ber-ada dalam medan magnetik 0,5 wb/m2.Jika kumparan dialiri arus 0,5 ampere,momen gaya yang dialami kumparansaat penampang kumparan sejajarmedan magnetik adalah . . . .a. 0b. 0,25 Nmc. 0,50 Nmd. 1,0 Nme. 1,5 NmB.Kerjakan soal-soal berikut!1. Sepasang penghantar sejajar denganpanjang masing-masing l dan terpisahdengan jarak d satu sama lain. Jikakeduanya dialiri arus dengan arahyang sama sebesar i, tunjukkanbahwa besarnya gaya magnetikpersatuan panjang kedua penghantaradalah PS2oi2d!2. Suatu kumparan yang terdiri atas500 lilitan berada dalam medan mag-netik 0,5 wb/m2 dialiri arus 2,5 ampere.Berapakah momen gaya yang timbulpada kumparan ketika penampangkumparan membentuk sudut 30° ter-hadap medan magnetik?3. Sebuah bola logam dengan massa1 gram bermuatan 10 C bergeraktegak lurus terhadap medan magnetik10 wb/m2dengan kecepatan 2 m/s.Tentukanlah jari-jari lintasan bola ter-sebut!
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 1944. Sebuah kumparan berbentuk lingkar-an mempunyai jari-jari 8 cm. Medanmagnetik yang melingkupi kumparanadalah 0,6 wb/m2. Jika arus yang me-lalui kumparan adalah 8 mA danmomen gaya yang dialami kumparanadalah 9 . 10-3 Nm, tentukan banyak-nya lilitan pada kumparan!5. Sebuah kawat berarus 4 mA panjang-nya 30 cm. Kuat medan magnetik yangditimbulkan kawat adalah 2 wb/m2. Jikakawat mengalami gaya Lorentz se-besar 1,2 . 10-3 N, berapa besar sudutyang dibentuk oleh arah arus dan arahmedan magnetik?