Medan Magnet

Gak cuman listrik aja yang bisa berinteraksi tanpa sentuhan, magnet juga bisa!
Gak cuman listrik aja yang bisa berinteraksi tanpa sentuhan, magnet juga bisa!.

Medan Magnet

Sungguh abstrak tapi nyata...., ya begitu lah kurang lebih gambaran kita saat mempelajari tentang medan. Ditambah lagi medan yang bakal kita bahas kali ini memiliki kaitan yang cukup erat dengan medan listrik.

Memang cukup sulit untuk membedakkan antara fenomena magnet dengan listrik, keduanya sama-sama punya kemampuan seperti tarik-menarik dan tolak-menolak. Jadi apa dasar yang membedakkan keduanya?

Menarik untuk diketahui bagaimana orang-orang jaman dahulu berpikir bahwa ada fenomena lain selain kelistrikan, hingga dipelajarilah fenomena kemagnetan ini. Bisa jadi kayak gini, kalau kemagnetan mungkin dianggap berbeda karena tarik-menarik terjadi tanpa perlu menggosokan benda dengan benda lainnya terlebih dahulu, seolah-olah udah sifat alami benda tersebut.

Kemudian sifat kemagnetan ini digunakan sebagai kompas, dan sampailah sekitar tahun 1819 ketika Hans Christian ├śrsted, yang secara gak sengaja membelokkan jarum kompas ketika didekat suatu kabel yang mengaliri arus listrik. Mengingat kompas bekerja menggunakan prinsip kemagnetan, artinya ada medan magnet yang dihasilkan oleh arus lisrtik tersebut.

Dan sampailah manusia-manusia modern yang hidup saat ini, dan mengatakan bahwa perbedaan antara medan listrik dan magnet, yaitu medan lisrtik dapat dihasilkan oleh partikel bermuatan yang diam, sedangkan medan magnet dihasilkan oleh pertikel bermuatan yang bergerak.

Kemudian selain itu, medan listrik bisa punya satu polaritas atau kutub, yaitu positif dan negatif. Kalau medan magnet pasti punya dua polaritas.

Kalau secara mikroskopiknya, listrik itu berkaitan dengan sifat dasar dari suatu elektron yang pasti memiliki muatan. Nah di samping sifat itu, elektron dan kawan-kawannya, memiliki sifat dasar lagi yang disebut magnetic dipole moment.

Oke sekarang kita perlu mengekspresikan medan ini. Jika pada medan listrik kita bisa artikan seberapa besar pengaruh gaya yang diterima pada suatu partikel. Kita tidak bisa menggunakan prinsip yang sama, mengingat medan listrik bisa dihasilkan oleh satu partikel bermuatan dengan satu polaritas saja.

Karena medan magnet dapat dihasilkan oleh muatan yang bergerak, dan mengingat gerak itu selalu identik dengan kecepatan, artinya ada keterlibatan kecepatan di sini, dan yang pasti besar muatan itu sendiri.

Gaya magnet yang ditimbulkan pada partikel bermuatan yang bergerak

Ekspresi secara matematisnya bisa ditemukan secara empiris (berdasarkan eksperimen), yaitu sebagai berikut
F_B = qv\times B
di mana q adalah besar muatan, v adalah kecepatan partikel, dan B adalah medan magnet yang dihasilkan partikel bergerak tersebut. Dengan demikian bisa kita tulis juga, seperti berikut
F_B = qvB\sin\theta
\rightarrow B = \frac{F_B}{qv}\csc\theta .

Dari situ bisa kita ketahui bahwa, satuan dari medan magnet yaitu N\,C^{-1}\,m^{-1}\,s, versi yang lebih sederhananya, yaitu dalam tesla atau T.

Garis-Garis Medan Magnet

Sama seperti medan listrik, medan magnet juga dimodelkan seperti garis-garis yang keluar atau mengarah pada suatu kutub, dan perlu diingat magnet selalu memiliki dua kutub yang umumnya orang-orang sebut kutub utara dan selatan.

Garis-garis medan magnet

Kutub utara U selalu dianggap memiliki garis-garis medan yang mengarah keluar, dan sebaliknya untuk kutub selatan S.

Untuk perilaku gaya yang dihasilkan juga serupa, polaritas yang sama saling tolak-menolak, sedangkan untuk polaritas yang berbeda saling tarik-menarik.

Penemuan Elektron

Dengan dipelajarinya fenomena kemagnetan ini, telah membantu proses penemuan subpartikel dari atom, yaitu elektron.

Penemuan elektron dilakukan oleh J.J. Thomson menggunakan alat yang beliau rancang yang dinamakan cathode-ray tube atau tabung sinar katoda.

Tabung sinar katoda yang menguak partikel lebih kecil dari atom yaitu elektron

Beliau memanfaatkan fenomena medan listrik dan magnet secara bersamaan dengan menyusun alatnya sedemikian rupa sehingga medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Tujuannya untuk mengamati simpangan yang terjadi, yang mana bergantung dengan tanda muatan (positif atau negatif) tersebut.

Mulanya dikenakan medan listrik saja, kemudian medan magnet diterapkan untuk mengkompensasi simpangan oleh medan listrik, sehingga gaya yang dihasilkan oleh medan listrik dan medan magnet bernilai sama, F_E = F_B, menjadi
qE = qvB\sin {90}^{\circ}
\rightarrow v = \frac{E}{B}.

Kemudian kelajuan tersebut dimanfaatkan untuk menemukan rasio antara massa dan besar muatan suatu partikel, yang diklaim oleh beliau 1000 kali lebih ringan. Ditambah informasi simpangan sebelum dikompensasi, partikel yang dimaksud merupakan partikel bermuatan negatif. Dari sanalah penemuan elektron terjadi.

Efek Hall

Sebenarnya medan magnet itu berinteraksi dengan arus listrik atau pada konduktor ya? Hal ini dibuktikan oleh Edwin Herbert Hall, dengan suatu eksperimen menggunakan lembaran tipis konduktor yang diberi sumber listrik, kemudian memberikan medan magnet secara tegak lurus terhadap permukaan konduktor.

Efek hall pada sebuah lembaran konduktor

Dari percobaan tersebut terukur bahwa ada beda potensial yang muncul di antara sisi konduktor tersebut. Hal ini terjadi karena ketika medan magnet diterapkan secara tegak lurus, partikel bermuatan akan berbelok dan menumpuk pada salah satu sisi lembaran tersebut.

Alhasil, muncul beda potensial karena ada pemisahan antara muatan negatif dan positif pada kedua sisi, nah karena muncul beda potensial, maka timbulah medan listrik yang mendorong partikel bermuatan. Medan listrik tersebut terus meningkat hingga akhir gaya listrik dan magnet pada muatan menjadi seimbang.

Apabila lebar konduktor tersebut sebesar d, beda potensial yang muncul pada konduktor tersebut sebesar V = Ed.

Gaya Magnet pada Kabel

Apabila pada eksperimen efek Hall sebelumnya kita ganti lembar konduktor dengan suatu kabel, gaya yang diberikan pada muatan tersebut akan membuat kabel melengkung.

Gaya magnet pada sebuah kabel

Jika muatan bergerak dengan kelajuan v, maka dalam selang waktu t, besar muatan yang melalui kabel dengan panjang L, yaitu
q=it=i\frac{L}{v}
, sehingga

F_B = q v B \sin\theta = iLB\sin\theta = iL\times B .

Motor Listrik

Sekilas, mengamati gaya pada kabel yang mengaliri listrik oleh medan magnet terlihat sepele, tapi jangan salah. Dari mekanisme sederhana itu bisa dikembangkan menjadi motor listrik, yang sudah lama menjadi salah satu komponen penting dalam industri.

Gaya magnet yang menyebabkan motor listrik berputar

Ilustrasi sebelumnya merupakan skema paling sederhana, untuk mengilustrasikan bagaimana motor listrik bekerja. Jadi begini caranya, ketika ada arus i yang mengalir pada batang konduktor tersebut, dan kemudian ada medan magnet B.

Maka berdasarkan arah perkalian cross terhadap vektor panjang konduktor dengan medan magnet tersebut, pada bagian ab akan mengalami gaya ke atas (bisa ditentukan oleh kaidah tangan kanan, kemudian dibalik karena muatan negatif).

Dan pada konduktor bagian cd akan mengalami gaya ke bawah. Jika panjang bagian ab dan cd adalah l, maka gaya yang dihasilkan oleh masing-masing bagian yaitu F_{ab} = F_{cd} = ilB\sin\theta, jika sumbu normal yang dibentuk kalang membentuk sudut \theta terhadap arah medan magnet.

Karena konduktor tersebut terpasang pada suatu poros, kita tertarik untuk mengetahui torsi yang dihasilkan. Jika lebar kalang (loop) konduktor tersebut adalah w, maka total torsi yang dihasilkan yaitu disumbang oleh bagian ab dan cd. Perhatikan, masing-masing gaya membuat arah putarnya sama.

\tau = F_{ab}\frac{w}{2} + F_{cd}\frac{w}{2} = ilwB\sin\theta .

Medan Magnet oleh Arus Listrik

Di awal telah disebutkan bahwa ada dua sumber untuk menghasilkan medan magnet, pertama dari material itu sendiri dan kedua adalah dari muatan yang bergerak, alias dapat dihasilkan oleh arus listrik.

Ada suatu hukum yang mengatur bagaimana suatu arus listrik pada suatu konduktor (misal kabel) dapat menghasilkan medan magnet disekitarnya. Hukum tersebut adalah hukum Biot-Savart
dB = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{i\,ds\,\sin\theta}{r^2}
atau dalam bentuk vektor
d\mathbf{B} = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{i\,d\mathbf{s}\times\mathbf{r}}{r^2}

Bentuk dan panjang kabelnya pun berpengaruh, misal pada kabel lurus yang sangat panjang mengaliri arus, besar medan magnet di sekitar kabel yaitu
B = \frac{\mu_0 i}{2\pi R} .

Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik pada sebuah kabel lurus

Pada suatu kabel yang berbentuk busur lingkaran, besar medan magnet pada titik tengahnya
B = \frac{\mu_0 i \theta}{4\pi R} .

Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik pada sebuah kabel melingkar

Bagi tukang iseng yang penasaran kenapa bisa gitu, kalian bisa menurunkan persamaannya dari hukum Biot-Savart, saya kasih tips, anggap bagian kecil dari kabel d\mathbf{s} merupakan sumber arus listrik yang menghasilkan medan magnet, kemudian kita totalkan sumbangsih besar medan magnet oleh masing-masing bagian kecil tersebut, tentunya menggunakan integral.

Hukum Ampere

Kalau sifat dasar elektron pada medan listrik karena ada besar muatan, pada medan magnet sifat dasar itu karena ada magnetic dipole moment. Selaras seperti hukum Gauss pada pembahasan tentang elektrostatika, tapi di sini kita dapat mengetahui besar arus listrik yang menghasilkan medan magnet tersebut.

Jika pada medan listrik kita mengamati medan yang menembus suatu permukaan, di sini kita mengamati suatu medan magnet pada suatu kurva tertutup. Hubungan antara momen dan medan magnet ini diatur oleh hukum Ampere melalui persamaan seperti berikut
\oint \mathbf{B}\cdot d\mathbf{s} = \mu_0 I.
di mana mu_0 permeabilitas udara, I total arus pada kurva tertutup yang dimaksud, \mathbf{B} medan magnet yang dihasilkan, d\mathbf{s} bagian kecil dari kurva yang dimaksud.

Hukum Ampere
Label
< Materi SebelumnyaKonsep dan Fenomena Kuantum
Search icon