Kemagnetan

I. Pengertian Magnet

                Dalam kehidupan sehari-hari,seringkali kita menemukan benda yang disebut dengan “magnet”, baik dalam piranti elektronika maupun barang-barang rumah tangga lainnya. Hal ini dikarenakan kerja alat-alat tersebut sangat bergantung pada keberadaan magnet.

                Magnet adalah suatu benda atau bahan yang dapat menghasilkan atau menimbulkan garis-garis gaya magnet, sehingga dapat  menarik besi, baja, atau benda-benda lainnya. Ditinjau dari proses pembuatan atau, maka magnet dapat dibedakan menjadi 2 macam  yaitu magnet alam dan magnet buatan.

A.  Magnet alam

                Magnet alam terdapat di dalam tanah yang berupa bijih besi magnet dalam bentuk besi oksida. Pertama kali ditemukan di Magnesia dan dipergunakan pertama kali oleh bangsa China.

                Anggapan atau perkiraan bahwa bumi adalah sebuah magnet besar, dengan kutub-kutub magnet dan sebuah khatulistiwa magnet (magnet equator ), mula-mula dibuat oleh Sir William Gilbert (1544-1603), seorang tabib Ratu Elizabeth I. Gilbert membuat terella (bumi kecil) berbentuk bola yang kecil dari batu magnet yang terdapat di alam (secara harfiah “batu utama” atau kompas) dan menelusuri garis-garis kemagnetannya. Pada jaman navigasi (pelayaran) dan eksplorasi tersebut ada keinginan untuk menyelidiki kompas dan kemagnetan bumi.

                Penelitian selanjutnya dilakukan oleh Hans Christian Oersted (1771-1851), Karl Fredrick Gause (1777-1855), dan James Clerk Maxwell (1831-1879).

B. Magnet buatan

                Magnet buatan (artificial magnet) dapat dibuat dari bahan-bahan feromagnetik seperti Kobalt, paduan baja dengan nikel, dll. Sedangkan cara pembuatannya adalah:

1. Dengan cara menggosok; Caranya adalah menggosok-gosokan magnet pada bahan yang akan dijadikan magnet dengan arah yang sama (tidak boleh bolak-balik) sampai menjadi magnet.
2. Menggunakan arus listrik; Caranya adalah melilitkan kawat yang dialiri arus listrik searah pada bahan yang akan dijadikan magnet. Dalam hal ini kuat medan magnet yang terjadi akan ditentukan oleh banyaknya lilitan dan kuat arus yang mengalir.

II. Bahan-bahan Magnet

                Kemagnetan suatu bahan ditentukan oleh spin elektron dan gerak elektron mengelilingi inti. Spin elektron membentuk momen magnetik yang merupakan magnet-magnet kecil. Spin elektron tersebut berpasangan dan  tidak menimbulkan sifat kemagnetan, karena arah spinnya berlawanan sehingga saling meniadakan. Spin elektron yang tidak berpasangan bersifat sebagai magnet kecil. Sebuah magnet merupakan gabungan dari spin elektron (magnet-magnet kecil) yang arah spin (utara-selatan)-nya sama.

                Bahan-bahan yang didekatkan dengan magnet memiliki respon yang berbeda. Ada bahan yang ditarik oleh magnet dengan sangat kuat dan ada yang lemah, dan ada yang ditolak. Berdasarkan respon bahan terhadap suatu gaya magnet, maka kita kelompokkan menjadi 3 jenis, yaitu bahan feromagnetik, bahan paramagnetik, dan bahan diamagnetik.

A. Bahan Feromagnetik

                Bahan yang mudah sekali ditarik oleh magnet seperti besi, nikel, kobalt, dan baja disebut bahan feromagnetik. Bila berada dalam medan magnetik, bahan ini akan menarik banyak sekali garis-garis gaya medan magnetik luar.

                Sekelompok spin elektron yang bertetangga dan searah membentuk daerah khusus yang dinamakan domain magnet. Sekeping bahan feromagnetik mengandung banyak domain yang arah momen magnetnya acak, sehingga tidak bersifat sebagai magnet. Akan tetapi, apabila medan magnetik luar diterapkan, domain magnet dapat berotasi sehingga seluruhnya menunjuk dalam arah yang sama dan bahan menjadi magnet. Jika medan magnet luar dihilangkan, sebagian domain magnet kembali menunjukkan arah yang acak.   

Bahan feromagnetik keras, sisa magnetiknya sangat kuat karena hanya sedikit domain yang kembali ke arah yang acak. Bahan ini digunakan untuk membuat magnet permanen. Bahan feromagnetik lunak, sisa magnetiknya sangat lemah karena hampir seluruh domain kembali kearah yang acak. Bahan ini sering digunakan sebagai Head VCR dan disk drive komputer. Pita kaset dan disket sendiri merupakan bahan feromagnetik keras agar dapat menyimpan data lebih lama. Bahan feromagnetik memiliki permeabilitas yang jauh lebih besar daripada permeabilitas vakum

               

      Contoh bahan-bahan feromagnetik dalam perdagangan.

Bahan	Sifat	Penggunaan
Besi murni dengan kadar 99,83% Fe	-          Titik-jenuhnya sangat tinggi -          Mempunyai lengkung histerisis yang baik	-          Kutub-kutub dari mesin arus searah -          Rele jatuh lambat
Baja yang mempunyai kadar karbon rendah	-          Permeabilitas tinggi -          Kerugian histerisis rendah apabila dibandingkan dengan besi dan baja tuang	-          Selenoida arus searah -          Rem magnet -          Kopling magnet pada traksi listrik
Baja tuang	-          Kerugian histerisis besar	-          Rumah mesin
Baja Silikon	-          Resistivitasnya cukup besar -          Kerugian histerisis dan arus Eddy  kecil	-          Bahan inti trafo -          Bahan jangkar mesin-mesin listrik

Sifat kemagnetan bahan feromagnetik dapat berubah apabila dipanaskan. Sifat feromagnetik suatu bahan akan hilang dan berubah menjadi bahan paramagnetik jika suhu bahan dinaikkan melebihi suatu nilai tertentu, yang disebut “suhu Curie”. Pada tabel berikut dicantumkan suhu Curie dari beberapa bahan feromagnetik.

Bahan	Suhu Curie (oC )
Besi Kobalt Nikel Gadolinium	770 1131 358 16

B. Bahan paramagnetik

                Bahan yang sedikit menarik garis-garis meda magnetik luar seperi aluminium, platina, dan kayu dinamakan bahan paramagnetik. Perbedaan bahan paramagnetik dengan bahan ferromagnetik adalah tidak adanya domain magnet dalam bahan paramagnetik. Seluruh spin elektron menunjukkan arah acak. Apabila medan magnetik luar diterapkan, spin elektron tidak akan membentuk momen magnet yang searah tanpa suhu yang sangat dingin. Bahan paramagnetik memiliki permeabilitas yang hanya sedikit lebih besar daripada permeabilitas vakum (  >  ).

                Penggunaan bahan paramagnetik adalah untuk memperkecil panas sebagai akibat adanya kerugian arus pusar/ arus Eddy dan memperkecil pengaruh/ menutupi alat-alat yang tidak boleh terkena gelombang elektromagnetik, misalnya sebagai “shielding” (perisai) pada alat-alat elektronik.

C. Bahan Diamagnetik

                Bahan yang sedikit menolak garis-garis gaya magnetik luar seperti tembaga, bismuth, emas, seng, dan sebagainya dinamakan bahan diamagnetik. Bahan diamagnetik memiliki permeabilitas yang harganya sedikit lebih kecil dibandingkan permeabilitas vakum ( <  ).

                Superkonduktor merupakan jenis bahan diamagnetic, dengan suseptibilitasnya mencapai harga -1. Oleh karena itu jika sebuah bahan superkonduktor diletakkan di dalam medan magnet maka bahan tersebut akan menolak medan magnet secara sempurna, dan jika superkonduktor tersebut diletakkan pada posisi di atas medan magnet maka bahan tersebut akan terlihat melayang (“Efek Meissner”).

III. Teori tentang magnet.

A. Induksi magnetik.

                Sebuah medan listrik E dikaitkan dengan gaya listrik FE pada sebuah muatan q. Gaya listrik ini diberikan oleh F_e = q E, ia tidak tergantung pada gerak dari partikel dan arahnya sejajar dengan E. Keberadaan medan magnet B juga dapat dikaitkan dengan gaya pada sebuah muatan q, yang dikenal dengan gaya magnetik F_b. Gaya ini bergantung pada kecepatan partikel v, dan arahnya tegak lurus terhadap v dan B. Gaya magnetik diberikan oleh

                                                                F_b  = q v x B ……………………….………….…...(pers-1)

B disebut induksi magnetik. Dalam SI satuan dari B adalah tesla ( T ) atau weber/m².

Jadi secara umum sebuah partikel bermuatan yang berada di dalam ruangan yang

memiliki medan listrik dan medan magnet adalah

                                                                F_L = q ( E + v x B )…………………...………… (pers-2)

Persamaan ini dikenal dengan Persamaan Lorentz. F disebut gaya Lorentz.

                Usaha atau kerja yang dilakukan oleh sebuah gaya F didefinisikan oleh :

 W = ∫ F . dS. Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya magnet adalah

                                                                W = ∫ F_b . dS

                                                                     = q ∫ (v x B ) . dS ……………………………….(pers-3)

Dimana v = dS/dt, karena F_b tegak lurus pada v, dan v sejajar dengan dS maka usaha yang dilakukan oleh gaya magnet selalu nol. Ini berarti bahwa gaya magnetik tidak mengubah energi kinetik partikel atau dengan kata lain tidak mengubah laju partikel. Akan tetapi gaya magnetik dapat mengubah arah dari gerak partikel.

                Pandang sebuah partikel bermassa m, dan bermuatan q  yang bergerak di dalam medan magnet B yang serbasama. Untuk mudahnya kita ambil kecepatan v tegak lurus B. Gaya F_b = q v x B yang bekerja pada partikel akan mengubah arah (tapi lajunya tetap) dari gerak partikel tersebut. Partikel akan mengikuti lintasan yang berbentuk lingkaran dengan jari-jari r, seperti gambar (5.1). Andaikan gerakan tersebut terjadi pada bidang datar tanpa gesekan (pengaruh gravitasi bumi diabaikan), maka diperoleh                                        

                                                                q v B = m v²/r    atau       r = mv/qB ……………..(pers-4)

r dikenal dengan jari-jari siklotron, karena v/r = ω (kecepatan angular) maka diperoleh

                                                            ω = ( qB/m) …………………...…………………..(pers-5)

ω dikenal dengan frekuensi siklotron. Jika B diketahui, ω hanya bergantung pada ratio antara muatan dan massa dari partikel.

B. Gaya pada kawat berarus

                Telah dikemukakan bahwa muatan yang bergerak di dalam medan magnet akan mengalami gaya magnetik. Muatan yang bergerak berarti sebuah arus listrik, maka kawat berarus yang berada di dalam medan magnet juga akan mengalami gaya magnetik.   Misalkan arus mengalir di dalam konduktor berbentuk silinder dan berada di dalam medan magnet B !

Arus yang mengalir di dalam konduktor tersebut I, arus ini berkaitan dengan partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan (drift velocity) konstan v, yang melewati penampang lintang konduktor setiap detik. Sekarang misalkan muatan tiap partikel q,  rapat partikel di dalam konduktor n, dan luas penampang lintang A.

Andaikan pada saat t, partikel berada pada permukaan bagian kiri, maka pada t + dt partikel tersebut berada di permukaan bagian kanan. Ini berarti jumlah partikel yang melewati permukaan kiri dalam waktu dt sebanding dengan volume dari silinder.

                                                Q = A L n q ……………………………..…………...……(pers-6)

Gaya magnetik yang dialami seluruh muatan adalah

                                                F = Q v x B

                                                   = (A q v dt n) v x B

                                                   = (A q v n) (vdt) x B

                                                   = I L x B …………………………………………………(pers-7)

Dimana v = dL/dt, I = dQ/dt = Aqvn. Jika kawat tidak lurus atau B tidak sama, maka pers-7 hanya berlaku untuk elemen kecil saja

                                                dF = I dL x B …………………………………...…………(pers-8)

Jadi gaya untuk seluruh kawat adalah

                                                F = ∫I dL x B ……………………………...……………….(pers-9)

Contoh soal : Sebuah kawat lurus 5,0 cm dialiri arus listrik 3,0 A. Kawat tersebut berada di dalam medan magnet sebesar 10^-3 weber/m² yang memiliki arah

Jawab:

dF = I dL x B

Hasil integrasi persamaan di atas adalah F = I L x B (B konstan), jadi besarnya gaya magnetik yang bekerja pada kawat :

F = I L B sin θ = 3,0 . 0,05 . 10^-3 sin 30^o = 7,5 x 10^-5 N

Arah dari gaya tersebut masuk ke dalam bidang kertas ini.

C. Hukum Biot – Savart

                Tahun 1819, H.C. Oersted mengamati bahwa jarum kompas akan menyimpang arahnya jika diletakkan dekat kawat berarus. Hal ini mengindikasikan bahwa arus listrik mempengaruhi medan magnet (jarum kompas menyimpang akibat pengaruh medan magnet bumi). Hasil eksperimen yang memperkuat dugaan di atas dihasilkan oleh Biot dan Savart pada tahun 1820, dan dirumuskan sebagai berikut

                                                dB = (µo I dl x r )/(4πr³) …………………..……………  (pers-10)

dimana dl adalah elemen kawat berarus dengan arah searah arus, r posisi titik pengamatan dari dl. Medan total di titik P akibat seluruh kawat

                                                B = ∫ (µo I dl x r )/(4πr³) ………………..………………..(pers-11

Untuk kawat yang sangat panjang diperoleh

                                                B = k (µo I /2πR) …………………….…………………..(pers-12)

D. Hukum Ampere.

                Sebelum kita membahas hukum Ampere ada baiknya kita diskusikan dulu mengenai konvensi tanda yang akan digunakan dalam Hukum Ampere. Pandang sebuah lintasan tertutup L, luas yang dilingkupi oleh lintasan L adalah S (S adalah sebuah permukaan terbuka). Permukaan ini dapat dibagi menjadi elemen-elemen luas dS.

Sekarang pandang aturan integral berikut :

                                                ∫ A1 . dl = ∫ A2 . dS ………………………………………(pers-13)

Dimana A1 dan A2 adalah dua buah medan vektor. Integral ∫ A1 . dl dilakukan untuk seluruh lintasan L, integral ∫ A2 . dS dilakukan pada daerah S yang dibatasi oleh L. Ada dua hal yang perlu diperhatikan berkaitan dengan bentuk pers-13 :

1.       Bagaimana memilih vektor dl! dl menyinggung lintasan L, arahnya ada dua    kemungkinan. Arah ini menentukan tanda ∫ A1 . dl

2.       Bagaimana memilih vektor dS! dS memiliki arah normal, arahnya ada dua kemungkinan.

Berdasarkan gambar (5.6) di atas, kita gunakan konvensi sebagai berikut

·         Jika dl berlawanan arah dengan jarum jam sepanjang L, kita pilih dS dengan arah normal keluar bidang kertas ini.

·         Jika dl searah jarum jam sepanjang L, kita pilih dS dengan arah normal masuk bidang kertas ini.

Sekarang perhatikan hukum Biot-Savart persamaan-11! Mengingat definisi rapat arus adalah J = I/A  (A adalah luas penampang lintang kawat berarus), maka kita dapat menulis

                                                I dl = J dV ………………………………..………………(pers-14)

Dimana dV = A dl, jadi persamaan-11 dapat ditulis kembali menjadi

                                                B = ∫ (µo J x r )dV/(4πr³) ……………….……………….(pers-15)

Berdasarkan analisa vektor dapat ditunjukkan bahwa

                                                V x B = µo J ………………………….………………….(pers-16)

Kemudian terapkan persamaan-16 ke dalam teorema Stokes ∫ B . dl = ∫ (V x B) . dS Diperoleh

                                                ∫ B . dl = µo I …………………………..…………………(pers-17)

Bentuk yang lebih umum yang dikenal dengan Hukum Ampere ditulis sebagai berikut:

                                                ∫ LB . dl = µo ∑ I ………………………..………………..(pers-18)

dimana ∑ I adalah jumlah arus yang menembus daerah yang dibatasi lintasan tertutup L. Persamaan-18 biasanya digunakan untuk menghitung besar medan magnet dimana arah dari medan magnet diketahui melalui hukum Biot-Savart. Dan lebih lanjut bahwa persoalan hukum Ampere adalah persoalan bagaimana memilih lintasan tertutup yang sesuai. Pedoman sederhana dalam menentukan lintasan tertutup (lintasan Ampere) yaitu

• Pilih lintasan dimana besar medan magnet di sepanjang lintasan konstan
• Pilih lintasan dimana arah medan di setiap titik sejajar dengan arah elemen lintasan.

Setelah lintasan Ampere dipilih persoalan selanjutnya adalah menentukan jumlah arus yang dilingkupi oleh lintasan tersebut.

copas dari : http://elektro63.blogspot.com/2012/01/magnet.html