Hukum hukum pada kemagnetan

HUKUM-HUKUM PADA KEMAGNETAN

A. GAYA LORENTZ

Gaya Lorentz terjadi apabila kawat penghantar berarus listrik berada di dalam medan magnetik. Besar gaya Lorentz bergantung pada besar medan magnetik, panjang penghantar, dan besar arus listrik yang mengalir dalam kawat penghantar. Besar gaya Lorentz dapat ditentukan dengan rumus:

F=BIL

Keterangan : F= gaya Lorentz (newton)

B= kuat medan magnet (tesla)

I =kuat arus listrik (ampere)

L= panjang kawat penghantar (meter)

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Jika ibu jari menunjukkan arah arus listrik (I) dan jari telunjuk menunjukkan arah medan magnetik (B), maka jari tengah menunjukkan arah gay Lorentz (F).

Kaidah Gaya Lorentz

Peralatan dalam kehidupan sehari-hari yang memanfaatkan gaya Lorentz antara lain: bor listrik, kipas angin, blender, mikser, alat pengering rambut, mesin penyedot debu, dan mesin cuci.

B. HUKUM FARADAY

Michael Faraday adalah seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris. Secara eksperimen Faraday menemukan bahwa beda potensial dapat dihasilkan pada ujung-ujung penghantar atau kumparan dengan memberikan perubahan fluks magnetik.jadi Hukum Faraday merupakan pernyataan yang dikemukakan oleh Michael Faraday tentang analisa pada induksi magnet yang terjadi disekitar kawat berarus listrik dan sebaliknya induksi magnetik pada kawat berarus listrik.

 Hasil eksperimennya dirumuskan sebagai berikut.

“Ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar atau kumparan tersebut”

Dari rumusan di atas dapat dituliskan menjadi persamaan seperti di bawah. Pembandingnya adalah jumlah lilitannya.

keterangan :

â = ggl induksi (volt)

N = jumlah lilitan

= laju perubahan fluks magnetik

Tanda negatif pada persamaan diatas sesuai dengan Hukum Lenz. Dengan bahasa yang sederhana hukum Lenz dirumuskan: Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik.

Hukum Faraday memperkenalkan suatu besaran yang dinamakan fluks magnetik. Fluks magnetik ini menyatakan jumlah garis-garis gaya magnetik. Berkaitan dengan besaran ini, kuat medan magnet didefinisikan sebagai kerapatan garis-garis gaya magnet. Dari kedua definisi ini dapat dirumuskan hubungan sebagai berikut.

φ = B A cos θ

keterangan :

φ = fluks magnetik (weber atau Wb)

B = induksi magnetik (Wb/m2)

A = luas penampang (m2)

θ = sudut antara iduksi magnet dengan normal bidang

Dari persamaan diatas dapat diamati bahwa perubahan fluks magnet dapat terjadi tiga kemungkinan. Pertama terjadi karena perubahan medan magnet B. Kedua, terjadi karena perubahan luas penampang yang dilalui, contohnya kawat yang bergerak dalam medan magnet. Ketiga, terjadi karena perubahan sudut θ, contohnya kumparan yang berputar : generator.

berikut ini merupakan percobaan dari faraday :

a.  Pada saat magnet digerakkan ( keluar- masuk) dalam kumparan jarum pada galvanometer menyimpang.

b. Penyimpangan jarum galvanometer menunjukkan bahwa di dalam kumparan mengalir arus listrik. Arus listrik seperti ini disebut arus induksi.

c.  Arus listrik timbul karena pada ujung-ujung kumparan timbul beda potensial. Beda potensial ini disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi)

d.  Timbulnya ggl induksi pada ujung-ujung kumparan disebabkan karena adanya perubahan garis gaya magnetik yang memotong kumparan.

sehingga faraday menyatakan dengan : " apabila terjadi perubahan fluks dalam suatu solenoida maka akan dihasilkan gaya gerak listrik yang sebanding dengan laju perubahan fluks. dan dinyatakan dengan rumus :

C. HUKUM BIO-SAVART

Pada saat Hans Christian Oersted mengadakan percobaan untuk mengamati hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan, ia belum sampai menghitung besarnya kuat medan magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus. Perhitungan secara matematik baru dikemukakan oleh ilmuwan dari Prancis yaitu Jean Bastiste Biot dan Felix Savart. Berdasarkan hasil eksperimennya tentang pengamatan medan magnet di suatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar dl, yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa besarnya kuat medan magnet (yang kemudian disebut induksi magnet yang diberi lambang B) di titik P :

a.    Berbanding lurus dengan kuat arus listrik (I).

b.    Berbanding lurus dengan panjang kawat (dl).

c. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik P ke elemen kawat penghantar (r).

d. Sebanding dengan sinus sudut apit θ antara arah arus dengan garis hubung antara titik P ke elemen kawat penghantar.

Pernyataan tersebut dikenal dengan hukum Biot-Savart yang secara matematik dapat dinyatakan dalam persamaan :

dengan :

dB = Induksi magnet di titik P (Wb/m² atau Tesla)

I = kuat arus listrik (A)

dl = panjang elemen kawat berarus (m)

θ = sudut antara arah I dengan garis hubung P ke dl

k =  = bilangan konstanta = 10^-7 Wb A^-1m^-1

r = jarak dari P ke dl (m)

Ilmuwan mengatakan bahwa ruang disekitar kawat berarus listrik berubah menjadi medan magnetik. Arus listrik menimbulkan medan magnetik di sekitar kawat berarus listrik.

D. HUKUM LENZ

Hukum Lenz merupakan hukum fisika yang memebrikan pernyataan tentang GGL (Gaya Gerak Listrik) Induksi. Hukum lenz memberikan penjelasan tentang arah arus induksi yang terjadi karena terjadinya GGL Induksi tersebut. Hukum Lenz ditemukan oleh ilmuwan fisika Friederich Lenz pada tahun 1834.

Berdasarkan hukum Faraday, telah kita ketahui bahwa perubahan fluks magnetik akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua ujung kumparan itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan tertentu akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial yang terjadi disebut ggl induksi. Faraday pada saat itu baru dapat menghitung besarnya ggl induksi yang terjadi, tetapi belum menentukan ke mana arah arus induksi yang timbul pada rangkaian/kumparan. Arah arus induksi yang terjadi baru dapat dijelaskan oleh Friederich Lenz pada tahun 1834 yang lebih dikenal dengan hukum Lenz.

Pernyataan Hukum Lenz

“Jika ggl induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus induksi yang dihasilkan sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha mempertahankan fluks magnetik totalnya konstan)”

Arah arus induksi berdasarkan hukum Lenz (a) magnet mendekati kumparan, (b) magnet menjauhi kumparan.

Untuk lebih memahami hukum Lenz, perhatikan gambar diatas. Ketika kedudukan magnet dan kumparan diam, tidak ada perubahan fluks magnet dalam kumparan. Tetapi ketika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, maka timbul perubahan fluks magnetik. Dengan demikian pada kumparan akan timbul fluks  magnetik yang menentang pertambahan fluks magnetik yang menembus kumparan. Oleh karena itu, arah fluks induksi harus berlawanan dengan fluks magnetik. Dengan demikian fluks total yang dilingkupi kumparan selalu konstan. Begitu juga pada saat magnet digerakkan menjauhi kumparan, maka akan terjadi pengurangan fluks magnetik dalam kumparan, akibatnya pada kumparan timbul fluks induksi yang menentang pengurangan fluks magnet, sehingga selalu fluks totalnya konstan. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan yaitu jika arah ibu jari menyatakan arah induksi magnet maka arah lipatan jari-jari yang lain menyatakan arah arus.

Percobaan Hukum Lenz

Apabila magnet digerakkan mendekati kumparan, ke mana arah arus listrik yang terjadi pada hambatan R? Karena magnet digerakkan mendekati kumparan, maka pada kumparan akan timbul ggl induksi yang menyebabkan timbulnya arus induksi pada kumparan, sehingga menyebabkan timbul medan magnet yang menentang medan magnet tetap, maka arah arus dalam kumparan/hambatan dari B ke A seperti dalam pernyataan hukum lenz tersebut.

Induktansi merupakan sifat sebuah rangkaian listrik atau komponen yang menyebabkan timbulnya ggl di dalam rangkaian sebagai akibat perubahan arus yang melewati rangkaian (self inductance) atau akibat perubahan arus yang melewati rangkaian tetangga yang dihubungkan secara magnetis (induktansi bersama atau mutual inductance). Pada kedua keadaan tersebut, perubahan arus berarti ada perubahan medan magnetik, yang kemudian menghasilkan ggl.

Apabila sebuah kumparan dialiri arus, di dalam kumparan tersebut akan timbul medan magnetik. Selanjutnya, apabila arus yang mengalir besarnya berubahubah terhadap waktu akan menghasilkan fluks magnetik yang berubah terhadap waktu. Perubahan fluks magnetik ini dapat menginduksi rangkaian itu sendiri, sehingga di dalamnya timbul ggl induksi. Ggl induksi yang diakibatkan oleh perubahan fluks magnetik sendiri dinamakan ggl induksi diri.