Kemagnetan dan Medan Magnet (Magnetism and Magnetic Field)

            

KEMAGNETAN DAN MEDAN MAGNET

       Sebagian besar peralatan listrik secara langsung atau tak-langsung tergantung pada kemagnetan. Magnetit (bijih besi) adalah bahan yang memperlihatkan fenomena kemagnetan dan disebut dengan magnet alami.Setiap magnet memiliki dua titik yang disebut Kutub: utara dan selatan. Mirip dengan muatan listrik, kutub magnet yang sama akan tolak-menolak dan yang berlawanan akan tarik-menarik.

       Magnet memberikan gaya pada bahan magnet seperti besi akibat medan magnetnya. Keberadaan gaya yang tak-kelihatan ini dapat ditunjukkan dengan menebarkan serbuk besi halus pada sekeping kaca atau selembar kertas diatas magnet batang (Gb bawah, A). Jika lembaran kertas itu diketuk perlahan, serbuk tadi akan mengatur kedudukannya sesuai dengan pola yang dibentuk oleh medan gaya di sekeliling magnet batang tersebut. Medan itu tampaknya tersusun atas garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara, merambat melalui udara disekeliling magnetnya, dan terus menuju ke kutub selatan untuk membentuk gaya simpal tertutup. Medan ini ditunjukkan sebagai garis garis gaya (tanpa serbuk) seperti pada gambar dibawah, B.

                                    Gb. 1. Medan magnet gaya disekeliling magnet batang

            Arus listrik merupakan sumber lain untuk medan magnet, Arus yang mengalir melalui sepotong kawat akan menghasilkan cincin-cincin konsentris yang berupa garis-garis gaya magnet yang mengelilingi kawat tersebut. Kekuatan medan magnetnya sebanding (proporsional) dengan amplitude arusnya (gambar bawah)

            Aturan tangan-kanan digunakan untuk menentukan hubungan antara aliran arus dalam konduktor dan arah garis-garis gaya magnet di sekeliling konduktor bersangkutan. Ibu jari menuju kearah aliran arus dan jari-jari lainnya menekuk kea rah garis-garis gayanya (gambar bawah). Aliran arus berasal dari sisi positif sumber tegangan, melalui kumparan, dan kembali ke terminal negative sumber tegangan tersebut.

            Sebuah kumparan yang terbuat dari konduktor kawat terbentuk apabila terdapat lebih dari satu simpal. Untuk menentukan polaritas kumparan ini, gunakanlah aturan tangan-kanan dalam kedudukan lain (lihat gambar bawah). Jari-jari lainnya menekuk dalam arah aliran arus. Menambah inti besi di dalam kumparan akan meningkatkan densitas fluksnya. Polaritas intinya adalah polaritas kumparan tersebut.

            Hasil kali arus dan banyaknya belitan dalam kumparan yang dinyatakan dalam ampere-belitan, dikenal dengan gaya gerak magnet (ggm). Jika sebuah kumparan dengan jumlah ampere-belitan tertentu diperpanjang sampai dua kali panjangnya semula. Oleh sebab itu intensitas medan tergantung pada panjang kumparannya. Dinyatakan dalam bentuk persamaan :

                                    H = N.I / l

dimana H adalah intensitas medan magnet (At/m), NI adalah ampere-belitan dan l adalah panjang kumparan dalam m. H adalah intensitas di seluruh intinya dan l adalah panjang antara kutub inti besinya.

Gb.4. Aturan tangan-kanan untuk menentukan kutub utara electromagnet

Induksi Elektromagnet

            Pada tahun 1831, Michael Faraday menemukan prinsip induksi electromagnet. Prinsip ini menyatakan bahwa :

            Jika sepotong konduktor “memotong secara melintang” garis-garis gaya magnet, atau jika garis-garis gaya memotong secara melintang sepotong konduktor, maka ggl, atau tegangan, akan diinduksi pada ujung-ujung konduktor tersebut. (gambar bawah);

Gambar 5. Memperagakan induksi electromagnet

Dari gambar diatas, perhatikan magnet yang garis-garis gayanya hanya terkonsentrasi di antara kutub-kutubnya. Sepotong konduktor C yang dapat digeser-geser di antara kutub-kutub tersebut, dihubungkan dengan galvanometer G yang digunakan untuk menandakan adanya ggl :

            Aplikasi yang sangat penting dari gerak relative antara konduktor dan medan magnet kita dapatkan dalam generator listrik.

            Nilai tegangan yang diinduksi tergantung dari banyaknya belitan dalam kumparan dan kecepatan konduktor memotong garis-garis gaya atau fluks bersangkutan. Konduktor atau fluksnya dapat kita gerakkan. Persamaan untuk menghitung nilai tegangan induksi ini ialah :

dimana v_ind ialah tegangan yang diinduksi (V), N ialah banyaknya belitan dalam kumparannya, dan Δф / Δt adalah laju fluks memotong konduktornya (Wb/det). Dan v_ind ditentukan oleh tiga faktor sbb :

1.      Semakin banyak garis gaya memotong konduktornya, semakin tinggilah nilai tegangan induksinya;

2.      Semakin banyak belitan kumparannya, semakin tinggilah tegangan induksinya;

3.  Semakin cepat fluks memotong konduktor atau konduktor memotong fluksnya, semakin tinggilah tegangan induksinya karena lebih banyak garis gaya yang memotong konduktor dalam periode waktu yang diketahui.

Hukum Ampere-Biot-Savart

3 orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:

“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik”

 
Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.

Gambar 6. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik

Hukum Lentz

Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa:

“Arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)” 

      Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan.

       Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor. 

Gambar 7. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.

            Apabila arus mengalir akibat tegangan induksi, arus ini akan menimbulkan medan magnet terhadap konduktornya sedemikian rupa sehingga medan magnet konduktor ini akan bereaksi dengan medan magnet eksternal tadi, yang menghasilkan tegangan induksi yang melawan perubahan medan magnet eksternal tersebut. Jika medan eksternal ini meningkat, medan magnet konduktor arus induksi tersebut akan berada dalam arah yang berlawanan. Jika medan eksternal ini menurun, medan magnet konduktornya akan berada dalam arah yang sama, dan dengan demikian akan mempertahankan medan eksternal tersebut.

Elektromagnet

Elektromagnet adalah prinsip pembangkitan magnet dengan menggunakan arus listrik. Aplikasi praktisnya kita temukan pada motor listrik, speaker, relay dsb. Sebatang kawat yang diberikan listrik DC arahnya meninggalkan kita (tanda silang), maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet melingkar, lihat gambar 8. Sedangkan gambar visual garis gaya magnet didapatkan dari serbuk besi yang ditaburkan disekeliling kawat beraliran listrik, seperti telah dijelaskan pada artikel sebelumnya “prinsip kemagnetan”.


Gambar 8. Prinsip elektromagnetik.

Sebatang kawat pada posisi vertikal diberikan arus listrik DC searah panah, maka arus menuju keatas arah pandang (tanda titik). Garis gaya magnet yang membentuk selubung berlapis lapis terbentuk sepanjang kawat. Garis gaya magnet ini tidak tampak oleh mata kita, cara melihatnya dengan serbuk halus besi atau kompas yang didekatkan dengan kawat penghantar tsb. Kompas menunjukkan bahwa arah garis gaya sekitar kawat melingkar. Arah medan magnet disekitar penghantar sesuai arah putaran sekrup (James Clerk Maxwell, 1831-1879). arah arus kedepan (meninggalkan kita) maka arah medan magnet searah putaran sekrup kekanan. Sedangkan bila arah arus kebelakang (menuju kita) maka arah medan magnet adalah kekiri.

Gambar 9. Garis magnet membentuk selubung seputar kawat berarus.

Gambar 10. Prinsip putaran sekrup

Aturan sekrup mirip dengan hukum tangan kanan yang menggenggam, dimana arah ibu jari menyatakan arah arus listrik mengalir pada kawat. Maka keempat arah jari menyatakan arah dari garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan.

Arah aliran arus listrik DC pada kawat penghantar menentukan arah garis gaya elektromagnet. Arah arus listrik DC menuju kita (tanda titik pada penampang kawat), arah garis gaya elektromagnet melingkar berlawanan arah jarum jam. Ketika arah arus listrik DC meninggalkan kita (tanda silang penampang kawat), garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan melingkar searah dengan jarum jam (sesuai dengan model mengencangkan sekrup). Makin besar intensitas arus yang mengalir semakin kuat medan elektro-magnet yang mengelilingi sepanjang kawat tersebut.

Gambar 11. Elektromagnetik sekeliling kawat.

Elektromagnet pada Belitan Kawat

Jika sebuah kawat penghantar berbentuk bulat dialiri arus listrik I sesuai arah panah, maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet yang arahnya secara gabungan membentuk kutub utara dan kutub selatan. Makin besar arus listrik yang melewati kawat, maka akan semakin kuat medan elektromagnetik yang ditimbulkannya. 

Gambar 12. Kawat melingkar berarus membentuk kutub magnet

Jika beberapa belitan kawat digulungkan membentuk sebuah coil atau lilitan, dan kemudian dipotong secara melintang maka arah arus ada dua jenis. Kawat bagian atas bertanda silang (meninggalkan kita) dan kawat bagian bawah bertanda titik (menuju kita). 

Gambar 13. Belitan kawat membentuk kutub magnet.

Hukum Tangan Kanan

Hukum tangan kanan untuk menjelas kan terbentuknya garis gaya elektromagnet pada sebuah gulungan atau coil dapat dilihat pada gambar 14. Dimana sebuah
gulungan kawat coil dialiri arus listrik, maka arah arusnya ditunjukkan sesuai dengan empat jari tangan kanan, sedangkan kutub magnet yang dihasilkan ditunjukkan dengan ibu jari untuk arah kutub utara dan kutub selatan arah lainnya. 

Gambar 14. Hukum tangan kanan.

Untuk menguatkan medan magnet yang dihasilkan pada gulungan dipasangkan inti besi dari bahan ferromagnet, sehingga garis gaya elektromagnet menyatu. Aplikasinya dipakai pada coil kontaktor atau relay.

Ringkasan

• Kumpulan menyeluruh garis medan magnet yang mengalir ke luar dari kutub U sebuah magnet disebut fluks magnet;
• Permeabilitas mengacu pada kemampuan bahan magnet untuk memusatkan fluks magnet;
• Aturan tangan-kanan digunakan untuk menentukan hubungan aliran arus dalam sepotong konduktor dan arah garis-garis medan magnet yang mengelilingi konduktor yang diakibatkan oleh arus tersebut.
• Bentuk aturan tangan-kanan lainnya digunakan untuk menentukan polaritas magnet kumparan kawat dengan arus yang mengalir dalam kawat kumparan tersebut.
• Polaritas tegangan induksi ditentukan oleh hukum Lenz.