BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Magnet Pengetahuan

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Magnet
Pengetahuan tentang sifat magnet tumbuh dari pengamatan bahwa batu-batu
(magnetic) tertentu dapat menarik potongan logam besi. Kata magnet berasal dari
kata magnesia (bahasa Yunani) yang berarti batu Magnesian. Magnesia adalah
nama sebuah wilayah di Yunani pada masa lalu yang kini bernama Manisa
(sekarang berada di wilayah Turki) di mana terkandung batu magnet yang
ditemukan sejak zaman dulu di wilayah tersebut. Magnet dapat menarik benda
lain yang berasal bahan logam. Namun tidak semua logam dapat ditarik oleh
magnet.Besi dan baja adalah dua contoh logam yang mempunyai daya tarik yang
tinggi oleh magnet.
Magnet alam yang lain adalah bumi sendiri, yang dapat mengarahkan
sebuah jarum kompas, yang telah dikenal sejak lama dan digunakan sebagai alat
navigasi dalam pelayaran. Pada tahun 1820 Oested menemukan bahwa arus listrik
yang dialirkan pada selembar kawat dapat menghasikan efek magnetik yaitu dapat
mengubah arah (orientasi) sebuah jarum kompas.
Magnet memiliki dua tempat yang gaya magnetnya paling kuat. Daerah ini
disebut kutub magnet.Ada 2 kutub magnet, yang dinamakan kutub utara (U) dan
kutub selatan (S).Gaya-gaya magnet juga timbul di sekitar magnet arahnya dapat
dengan cara menaburkan serbuk besi pada kertas yang diletakkan di atas magnet
seperti terlihat pada gambar beriut ini.
Gambar 2.1 pola garis medan magnet
5
Universitas Sumatera Utara
6
2.2 Efek Hall
Dari penelitian seorang fisikawan E.H.Hall didapatkan bahwa bukan electron
yang bermuatan negative saja yang dapat menghantarkan arus listrik, sebab
ternyata ditemukan juga pada keadaan khusus kita menemukan partikel-partikel
bermuatan positif yang dikenal dengan sebutan hole dapat juga bertindak sebagai
penghantar arus. Kita dapat menyimpulkan bahwa hole sepenuhnya berkelakuan
mirip seperti partikel positif. Efek hall dari semikonduktor lebih penting dalam
suatu logam, karena disini pembawa arus lebih sedikit sehingga koefisien hallnya
sangat besar dibandingkan dengan logam. Tegangan timbul karena pembawa arus
negative atau posisi dalam logam dibelokkan oleh medan magnet sehingga
tertumpuklah pada masing masing permukaan muatan yang berlawanan.Adanya
keadaan lebih positif dan lebih negative pada permukaan yang bertolak belakang
yang menimbulkan beda potensial. Tegangan inilah yang dikenal dengan tegangan
Hall.
Efek Hall terjadi ketika konduktor pembawa arus dipengaruhi oleh medan
magnet, medan magnet menimbulkan gaya pada muatan-muatan yang mengalir
pada konduktor sehingga muatan akan dibelokkan sesuai dengan jenis muatannya.
Gambar dibawah menunjukkan dua lempengan yang mengalirkan arus yang salah
satunya menyalurkan arus I ke kanan karena sisi kiri lempengan itu dihubungkan
dengan terminal positif baterai, dan sisi kanan dihubungkan ke terminal negatif
baterai. Lempengan ini berada dalam medan magnetik yang diarahkan ke dalam.
Pada gambar 1.a, diasumsikan bahwa arus tersebut terdiri atas muatan positif yang
bergerak ke kanan.
Universitas Sumatera Utara
7
(a)
(b)
Gambar 2.2 Efek Hall, a) Partikel positif bergerak ke kanan, b) Partikel negatif
bergerak ke kiri
Pembawa arus adalah hole yang bermuatan positif sehingga arahnya searah
dengan arah arus. Hasil V+ x B menyebabkan timbulnya gaya F yang sejajar
dengan sumbu Y. Ini mengakibatkan hole-hole tadi dibelokkan kekanan sehingga
timbul medan listrik karena permukaan sebelah kanan memiliki muatan positif
lebih besar dibandingkan permukaan sebelah kiri. Kesetimbangan akan terjadi
karena medan magnet B yang membelokkan pembawa muatan kearah kanan/kiri
diimbangi oleh tenaga listrik yang mengarah kekiri/kanan.
U
p
EH
B
e
v
e
A
v
E
VH
l
t
B
S
e
=
Gambar 2.3 Pembelokan medan magnet
( 2.1)
Universitas Sumatera Utara
8
Jika n adalah jumlah muatan persatuan, volume : I = n q v t l ; v adalah kecepatan
bergerak dari muatan. Tegangan Hall VH yang terjadi , besarnya yaitu :
(2.2)
Dengan :
V
= Tegangan Hall (Volt)
t
= Tebal cuplikan (m)
I
= Arus yang melalui cuplikan (Ampere)
B
= Medan magnet (Wb/m2atau Tesla)
n
= Rapat muatan ( m-3)
F
= Gaya (N)
l
= Panjang cuplikan (meter)
q
= Muatan elementer (Coulomb)
2.3 Hukum Ampere
Penemuan bahwa arus efek-efek magnet dibuat Hans Cristian Oersted didalam
tahun 1820.Oesrted membuat penemuannya sehubungan dengan demostrasi
didalam kelas. Jika kita membuat kawat yang berarus sebagai sumber khas medan
dan sebagai objek khas pada medan magnet maka sebagai anaologi dengan
argumentasi untuk medan listrik kita dapat menuliskan:
Arus ↔ Medan (B) ↔ Arus,
Yang menyarankan bahwa arus menghasilkan medan magnet dan bahwa medan
magnet mengerahkan gaya pada arus. Jika tidak ada arus didalam kawat, maka
semua magnet disejajarkan dalam arah komponen horijontal medan magnet
bumi. Jika didalam kawat ada sebuah arus yang kuat, maka magnet magnet
mengarah demikian rupa yang menyearahkan bahwa garis-garis medan magnet
berbentuk lingkaran tertutup disekeliling kawat tersebut.
Universitas Sumatera Utara
9
Gambar 2.4 Hukum Ampere
Sekarang kita menuliskan hubungan kuantitatif diantara arus I dan medan magnet
B sebagai:
(2.3)
(2.4)
Dengan :
B
= medan magnet (Wb/m2atau Tesla)
µo
= permebilitas vakum ( 4π.10-7Wb/Am)
I
= kuat arus listrik yang melalui kawat ( A )
r
= jarak titik kawat berarus listrik (m)
dl
= panjang elemen kawat (m)
Hubungan antara I dan B dikenal sebagai hukum ampere.Hukum Ampere
menyatakan bahwa ada gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua kawat
paralel yang membawa arus listrik. Gaya ini digunakan dalam definisi dari
ampere, yang menyatakan bahwa "arus konstan akan menghasilkan gaya tarik dari
2 × 10-7 newton per meter panjang antara dua penghantar lurus, konduktor paralel
panjang tak terbatas dan melingkar diabaikan penampang ditempatkan satu meter
dalam ruang hampa / vakum ". Eksperimen tersebut terdiri dari pengukuran B
berbagai jarak r dari sebuah kawat lurus yang panjang yang penampangnya
berbentuk lingkaran yang mengangkut sebuah arus i.
Marilah kita taruh sebuah jarum kompas yang kecil sejarak r dari kawat
tersebut. Jarum seperti itu, yang merupakan sebuah dipole magnet yang kecil
Universitas Sumatera Utara
10
cenderung untuk menjadi sejajar untuk medan magnet luar. Dengan kutub
utaranya menunjuk kearah B. Jika arah arus didalam kawat dibalik, maka semua
jarum kompas akan membalik kedudukan ujung-ujungnya, hasil eksperimen ini
menunjukkan kaidah tangan kanan. Untuk menentukan arah B didekat sebuah
kawat yang mengangkut arus I , genggamlah kawat tersebut dengan tangan kanan,
dengan inu jari yang menunjuk didalam arah arus, maka jari lainnya akan
melingkar menintari kawat didalam arah B.
Gambar2.5Medan Magnet Pada Kawat Lurus
2.4 Dua Penghantar Yang Sejajar
Gambar dibawah memperlihatkan dua kawat sejajar yang panjang yang terpisah
sejarak r terhadap satu sama lain yang mengangkut arus arus I1dan I
2
. Untuk
melihat efek medan magnet yang dihasilkan oleh kawat listrik berarus, Andre
Marie Ampere melakukan sederetan percobaan, beberapa minggu setelah Oersted
mempublikasikan hasil temuannya mengenai arus listrik yang menghasilkan efek
magnetik, dan hasilnya adalah bahwa dua rangkaian yang dialiri arus listrik yang
berada pada jarak tertentu menghasilkan gaya magnet yang besarnya sebanding
dengan kuat arus yang mengalir pada kawat dan berbanding terbalik dengan
kuadrat jarak yang memisahkan keduanya.
Universitas Sumatera Utara
11
Gambar 2.6 Medan Magnet Pada Dua Kawat Lurus
Beberapa orang diantara teman sejawat Ampere berpikir bahwa
berdasarkan eksperimen Oersted maka tarikan diantara kedua penghantar
merupakan suatu hasil yang jelas dan tidak perlu dibuktikan. Mereka
mengemukakan bahwa jika kawat 1 dan 2 masing-masing mengerjakan gaya pada
sebuah jarum kompas maka kawat-kawat tersebut haruslah saling mengerahkan
gaya terhadap satu sama lain. Kesimpulan mereka tersebut adalah salah. Kawat 1
akan menghasilkan sebuah medan magnet B1 pada semua titik yang berada
didekatnya. Besarnya B1 yang ditimbulkan oleh arus I1 ditempat kedua kawat
adalah
(2.5)
Dengan :
B
= Medan magnet [Wb/m2atau Tesla]
µo
= pemeabilitas magnetik di udara (Wb/mA)
r
= jarak pada penghantar (m)
I
= arus pada kawat penghantar (A)
Kaidah tangan kanan memperlihatkan bahwa arah B1 pada kawat 2 adalah ke
bawah.Tarikan diantara dua kawat sejajar yang panjang digunakan untuk
mendefenisikan Ampere. Misalkan bahwa jarak diantara kedua kawat tersebut
adalalah satu meter (r = 1.0 m) dan bahwa kedua arus tersebut adalah sama (I1 = Ib
= I). Jika arus bersama ini diatur sehingga menurut pengukuran gaya tarik
Universitas Sumatera Utara
12
menarik persatuan panjang diantara kawat kawat tersebut adalah tepat sebesar
2.10-7 N/m, maka arus tersebut didefenisikan sebagai satu Ampere.
Dimana diketahui bahwa gaya persatuan panjang (F/l) untuk kedua penghantar
sama. Apabila arah arus I1 dan I2 searah mengakibatkan terjadi gaya tarik-menarik
dan bila I1 dan I2 berlawanan arah maka terjadi gaya tolak-menolak dengan:
(2.6)
(2.7)
Dengan :
0
=Pemeabilitas magnetik di udara (Wb/mA)
F
= Gaya (N)
B
= Medan magnet (Wb/m2atau Tesla)
d
=Jarak kedua penghantar (m)
I1
= Arus pada kawat penghantar l1 (A)
I2
= Arus pada kawat pengahntar I2 (A)
l1
=Panjang kawat penghantar 1 (m)
l2
= Panjang kawat penghantar 2 (m), Karena l1 = l2 = l
2.5 Hukum Biot-Savart
Kita dapat menggunakan hukum Ampere untuk menghitung medan–medan
magnet hanya jika simetri distribusi arus adalah cukup tinggi untuk membolehkan
perhitungan yang mudah dari integral garis ∮B.dl. Pernyataan ini membatasi
kegunaan hukum tersebut didalam soal-soal praktis. Hukum tersebut bukan berarti
gagal, hukum tersebut hanya menjadi saklar untuk dipakaikan dengan cara
berguna. Kita menggunakan hukum gauss untuk menghitung medan medan listrik
hanya jika simetri distribusi muatan adalah cukup tinggi untuk membolehkan
perhitungan yang mudah dari intregral permukaan ∮E.ds. Untuk menghitung E
didalam sebuah titik yang diberikan untuk sebuah distribusi muatan yang
sembarang, maka kita membagi distribusi tersebut ke dalam elemen-elemen
muatan dq dan menggunkan hukum Coulomb untuk menghitung distribusi medan
dE yang ditimbulkan oleh setiap elemen pada titik yang ditinjau.
Universitas Sumatera Utara
13
Kita sekarang menjelaskan sebuah prosedur yang serupa untuk
menghitung B pada setiap titik yang ditimbulkan oleh sebuah distribusi arus yang
sembarang.Kita membagi bagi distribusi arus tersebut ke dalam elemen-elemen
arus dan dengan hukum biot savart maka kita menghitung kontribusi dB yang
ditimbulkan oleh setiap elemen arus pada titik yang ditinjau. Kita mencari mean B
pada titik tersebut dengan mengintegralkan kontibusi kontribusi medan magnet
untuk seluruh distribusi.
Gambar 2.7Hukum Biot-Savart
Dari gambar memperlithatkan sebuah distribusi arus yang sembarang yang
terdiri dari sebuah arus I di dalam kawat yang melengkung.Gambar tersebut
memperlihatkan juga sebuah elemen arus khas, elemen tersebut adalah sebuah
panjang dl dari penghantar yang mengangkut arus i. Arahnya adalah arah garis
singgung pada penghantar.Sebuah elemen arus tidak dapat berada pada suatu
kesatuan yang terisolasi karena sebuah jalan yang mengalirkan arus kedalam
sebuah elemen tersebut harus disediakan pada satu ujung dan keluar dari elemen
tersebut ke ujung lainnya. Misalkan P adalah titik pada nama kita ingin
mengetahui medan magnet dB yang diasosiasikan dengan elemen arus tersebut.
Menurut hukum Biot-Savart maka besarnya dB yang diberikan adalah
(2.8)
Dimana r adalah vector pergeseran dari elemen tersebut ke P dan θ adalah sudut
diantara vector dl. Arah dB adalah verktor dl x r. kita dapat menuliskan hokum
Biot dan Savart didalam bentuk vector sebagai :
(2.9)
Universitas Sumatera Utara
14
Bila kita menyatakannya didalam besarnya perumusan tersebut memberikan juga
infornasi lengkap mengenai arah dB, yakni bahwa arah tersebut adalah sama
seperti arah vector dl x r. Medan resultan di titik P didapatkan dengan
mengintegralkan :
(2.10)
Dengan:
dB
= Medan magnet [Wb/m2atau Tesla]
µo
= Pemeabilitas magnetik di udara (Wb/mA)
I
=kuat arus pada kawat dalam ampere ( A )
dl
= panjang elemen kawat (m)
r
=jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m )
Dimana integral tersebut adalah sebuah integral vector.
2.6 Medan magnet pada kawat melingkar
Sebuah kawat melingkar berada pada sebuah bidang mendatar dengan dialiri arus
listrik,apabila kawat melingkar tersebut dialiri arus listrik dengan arah tertentu
maka disumbu pusat lingkaran akan muncul medan magnet dengan arah tertentu.
Arah medan magnet ini ditentukan dengan kaidah tangan kanan.Dengan aturan
sebagai berikut:Apabila tangan kanan kita menggenggam maka arah ibu jari
menunjukkan arah medan magnet sedangkan keempat jari yang lain menunjukkan
arah arus listrik. Sebuah penghantar melingkar jika dialiri arus listrik akan
menghasilkan medan listrik seperti penghantar melingkar yang berbentuk
kumparan panjang disebut solenoida. Medan magnet yang ditimbulkan oleh
solenoida akan lebih besar daripada yang ditimbulkan oleh sebuah penghantar
melingkar, apalagi oleh sebuah penghantar lurus. Besar dan arah medan magnet
disumbu kawat melingkar berarus listrik dapat ditentukan dengan rumus :
Universitas Sumatera Utara
15
Gambar 2.8 Medan Magnet PadaKawat Melingkar
( 2.11)
Untuk sejumlah N lilitan kawat berlaku :
(2.12)
Dengan :
BP
= Induksi magnet di P pada sumbu kawat melingkar dalam tesla ( T)
I
= kuat arus pada kawat dalam ampere ( A )
a
= jari-jari kawat melingkar dalam meter ( m )
r
= jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m )
θ
= sudut antara sumbu kawat dan garis hubung P ke titik pada lingkaran
kawat dalamderajad (°)
x
= jarak titik P ke pusat lingkaran dalam mater ( m )
Besarnya medan magnet di pusat kawat melingkar dapat dihitung :
, untuk N lilitan kawat maka :
(2.13)
Dengan:
B
= Medan magnet dalam tesla ( T )
µo
= Permeabilitas ruang hampa = 4п . 10 -7 Wb/am
I
= Kuat arus listrik dalam ampere ( A )
A
= Jarak titik P dari kawat dalam meter (m)
Universitas Sumatera Utara
16
2.7 B untuk Sebuah Solenoida
Solenoida (solenoid) adalah sebuah kawat panjang yang dililitkan didalam sebuah
helix yang terbungkus rapat dan yang mengangkut sebuah arus i. Untuk titik-titk
yang dekatkepada sebuah lilitan tunggal solenoid tersebut, pengamat tidak
menyadari bahwa kawat tersebut dibengkokkan didalam bentuk sebuah busur.
Kawat tersebut bersikap secara magnetic hampir menyerupaisebuah kawat lurus
yang panjang, dan garis-garis B yang ditimbulkan oleh lilitan tunggal ini adalah
merupakan lingkaran – lingkaran konsentris.
Medan solenoid tersebut adalah jumlah vector dari medan–medan yang
ditimbulkan oleh semua lilitan yang membuat atau yang membentuk solenoid
tersebut.Lihat gambar dibawah yang memperlihatkan sebuah solenoid dengan
lilitan–lilitan yang sangat jarang (widely spaced turns), menganjurkan bahwa
medan–medan
cenderung
untuk
saling
menghilangkan
diantara
kawat–
kawattersebut.
Gambar2.9 Medan Magnet Pada Selonoida
Pada gambar menjelaskan bahwa pada titik-titik di dalam solenoid dan
tempat yang cukup jauh dari kawat – kawat tersebut, B adalah sejajar dengan
sumbu solenoid. Didalam kasus pembatas atau limiting case mengenai kawat –
kawat segiempat kuadratis yang berdekatan yang terbungkus dengan erat, maka
solenoid tersebut pada pokoknya akan menjadi lembar arus silender dan
persyaratan – persyaratan simetri.
Untuk titik P seperti gambar diatas, lilitan solenoid yang
tandai
menunjuk kekiri dan cenderung untuk menghilangkan medan yang ditimbulkan
Universitas Sumatera Utara
17
oleh bagian bawah lilitan solenoid tersebut (yang ditandai dengan
)
yang
menunjuk kekanan. Jika solenoid tersebut semakin bertambah ideal yakni jika
solenoid mendekati konfigurasi sebuah lembar arus silender yang panjangnya
takberhingga, maka medan B di titik – titik luar mendekati nol. Dengan
mengambil medan luar sebesar nol bukanlah merupakan sebuah anggapan yang
buruk untuk sebuah solenoid yang digunakan didalam praktek jika panjangnya
jauh lebih besar dari pada diameternya, dan jika kita hanya meninjau titik – titik
luar yang dekat dengan daerah pusat solenoid yakni yang jauh dari ujung – ujung
solenoid. Pemakaian hukum ampere adalah:
(2.14)
Pada hukum ampere diatas menjelaskan bahwa integral sebagai jumlah dari
empatintegral, satu integral untuk satu segmen:
B = μ0 i n
(2.15)
dimana :
B
= medan magnet [Wb/m2atau Tesla]
i
= arus yang mengalir pada kawat/lilitan [A]
μ0
= permeabilita sudara [T.m/A atau wb/A.m]
n
= jumlah lilitan
2.8 Fluks magnet
Garis-garis yang menggambarkan pola medan magnet disebut garis-garis
gaya magnet. Garis-garis gaya magnet tidak pernah berpotongan satu sama
lainnya. Makin banyak jumlah garis-garis gaya magnet makin besar kuat medan
magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan
magnet yang digambar berupa garis lengkung. Dua kutub magnet yang tidak
sejenis saling berdekatan pola medan magnetnya juga berupa garis lengkung
yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet.
Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya
keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah
sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik. Pada dua
kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub
Universitas Sumatera Utara
18
utara masing-masing cenderung saling menolak. Karena arah garis gaya
berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara
garis-garis gaya yang keluar
kedua kutub utara magnet. Fluks magnet didefenisikan sebagai perkalian antara
medan magnet B dengan luas bidang A yang tegak lurus dengan induksi
magnetnya. Secara matematis ditulis:
(2.16)
Gambar 2.10 Fluks magnet
Dalam kenyataanya, induksi magnet B tidak selalu tegak lurus pada bidang,
sehingga rumus flukks magnet diatas berubah menjadi :
(2.17)
Dengan :
θ = sudut antara arah induksi magnet denga arah normal bidang
= fluks magnet ( Wb )
A = luas bidang
B = Induksi magnet ( T)
2.9 Penghitungan Induktans
Kita mampu menghitung kapasitansi secara langsung dengan menggunakan
factor-faktor geometris untuk sejumlah kecil kasus, seperti kapasitor bidang
sejajar. Dengan cara yang sama kita dapat menghitung induktans diri L untuk
sejumlah kesil kasus khusus.
L = N2µoA / l
(2.18)
µ = µr µ0
(2.19)
dimana :
Universitas Sumatera Utara
19
L
= Induktansi dari kumparan dalam Henry
N
= Jumlah putaran/lilitan pada kumparan kawat
(kawat yang lurus berarti N=1)
µ
= Permeabilitas dari bahan inti (absolut, bukan relatif)
µr
=Permeabilitas relatif, tidak mempunyai dimensi satuan alias konstanta
(untuk udara µ0=1)
µ0
= 1.26 × 10-6 T-m/ A-t adalah permeabilitas dari ruang bebas
A
= Luas penampang kumparan dalam meter persegi (bila penampang
berbentuk lingkaran = πr2)
L
= Panjang kumparan dalam meter
Induktans dari panjang l dari sebuah selonoida adalah sebanding dengan
volumenya dan dengan kuadrat banyaknya lilitan per satuan panjang. Perhatikan
bahwa induktans tersebut hanya bergantung pada factor-faktor geometris. jika kita
melipat duakan banyaknya lilitan persatuan panjang, maka hanya lilitan total N
yang dilipat duakan tetapi juga fluks ϕB yang melalui setiap lilitan akan dilipat
duakan, yang menghasilkan factor keseluruhan sebesar empat untuk tautan fluks
NϕB. Karena pada faktanya, nilai permeabilitas berubah-ubah bila intensitas
medannya berubah (ingat ketidaklinieran kurva B/H untuk berbagai macam
bahan). Karena nilai permeabilitas (µ) pada persamaan itu tidak stabil, maka
induktansi (L) juga tidak stabil dalam beberapa derajat bila arus yang mengaliri
koil berubah-ubah
2.10 kurva Histerisis Magnet
Bahan feromagnetik memiliki suseptibilitas magnetik yang amat besar, yakni
dalam orde ribuan, bahan tersebut juga memiliki sifat khusus, yakni
memperlihatkan gejala apa yang disebut histerisis yang secara umum
didefinisikan sebagai keterlambatan reaksi atau respon atas aksi yang lazim terjadi
pada kebanyakan komponen mesin. Perilaku Histeresis dan magnetisasi permanen
dapat dijelaskan oleh gerakan dinding domain. Setelah pembalikan arah medan
dari kejenuhan, proses di mana perubahan struktur domain terbalik. Pertama, ada
Universitas Sumatera Utara
20
rotasi dari domain tunggal dengan bidang terbalik. Selanjutnya, domain memiliki
momen magnetik sejajar dengan bentuk bidang baru dan tumbuh dengan
mengorbankan mantan domain. Kritis untuk penjelasan ini adalah perlawanan
terhadap gerakan dinding domain yang terjadi sebagai respons terhadap
peningkatan medan magnet dalam arah yang berlawanan, ini menyumbang B
dengan H, atau histeresis. Ketika medan listrik mencapai nol, masih ada beberapa
fraksi volume net domain berorientasi di bekas arah, yang menjelaskan
keberadaan Br remanen .
Untuk mengurangi lapangan B dalam spesimen ke nol, medan H besarnya
Hc harus diterapkan dalam arah yang berlawanan dengan medan asli, Hc disebut
koersivitas, atau kadang-kadang kekuatan koersif. Setelah kelanjutan dari medan
listrik dalam arah sebaliknya ini, seperti yang ditunjukkan pada gambar, saturasi
akhirnya dicapai dalam arti yang berlawanan, sesuai dengan titik S. Sebuah
pembalikan kedua lapangan untuk titik saturasi awal (titik S) melengkapi
hysteresis loop simetris dan juga menghasilkan kedua remanen negatif (Br) dan
koersivitas positif ( Hc).
Gambar 2.11 Kerapatan Fluks versus Kekuatan Medan Magnet
Sebagai bidang H diterapkan, domain berubah bentuk dan ukuran dengan
pergerakan batas-batas domain. Struktur domain Skema diwakili di beberapa titik
di sepanjang B – versus- H kurva pada gambar diatas. Awalnya, saat-saat domain
konstituen secara acak berorientasi sedemikian rupa sehingga tidak ada jaring B
(atau M) lapangan. Sebagai bidang eksternal diterapkan, domain yang berorientasi
Universitas Sumatera Utara
21
pada arah yang menguntungkan (atau hampir sejajar dengan) medan listrik
tumbuh dengam yang berorientasi tidak baik .
Gambar 2.12PerilakuB-versus-H
Bidang B mulai meningkat perlahan-lahan, kemudian lebih cepat, akhirnya
meratakan off dan menjadi independen H. Nilai maksimum ini B adalah
kejenuhan kerapatan fluks B, dan magnetisasi sesuai adalah magnetisasi saturasi
Ms . Karena permeabilitas adalah kemiringan kurva B - versus- H, dapat dicatat
dari Gambar diatas bahwa perubahan permeabilitas dengan dan tergantung pada
H. Pada kesempatan tersebut, kemiringan kurva B - versus- H di H 0 ditetapkan
sebagai properti material, yang disebut sebagai permeabilitas awal.Dalam
kemagnetan, histerisis ini berkaitan dengan keterlambatan variasi induksi
magnetik B terhadap variasi medan magnet H yang dikenakan, yang berarti
permeabilitas magnetik bahan bukan merupakan tetapan melainkan bervariasi
selama proses pengubahan kuat medan magnet. Dalam proses magnetisasi bahan,
semula induksi magnetik B lebih pesat daripada bertambahnya kuat medan
magnet H, tetapi kemudian variasi B itu lebih lambat sampai terjadi keadaan jenuh
di mana variasi H hampir tidak mengubah B. Kalau kemudian kuat medan magnet
H semakin dikurangi, maka induksi magnetik B tidak segera mengikuti
pengubahan H, sehingga pada saat H = 0, B belum menjadi nol tetapi masih
tersisa sebesar apa yang dinamakan remanen magnetik Br. Untuk membuat B = 0
diperlukan pembalikan medan magnet H sampai sejauh apa yang disebut gaya
Universitas Sumatera Utara
22
koersif Hc, selanjutnya pembalikan kembali arah
H
yang mengakibatkan
pembalikan arah B, tetapi perubahan B tidak secepat perubahan H.
2.11 Permeabilitas Magnet
Permeabilitas (permeability) adalah kemampuan suatu benda untuk dilewati garis
gaya magnet. Permeabilitas dinyatakan dengan simbol µ . Benda yang mudah
dilewati garis gaya magnet disebut memiliki permabilitas yang tinggi.
Permebilitas magnet merupakan konstanta perbandingan antara rapat fluks (B)
dengan kuat medan (H) yang digasilkan magnet. Untuk udara dan bahan
nonmagnetik, permeabilitas dinyatakan sebagai permeabilitas ruang kosong (µo =
4π.10-7 H/m ), sehingga :
B/H = µo
(2.20)
Untuk bahan lain maka permeabilitasnya sebanding dengan permeabilitas ruang
kosong dikalikan permeabilitas relatif bahan (µr). Sehingga diperoleh :
B/H = µo µr
(2.21)
Permeabilitas relatif didefenisikan debagai :
(2.22)
Dengan :
B
= kerapatan fluks per medter persegi (Tesla)
µ
= permeabilitas suatu benda
µr
= permeabilitas relatif
µo
=permeabilitas udara
H
= kuat medan magnet dalam satuan ampere-turns per meter (At/m)
Sehingga pada ruang hampa, µr = 1 dan µo µr = µ, dinamakan permeabilitas
absolut. Dengan konstanta permeabilitas maka karakteristik kemagnetan suatu
bahan dapat digambarkan dalam kurva perbandingan B – H. Permeabilitas µ dari
benda-benda magnetik adalah perbandingan antara B dengan H, dinyatakan
dengan rumus:
(2.23)
Universitas Sumatera Utara
23
Semakin besar arus yang mengalir didalam suatu kumparan, semakin besar kuat
medannya, begitu juga semakin banyak lilitan kawatnya, semakin banyak
dihasilkan garis gaya magnet. Perkalian antara kuat arus dan jumlah lilitan disebut
Ampere-lilitan, atau gaya gerak magnet, dinyatakan dengan rumus :
(2.24)
Dengan :
F = gaya gerak magnet (ggm) dalam satuan At (=Ampere turns)
N = jumlah lilitan
I = kuat arus pada kawat kumpaaran dalam satuan Ampere
Bila suatu kumparan direnggangkan menjadi dua kali dari panjang aslinya, maka
kuat medan magnetnya menjadi setengahnya. Field intensity (kuat medan magnet)
berbanding lurus dengan jumlah lilitan dan besar arus pada kawat kumparan dan
berbanding terbalik dengan panjang kumparan. Hal ini dinyatakan dengan
rumus:
(2.25)
Dengan :
H
= kuat medan magnet dalam satuan ampere-turns per meter (At/m)
NI
= ampere-turns (lilitan-ampere), dalam satuan At
l
= panjang
Persamaan diatas untuk kumparan dengan inti udara. Bila digunakan inti yang
lain, misalnya besi, maka H adalah kuat medan magnet pada inti, sedangkan l
adalah jarak antara ujung kedua kutub inti (panjang inti) tersebut.
2.12 Dipol Magnet
Kekuatan magnet yang dihasilkan dengan memindahkan partikel bermuatan
listrik, Pasukan magnetic ini di samping setiap gaya elektrostatik yang mungkin
berlaku. Banyak kali akan lebih mudah untuk memikirkan kekuatan magnet dalam
hal bidang. Garis imajiner kekuatan dapat ditarik untuk menunjukkan arah gaya
pada posisi di sekitar sumber lapangan. Distribusi medan magnet seperti yang
ditunjukkan oleh garis-garis gaya diperlihatkan untuk loop saat ini dan juga.
Universitas Sumatera Utara
24
Dipol magnetik dapat dianggap sebagai magnet bar kecil yang terdiri dari
kutub utara dan selatan bukan muatan listrik positif dan negatif. Dipol magnetik
dipengaruhi oleh medan magnet dalam cara yang mirip dengan cara di mana dipol
listrik dipengaruhi oleh medan listrik. Dalam medan magnet, kekuatan bidang itu
sendiri memberikan sebuah torsi yang cenderung mengarahkan dipol dengan
lapangan.
2.13 Kemagnetan Bahan
Kita dapat menggolongkan benda berdasarkan sifatnya. Berdasarkan kemampuan
benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda
bukan magnet. Namun, tidak semua benda yang berada di dekat magnet dapat
ditarik. Benda yang dapat ditarik magnet disebut benda magnetik. Benda
yang tidak dapat ditarik magnet disebut benda nonmagnetik.
Benda yang dapat ditarik magnet ada yang dapat ditarik kuat, dan ada
yang ditarik secara lemah. Oleh karena itu, benda dikelompokkan menjadi tiga,
yaitu benda feromagnetik, benda paramagnetik, dan benda diamagnetik. Bendabenda magnetik yang bukan magnet dapat dijadikan magnet. Benda itu ada
yang mudah dan ada yang sulit dijadikan magnet. Besi mudah untuk dibuat
magnet, tetapi jika setelah menjadi magnet sifat kemagnetannya mudah hilang.
Oleh karena itu, besi digunakan untuk membuat magnet sementara.
2.13.1 Bahan Diamagnetik
Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing atom/ molekulya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin
elektronnya tidak nol. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet
permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektronelektron dalam atom akan mengubah gerakannya sedemikian rupa sehingga
menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan
medan
magnet
luar
tersebut.Contohnya
timah,
aluminium,
emas,
dan
bismuth.Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron.Karena
Universitas Sumatera Utara
25
atom mempunyai elektron orbital, maka semua bahan bersifat diamagnetik. Suatu
bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut
mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik
hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis
gaya.
2.13.2 Bahan Paramagnetik
Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis
masing-masing atom/ molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet
atomis total seluruh atom/ molekul dalam bahan nol, hal ini disebabkan
karena gerakan atom/ molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis
masing-masing atom saling meniadakan. Di bawah pengaruh medan
eksternal, mereka mensejajarkan diri karena torsi yang dihasilkan. Sifat
paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah
oleh medan magnet luar.
Gambar 2.13 Arah domain-domain dalam bahan paramagnetik sebelum diberi
medan magnet luar
Bahan ini jika diberi medan magnet luar, elektron-elektronnya akan berusaha
sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan
medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin
yang menjadi terarah oleh medan magnet luar.
Universitas Sumatera Utara
26
Gambar 2.14 Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberi medan
magnet luar.
Dalam bahan ini hanya sedikit spin elektron yang tidak berpasangan, sehingga
bahan ini sedikit menarik garis-garis gaya. Dalam bahan paramagnetik, medanB
yang dihasilkan akan lebih besar dibanding dengan nilainya dalam hampa udara.
2.13.3 Bahan Feromagnetik
Bahan ferromagnetik mempunyai resultan medan magnet atomis besar, hal ini
disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan ini banyak spin
elektron yang tidak berpasangan, masing-masing spin elektron yang tidak
berpasangan ini akan menimbulkan medan magnetik, sehingga medan magnet
total yang dihasilkan oleh satu atom menjadi lebih besar. Medan magnet dari
masing-masing atom dalam bahan ferromagnetik sangat kuat, sehingga interaksi
diantara atom-atom tetangganya menyebabkan sebagian besar atom akan
mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok, kelompok inilah yang
dikenal dengan domain. Domain-domain dalam bahan ferromagnetik, dalam
ketiadaan medan eksternal, momen magnet dalam tiap domain akan paralel, tetapi
domain-domain diorientasikan secara acak, dan yang lain akan terdistorsi karena
pengaruh medan eksternal. Domain dengan momen magnet paralel terhadap
medan eksternal akan mengembang, sementara yang lain mengerut. Semua
domain akan menyebariskan diri dengan medan eksternal pada titik saturasi,
artinya bahwa setelah seluruh domain sudah terarahkan, penambahan medan
magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang
perlu disearahkan, keadaan ini disebut dengan penjenuhan (saturasi). Bahan ini
juga mempunyai sifat remanensi, artinya bahwa setelah medan magnet luar
Universitas Sumatera Utara
27
dihilangkan, akan tetap memiliki medan magnet, karena itu bahan ini sangat baik
sebagai sumber magnet permanen.
2.14 Power Supply ( Sumber Daya )
Semua peralatan elektronika menggunakan
sumber tenaga untuk beroperasi,
suber tenaga tersebut bermacam-macam ada dari battery, accu, dan ada yang
langsng menggunakan tenaga listrik jala-jalaPLN. Power supply adalah sebuah
perangkat yang memasok energy listrik untuk satu alat atau system yang berfungsi
untuk menyalurkan energy listrik. Istilah ini sering diterapkan ke perangkat yang
mengkorversi salah satu bentuk energy listrik yang lain. Sebuah catu daya diatur
adalah salah satu yang mengontrol tegangan output atau untuk nilai tertentu, nilai
dikendalikan mengadakan hamper konstan, meskipun variasi baik dalam beban
atau tegangan yang diberikan oleg sumber energy satu daya. Secara prinsip
rangkaian power supply adalah menurunkan tegangan AC, menyearahkan
tegangan AC sehingga menjadi DC, menstabilkan tegangan DC.
Gambar 2.15 Konversi Arsu AC menjadi Arus DC.
Untuk konversi AC ke DC, ada dua metode yang digunakan.Pertama
dengan linear power supply, ini adalah rangkaian AC ke DC yang sangat
sederhana. Msetlah listrik AC dari kine input di step down oleh transformer,
kemudian dijadikan DC secara sederhana dengan rangkaian empat diode
penyearah. Komponen tambahan lain adalah kapasitor untuk meratakan tegangan.
Universitas Sumatera Utara
28
Tambahan komponen yang mungkin disertakan adalah linear regulation, yang
bertugas menjaga tegangan sesuai yang diinginkan, meski daya output yang
dibutuhkan semakin bertambah.
Prinsip kerja dari power supply adalah menurunkan tegangan AC,
menyearahkan tegangan AC sehingga menjadi DC, menstabilkan tegangan DC,
yang terdiri atas transformer, diode, dan kapasitor. Tegangan jala- jala 220 Volt
dari linstrik PLN diturunkan oleh trasformator penurun tegangan ( step Down )
yang menerapkan perbandingan lilitan. Dimana perbandingan lilitan dari suatu
trasformator akan mempengaruhi tegangan yang dihasilkan. Rangkaian penyearah
yang digunakan memanfaatkan empat dioda brigde yang telah dirancang untuk
meloloskan kedua sirklus gelombang Ac menjadi saru arah.Arus masuk ke dioda
jembatan sehingga arus yang awalnya arus AC menjadi arus DC. Hal ini
disebabkan karena selama setengah siklus tegangan sekunder yang positif
menyebabkan arus akan mengalir ke diode ke 2 dan tidak akan mengalir ke dioda
1 karena diode 1 yang merefers arus kemudian diode 2 yang memfordward arus.
Kemudian pada saat arus kembali ke penyearah jembatan maka arus melalui diode
ke 3 karena arus cenderung mengalir dari potensial tinggi ke rendah dan kembali
ke trafo.Dan selama setengah siklus tegangan sekunder yang negative maka arus
melalui diode ke 4 lalu masuk ke rangkaian.Pada saat arus kembali ke penyearah
jembatan arus hanya melalui diode 1 dan kembali ke trafo. Dari proses tersebut
rangkaian hanya mengalami satu kondisi meyebabkan arus dari ac menjadi dc.
Gelombang dua arah yang telah diubah menjadi satu arah keluaran dari
dioda brigde masih memiliki tegangan amplitude yang tidak merata, hal ini
dikarenakan diode brigde hanya menghilakan sirklus negative dan menjadikannya
sirklus positif tetapi tidak berubah bentuk gelombang sama sekali dimana masih
memiliki lembah dan bukit. Untuk itu dimanfaatkan kapasitor yang mempunyai
kapasisitansi yang cukup besar untuk membuat rata gelombang tersebut menjadi
rata.
Hal ini dikarenakan lamanya proses pelepasan muatan oleh kapasitor
sehingga seolah-olah amplitude dari gelombang tersebut menjadi merata. Tingkat
kerataan dari gelombang yang dihasilkan maish dipengaruhi oleh impedansi beban
yang kelak akan dihubungkan dengan rangkaian power suppy tersebut. Seakin
kecil inpedan si beban maka akan menjadikan pelepasan muatan pada kapasitor
Universitas Sumatera Utara
29
akan semakin cepat, sehingga dengan begitu makan bisa dipastikan gelombang
semula rata akan berubah kembali memiliki ripple akibat pelepasan muatan yang
begitu cepat.
2.15 Constant Current
Bila pada kumparan kawat kita alirkan arus listrik, maka pada daerah yang
dibatasi oleh kumparan tersebut akan timbul medan magnet. Besar medan magnet
yang ditimbulkan tergantung kepada permebilitas daripada bahan yang berada
pada daerah yang dibatasi oleh kumparan, dan juga tergantung pada arus listrik
yang dilewatkan pada kumparan kawat. Bila permebilitas bahan dianggab tetap,
maka teknik yang paling mudah untuk mendapatkan medan magnet dengan besar
tertentu adalah dengan mengalirkan sejumlah arus pada kumparan yang meliliti
kawat tersebut. Namun medan yang diperoleh belum tentu konstan. Hal itu
disebabkan karena besaran arus sangat bergantung pada besaran potensial listrik
dan juga resistansi yang dilaluinya. Untuk potesial yang berubah-ubah atau harga
resistor yang berubah-ubah, maka arus yang mengalir tidak konstan dan akibatnya
medan magnet yang ditimbulkan menjadi tidak konstan.
Di laboratorium stuktur dan sifat-sifat material LIPI, telah ada sebuah alat
yang akan menghasilkan medan magnet konstan. Sensitivitas dari alat itu tiap 1
gauss dibutuhkan arus sebesar 1Ampere. Arus tersebut tidak selalu menghasilkan
besarnya medan magnet yang linear terhadap arusnya, tetapi pada suatu titik
tertentu medan magnet ini seakan akan sudah jenuh dan ia akan menjadi konstan
terhadap perubahan ampere. Keadaan jenuh tersebut terletak kira-kira 10 A.
Pada pendahuluan telah dikatakan bahwa pada kumparan kawat, dialirkan
arus listrik, maka pada daerah yang dibatasi oleh kumparan akan timbul magnet,
hubungan ini secara matematis dituliskan dengan rumus sederhana yaitu :
(2.26)
Dimana :
µ = permebibilitas inti kumparan
N = banyaknya lilitan
i = besarnya arus yang dilewatkan ( A )
B = besarnya medan magnet yang ditimbulkan ( T )
r = jari-jari selonoida/ kumparan ( m )
Universitas Sumatera Utara
30
Bila µ, N, L, adalah konstan, hubungan diatas tampaknya linear.Disini besarnya
arus I juga bisa berubah akibat perubahan tahanan kawat yang dipakai. Oleh sebab
itu sumbar daya yang dipakai (power supply) yang akan dibuat harus bisalah
mengatasi persoalan ini, selain juga harus memuhi persyaratan yang diperlukan.
Jadi fungsi regulator adalah mengatur arus yang masuk pada beban, dan sekaligus
dapat menjaga supaya arus tersebut dapat konstan, baik oleh karena perubahan
tegangan jala-jala atau oleh perubahan resistansi beban.Artinya jika kita
membutuhkan sekian gauss, maka kebutuhan itu bisa kita atur dari regulator.
Universitas Sumatera Utara