Strukturisasi Materi Medan Magnet - Medan Magnet created by Andi

SMA Kelas XII
Strukturisasi Materi Medan Magnet
1 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
ANDI SULIANA
15B08050
PENDIDIKAN FISIKA KELAS C
Mata Pelajaran
: Fisika
Satuan Pendidikan
: SMA/MA
Kelas
: XII
Kompetensi Inti
KI 1
: Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya
KI 2
: Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong
royong, kerjasama, toleran, damai), beriteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan
alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia
KI 3
: Memahami, menerapkan, menganalisis, dan mengevaluasi pengetahuan faktual, konseptual,
prosedural dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan,
teknologi, seni, budaya dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan,
dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural
pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah
KI 4
: Mengolah, menalar, menyaji, dan menciptakan dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait
dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri serta bertindak secara
efektif dan kreatif, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan.
2 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
A. Kompetensi Dasar:
3. 4 Menganalisis induksi magnet dan gaya magnetik pada berbagai produk
teknologi
B. Indikator
1.
2.
3.
4.
5.
Melaksanakan pengamatan dan memformulasikan induksi magnet dan gaya
magnetik di sekitar kawat berarus listrik.
Memformulasikan hokum Ampere
Mengaplikasikan hokum Biot Savart dan hokum Ampere untuk menentukan kuat
medan magnet oleh berbagai bentuk kawat berarus listrik
Memformulasikan gaya magnet (Lorenz) pada kawat berarus yang berada dalam
medan magnet atau partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet
Mengaplikasikan gaya Lorenz pada persoalan fisika sehari-hari
3 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
PETA KONSEP
Medan Magnetik
Gaya Magnet
Induksi Magnet
Penghantar lurus
berarus
Penerapan
Galvanometer
Penghantar
melingkar berarus
Motor Listrik
Penghantar berarus di
medan magnet
Sumbu solenoida
Muatan listrik yang
bergerak dalam medan
magnet
4 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Dua penghantar
sejajar
Sumbu toroida
STRUKTURISASI MATERI MEDAN MAGNET
No.
Langkah-Langkah
Pengetahuan & Pengalaman
Pendukung
Konten/Materi Utama
Dalam kehidupan sehari-hari,
disadari atau tidak, Anda
sering menggunakan alat-alat
yang memanfaatkan magnet.
Misalnya,
Menjelaskan
1.
pengertian dari
medan magnet
magnet
dapat
menjaga agar pintu lemari
atau kulkas tetap tertutup.
Selain itu, ada pula alat-alat
yang
memanfaatkan
magnet,
magnetnya
namun
sendiri
sifat
wujud
Medan magnet adalah daerah disekitar magnet yang menyebabkan
sebuah muatan yang bergerak di sekitarrnya mengalami suatu gaya.
Medan magnet tidak dapat dilihat namun dapat dijelaskan dengan
mengamati pengaruh magnet pada benda lain, misalnya pada serbuk
besi.
tidak
terlihat, seperti bel pintu,
telepon, dan motor listrik
pada bor.
5 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Benda dapat
1. Bahan Magnetik :
digolongkan berdasarkan
Bahan yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet dan dapat
sifatnya. Kemampuan suatu
dimagnetkan.
benda menarik benda lain
Contoh : besi, nikel, kobalt
yang berada di dekatnya
Mengetahui bahan
2.
magnetik, nonmagnetik dan bahan
diamagnetik
disebut kemagnetan.
Berdasarkan kemampuan
benda menarik benda lain
dibedakan menjadi dua, yaitu
benda magnet dan benda
2. Bahan Non-magnetik, terdiri dari :
bukan magnet. Namun,
Bahan paramagnetik,
tidak semua benda yang
Bahan yang ditarik dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat
berada di dekat magnet dapat
dimagnetkan.
ditarik.
Contoh : aluminium
6 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
3. Bahan diamagnetik,
Bahan yang ditolak dengan lemah oleh magnet dan tidak
dapat dimagnetkan
Contoh : seng
Sebagian
3.
besar
peralatan
Menjelaskan kuat
elektronik yang kita jumpai
medan magnet,
dalam kehidupan sehari-hari
ialah besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di
Fluks magnetik dan
kita, bekerja pada prinsip
dalam medan magnet.
arah garis gaya
fluks
magnetik.
Contoh
terbaik adalah transformator.
7 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
1.
2.
Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet
Fluks magnetik dapat didefinisikan sebagai ukuran medan
magnet dalam penampang tertentu. Dalam istilah sederhana,
Prinsip kerjanya didasarkan
fluks magnet adalah ukuran dari jumlah garis medan magnet
pada fenomena Fluks magnet.
yang menembus suatu permukaan ( fluks adalah garis hayal,
tapi garis kontinu, berjalanan dari kutub utara magnet ke
kutub selatan).
3.
Jumlah gari-garis gaya yang menembus tegak lurus bidang
seluas 1 m2 disebut rapat fluks magnet (B). Dapat ditulis
sebagai
B

A
Dimana:
B = Kerapatan fluks (Wb/m2)
 = Fluks total (Wb)
A = Luas medan magnet (m2)
4.
Pada umumnya, rapat fluks magnet bervariasi dari satu titik
ke titik lain dalam ruang. Rapat fluks magnet di suatu titik
disebut induksi magnetik. Induksi magnetik merupakan
besaran vektor. Arahnya sama dengan arah garis singgung
pada gari-garis gaya magnet. Induksi magnetik di suatu titik
di udara sama dengan kuat medan magnet di titik itu. Secara
8 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
matematis, ditulis
B=H
Jika induksi magnetik terjadi bukan di udara, melainkan di
dalam suatu zat maka:
B=µH
Dimana:
B = rapat garis-garis gaya.
 = Permeabilitas zat itu.
H = Kuat medan magnet.
5.
Arah garis gaya dengan menggunakan kaidah tangan kanan
yaitu arah ibu jari menggambarkan arah arus listrik dan arah
lipatan keempat jari menunjukkan arah garis gaya magnet
atau arah induksinya. Besar kuat medan magnet sangat
dipengaruhi oleh arus listrik yang menimbulkannya, jarak
terhadap kawat, dan bentuk kawatnya.
9 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
4.
Mengetahui hukum
Biot-Savart
Pada saat
Hans
Christian
Oerstedmengadakan
percobaan untuk mengamati
hubungan antara kelistrikan
dan kemagnetan,
ia
belum
sampai menghitung besarnya
kuat medan magnet di suatu
Sebuah kawat apabila dialiri oleh arus listrik akan menghasilkan
medan magnet yang garis-garis gayanya berupa lingkaran-lingkaran
yang berada di sekitar kawat tersebut. Arah dari garis-garis gaya
magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan (apabila kita
menggenggam tangan kanan ibu jari sebagai arah arus listrik
sedang keempat jari yang lain merupakan arah medan magnet).
(Hk. Oersteid).
10 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
titik
di
sekitar
kawat Besar induksi magnetik di satu titik di sekitar elemen arus,
berarus. Perhitungan
secara sebanding dengan panjang elemen arus, besar kuat arus, sinus sudut
matematik baru dikemukakan yang diapit arah arus dengan jaraknya sampai titik tersebut dan
oleh ilmuwan
yaituJean
dari
Bastiste
Felix Savart.
Prancis berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.
Biotdan
Berdasarkan
B=k.
I .   sin 
r2
hasil eksperimennya tentang
pengamatan medan magnet di
suatu titik P yang dipengaruhi
oleh suatu kawat penghantar k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional
dl, yang dialiri arus listrik I
diperoleh kesimpulan bahwa
k=

Weber
A. m
= 10-7
0
4
besarnya kuat medan magnet Vektor B tegak lurus pada l dan r, arahnya dapat ditentukan denagan
(yang kemudian
disebut tangan kanan. Jika l sangat kecil, dapat diganti dengan dl.
induksi magnet yang diberi
lambang B) di titik P :


0
4
I .   sin 
r2
Berbanding lurus dengan Persamaan ini disebut hukum Ampere.
kuat arus listrik (I).

dB =
Berbanding lurus dengan
11 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
panjang
kawat
(dl). c.
Berbanding
dengan
terbalik
kuadrat
jarak
antara titik P ke elemen
kawat penghantar (r).

Sebanding dengan sinus
sudut apit θ antara arah
arus dengan garis hubung
antara titik P ke elemen
kawat penghantar.
5.
Induksi Magnetik
Jika sebuah penghantar dialiri
arus listrik maka di sekitar
kawat tersebut akan timbul
medan
pertama
magnet.
kali
Hal
ini
dikemukakan
oleh seorang ilmuan yang
bernama
Hans
Chrisitan
Oersted (1777 – 1851) melalu
12 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
1. Induksi magnetik di sekitar arus lurus.
percobaannya yang dikenal Besar induksi magnetik di titik A yang jaraknya a dari kawat
dengan percobaan Oersted.
sebanding dengan kuat arus dalam kawat dan berbanding terbalik
Berdasarkan hasil percobaan, dengan jarak titik ke kawat.
Oersted
menyimpulkan
B=
bahwa di sekitar arus listrik
terdapat medan magnet atau
B dalam W/m2
perpindahan
I dalam Ampere
muatan listrik
menimbulkan medan magnet.

0
2
.
I
 .a
a dalam meter
Kuat medan dititik H =
B

=

I
B
=
2 . a
r .
0
r udara = 1
Jika kawat tidak panjang maka harus digunakan Rumus :
B
13 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]

0
i
4  a
(cos 1  cos 2 )
2. Induksi magnetik di pusat arus lingkaran.
Titik A berjarak x dari pusat kawat melingkar besarnya induksi
magnetik di A dirumuskan :
Jika kawat itu terdiri atas N lilitan maka :

a. I . N
. sin  1
B=
.
2
r2
0
atau
a2 . I. N
B=
.
2
r3
3. Induksi magnetik di pusat lingkaran.
Dalam hal ini r = a dan  = 900
Besar induksi magnetik di pusat lingkaran.
B=
14 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]

2
0
.
I. N
a

0
B dalam W/m2.
I dalam ampere.
N jumlah lilitan.
a jari-jari lilitan dalam meter.
Arah medan magnetik dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan.
Jika arah arus sesuai dengan arah melingkar jari tangan kanan arah
ibu jari menyatakan arah medan magnet.
4. Induksi
magnetik
oleh
kumparan
panjang
(Solenoida)
Solenoide adalah gulungan kawat yang di gulung seperti spiral.
15 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Bila kedalam solenoide dialirkan arus listrik, di dalam selenoide
terjadi medan magnet dapat ditentukan dengan tangan.
Gambar :
Besar induksi magnetik dalam solenoide.
Jari-jari penampang solenoide a, banyaknya lilitan N dan panjang
16 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
solenoide 1. Banyaknya lilitan pada dx adalah :
N

. dx atau n dx, n
banyaknya lilitan tiap satuan panjang di titik P.
Bila 1 sangat besar dibandingkan dengan a, dan p berada di tengahtengah maka 1= 0 0 dan 2 = 180 0
Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide :
B

0
2
n I . 2
B n I
0
Bila p tepat di ujung-ujung solenoide 1= 0 0 dan 2 = 90 0
B
B
5. Induksi
(Toroida)
17 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]

0
n I .1
0
n I
2

2
magnetik
oleh
kumparan
panjang
Sebuah solenoide yanfg dilengkungkan sehingga sumbunya
membentuk lingkaran di sebut Toroida.
Bila keliling sumbu toroida 1 dan lilitannya berdekatan, maka
induksi magnetik pada sumbu toroida.
B n I
n dapat diganti dengan
N
2 R
N banyaknya lilitan dan R jari-jari toroida.
6.
Menjelaskan Gaya
Pernahkah
kamu
Pada percobaan oersted telah dibuktikan pengaruh arus
Lorenz
membayangkan sebuah kereta
listrik terhadap kutub magnet, bagaimana pengaruh kutub magnet
api
terhadap arus listrik akan dibuktikan dari percobaan berikut :
yang
dengan
sama
mampu
kecepatan
dengan
melaju
hampir Seutas kawat PQ ditempatkan diantara kutub-kutub magnet ladam
kecepatan kedalam kawat dialirkan arus listrik ternyata kawat melengkung
pesawat terbang? Bagaimana kekiri.
mungkin hal ini dapat terjadi?
Gejala ini menunjukkan bahwa medan magnet mengerjakan
Kereta Maglev adalah kereta gaya pada arus listrik, disebut Gaya Lorentz. Vektor gaya Lorentz
api yang mengambang secara tegak lurus pada I dan B. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan
18 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
magnetik.
Kereta
ini dengan tangan kanan. Bila arah melingkar jari-jari tangan kanan
memanfaatkan gaya angkat sesuai dengan putaran dari I ke B, maka arah ibu jari menyatakan
magnetik
pada
relnya arah gaya Lorents.
sehingga terangkat sedikit ke gambar :
atas.
Gaya
dorong
yang
dihasilkan oleh motor induksi
mampu menggerakkan kereta
ini dengan kecepatan hingga
650 km/jam.
Besar Gaya Lorentz.
Hasil-hasil yang diperoleh dari percobaan menyatakan bahwa besar
gaya Lorentz dapat dirumuskan sebagai :
F=BI

sin 
F = gaya Lorentz.
B = induksi magnetik medan magnet.
I = kuat arus.

19 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
= panjang kawat dalam medan magnet.
 = sudut yang diapit I dan B.
Satuan Kuat Arus.
Kedalam kawat P dan Q yang sejajar dialirkan arus listrik. Bila arah
arus dalam kedua kawat sama, kawat itu saling menarik.
Penjelasannya sebagai berikut :
Dilihat dari atas arus listrik P menuju kita digambarkan sebagai arus
listrik dalam kawat P menimbulkan medan magnet. Medan magnet
ini mengerjakan gaya Lorentz pada arus Q arahnya seperti
dinyatakan anak panah F. Dengan cara yang sama dapat dijelaskan
gaya Lorentz yang bekerja pada arus listrik dalam kawat P.
20 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Kesimpulan :
Arus listrik yang sejajar dan searah tarik-menarik dan yang
berlawanan arah tolak- menolak.
Bila jarak kawat P dan Q adalah a, maka besar induksi magnetik
arus P pada jarak a :
B

0
2
IP
 a
Besar gaya Lorentz pada arus dalam kawat Q
F  B. I Q . Q
Besar gaya Lorentz tiap satuan panjang
F  B. I Q

F

0
2

2
0
IP
IQ
 a
I P IQ
 a
F tiap satuan panjang dalam N/m.
21 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Ip dan IQ dalam Ampere dan a dalam meter.
Bila kuat arus dikedua kawat sama besarnya, maka :
F

0 2I 2
I2
I2

 2.10 7
a
2  a
4  a
0
Untuk I = 1 Ampere dan a = 1 m maka F = 2.10-7 N/m
Kesimpulan :
1 Ampere adalah kuat arus dalam kawat sejajar yang
jaraknya 1 meter dan menimbulkan gaya Lorentz sebesar
2.10-7 N tiap meter.
Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Listrik .
Pertambahan energi kinetik.
Partikel A yang massanya m dan muatannya q berada dalam medan
22 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
listrik serba sama, kuat medannya E arah vektor E kekanan. Pada
partikel bekerja gaya sebasar F = qE, oleh sebab itu partikel
memperoleh percepatan : a 
q. E
m
Usaha yang dilakukan gaya medan listrik setelah partikel berpindah
d adalah :
W = F . d = q . E .d
Usaha yang dilakukan gaya sama dengan perubahan energi kinetik
Ek = q . E .d
1
2
mv2  21 mv1  q. E . d
2
2
v1 kecepatan awal partikel dan v2 kecepatannya setelah menempuh
medan listrik
sejauh d.
Lintasan partikel jika v tegak lurus E.
23 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
Didalam medan listrik serba sama yang kuat medannya E, bergerak
partikel bermuatan positif dengan kecepatan vx.
Dalam hal ini partikel mengalami dua gerakan sekaligus, yakni
gerak lurus beraturan sepanjang sumbu x dan gerak lurus berubah
beraturan sepanjang sumbu y.
Oleh sebab itu lintasannya berupa parabola. Setelah melintasi medan
listrik, lintasannya menyimpang dari lintasannya semula.
t

v
d  21 at 2  21 .
q. E  2
.
m vX 2
Kecepatan pada saat meninggalkan medan listrik.
v  v X  vY
2
v Y  a. t 
24 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
2
q. E 
.
m vX
Arah kecepatan dengan bidang horisontal  :
tg  
vY
vX
Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Magnet
Besar gaya Lorentz pada partikel.
Pada arus listrik yang berada dalam medan magnet bekerja gaya
Lorentz.
F=B.I.

sin 
Arus listrik adalah gerakan partikel-partikel yang kecepatannya
tertentu, oleh sebab itu rumus di atas dapat diubah menjadi :
F=B.
q
. v . t sin 
t
F = B . q . v sin 
F adalah gaya Lorentz pada partikel yang muatannya q dan
kecepatannya v, B besar induksi magnetik medan magnet,  sudut
25 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
yang diapit vektor v dan B.
Lintasan partikel bermuatan dalam medan magnet.
Tanda x menyatakan titik tembus garis-garis gaya kemagnetan yang
arah induksi magnetiknya ( B ) meninggalkan kita. Pada partikel
yang kecepatannya v, bekerja gaya Lorentz.
F = B . q . v sin 900
F=B.q.v
Vektor F selalu tegak lurus pada v, akibatnya partikel bergerak
26 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]
didalam medan magnet dengan lintasan bentuk : LINGKARAN.
Gaya centripetalnya yang mengendalikan gerak ini adalah gaya
Lorentz.
Fc = F Lorentz
m v2
=B.q.v
R
R=
mv
B q
R = jari-jari lintasan partikel dalam magnet.
M = massa partikel.
v = kecepatan partikel.
q = muatan partikel.
Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan kadah tangan kanan bila
tangan kanan di buka : Ibu jari menunjukkan ( v ), keempat jari
menunjukkan ( B ) dan arah telapak tangan menunjukkan ( F )
27 Komputerisasi P e m b e l a j a r a n F i s i k a [ 2 0 1 6 ]