magnetisme - BP3IP Jakarta

BAB III
MAGNETISME
Tujuan Penmbelajaran :
-
Memahami dan mengerti tentang sifat-sifat magnet, bahan dan
kegunaannya.
Magnetisme (kemagnetan) tercakup dalam sejumlah besar operasi alat listrik,
seperti generator, motor listrik, instrumen ukur, dan trans formator.
A. MAGNET DAN BAHAN MAGNETIK
Bahan tertentu mempunyai kemampuan menarik besi dan baja. Benda
yang mempunyai sifat ini disebut magnet. Magnet ditemukan di alam dalam
bentuk mineral yang disebut magnetik.Tetapi magnet alam mempunyai
sedikit nilai praktis dan magnet komersial dibuat dari besi dan baja atau
bahan campuran.
Magnet dapat digolongkan sebagai magnet permanen dan sementara,
tergantung pada kemampuannya mempertahankan sifat magnet. Baja yang
dikeraskan dan campuran nikel dan kobalt ter tentu jika diberi sifat magnet,
mempertahankan
permanen,
tetapi
sifat
jika
magnetnya
sepotong
lama
besi
sekali
lunak
dan
disebut
dijadikan
magnet
magnet,
ia
mempertahankan sebagian kecil sifat magnetnya, setelah gaya magnetnya
dihilangkan.
Magnet permanen digunakan secara luas dalam instrumen listrik. Dalam
generator listrik dan motor di mana diinginkan mengontrol banyaknya sifat
magnet yang ada di dalam magnet, digunakan magnet sementara besilunak.
Bahan yang ditarik atau ditolak oleh magnet disebut bahan magnet. Besi
dan baja selama ini merupakan bahan magnet yang paling umum. Nikel
dan kobalt dan beberapa campurannya juga bersifat magnet, campurannya
digunakan dalam magnet permanen bermutu-tinggi.
Jika suatu bahan mudah dimagnetkan, dikatakan mempuny ai permeabilitas
tinggi, seperti besi-lunak. Baja sukar dimagnetkan, jadi mempunyai
permeabilitas yang jauh lebih rendah.
1
Sebuah batang baja lurus jika dimagnetkan disebut magnet batang. Jika
magnet batang dimasukkan ke dalam serbuk besi, ternyata sejuml ah besar
serbuk ditarik pada ujung batang dan hanya sedikit yang ditarik ke bagian
tengah magnet. Daerah pada ujung magnet di mana gaya tariknya terbesar
disebut kutub magnet.
B. MEDAN MAGNET DAN GARIS GAYA
Telah dikatakan bahwa magnet mempunyai gaya t arik untuk bahan-bahan
tertentu.
Gambar 1-1, seperti ujung jarum kompas (jarum baja yang
dimagnetkan) yang diberi tanda arahnya selalu menjauhi satu kutub dan
mengarah ke kutub lainnya. Pada pusat magnet, jarum menunjuk arah
yang sejajar dengan magnet. Kutub yang dituju oleh arah jarum disebut
kutub selatan magnet dan kutub lainnya disebut kutub utara.
Cara lain untuk menentukan kutub (polaritas) magnet adalah dengan
menggantung atau memberi poros pada pusatnya. Magnet kemudian akan
berhenti pada arah utara-selatan. Ujung magnet yang menunjuk utara
disebut kutub utara magnet, sedangkan ujung yang menunjuk selatan
disebut kutub selatan.
Gaya magnet mempunyai arah tertetu pada semua titik dan menuruti garis
lengkung dari utara ke selatan. Garis
yang demiki an disebut garis gaya
atau garis fluks (garis khayal).
Gambar 1-1 Arah garis gaya di sekitar
magnet batang seperti yang ditunjukkan
oleh jarum kompas.
Ruang sekitar magnet atau ruang yang di dalam gaya magnet bekerja
disebut medan magnet terdiri dari banyak garis gaya. Di dalam magnet,
setiap garis gaya lewat dari kutub selatan ke kutub utara, sehingga
membentuk lup tertutup (rangkaian magnet lengkap), yakni garis -garis
tersebut tidak memotong garis-garis magnet lainnya.
2
Gambar 1-2 Medan di sekitar magnet batang.
Medan magnet yang mengelilingi magnet disebut fluksi magnet, dan satuan
SI dari fluksi magnet adalah weber (wb). Intensitas fluksi magnet atau
fluksi setiap satuan luas disebut kerapatan fluksi (flux density),satuannya
tesla (T) dan sama dengan kerapatan satu weber setiap meter persegi.
Lintasan dimana fluksi magnet dibentuk disebut
rangkaian magnet.
Rangkaian magnet dari magnet batang terdiri dari lintasan fluksi magnet
yang melalui magnet dan ruang sekitarnya. Perlawanan yang diber ikan
oleh fluksi magnet dalam rangkaian magnet disebut reluktansi (reluctance)
rangkaian. Udara mempunyai reluktansi yang jauh lebih besar daripada
besi atau baja. Oleh sebab itu, rang kaian magnet seperti yang digunakan
dalam generator dirancang dengan celah udara yang sangat kecil dan
bagian terbesar dari lintasan yang dilalui oleh fluksi adalah besi.
C. TARIKAN DAN TOLAKAN MAGNET
Aturan tarikan dan tolakan magnet yaitu kutub magnet yang sama akan
tolak menolak dan kutub magnet yang tak sama akan tarik menarik.
Aturan ini didasarkan pada gambaran yang lebih teliti tentang garis gaya
magnet. Jika kutub utara yang kecil bebas bergerak dalam medan dekat
magnet, ia akan ditolak oleh kutub utara magnet dan ditarik oleh kutub
selatan. Lintasan yang diikuti k utub utara kecil yang bergerak dari utara ke
selatan magnet disebut garis gaya atau garis fluksi.
D. SIFAT MAGNET
Jika magnet batang dipotong menjadi dua, setiap bagian merupakan
magnet lengkap yang mempunyai kutub utara dan kutub selatan. Jika
setiap bagian dipotong lagi, bagian-bagiannya merupakan magnet. Jika
proses
berlanjut.
ternyata
bahwa
partikel-partikel
mengandung magnet (magnet elementer).
3
yang
lebih
kecil
Teori W eber tentang sifat magnetisme didasarkan pada anggapan bahwa
setiap molekul magnet adalah magnet kecil. Berdasarkan teori ini, suatu
batang besi atau baja tak bermagnet tersusun dari molekul magnet kecil
yang sesungguhnya sedemikian rupa sehingga magnetisme setiap molekul
dinetralkan oleh molekul yang berdekatan. Tetapi jika gaya pemagne tan
dikenakan pada besi atau baja, molekul diatur menjadi corak tertentu
dengan kutub utara dan kutub selatannya menunjuk arah yang berlawanan.
E. MEDAN SEKELILING KONDUKTOR YANG MENGALIRKAN ARUS
Pada tahun 1819, Oersted menemukan bahwa ada hubungan ter tentu
antara kelis-trikan dan magnetisme. Percobaan selanjutnya oleh Henry dan
Faraday meletakkan dasar untuk pengembangan mesin listrik modern.
Jika kompas didekatkan pada konduktor pengatur arus, jarum mengatur
dirinya pada sudut tertentu terhadap kondu ktor, hal ini menunjukkan
adanya medan magnet. Jika konduktor melalui lubang pada selembar
karton seperti ditunjukkan pada Gambar 1 -3 dan arus dilalukan melalui
konduktor, bentuk dan arah medan dapat ditentukan dengan menyetel
kompas pada berbagai titik pada karton dan mencatat simpangannya.
Percobaan ini menunjukkan bahwa ada medan magnet berbentuk lingkaran
konsentris di sekeliling konduktor. Jika arus mengalir ke bawah seperti
ditunjukkan pada Gambar 1-3, arah medan searah dengan jarum jam.
Tetapi jika polaritas catu dibalik sehingga arah arus ke atas, arah
medannya berlawanan dengan jarum jam. Aturan sederhana yang disebut
aturan
(kaidah)
tangan
kanan
untuk
konduktor,
telah
menetapkan
hubungan arah arus dan medan.
Gambar 1-3
Percobaan untuk mengetahui
medan di sekeliling konduktor.
4
Bayangkan konduktor sedang digenggam oleh tangan kanan dengan ibu
jari menunjuk arah aliran arus. Maka telunjuk menunjuk arah medan di
sekeliling konduktor.
Simbol (.) digunakan dalam diagram untuk menunjukkan pena mpang
konduktor
pengalir
arus
ke
arah
pembaca,
sedangkan
simbol
(+)
digunakan untuk menunjukkan arus mengalir menjauhi pembaca. Simbol simbol ini
sebagai pandangan arah aliran arus. Pada gambar yang
pertama anak panah mendekati pembaca dan yang terakhir anak panah
pergi menjauhi pembaca. Seperti Gambar 1-4.
Gambar 1-4 Gambaran tentang medan di
sekeliling konduktor yang mengalirkan arus
(a)
menuju
pembaca,
dan
(b)
menjauhi
pembaca.
Gambar 1-5 Medan di sekeliling dua konduktor
paralel.
F. MEDAN SEKELILING KUMPARAN
Magnetisme
yang
dikaitkan
dengan
konduktor
pengalir
arus
dapat
diperkuat dengan membuat konduktor ke dalam bentuk kumparan atau
selenoid.
Dapat ditunjukkan bagaimana medan dihasilkan di sekeliling kumparan de ngan dua konduktor paralel membawa arus dalam arah yang sama seperti
pada Gambar 1-5. Garis gaya mengelilingi setiap konduktor da lam arah
yang sama, menghasilkan gaya yang semuanya mengelilingi kedua kon duktor. Begitu juga medan yang dihasilkan oleh lingkaran beberapa
konduktor yang semuanya membawa arus dalam arah sama, membungkus
keseluruhan konduktor seperti ditunjukkan pada Gambar 1-6a. Jika arus
dibalik, arah medan terbalik, seperti pada Gambar 1 -6b.
5
Gambar
1-7a
mewakili
kumparan
yang
dibentuk
dengan
melilitkan
konduktor pada benda berongga atau tabung pipa dari karton. Perhatikan
bahwa jika arus mengalir melalui kumparan seperti arah yang ditunjukkan,
arus mengalir menjauhi pengamat pada bagian atas setiap lilitan (pada titik
1, 2, 3, 4, dan 5) dan menuju pengamat di bagian bawah setiap lilitan
(pada titik 6, 7, 8, dan 9).Ini digambarkan lebih lanjut dalam pandangan
melintang kumparan pada Gambar 1-7b.
Gambar 1-6 Medan di sekeliling beberapa
konduktor yang
semuanya mengalirkan
arus (a) menjauhi pembaca dan
(b)
mendekati pembaca.
Gambar 1-7 (a) Kumparan dililitkan pada tabung berongga.
(b) Pandangan potongan melintang menunjukkan medan yang
dihasilkan kumparan
Seperti di-tunjukkan oleh aturan tangan kanan untuk konduktor, medan d i
sekeliling konduktor 1, 2, 3, 4, dan 5 adalah dalam arah jarum jam dan
untuk konduktor 6, 7, 8, dan 9 berlawanan dengan arah jarum jam. Maka
medan yang dihasilkan oleh kumparan serupa dengan magnet batang,
yaitu fluksi muncul dari salah satu ujung kumpar an dan masuk pada ujung
yang lain. Ujung kumparan tempat munculnya fluksi disebut kutub utara
kumparan.
Polaritas setiap kumparan dapat ditentukan dengan cara aturan tangan kanan untuk kumparan, yang dapat dinyatakan sebagai berikut:
Bayangkan kumparan sedang digenggam oleh tangan kanan dengan jari
menunjuk pada arah arus dalam kumparan; ibu jari kemudian menunjuk ke
arah kutub utara dari kumparan.
6
G. GAYA GERAK MAGNET ATAU GGM
Ukuran kemampuan kumparan untuk menghasilkan fluksi disebut gaya
gerak magnet (magnetomotive force, disingkat ggm). Gaya gerak magnet
berkaitan dengan ggl dalam rangkaian listrik dan dapat dianggap sebagai
tekanan magnetik, sama seperti ggl dianggap sebagai tekanan listrik. Ggm
kumparan berubah sesuai dengan arus yang mengalir dala m kumparan dan
jumlah lilitan kumparan. Perkalian arus dalam amper dan jumlah lilitan
disebut amper lilitan dari kumparan. Amper lilitan diambil sebagai satuan
praktis ggm.
H. ELEKTROMAGNET
Kumparan dengan ggm tertentu dapat menghasilkan jumlah fluksi ya ng
lebih besar jika inti besi dimasukkan ke dalam kumparan, karena
permeabilitas besi jauh lebih besar dari udara. Magnet yang sangat kuat
disebut elektromagnet, dan dapat dibuat dengan menempatkan kumparan
di sekeliling inti besi.
Kekuatan
elektromagnet
tergantung
pada
banyaknya
amper-lilitan
kumparan pembangkit dan pada permeabilitas intinya. Besi -lunak adalah
bahan yang biasa digunakan untuk inti dari sebuah elektromagnet karena
permeabilitasnya yang tinggi. Kekuatan elektromagnet dengan jumlah
lilitan
tertentu
pada
kumparan
pembangkit
dapat
berubah
dengan
berubahnya arus yang melalui kumparan. Inilah cara untuk mengubah
banyaknya fluksi, dan begitupun dengan besarnya ggl yang dihasilkan
dalam generator.
Elektromagnet mempunyai banyak aplikasi dalam mesin listrik, seperti
generator. Rangkaian magnet dari generator dc dua -kutub ditunjukkan
pada Gbr 1-8. Medan magnet yang kuat di hasilkan oleh kedua kumparan
medan yang dililitkan pada inti kutub besi. Ketika jangkar diputar melalui
medan magnet, dihasilkan ggl dalam konduktor jangkar.
Gambar 1-8
Rangkaian magnet dari
generator kutub-dua.
7
Gambar 1-9 Relai kutub-tiga.
Relai yang ditunjukkan pada Gambar 1-9 menggambarkan aplikasi penting
dari
elektromagnet.
Relai
adalah
sakelar
yang
dioperasikan
oleh
elektromagnet. Relai elektromagnet terdiri dari kumparan dan inti besi
stasioner. Kontak relai dipasangkan pada batang besi bersendi disebut
jangkar. Jika elektromagnet diberi energi oleh arus yang melalui kumparan,
jangkar ditarik ke inti elektromagnet, sehingga menutup kontak relai. Jika
energi diputuskan, kontak dibuka oleh pegas.
Diperlukan arus kecil untuk menjalankan relai elektromagnet dan menutup
kontak relai. Kontak relai dapat dirancang untuk mengalirkan arus besar.
Sebagai
contoh,
relai
yang
ditunjukkan
pada
Gambar
1-9
hanya
memerlukan 0,24 A untuk bekerja, sedangkan kontak mempunyai batas
yang diizinkan membawa arus 25 A. Oleh sebab itu, relai digunakan jika
diinginkan mengontrol alat yang mem punyai nilai arus yang tinggi, seperti
misalnya pemanas listrik atau alat serupa dari jarak jauh. Tidaklah perlu
menjalankan catu utama untuk alat ke titik kontrol. Kawat kontrol -jarakjauh (remote-control) harus cukup besar untuk mengalirkan arus kumparan
relai.
Aplikasi lain dari elektromagnet adal ah dalam rem yang bekerja dengan
solenoida. Rem yang ditunjukkan pada Gambar 1 -10 disebut set-pegas
(spring-set), yakni rem yang dilepaskan dengan listrik. Seperti namanya,
rem ini disetel oleh kumparan pegas pada bagian atas rem dan dilepaskan
dengan listrik dengan memberikan energi pada solenoida pada sisi sebelah
kiri peralatan tersebut. Rem tipe ini digunakan untuk rem penahan pada
derek, alat angkat (lift), ban berjalan, peralatan mesin, atau yang serupa.
8
Gambar 1-10 Rem yang dioperasikan
dengan solenoida.
I.
SATURASI
kumparan dengan inti udara, fluksi yang dihasilkan berbanding lurus de ngan amper-lilitan dari kumparan. Begitu juga untuk kumparan berinti -besi
sampai ke tingkat tertentu dari magnetisasi inti. Di atas titik ini, kenaikan
amper-lilitan menghasilkan kenaikan fluksi yang semakin kecil dan inti di katakan saturasi atau jenuh.
Kejenuhan besi dapat diterangkan dengan teori Weber tentang magnet.
Karena amper-lilitan kumparan pembangkit naik dari nol, molekul yang
dipindahkan ke dalam posisi yang dimagnetkan adalah relatif mudah
karena banyak molekul yang tak beraturan dalam besi yang tak bermagnet.
Jika sebagian besar molekul ini diatur dalam suatu tingkat terbatas, besi
dikatakan
mencapai
saturasi.
Kenaikan
amper -lilitan
lebih
lanjut
menghasilkan kenaikan yang lebih kecil dalam sifat magnetisme besi
karena tinggal sedikit molekul sisa yang dapat dibawa ke posisi yang
dimagnetkan.
9
SOAL MANDIRI
1.
Apakah yang membedakan bahan magnet dari bahan bukan magnet?
2.
Apakah garis gaya magnet itu? Apakah medan magnet itu?
3.
Berikan aturan tentang tarikan dan tolakan magnet?
4. Jelaskan teori Weber tentang magnetisme.
15. Bagaimana memperlihatkan bahwa ada medan magnet di sekeliling
konduktor pembawa-arus? Berikan aturan yang menghubungkan arah
arus dan arah medan.
==================== SELAMAT MENGERJAKAN ==================
10