listrik magnet

NAMA             : ARCHI YHANA P

NIM                 : M0212016

UJIAN KOMPETENSI DASAR 4 LISTRIK MAGNET

JURUSAN FISIKA FMIPA UNS

Selasa,24 Desember 2013

1        A. Jelaskan bagaimana magnetisasi dapat terjadi di dalam bahan,dan jelaskan pula bagaimana suatu bahan dapat bersifat diamagnetic,paramagnetic,dan feromagnetik

jawab :

Magnetisasi merupakan fenomena pada suatu bahan karena terjadi perubahan arah pada momen dipol magnet penyusun bahan tersebut karena adanya medan magnet dari luar yang mengenainya,atau dengan kata lain terjadi polarisasi momen dipole magnet.Momen dipole itu sendiri di timbulkan oleh adanya pergerakan electron penyusun bahan tersebut pada intinya yaitu proton dan neutron (inti atom),dan disamping itu juga berputar pada porosnya.Hal ini dapat kita analogikan seperti pergerakan bumi,yaitu selain berputar mengelilingi matahari,juga berputar pada porosnya.Namun untuk diingat bahwa tidak semua bahan memiliki momen dipole magnet,dan sekalipun sama-sama merupakan bahan yang termasuk dalam kategori bahan magnetik,terdapat perbedaan dalam perilaku momen dipol magnet dalam menanggapi medan magnet luar yang mempengaruhinya antara bahan yang satu dengan bahan lainnya.untuk itu suatu bahan dapat dikategorikan dalam 3 jenis utama dalam hal sifat magnetisasinya yaitu: bahan diamagnetik,paramagnetik,dan feromagnetik.

Mungkin akan terselip pertanyaan pada benak kita,mengapa electron yang bergerak tersebut menyebabkan munculnya momen dipole magnet pada bahan.Telah kita ketahui sebelumnya bahwa medan magnet muncul disekitar kawat arus yang dialiri oleh arus listrik,dan arus listrik itu sendiri ialah besarnya muatan yang mengalir pada suatu penampang per satuan waktu,dan muatan listrik.Dan yang dimaksud dengan muatan disini bisa muatan positif maupun muatan negatif.Sehingga pergerakan electron mengelilingi inti dan beputar pada porosnya juga akan menimbulkan arus listrik walaupun besarnya sangat kecil.Dan juga telah diketahui bahwa arus yang mengalir pada suatu kawat yang tertutup (loop) akan menimbulkan medan magnet yang arahnya mengikuti prinsip gengaman tangan,yaitu akan keluar dari salah satu permukaan loop ke permukaan loop lainnya.seperti pada gambar beriku ini :                           permukaan atas                                                                                                             

                                                                          permukaan bawah

Lingkaran kawat tersebut dapat dianalogikan sebagai pergerakan elektron mengelilingi intinya walaupun sebenarnya pergerakan elektron tidak sesederhana seperti tersebut.yaitu tidak dapat digambarkan dengan cara apapun.Menurut model atom Rutherford bahwa  di gambarkan bahwa elektron menempati ruangan di sekitar inti (neutron dan proton),dan mengelilingi inti berbentuk melingkar.

Gambar diatas apabila dianalogikan sebagai pergerakan elektron mengelilingi intinya,dapat kita anggap sebagai momen dipole magnet dengan besarnya sebanding dengan luas permukaan lingkaran tersebut di kali dengan besarnya arus yang mengalir,dan arahnya tegak lurus permukaan lingkaran tersebut.dari penjelasan diatas dapat disimpulkan bahwa momen dipole magnet merupakan besaran vector.Namun tidak semua electron yang bergerak menimbulkan momen dipole magnet,hanya electron yang tidak berpasanganlah yang akan menimbulkan momen dipole magnet.karena telah diketahui bahwa terdapat atom yang memiliki electron yang berpasangan.Hal tersebut dapat dilihat dari konfigurasi elektronnya pada tabel periodik unsur.Karena pada atom yang elektronnya berpasangan akan timbul medan magnet yang saling meniadakan satu sama lain karena pergerakan elektronnya saling berlawanan satu sama lain.

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa suatu bahan dapat dibedakan menurut sifat megnetisasinya karena adanya medan magnet dari luar ,yaitu secara garis besar dikelompokkan menjadi 3 jenis, sebagai berikut:

·         Diamagnetik

Diamagnetik merupakan bahan yang sedikit menolak adanya medan magnet dari luar yang mengenainya.sehingga apabila bahan tersebut di letakkan pada daerah medan magnet,akan terjadi suatu penolakkan terhadap adanya medan magnet dari luar tersebut.

·         Paramagnetik

Paramagnetik merupakan bahan yang sedikit terpengaruh oleh adanya medan magnet luar yang mengenainya.

·         Feromagnetik

Feromagnetik merupakan bahan yang sangat terpengaruh apabila terdapat medan magnet yang mengenainya. hal yang membedakannya dengan bahan paramagnetik ialah terdapatnya domain-domain magnetik yang dimana setiap domain berisikan spin-spin yang searah.Awalnya domain-domain tersebut arahnya sangat acak, sehingga secara keseluruhan netto besar medan magnetnya nol. Namun apabila bahan tersebut diletakkan pada daerah medan magnet luar ,akan terjadi konfigurasi ulang letak domain-domain tersebut yaitu berotasi dan secara keseluruhan domain-domain tersebut akan menunjukkan arah yang sama dengan arah medan magnet luar tersebut.apabila medan megnet dari luar tersebut dihilangkan,maka akan terjadi konfigurasi ulang letak domain-domain tersebut,yang sebagian domain-domain magnet tersebut akan menunjukkan arah yang acak kembali.Pada bahan feromagnetik keras,sebagian besar domain magnetnya tetap menunjukkan arah yang sama,sehingga akan timbul medan magnet pada bahan tersebut.

B.jelaskan apa perbedaan kuat medan magnet (H) dan rapat fluks (B) pada suatu bahan magnet.

Jawab:

Pada dasarnya kuat medan magnet(H) dengan rapat fluks magnet(B) pada suatu bahan merupakan besaran yang sama-sama berkaitan dengan fluks medan magnet pada suatu bahan.Rapat medan magnet pada suatu bahan ialah jumlah fluks medan magnet yang menembus suatu permukaan,yang mana permukaan tersebut tegak lurus dengan fluks magnet tersebut.rapat fluks magnet pada suatu titik berhubungan erat dengan kuat medan magnet di titik tersebut,semakin besar rapat fluks magnet pada suatu titik,maka semakin besar pula kuat medan magnetnya.Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet ialah besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di dalam medan magnet m adalah kuat kutub yang menimbulkan medan magnet dalam Ampere-meter.perbedaan diantara keduanya ialah bahwa kuat medan magnetic menyatakan besar fluks yang menembus suatu permukaan secara tegak lurus,yang mana permukaan tersebut mempunyai kemampuan untuk menahan fluks yang melewatinya,berbeda dengan rapat fluks yang hanya didefinisikan sebagai jumlah fluks yang masuk per satu satuan luas permukaan yang tegak lurus terhadap fluks itu sendiri.analaginya seperti hokum gauss pada garis-garis medan listrik yang menembus suatu permukaan.

C. Jelaskan apa yang dimaksud dengan suseptibilitas magnetic dan permeabilitasbahan,serta  bagaimana keterkaitan antara keduanya!

Jawab:

Susepbilitas atau kerentanan magnetik (χ_m), merupakan tingkat kemagnetan suatu benda untuk termagnetisasi. Dapat dirumuskan sebagai berikut :

 = χ_m x

Nilai suseptibilitas magnet merupakan fungsi dari banyaknya material magnet. Sehingga dengan pengukuran suseptibilitas magnet dapat memperkirakan banyaknya magnet serta sifatnya.Nilai suseptibilitas adalah fungsi dari banyaknya material magnetik dan menunjukkan jenisnya.

Sedangkan permeabilitas bahan (K), merupakan kemampuan suatu benda untuk dilewati garis gaya magnet. Dapat dirumuskan sebagai berikut :

K =  ( 1 + χ_m )

Keterkaitan antara keduanya ialah susepbilitas merupakan bagian dari permeabilitas . Serta permeabilitas berbanding lurus dengan susepbilitas, semakin besar nilai susepbilitas maka semakin besar pula nilai permeabilitasnya,begitupun sebaliknya.Dengan kata lain bahwa susepbilitas berbanding lurus dengan besar permeabilitas.

D. Jelaskan bagaimana arus terikat didalam bahan (Jb) maupun pada permukaan (Kb) terjadi pada bahan magnetik!

Jawab:

Pada proses magnetisasi menimbulkan arus terikat didalam dan permukaan bahan.untuk rapat arus didalam  bahan didefinikan arus magnetisasi per-satuan panjang yang mengalir dalam bahan

 

Untuk rapat arus diluar bahan didefinikan arus magnetisasi per-satuan panjang yang mengalir melalui permukaan

E. jika arus terikat pada suatu bahan magnetic telah diketahui,jelaskan bagaimana cara menentukan medan magnet yang ditimbulkan oleh megnetisasi bahan tersebut!

Telah kita ketahui bahwa vector potensial kumpulan momen dipole pada bahan magnetik yang berada pada suatu letak r dari suatu sumbu acuan nol dirumuskan sebagai berikut :

       

Dengan :     dan      ,

Begitupun juga telah kita ketahui bahwa   ,maka untuk menentukan medan magnet yang ditimbulkan oleh magnetisasi bahan apabila arus terikat pada bahan tersebut telah diketahui dengan menggunakan operasi del ( metode curl ) vector potensial magnetic.

2 .            A. Jelaskan apa yang dimaksud dengan hysteresis loop?

     B  Gambarkan proses hysteresis pada suatu bahan magnetic dalam satu siklus,dan berilah  uraian apa yang terjadi pada setiap tahap?

Jawab:

A.Hysteresis loop merupakan kurva hubungan antara rapat fluks magnet (B) atau magnetisasi (M)  terhadap besar gaya magnet (H) pada suatu bahan magnetik.Hysteresis digunakan untuk memahami dan menjelaskan sifat suatu bahan terhadap medan magnetik  maupun medan listrik.Besaran-besaran yang dapat diperoleh dari kemampuan untuk menganalisa kurva hysteresis diantaranya ialah medan saturasi, remanensi atau retentivity dan coercivitas.Terdapat dua macam kurva hysteresis loop,yaitu hysteresis loop normal,dan hysteresis loop intrinsik.H disini merupakan medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material.

B.

“Kurva hysteresis loop normal”

Keterangan :

A.      Pada tahap ini bahan magnet mengalami proses Saturasi yaitu  magnetisasi bahan yang tidak mengalami perubahan sekalipun medan aplikasi diperbesar (pada kondisi medan aplikasi tertentu magnetisasi bahan tidak berubah).Termagnetisasi penuh atau terisi penuh (dalam kasus muatan: sudah stagnan dan tidak mengalami perubahan lagi karena sudah penuh).

B.     Setelah proses saturasi,dilanjutkan tahap Remanensi (sisa) adalah magnetisasi sisa ketika medanaplikasi magnetik ditiadakan (H=0).Dalam bahasa teknik diartikan sebagai informasi (energi) yang masih tersisa dalam media penyimpan data setelah terhapus. Dalam rangkaian magnetik, remanensi dapat diartikan sebagai induksi magnetik sisa dalam rangkaian magnetik walaupun aplikasi gaya magnetic dihilangkan. Kehadiran kolom udara (air gap) dalam rangkaian akan menyebabkan Medan remanensi lebih kecil daripada medan induksi sisa (Br).

C.     Setelah itu,bahan magnetic akan mengalami proses Coercivity yaitu dimana ketahanan bahan magnetic untuk mengubah magnetisasinya, atau besarnya kuat medan magnetik yang diaplikasikan untuk mendemagnetisasi (mengurangimagnetisasi bahan menjadi nol) bahan dari keadaan termagnetisasi saturasi, atau daya yang diperlukan untuk memagnetisasi atau mendemagnetisasi magnet permanen yang diukur dalam MegaGauss Oersted (MGO).

D.     Setelah itu,bahan magnetic akan mengalami pengebalikkan arah menuju ke rapat fluks yang lebih tinggi,atau dengan kata lain bahan magnetic akan mengalami pertambahan rapat fluks magnetiknya (saturation in opposite direction)

E.      Dilanjutkan proses kembalinya kondisi bahan magnetic pada situasi coercivity.

F.      Dan pada akhirnya bahan magnetic yang di letakkan pada suatu medan magnetic tersebut akan kembali pada kondisinya semula.

Oleh karena itulah proses kemagnitan suatu bahan magnet sangat unik dan sangat membantu untuk mengenali suatu bahan magnet,yang  bertujuan untuk membuat aplikasi yang memanfaatkan sifat kemagnitan suatu bahan magnetik.

3.Sebuah bahan magnetic  berbentuk bola pejal termagnetisasi secara homogeny.dengan memilih system koordinat sedemikian sehingga  arah magnetisasi M sejajar dengan sumbu Z seperti pada gambar,tunjukkan bahwa rapat arus terikat didalam dan pada permukaan bahan tersebut masing-masing adalah :

              Jb = 0             Kb = M sinθ

              Jawab:

Dari soal diatas telah di jelaskan bahwa arah magnetisasi M sejajar dengan sumbu koordinat Z,sehingga vector magnetisasi M tidak memiliki komponen yang searah dengan sumbu X dan Y.

“Gambar diatas merupakan sketsa koordinat bola”

 dan   

Misal vector M = Mz   dan   =                                                                      maka

  

                          =        0

Maka nilai Jb = 0 (terbukti)

Dalam persoalan kali ini,system yang dianalisa merupakan system yang simetrinya tinggi,yaitu berbentuk padatan bola sehingga akan lebih mudah dianalisa apabila kita mengkonversi koordinat kartesian ke bentuk koordinat bola.yaitu vector yang tadinya dinyatakan dalam satuan ( x,y,z),diubah dalam bentuk (r,θ, )

Untuk nilai rapat arus pada permukaan bahan  Kb ,telah diketahui bahwa arti dari n adalah vector satuan yang tegak lurus terhadap permukaan bola pejal tersebut,sehingga vector satuan n tersebut di semua titik pada permukaan tersebut selalu sejajar dan searah dengan garis dari titik pusat ke permukaan bola.maka dapat diketahui bahwa vector n dapat dituliskan sebagai berikut:

 dengan  

Dan vector M = r cosθ z^{^},dengan menggunakan operasi matematika mengenai perkalian silang dua vector akan didapatkan,

Kb  = ( ).( r cosθ)(sinθ )

      = M sinθ    ( terbukti )

Catatan : konversi dari koordinat kartesian ke koordinat bola

Konversi dari koordinat bola ke koordinat kartesian

4. Sepasang silinder koaksial yang sangat panjang dipisahkan oleh bahan isolator magnetic dengan suseptibilitas .jari-jari silinder dalam dan jari-jari silindr luar b.Arus listrik I mengalir secara merata pada permukaan silinder dalam,dan mengalir kembali melalui permukaan luar secara merata pula.

 a.Tentukan magnetisasi didalam bahan,jelaskan bagaimana anda menentukan arahnya!

 b.Jelaskan bagaimana besar dan arah arus terikat,baik didalam maupun pada permukaan bahan magnetik!

 c.Tentukan besar dan arah medan magnet B didalam bahan magnetik!

 Jawab:

Telah diketahui bahwa besar magnetisasi suatu bahan magnetik besarnya sebanding dengan suseptibilitas,yaitu M = H. Dan hokum ampere menyatakan bahwa  perkalian dot antara kuat medan magnet dengan semua elemen panjang sisi dari suatu loop tertutup       . dl = I_fenc    (I_fenc  merupakan total arus bebas pada loop Ampere),atau dengan kata lain rapat arus I_fenc  yang menembus suatu permukaan ds menimbulkan suatu pusaran kuat medan magnetik H.

Pada persoalan kali ini mencoba menganalisa sifat magnetisasi sepasang silinder koaksial,yang mana dipisahkan oleh suatu sekat isolator magnetik.Dengan menganggap besar kuat medan magnetic di seluruh permukaan homogen,maka

    . dl = I_fenc

H (2πs) = I

H       =  

Dengan demikian besarnya magnetisasi dalam bahan tersebut adalah

M = H

   =     

Untuk menentukan arah dari magnetisasi menggunakan hokum ampere. Dan arah dari magnetisasi tersebut adalah searah jarum jam.

b.   =      x M

          =      

          =    

          =  .0

          = 0

Untuk s = a ( Di dalam bahan )

K_b      = M x

          =  

          =    

Untuk r = b  ( Di luar bahan )

K_b      = M x

          = -    

          = -    

c. Besarnya medan magnet B di dalam bahan tersebut adalah

 . dl =  I_enc

Dimana besarnya I_enc , :

I_enc = I +    2πa

      = I +  I

      = I ( 1 +  )

maka besarnya medan magnet dalam bahan tersebut :

   . dl =  I_enc

  B. 2πs  =  I ( 1 +  )

          B  =  

Arah medan magnet tersebut  sesuai dengan American loop yaitu berlawanan dengan arah jarum jam.