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 (χm),
merupakan tingkat kemagnetan suatu benda untuk termagnetisasi. Dapat dirumuskan
sebagai berikut :
= χm 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 + χm )
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 = Ifenc (Ifenc merupakan total arus bebas pada loop
Ampere),atau dengan kata lain rapat arus Ifenc 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 = Ifenc
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 )
Kb = M x
=
=
Untuk
r = b ( Di luar bahan )
Kb = M x
= -
= -
c.
Besarnya medan magnet B di dalam bahan tersebut adalah
. dl =
Ienc
Dimana
besarnya Ienc , :
Ienc
= I +
2πa
= I +
I
= I ( 1 +
)
maka
besarnya medan magnet dalam bahan tersebut :
. dl =
Ienc
B. 2πs =
I ( 1 +
)
B
=
Arah
medan magnet tersebut sesuai dengan
American loop yaitu berlawanan dengan arah jarum jam.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar