Fisika - Medan Magnet

Medan Magnet Dede Djuhana E-mail:[email protected] Departemen Fisika FMIPA-UI

0-0



Medan Magnet






☞ Medan magnet adalah ruang dimana gaya magnet dapat dirasakan akibat adanya muatan bergerak. 

 

(1)

 



 

















  



. Satuan lain adalah Gauss (

  





Satuan medan magnet : Tesla atau

).

☞ Studi magnetisme berkembang dari pengamatan bahwa “batu-batu”(magnetit) dapat menarik potongan besi kecil-kecil. Fenomena magnetisme berasal dari daerah Magnesia (Asia Kecil) dimana batu-batu itu ditemukan. Magnet alami merupakan bumi sendiri (William Gilbert 1600).

☞ Medan magnet bumi dipengaruhi oleh beberapa faktor : 

Variasi setempat (local variation) disebabkan oleh perbedaan sifat-sifat magnetik dari batuan yang membentuk kerak bumi dan adanya biji magnet terkonsentrasi



Perubahan dengan waktu Deklinasi dan iklinasi magnetik rata-rata mengalami perumahan dari tahun ke tahun.



Interaksi dengan angin matahari seperti timbulnya badai magnetik,Van Allen Belt dan Aurora.

☞ Oersted(1820):Arus dari sebuah kawat menghasilkan efek-efek magnetik(jarum kompas bergerak). Fisika Dasar II: Medan Magnet

1

U KSM

magnet batang

B

KUM S

Gambar 1: Bumi dapat dianggap sebagai magnet batang yang besar

Fisika Dasar II: Medan Magnet

2



Gaya magnet pada kawat berarus 




☞ Pandang suatu kawat berarus: l q A

V

d

Gambar 2: Kawat bararus menimbulkan medan magnet

☞ Gaya pada kawat berarus 

 

(2)





 



 





 

ingat

, maka gaya magnet adalah

 

 





 



(3)









 













 





 



Contoh 1. Kawat membawa arus 3 A dan terletak pada medan listrik

membentuk sudut

 



dengan sumbu-x. Tentukan gaya magnet dari kawat tsb.

Fisika Dasar II: Medan Magnet

3

Jawab 1. 

 


























  

 

Gerak muatan dalam megan magnet 




☞ Pandang muatan dalam medan magnet yang konstan xx

x

x

x

x

x

r

x x

x

x

r

x F

x x x

q x

Gambar 3: Muatan dalam medan magnet

☞ Gaya-gaya yang dialami oleh muatan adalah gaya sentripetal dan gaya akibat medan magnet 







 





 







(4)





Fisika Dasar II: Medan Magnet

4

Jari-jari lintasan muatan dalam medan magnet adalah





(5)

  



Periode( ) kecepatan dan frekuensi( ) muatan 








(6)

 





















 





 



 

 




















  





dan muatan



 





Contoh 2. Proton bermassa

bergerak dalam







lingkaran yang berjari-jari 21 cm

medan magnet B=4000 G. Tentukan :(a) Periode dan (b) Kecepatan

proton 

 







 









Jawab 2. (a) Periode gerak, konversikan medan magnetik 










 





 





 

(b) Kecepatan proton 

 













  









Fisika Dasar II: Medan Magnet

5

jari-jari proton  

 





 




☞ Gaya magnet pada partikel bergerak dalam medan magnet dapat diseimbangkan dengan gaya listrik jika besar dan arah medan magnet dan medan listrik sesuai.


 








(7)

 

☞ Alat untuk mempercepat partikel bermuatan disebut cyclotron pertama kali dibuat tahun 1932 oleh Ernest O. Lawrence Universitas Barkeley untuk mempercepat inti hidrogen untuk mendapat energi yang tinggi. Generasi cyclotron yang lebih baik dinamakan synchroton. 



Pengukuran nilai

oleh Thompson

 




☞ Thompson menunjukkan sinar-sinar dari tabung katoda dapat dibelokan oleh medan listrik dan magnet. ☞ Memperlihatkan bahwa semua pertikel memiliki perbandingan muatan per massa yang sama. ☞ Kecepatan elekron meninggalkan pelat: 





 













(8)

 





Fisika Dasar II: Medan Magnet

6

☞ Penyimpangan pada daerah ini :  



 






 

(9)

 










tetap). Waktu untuk mencapai layar adalah







Dengan demikian elektron menempuh jarak tambahan

dalam daerah bebas medan plat (kecepata









dan penyimpanga arah

adalah


 





 






 




 





(10)







☞ Simpangan total pada layar:  
















 









 

 



(11)

 







diukur maka nilai





Dari simpangan

dapat diketahui.




layar



Vy pelat defleksi

y 1 vo

Vo

x 1

y 2

x2

Gambar 4: Gerak elektron dalam medan magnet Fisika Dasar II: Medan Magnet

7

Contoh 3. Elektron lewat tidak defleksi ketika pelat Thompson dengan medan listrik 3000 v/m dan medan magnet 1,4 G. Jika panjang pelat 4 cm dan ujung pelat 30 cm dari layar. Tentukan simpangan pada layar apabila medan magnet dihilangkan ! Jawab 3. Kecepatan awal elektron dapat ditentukan :




 

 











 



Simpangan

adalah


 











 




 




 

 




 







 

 











 

















 



Spektrometer Massa 




☞ Spektrometer massa didesain pertama kali oleh William Aston,1910 dan kemudian oleh Kennerth Bainbridge.Untuk digunakan mengukur isotop dan kandungannya dialam. Misal: Magnesium 
























memiliki perbandingan :24:25:26.








 



:











☞ Spektrometer massa dapat digunakan untuk mencari perbandingan massa terhadap muatannya (

.



Fisika Dasar II: Medan Magnet

8

B

r

x

V

S

Gambar 5: Prinsip Spektrometer massa

☞ Energi kinetik ion masuk dalam medan magnet sebanding dengan kehilangan energi potensial 



(12)





 



menabrak plat fotografi.



Ion bergerak melingkar dengan jari-jari



 

  

(13)







 

 

 

 

(14) 



Fisika Dasar II: Medan Magnet

9



Efek Hall 




☞ Tahun 1879,E.H.Hall menyatakan dalam eksperimen adanya ”tanda-tanda pengangkut muatan di dalam penghantar” . Tanda pengangkut ditandai oleh perbedaan potensial



☞ Timbul perbedaan potensial Hall melintang



Hall. 

☞ Jika pengangkut bermuatan positif maka titik berada pada potensial lebih tinggi dari titik

dan




lebih tinggi potensial daripada titik .



sebaliknya jika pengangkut bermuatan negatif maka titik




☞ Medan listrik Hall adalah manisfetasi dari potensial Hall 

(15)








☞ Pada saat kesetimbangan gaya magnet dan medan listrik Hall 










 



(16)











☞ Medan listrik Hall karena terhadap jumlah muatan(n)  





 






(17)






Fisika Dasar II: Medan Magnet

10

d

d

muatan postif

muatan negatif B

B v x

y

x

y F

F

i

i

v

arah medan magnet (masuk ke dalam )




Gambar 6: Arus yang dialirkan pada sebuah pita tembaga yang berada medan magnet

(kiri)

pengangkut muatan positif (kanan) pengangkut muatan negatif Contoh 4. Sebuah pita tembaga lebarnya 2cm, tebal=1mm ditempatkan dalam sebuah medan magnet B=1,5 T, Jika dialirkan arus sebesar 200A. Berapakah perbedaan potensial Hall yang muncul ? Jawab 4. Medan listrik Hall  







 










  







Fisika Dasar II: Medan Magnet

11

Potensial Hall  




























 

 

Torsi pada sebuah loop 




F1

F1

θ b

F4

F2

b

a

B F3



adalah



dan







, Torsi






☞ Torsi

F3

 
































(18)



 

Jika ada N lilitan 































=momen magnet ,A=luas



 

dimana

(19)

Fisika Dasar II: Medan Magnet

12