Hukum kemagnetan

Hukum Kemagnetan

            Christian Oersted (1777 – 1851) fisikawan berkebangsaan Denmark. Setelah melakukan eksperimen cukup lama, pada tahun 1819 Oersted berhasil menemukan bahwa, ”Jika sebuah magnet jarum (kompas kecil) didekatkan pada suatu penghantar yang berarus listrik, magnet jarum akan menyimpang”. Hal ini menunjukkan bahwa di sekitar kawat berarus terdapat medan magnet. Untuk mengetahui hubungan antara arus, kuat arus, dan medan magnet yang timbul, dapat dilakukan percobaan berikut ini.

Hukum / Aturan Tangan Kanan

Untuk menentukan arah medan magnet disekitar kawat berarus listrik kita mengenal adanya hukum tangan kanan atau sering disebut aturan tangan kanan. Aturan tangan kanan ini dilakukan dengan menggenggam jari-jari dan ibu jari menunjuk keatas seperti terlihat pada gambar disamping. Hukum atau aturan tangan kanan berfungsi untuk mencari arah medan magnet.

Bunyi hukum atau aturan tangan kanan adalah sebagai berikut :

“Apabila arah ibu jari menyatakan arah aliran arus listrik, maka arah lipatan jari-jari yang lainnya menyatakan arah medan magnet.“

Hukum Biot-Savart

Pada saat Hans Christian Oersted mengadakan percobaan untuk mengamati hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan, ia belum sampai menghitung besarnya kuat medan magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus. Perhitungan secara matematik baru dikemukakan oleh ilmuwan dari Prancis yaitu Jean Bastiste Biot dan Felix Savart. Berdasarkan hasil eksperimennya tentang pengamatan medan magnet di suatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar dl, yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa besarnya kuat medan magnet (yang kemudian disebut induksi magnet yang diberi lambang B) di titik P :

a. Berbanding lurus dengan kuat arus listrik (I).
b. Berbanding lurus dengan panjang kawat (dl).
c. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik P ke elemen kawat penghantar (r).
d. Sebanding dengan sinus sudut apit θ antara arah arus dengan garis hubung antara titik P ke elemen kawat penghantar.

Pernyataan tersebut dikenal dengan hukum Biot-Savart yang secara matematik dapat dinyatakan dalam persamaan :

dengan :

dB = Induksi magnet di titik P (Wb/m² atau Tesla)
I = kuat arus listrik (A)
dl = panjang elemen kawat berarus (m)
θ = sudut antara arah I dengan garis hubung P ke dl
k =  = bilangan konstanta = 10^-7 Wb A^-1m^-1
r = jarak dari P ke dl (m)

Ilmuwan mengatakan bahwa ruang disekitar kawat berarus listrik berubah menjadi medan magnetik. Arus listrik menimbulkan medan magnetik di sekitar kawat berarus listrik.

Gaya Lorentz merupakan nama lain dari gaya magnetik yaitu gaya yang ditimbulkan oleh medan magnet. Kapan akan timbul bila ada interaksi dua medan magnet, contohnya adalah kawat berarus dalam medan magnet, kawat sejajar berarus dan muatan yang bergerak dalam medan magnet.

Hukum Faraday

          Michael Faraday adalah seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris. Secara eksperimen Faraday menemukan bahwa beda potensial dapat dihasilkan pada ujung-ujung penghantar atau kumparan dengan memberikan perubahan fluks magnetik. Hasil eksperimennya dirumuskan sebagai berikut.

“Ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar atau kumparan tersebut”

Dari rumusan di atas dapat dituliskan menjadi persamaan seperti di bawah. Pembandingnya adalah jumlah lilitannya.

dengan :

â = ggl induksi (volt)
N = jumlah lilitan

laju perubahan fluks magnetik

Tanda negatif pada persamaan diatas sesuai dengan Hukum Lenz. Dengan bahasa yang sederhana hukum Lenz dirumuskan: Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik.

Hukum Faraday memperkenalkan suatu besaran yang dinamakan fluks magnetik. Fluks magnetik ini menyatakan jumlah garis-garis gaya magnetik. Berkaitan dengan besaran ini, kuat medan magnet didefinisikan sebagai kerapatan garis-garis gaya magnet. Dari kedua definisi ini dapat dirumuskan hubungan sebagai berikut.

φ = B A cos θ

dengan :

φ = fluks magnetik (weber atau Wb)
B = induksi magnetik (Wb/m2)
A = luas penampang (m2)
θ = sudut antara iduksi magnet dengan normal bidang

Dari persamaan diatas dapat diamati bahwa perubahan fluks magnet dapat terjadi tiga kemungkinan. Pertama terjadi karena perubahan medan magnet B. Kedua, terjadi karena perubahan luas penampang yang dilalui, contohnya kawat yang bergerak dalam medan magnet. Ketiga, terjadi karena perubahan sudut θ, contohnya kumparan yang berputar : generator.

Hukum Lenz

       Hukum Lenz merupakan hukum fisika yang memebrikan pernyataan tentang GGL (Gaya Gerak Listrik) Induksi. Hukum lenz memberikan penjelasan tentang arah arus induksi yang terjadi karena terjadinya GGL Induksi tersebut. Hukum Lenz ditemukan oleh ilmuwan fisika Friederich Lenz pada tahun 1834.

Hukum Lenz

       Berdasarkan hukum Faraday, telah kita ketahui bahwa perubahan fluks magnetik akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua ujung kumparan itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan tertentu akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial yang terjadi disebut ggl induksi. Faraday pada saat itu baru dapat menghitung besarnya ggl induksi yang terjadi, tetapi belum menentukan ke mana arah arus induksi yang timbul pada rangkaian/kumparan. Arah arus induksi yang terjadi baru dapat dijelaskan oleh Friederich Lenz pada tahun 1834 yang lebih dikenal dengan hukum Lenz.

Pernyataan Hukum Lenz

“Jika ggl induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus induksi yang dihasilkan sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha mempertahankan fluks magnetik totalnya konstan)”

Arah arus induksi berdasarkan hukum Lenz (a) magnet mendekati kumparan, (b) magnet menjauhi kumparan.

      Untuk lebih memahami hukum Lenz, perhatikan gambar diatas. Ketika kedudukan magnet dan kumparan diam, tidak ada perubahan fluks magnet dalam kumparan. Tetapi ketika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, maka timbul perubahan fluks magnetik. Dengan demikian pada kumparan akan timbul fluks  magnetik yang menentang pertambahan fluks magnetik yang menembus kumparan. Oleh karena itu, arah fluks induksi harus berlawanan dengan fluks magnetik. Dengan demikian fluks total yang dilingkupi kumparan selalu konstan. Begitu juga pada saat magnet digerakkan menjauhi kumparan, maka akan terjadi pengurangan fluks magnetik dalam kumparan, akibatnya pada kumparan timbul fluks induksi yang menentang pengurangan fluks magnet, sehingga selalu fluks totalnya konstan. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan yaitu jika arah ibu jari menyatakan arah induksi magnet maka arah lipatan jari-jari yang lain menyatakan arah arus.