Kemagnetan. Pada era teknologi yang serba modern ini magnet memegang peranan yang sangat penting. Dari pengembangan sains,  telah berhasil membuat alat transportasi yang menggunakan magnet yang disebut kereta  api  monorel.  Berbagai  alat  menggunakan  magnet seperti  alat-alat  rumah tangga  dan alat-alat komunikasi. Apakah sebenarnya  magnet  itu?  Bagaimanakah  prinsip  kerja  alat-alat itu berdasarkan kemagnetan?

KEMAGNETAN BAHAN

Kita   dapat   menggolongkan   benda   berdasarkan   sifatnya. Pernahkah kamu melihat benda yang dapat menarik benda logam lain? Kemampuan suatu benda menarik benda lain yang berada di dekatnya   disebut  kemagnetan.   Berdasarkan   kemampuan   benda menarik benda lain dibedakan menjadi dua, yaitu benda magnet dan benda  bukan  magnet.  

Namun,  tidak  semua  benda  yang  berada  di dekat magnet dapat ditarik. Benda yang dapat ditarik magnet disebut benda  magnetik.  Benda  yang  tidak  dapat  ditarik  magnet  disebut benda nonmagnetik.

Benda yang dapat ditarik magnet ada yang dapat ditarik kuat, dan   ada   yang   ditarik   secara   lemah.   Oleh   karena   itu,   benda dikelompokkan  menjadi  tiga,  yaitu  benda  feromagnetik,  benda paramagnetik, dan benda diamagnetik. Benda yang ditarik kuat oleh magnet  disebut  benda  feromagnetik.  Contohnya  besi,  baja,  nikel, dan kobalt. Benda yang ditarik lemah oleh magnet disebut benda paramagnetik. Contohnya platina, tembaga, dan garam. Benda yang ditolak  oleh  magnet  dengan  lemah  disebut  benda diamagnetik. Contohnya timah, aluminium, emas, dan bismuth.

Benda-benda magnetik yang bukan magnet dapat dijadikan magnet.  Benda  itu  ada  yang  mudah  dan  ada  yang  sulit  dijadikan magnet.  Baja  sulit  untuk  dibuat  magnet,  tetapi  setelah  menjadi magnet sifat kemagnetannya tidak mudah hilang. Oleh karena  itu, baja digunakan untuk membuat magnet tetap (magnet permanen). Besi mudah untuk dibuat magnet, tetapi jika setelah menjadi magnet  sifat  kemagnetannya  mudah  hilang.  Oleh  karena  itu,  besi digunakan untuk membuat magnet sementara. Setiap benda magnetik pada dasarnya terdiri magnet-magnet kecil yang disebut magnet elementer. Cobalah mengingat kembali teori partikel zat di kelas VII. rinsip membuat magnet adalah mengubah susunan magnet elementer yang tidak beraturan menjadi searah dan teratur. Ada tiga cara membuat magnet, yaitu menggosok, induksi, dan arus listrik.

1.  Membuat Magnet dengan Cara Menggosok

Besi  yang  semula  tidak  bersifat  magnet,  dapat  dijadikan magnet. Caranya besi digosok dengan salah satu ujung magnet tetap. Arah gosokan dibuat searah agar magnet elementer yang terdapat pada  besi  letaknya menjadi   teratur  dan  mengarah  ke  satu  arah.

           

2.   Membuat Magnet dengan Cara Induksi
Besi  dan  baja  dapat  dijadikan  magnet  dengan  cara  induksi magnet.  Besi  dan  baja  diletakkan  di dekat magnet  tetap.  Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan terpengaruh atau terinduksi  magnet tetap  yang  menyebabkan  letaknya   teratur  dan mengarah ke satu arah. Besi atau  baja akan menjadi magnet sehingga dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya.
Ujung  besi  yang  berdekatan  dengan  kutub  magnet  batang, akan terbentuk kutub yang selalu berlawanan dengan kutub magnet penginduksi. Apabila kutub utara magnet batang berdekatan dengan ujung A besi, maka ujung A besi menjadi kutub selatan dan ujung B besi  menjadi kutub utara atau sebaliknya.

3.   Membuat Magnet dengan Cara Arus Listrik
Selain  dengan  cara  induksi,  besi  dan  baja  dapat  dijadikan magnet dengan arus listrik. Besi dan baja dililiti kawat yang dihu- bungkan dengan baterai. Magnet elementer yang terdapat pada besi dan baja akan  terpengaruh aliran arus searah (DC) yang dihasilkan baterai. Hal ini menyebabkan magnet elementer letaknya teratur dan mengarah  ke  satu  arah.  Besi  atau  baja  akan  menjadi  magnet  dan dapat menarik serbuk besi yang berada di dekatnya. Magnet yang demikian disebut magnet listrik atau elektromagnet.

Besi yang berujung A dan B dililiti kawat berarus listrik. Kutub magnet yang terbentuk bergantung pada arah arus ujung kumparan. Jika  arah  arus  berlawanan  jarum  jam  maka  ujung  besi  tersebut menjadi kutub utara. Sebaliknya, jika arah arus searah putaran jarum jam  maka  ujung  besi  tersebut  terbentuk  kutub selatan.  Dengan demikian, ujung A kutub utara dan B kutub selatan atau sebaliknya.

 

Setelah  kita  dapat  membuat  magnet  tentu  saja  ingin  menyimpannya. Agar sifat kemagnetan sebuah magnet dapat tahan lama, maka dalam menyimpan magnet diperlukan angker (sepotong besi) yang dipasang pada kutub magnet. Pemasangan angker bertu- juan untuk mengarahkan magnet elementer hingga membentuk rantai tertutup. Untuk menyimpan dua buah magnet batang  diperlukan dua  angker yang dihubungkan dengan dua kutub magnet yang berlawanan.  Jika berupa magnet U untuk menyimpan diperlukan satu angker yang dihubungkan pada kedua kutubnya. Kita  sudah  mengetahui  benda  magnetik  dapat  dijadikan magnet. Sebaliknya magnet juga dapat dihilangkan kemagnetannya. Bagaimana  caranya?  Sebuah  magnet  akan  hilang  sifat  kemagnetannya jika magnet dipanaskan, dipukul-pukul, dan dialiri arus listrik bolak-balik.  Magnet  yang  mengalami  pemanasan  dan  pemukulan akan   menyebabkan   perubahan   susunan   magnet   elementernya. Akibat pemanasan dan pemukulan magnet elementer menjadi tidak teratur dan tidak searah. Penggunaan arus AC menyebabkan arah arus  listrik  yang  selalu  berubah-ubah.  Perubahan  arah  arus  listrik memengaruhi letak dan arah magnet elementer. Apabila letak dan arah magnet elementer berubah, sifat kemagnetannya hilang.

KUTUB MAGNET

Di awal bab ini kamu sudah mengenal istilah kutub magnet. Selanjutnya di bagian ini kamu akan lebih memperdalam sifat-sifat kutub magnet. Jika magnet batang ditaburi serbuk besi atau paku- paku kecil, sebagian besar serbuk besi maupun paku akan melekat pada kedua ujung magnet. Bagian kedua ujung magnet akan lebih banyak serbuk besi atau paku yang menempel daripada di bagian tengahnya. Hal itu menunjukkan bahwa gaya tarik magnet paling kuat  terletak  pada  ujung-ujungnya.  Ujung  magnet  yang memiliki gaya  tarik  paling  kuat  itulah  yang  disebut  kutub  magnet.  Bagai- manakah menentukan jenis kutub magnet? Sebuah magnet batang yang tergantung bebas dalam keadaan setimbang,  ujung-ujungnya  akan  menunjuk  arah  utara  dan  arah selatan bumi. Ujung magnet yang menunjuk arah utara bumi disebut kutub utara magnet. Sebaliknya, ujung magnet yang menunjuk arah selatan bumi disebut kutub selatan magnet. Setiap  magnet  memiliki  dua  kutub,  yaitu  kutub  utara  dan kutub selatan. Alat yang digunakan untuk menunjukkan arah utara bumi atau geografis disebut kompas.

 

Kompas merupakan magnet jarum yang dapat bergerak bebas pada sebuah poros. Pada keadaan setimbang salah satu ujung magnet jarum menunjuk arah utara dan ujung lainnya menunjuk arah selatan. Kamu  sudah mengetahui  bahwa  magnet  mempunyai  dua kutub,  yaitu  kutub  utara  dan  kutub  selatan.  Apabila  dua kutub magnet didekatkan akan saling mengadakan interaksi. Jenis interaksi bergantung jenis-jenis kutub yang berdekatan.  Apakah yang terjadi jika  kutub  utara  sebuah  magnet    didekatkan  dengan  kutub  utara magnet lain? Atau sebaliknya, apakah yang terjadi jika kutub utara sebuah magnet  didekatkan dengan kutub selatan  magnet lain?

Garis-garis  yang  menggambarkan  pola  medan magnet disebut  garis-garis gaya  magnet.  Garis-garis  gaya magnet  tidak pernah  berpotongan  satu  sama lainnya. Garis-garis  gaya  magnet keluar dari kutub utara, masuk (menuju) ke kutub selatan. Makin banyak jumlah garis-garis  gaya  magnet  makin  besar kuat  medan magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan magnet yang digambar berupa garis lengkung.

Dua kutub magnet yang tidak sejenis saling berdekatan pola medan  magnetnya juga  berupa  garis  lengkung yang  keluar  dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Bagaimanakah kerapatan pola medan magnet dua kutub magnet yang makin berdekatan?

Pada  dua  kutub  magnet  yang  tak  sejenis,  garis-garis  gaya magnetnya  keluar  dari  kutub  utara  dan  masuk  ke  kutub  selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik.

Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang  keluar  dari  kutub  utara  masing-masing cenderung  saling menolak. Mengapa? Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak  antara   garis-garis  gaya  yang  keluar  kedua  kutub utara magnet. Hal itulah yang menyebabkan dua kutub yang sejenis saling menolak.

 

KEMAGNETAN BUMI

1.   Bumi Sebagai Magnet

Kamu   sudah   mengetahui   sebuah   magnet   batang   yang tergantung  bebas  akan  menunjuk  arah  tertentu.  Pada  bagian  ini, kamu akan mengetahui mengapa magnet bersikap seperti itu. Pada umumnya   sebuah   magnet   terbuat   dari   bahan   besi   dan   nikel. Keduanya memiliki sifat kemagnetan karena tersusun oleh magnet- magnet  elementer.  Batuan-batuan  pembentuk  bumi  juga  mengan- dung  magnet  elementer.  Bumi  dipandang  sebagai  sebuah  magnet batang yang besar yang membujur dari utara ke selatan bumi. Magnet bumi memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan selatan. Kutub utara magnet bumi terletak di sekitar kutub selatan bumi. Adapun kutub  selatan  magnet  bumi  terletak  di  sekitar  kutub  utara  bumi. Magnet  bumi  memiliki  medan  magnet  yang  dapat  memengaruhi jarum kompas dan magnet batang yang tergantung bebas. Medan magnet bumi digambarkan dengan garis-garis leng- kung yang berasal dari kutub selatan bumi menuju kutub utara bumi. Magnet  bumi  tidak  tepat  menunjuk  arah  utara-selatan  geografis. Penyimpangan magnet bumi ini akan menghasilkan garis-garis gaya magnet  bumi  yang  menyimpang  terhadap  arah  utara-selatan  geografis. Adakah pengaruh penyimpangan magnet bumi terhadap jarum kompas?

2.   Deklinasi  dan  Inklinasi

Ambillah sebuah  kompas dan letakkan di atas meja dengan penunjuk  utara (N) tepat menunjuk arah utara. Amatilah kutub utara jarum kompas. Apakah kutub utara jarum kompas tepat menunjuk arah utara (N)? Berapakah sudut yang dibentuk antara kutub utara jarum kompas dengan arah utara (N)?

 

Jika kita perhatikan kutub utara jarum kompas dalam keadaan setimbang tidak tepat menunjuk arah utara dengan tepat.  Penyim- pangan jarum kompas itu terjadi karena letak kutub-kutub magnet bumi tidak tepat berada di kutub-kutub bumi, tetapi menyimpang terhadap letak kutub bumi. Hal ini menyebabkan   garis-garis gaya magnet bumi mengalami penyimpangan terhadap arah utara-selatan bumi.  Akibatnya  penyimpangan  kutub  utara  jarum  kompas  akan membentuk sudut terhadap arah utara-selatan bumi (geografis). Sudut  yang  dibentuk  oleh  kutub  utara  jarum  kompas  dengan  arah utara-selatan geografis disebut deklinasi (Gambar 11.15). Pernahkah kamu memerhatikan mengapa kedudukan jarum kompas tidak mendatar. Penyimpangan jarum kompas  itu terjadi ka- rena garis-garis gaya magnet bumi tidak sejajar dengan permukaan bumi (bidang horizontal). Akibatnya, kutub utara jarum kompas me- nyimpang naik atau turun terhadap permukaan bumi. Penyimpangan kutub utara jarum kompas akan membentuk sudut terhadap bidang datar permukaan bumi. Sudut yang dibentuk oleh kutub utara jarum kompas dengan bidang datar disebut inklinasi (Gambar 11.16). Alat yang digunakan untuk menentukan besar inklinasi disebut inklinator.

MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK

Medan  magnet  di  sekitar  kawat  berarus  listrik  ditemukan secara tidak sengaja oleh  Hans Christian Oersted (1770-1851), ke- tika akan memberikan kuliah bagi mahasiswa. Oersted menemukan bahwa di sekitar kawat berarus listrik magnet jarum kompas akan bergerak (menyimpang). Penyimpangan magnet jarum kompas akan makin  besar  jika  kuat  arus  listrik  yang  mengalir  melalui  kawat diperbesar. Arah penyimpangan jarum kompas bergantung arah arus listrik yang mengalir dalam kawat.

Gejala itu terjadi jika kawat dialiri arus listrik. Jika kawat tidak dialiri arus listrik, medan magnet tidak terjadi sehingga magnet jarum kompas tidak bereaksi.

Perubahan   arah   arus   listrik   ternyata   juga   memengaruhi perubahan  arah  penyimpangan  jarum  kompas.  Perubahan  jarum kompas menunjukkan perubahan arah medan magnet.

Bagaimanakah  menentukan  arah  medan  magnet  di  sekitar penghantar berarus listrik?

Jika arah arus listrik mengalir sejajar dengan jarum kompas dari kutub selatan menuju kutub utara, kutub utara jarum kompas menyimpang berlawanan dengan arah putaran jarum jam.

Jika arah arus listrik mengalir sejajar dengan jarum kompas dari kutub utara menuju kutub selatan, kutub utara jarum kompas menyimpang searah dengan arah putaran jarum jam.

 

1.   Pola Medan Magnet di Sekitar Arus Listrik

Gejala  penyimpangan  magnet  jarum  di  sekitar  arus  listrik membuktikan bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet.

Arah medan magnet yang ditimbulkan arus listrik dapat diterangkan melalui aturan atau kaidah berikut. Anggaplah suatu peng- hantar berarus listrik digenggam tangan kanan. Perhatikan Gambar

11.18. Jika arus listrik searah ibu jari, arah medan magnet yang timbul searah keempat jari yang menggenggam. Kaidah yang demikian disebut kaidah tangan kanan menggenggam. Tugas Individu !

Rancanglah suatu kegiatan untuk membuktikan adanya medan magnet  di  sekitar  penghantar  berarus  listrik.  Peralatan  yang  tersedia antara lain serbuk besi, penghantar, kertas, dan baterai. Gambarlah sketsa model kegiatanmu.

 

2.   Solenoida

 

Pada  uraian  sebelumnya  kamu  sudah  mempelajari  medan magnet yang timbul pada penghantar lurus. Bagaimana jika peng- hantarnya  melingkar  dengan  jumlah  banyak?  Sebuah  penghantar melingkar jika dialiri arus listrik akan menghasilkan medan listrik seperti Gambar 11.19. Penghantar  melingkar  yang  berbentuk  kumparan  panjang disebut solenoida. Medan magnet yang ditimbulkan oleh solenoida akan lebih besar daripada yang ditimbulkan oleh sebuah penghantar melingkar,  apalagi  oleh  sebuah  penghantar  lurus.  Tahukah  kamu mengapa demikian?

Jika  solenoida  dialiri  arus  listrik  maka  akan  menghasilkan medan magnet. Medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bergantung pada kuat arus listrik dan banyaknya kumparan. Garis-garis gaya magnet pada solenoida merupakan gabungan dari garis-garis gaya magnet dari kawat melingkar. Gabungan itu akan menghasilkan  medan  magnet  yang  sama  dengan  medan  magnet sebuah   magnet   batang   yang   panjang.   Kumparan   seolah-olah mempunyai  dua  kutub,  yaitu  ujung  yang  satu  merupakan  kutub utara  dan  ujung  kumparan  yang  lain  merupakan  kutub  selatan.

 

ELEKTROMAGNET

Masih ingatkah kamu cara membuat magnet menggunakan arus listrik? Di bagian ini kamu akan lebih mendalami tentang magnet listrik   tersebut.   Magnet   listrik   atau   elektromagnet   sangat   erat hubungannya dengan solenoida.

Medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida berarus listrik tidak terlalu kuat. Agar medan magnet yang dihasilkan solenoida berarus listrik bertambah kuat, maka di dalamnya harus dimasukkan inti besi lunak. Besi lunak merupakan besi yang tidak dapat dibuat menjadi magnet tetap. Solenoida berarus listrik dan dilengkapi de- ngan besi lunak itulah yang dikenal sebagai elektromagnet.

1.   Faktor  yang  Memengaruhi  Kekuatan  Elektromagnet

Apakah  yang  memengaruhi  besar  medan  magnet  yang  dihasilkan elektromagnet? Sebuah elektromagnet terdiri atas tiga unsur penting, yaitu jumlah lilitan, kuat arus, dan inti besi.

Makin banyak lilitan dan makin besar arus listrik yang mengalir, makin besar medan magnet yang dihasilkan. Selain itu medan magnet yang dihasilkan elektromagnet juga tergantung pada inti besi yang digunakan. Makin besar (panjang) inti besi yang berada dalam solenoida,  makin  besar  medan  magnet  yang  dihasilkan  elektromagnet. Jadi kemagnetan sebuah elektromagnet bergantung   besar kuat  arus  yang  mengalir,  jumlah  lilitan,  dan  besar  inti  besi  yang digunakan.

Elektromagnet menghasilkan medan magnet yang sama dengan medan magnet sebuah magnet batang yang panjang. Elektromagnet juga mempunyai dua kutub yaitu ujung yang satu merupakan kutub utara dan ujung kumparan yang lain merupakan kutub selatan.

Dibandingkan magnet biasa, elektromagnet banyak mempu- nyai  keunggulan.  Karena  itulah  elektromagnet  banyak  digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa keunggulan elektromagnet antara lain sebagai berikut.

a.    Kemagnetannya dapat diubah-ubah dari mulai yang kecil sampai yang besar dengan cara mengubah salah satu atau ketiga dari kuat arus listrik, jumlah lilitan dan ukuran inti besi.

b.   Sifat kemagnetannya mudah ditimbulkan dan dihilangkan dengan  cara  memutus  dan  menghubungkan  arus  listrik  meng- gunakan sakelar.

c .   Dapat dibuat berbagai bentuk dan ukuran sesuai dengan kebutuhan yang dikehendaki.

d.   Letak kutubnya dapat diubah-ubah dengan cara mengubah arah arus listrik.

Kekuatan elektromagnet akan bertambah, jika:

a.  arus yang melalui kumparan bertambah,

b.  jumlah  lilitan  diperbanyak,

c.  memperbesar/memperpanjang inti besi.

2.   Kegunaan  Elektromagnet

Beberapa  peralatan  sehari-hari  yang  menggunakan  elektromagnet antara lain seperti berikut.

a.   Bel  listrik

Bel listrik terdiri atas dua elektromagnet dengan setiap solenoida  dililitkan  pada  arah  yang  berlawanan  (perhatikan  Gambar11.21). Apabila sakelar ditekan, arus listrik akan mengalir melalui solenoida. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik  kepingan besi lentur dan pengetuk akan memukul bel (lonceng) menghasilkan bunyi. Tarikan kepingan besi lentur oleh elektromagnet akan me- misahkan titik sentuh dan sekrup pengatur yang berfungsi sebagai interuptor.  Arus  listrik  akan  putus  dan  teras  besi  hilang  kemag- netannya. Kepingan besi lentur akan kembali ke kedudukan semula. Teras besi akan menjadi magnet dan menarik  kepingan besi lentur dan  pengetuk  akan  memukul  bel  (lonceng)  menghasilkan  bunyi kembali. Proses ini berulang-ulang sangat cepat dan bunyi lonceng terus terdengar.

 

b.   Relai

Relai berfungsi sebagai sakelar untuk menghubungkan atau memutuskan  arus  listrik  yang  besar  pada  rangkaian  lain  dengan menggunakan arus listrik yang kecil. Ketika sakelar  S ditutup arus listrik  kecil  mengalir  pada  kumparan.  Teras  besi  akan  menjadi magnet  (elektromagnet)  dan  menarik  kepingan  besi  lentur.  Titik sentuh  C  akan  tertutup,  menyebabkan  rangkaian  lain  yang  mem- bawa arus besar akan tersambung. Apabila sakelar S dibuka, teras besi hilang kemagnetannya, keping besi lentur kembali ke kedudukan semula. Titik sentuh C terbuka dan rangkaian listrik lain terputus.

GAYA LORENTZ

Di   depan   telah   dijelaskan   bahwa   kawat   berarus   listrik menimbulkan medan magnet. Apakah yang terjadi jika kawat berarus listrik berada dalam medan magnet tetap?

Interaksi  medan  magnet  dari  kawat  berarus  dengan  medan magnet tetap akan menghasilkan gaya magnet. Pada peristiwa ini terdapat hubungan antara arus listrik, medan magnet tetap, dan gaya magnet.  Hubungan  besaran-besaran  itu  ditemukan  oleh  fisikawan Belanda, Hendrik Anton Lorentz (1853-1928). Dalam penyelidikan- nya  Lorentz  menyimpulkan  bahwa  besar  gaya  yang  ditimbulkan berbanding  lurus  dengan  kuat  arus,  kuat  medan  magnet,  panjang kawat dan sudut yang dibentuk arah arus listrik dengan arah medan magnet.  Untuk  menghargai  jasa  penemuan  H.A.  Lorentz,  gaya tersebut disebut gaya Lorentz. Apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz dirumuskan.

Dengan: F = B . I . l

F = gaya Lorentz satuan newton (N)

B = kuat medan magnet satuan tesla (T).

l = panjang kawat satuan meter (m)

I = kuat arus listrik satuan ampere (A)

Arah gaya Lorentz bergantung pada arah arus listrik dan arah medan  magnet.  Untuk  menentukan  arah gaya  Lorentz  digunakan kaidah  atau  aturan  tangan  kanan.  Caranya  rentangkan  ketiga  jari yaitu ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah sedemikian hingga membentuk sudut 90 derajat  (saling tegak lurus). Jika ibu jari menunjukan arah arus listrik (I) dan jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B) maka arah gaya Lorentz searah jari tengah (F). Dalam bentuk tiga dimensi, arah yang tegak lurus mendekati pembaca diberi simbol. Adapun arah yang tegak lurus menjauhi pembaca diberi simbol.

Gaya Lorentz yang ditimbulkan kawat berarus listrik dalam medan magnet dapat dimanfaatkan untuk membuat alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Alat yang menerapkan gaya Lorentz adalah motor listrik dan alat-alat ukur listrik. Motor listrik banyak dijumpai pada tape recorder, pompa air listrik, dan komputer.  Adapun,  contoh  alat  ukur  listrik  yaitu  amperemeter, voltmeter, dan ohmmeter.