MEDAN MAGNETIK DISEKITAR KAWAT BERARUS
I.
TUJUAN PERCOBAAN a. Menentukan arah simpangan kompas di sekitar kawat berarus b. Menemukan hubungan medan magnetik dengan kuat arus
II.
RUMUSAN MASALAH a. Bagaimana hubungan medan magnetik dan kuat arus? b. Bagaimana hubungan antara jarak kompas dari kawat penghantar? c. Bagaimana arah penyimpangan jarum kompas setelah sumber tegangan dibalik?
III.
LANDASAN TEORI Medan magnet berasal dari dua kata, yaitu medan dan magnet. Medan berarti daerah sedangkan magnet sebenarnya berasal dari gaya magnetik. Sehingga medan magnet merupakn daerah yang dipengaruhi oleh gaya magnetik. Besar medan magnet disebut kuat medan magnet yang menyatakan banyaknya garis-garis gaya magnet pada suatu daerah tertentu. Medan magnet merupakan besaran vektor, berarti memiliki besar dan arah. Pada tahun 1785, Charles Coulomb telah berhasil menemukan pengaruh gaya elektrostatis antara dua muatan. Penemuan ini juga menjelaskan bahwa di sekitar muatan listrik timbul medan listrik. Pada langkah selanjutnya para ilmuwan mengembangkan pengetahuan tentang hubungan muatan listrik dengan medan magnet. Akhirnya pada tahun 1820 seorang ilmuwan Denmark, Hans Christian Oersted berhasil membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus ada medan magnet. Dalam percobaannya, Oersted meletakkan magnet jarum (kompas) di sekitar kawat berarus. Untuk kawat tak berarus kompas tetap sejajar kawat. Jika kawat dialiri arus listrik maka jarum kompas akan menyimpang. Penyimpangan ini dapat membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus timbul medan magnet. Dari penemuan Oersted ini dapat membuktikan bahwa arus listrik sangat berhubungan dengan medan magnet. Besar medan magnet atau kuat medan magnet dapat ditentukan dari Hukum Biot-Savart dan Ampere. Sedangkan arah medan magnet dapat ditentukan dari percobaan Oersted
1
Untuk menentukan arah medan magnet dapat menggunakan kaidah tangan kanan dengan ibu jari lurus dan empat jari lain tertekuk tegak lurus. Ibu jari menyatakan arah arus listrik dan empat jari lain sebagai arah induksi magnet.
Gejala penyimpangan magnet jarum di sekitar arus listrik membuktikan bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Jika arus listrik searah ibu jari, arah medan magnet yang timbul searah keempat jari yang menggenggam. Kaidah yang demikian disebut kaidah
tangan kanan Pemagnetan suatu bahan oleh medan magnet luar disebut induksi. Induksi magnetik sering didefinisikan sebagai timbulnya medan magnetic akibat arus listrik yang mengalir dalam suatu penghantar. Oersted menemukan bahwa arus listrik menghasilkan medan magnetik. Selanjutnya secara teoritis Laplace menyyatakan bahwa kuat medan magnetik disekitar arus listrik. a. Berbanding lurus dengan kuat arus listrik b. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak suatu titik dari penghantar kawat tersebut. c. Arah induksi magnet tersebut tegak lurus dengan bidang yang dilalui arus listrik.
Hubungan antara medan magnet, kuat arus, dan jarak titik dari kawat (penghantar ) dapat ditulis dalam persamaan berikut:
2
B=
Ket:
μ0 i 2π r
B r
= medan magnet (Tesla) = jarak titik dari penghantar (meter)
μo=¿
permeabilitas ruang hampa (4Ωx 10-7 Wb A-1m-1)
I=¿ Kuat Arus (Ampere) IV.
IDENTIFIKASI VARIABEL Untuk tabel 1 Variabel kontrol Variabel manipulasi Variabel respon Untuk tabel 2 Variabel kontrol Variabel manipulasi Variabel respon
: kuat arus. : arah arus (arah sumber tegangan) : kuat medan magnet : arah arus : kuat arus, jarak kawat penghantar : kuat medan magnet
V.
ALAT DAN BAHAN a. Kawat b. Sumber arus (baterai) c. Kabel d. Jarum kompas e. Mistar f. Amperemeter g. Sakelar h. Papan rangkaian
VI.
LANGKAH PERCOBAAN a. Siapkan semua alat dan bahan yang dibutuhkan! 3
b. Susunlah alat-alat seperti gambar!
c. Gunakanlah sumber tegangan (E) 6 volt atau 4 buah baterai untuk tabel pengamatan 1. Dalam keadaan sakelar terbuka letakkan 1 cm (ukur dengan mistar) kawat penghantar di atas dan sejajar jarum kompas (U ke S). d. Alirkan arus listrik ke dalam penghantar dengan menutup sakelar. Perhatikan apakah jarum kompas menyimpang, dan kemanakah jarum kompas menyimpang? Catatlah hasil pengamatanmu dalam tabel. e. Baliklah sumber tegangan (E) ke arah yang berlawanan (S ke U), kemudian hubungkan sakelar (s) dan catat hasil pengamatanmu dalam tabel. f. Untuk tabel pengamatan 2, ubahlah jumlah sumber tegangan. Lalu ulangi langkah d dan e untuk setiap jumlah tegangan. g. Jauhkanlah jarum kompas dari kawat berarus listrik tersebut dan amati bagaimana penyimpangan jarum kompasnya. Bandingkan dengan simpangan jarum kompas sebelum di jauhkan. VII.
DATA HASIL PENGAMATAN Tabel 1 : arah simpangan jarum kompas No. Kuat Arus (A) 1. 3A 2. 3A
Arah Arus U ke S S ke U
Arah Simpangan Jarum kompas S ke U (ke kiri menurut acuan utara) U ke S (ke kanan menurut acuan utara)
Tabel 2 : Kuat arus dan kuat medan yang ditimbulkan No. 1.
Kuat Arus(A) 1,2 A
Arah Arus U ke S
Arah simpangan jarum kompas S ke U, ke kiri menurut acuan utara 4
2.
1,6 A
3.
2,6 A
4.
1,3 A
5.
2,3 A
6.
3A
S ke U
dengan simpangan 7o S ke U, ke kiri menurut acuan utara dengan simpangan 9o S ke U, ke kiri menurut acuan utara dengan simpangan 12o U ke S, ke kanan menurut acuan utara dengan simpangan 9o U ke S, ke kanan menurut acuan utara dengan simpangan 16o U ke S, ke kanan menurut acuan utara dengan simpangan 18o
VIII. PENGOLAHAN DATA a. Menggunakan Rumus-Rumus Hubungan antara medan magnet, kuat arus, dan jarak titik dari kawat penghatar, dapat ditulis sebagai berikut: µo i B = 2π r
Ket:
B
= medan magnet (Wb/m2 atau Tesla)
r
= jarak titik dari penghantar (meter)
μo=¿
permeabilitas ruang hampa (4Ωx 10-7 Wb A-1m-1)
I =¿ Kuat Arus (Ampere)
Untuk tabel pengamatan1 Dengan kuat arus 3A dan arah arus U ke S, ternyata jarum kompas menyimpang S ke U dengan acuan utara ke kiri. Jarak kompas 1 cm dari penghantar, maka kuat medannya: µ0 i B = 2π r B=
4 π x 10−7 .3 2 π .0,01
B=
12 π x 10−7 0,02 π
5
−5
B = 6 x 10 T Kuat medan yang ditimbulkan ternyata 6x10-5 T untuk kuat arus 3 A. Setelah sumber tegangan dibalik (S ke U) ternyata jarum kompas menyimpang U ke S, dengan acuan utara ke kanan.
Untuk tabel pengamatan 2 1. Data 1 Arah arus U ke S, kuat arus yang terukur 1,2A, dan r =1cm=0,01m µ0 i B = 2π r B=
4 π x 10−7 .1,2 A 2 π .0,01
B=
4,8 π x 10 0,02 π
−7
−5
B = 2,4 x 10 T Jadi, kuat medan yang ditimbulkan yaitu 2,4x 10-5. 2. Data 2 Arah arus U ke S, kuat arus yang terukur 1,6A, dan r =1cm=0,01m µ0 i B = 2π r −7
B=
4 π x 10 .1,6 A 2 π .0,01
B=
6,4 π x 10 0,02 π
−7
−5
B = 3,2 x 10 T Jadi kuat medan yag ditimbulkan yaitu 3,2 x 10-5 T 3. Data 3 Arah arus U ke S, kuat arus yang terukur 2,6A, dan r =1cm=0,01m µ0 i B = 2π r −7
B=
4 π x 10 .2,6 A 2 π .0,01
B=
10,4 π x 10 0,02 π
−7
−5 B = 5,2 x 10 T
6
Jadi, kuat medan yang ditimbulkan yaitu 5,2 x 10-5 T 4. Data 4 Arah arus S ke U, kuat arus yang terukur 1,3 A, dan r =1cm=0,01m µ0 i B = 2π r −7
B=
4 π x 10 .1,3 A 2 π .0,01
B=
5,2 π x 10 0,02 π
−7
−5 B = 2,6 x 10 T
5. Data 5 Arah arus S ke U, kuat arus yang terukur 2,3 A,dan r =1cm=0,01m µ0 i B = 2π r B=
4 π x 10−7 .2,3 A 2 π .0,01
B=
9,2 π x 10−7 0,02 π
−5 B = 4,6 x 10 T
Jadi, kuat medan yang ditimbulkan yaitu 4,6x10-5 T 6. Data 6 Arah arus S ke U, kuat arus yang terukur 3 A, dan r =1cm=0,01m B=
µ0 2π
B=
4 π x 10−7 .3 2 π .0,01
B=
12 π x 10−7 0,02 π
i r
−5 B = 6 x 10 T
Jadi, kuat medan yang ditimbulkan oleh arus 3 A yaitu 6x10-5 T b. Tabel analisis data/data hasil analisis Tabel 1 : arah simpangan jarum kompas
7
No. Kuat Arus
Arah Arus
Simpangan Kompas
Kuat medan magnet
1.
3A
U ke S
S ke U
6 x 10 -5 T
2.
3A
S ke U
U ke S
6 x 10 -5 T
Tabel 2 : kuat arus dan kuat medan magnet yang ditimbulkan
No. Kuat Arus
Arah Arus
Simpangan Kompas
Kuat Magnet
Medan
2,4 x 10 -5 T
1.
1,2 A
2.
1,6 A
3.
2,6 A
5,2 x 10 -5 T
4.
1,3 A
2,6 x 10 -5 T
5.
2,3 A
6.
3,0 A
U ke S
S ke U
S ke U
U ke S
3,2 x 10 -5 T
4,6 x 10 -5 T 6,0 x 10 -5 T
c. Pembahasan untuk tabel pengamatan 1 Dengan kuat arus 3A, arah arus U ke S, jarak penghantar ke jarum kompas 1cm, ternyata menghasilkan kuat medan magnet sebesar 6 x 10-5 T. Sebelum sakelar (s) dihubungkan, tidak terjadi perubahan pada magnet jarum yang ada di bawah kawat penghantar dan tetap mengarah U ke S. Setelah sakelar (s) dihubungkan, arus listrik mengalir pada kawat penghantar, ternyata jarum kompas tidak lagi menunjuk U ke S. Magnet jarum tersebut menyimpang menuju S keU atau dengan acuan utara ke kanan, hal ini menunjukkan magnet jarum tersebut dipengaruhi oleh gaya magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yag melalui penghantar sehingga menyimpang ke kiri menyesuaikan arah medan listrik. Jika sumber tegangan (baterai) dibalik, maka arus membalik. Karena arah arus membalik, arah medan magnet juga membalik sehingga jarum kompas juga akan menyimpang berbeda dengan arah simpangan pertama. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut:
8
Ket. Gambar: a. b. c.
Sakelar terbuka tidak ada arus listrik, kompas sejajar kawat Sakelar ditutup kawat berarus dan menimbulkan medan magnet sehingga jarum kompas bergerak ke kiri. Jika baterai dibalik (arah arus membalik), arah simpangan kompas juga membalikdan berlawanan dengan yang pertama (b).
Dari kejadian di atas dapat kita simpulkan bahwa di sekitar kawat penghantar berarus listrik timbul medan magnet (B). Penyimpangan arah jarum kompas tersebut bergantung dari arah medan magnet yang timbul disekitar kawat berarus.
untuk tabel pengamatan 2 Dari data yang kita dapatkan seperti pada tabel 2, dengan kuat arus yang dibuat berbeda ternyata besar simpangan juga berbeda.
9
Ketika kuat arus kecil maka besar sudut penyimpangan jarum kompas juga semakin kecil, ini menandakan kuat arus mempunyai hubungan dengan kuat medan magnet. Saat kuat arus yang melewati kawat penghantar semakin besar maka besar sudut penyimpangan kompas juga semakin besar. Dengan arah arus U ke S, kuat arus 1,2A dan jarak kawat penghantar ke kompas 1 cm ternyata jarum kompas menyimpang dengan arah S ke U atau menggunakan acuan utara ke kiri. Dan medan magnet yang dihasilkan 2,4 x 10-5 T. Dengan arah arus U ke S, kuat arus 1,6A dan jarak kawat penghantar ke kompas 1 cm ternyata jarum kompas menyimpang dengan arah S ke U atau menggunakan acuan utara ke kiri. Dan medan magnet yang dihasilkan 3,2 x 10-5 T. Dengan arah arus U ke S, kuat arus 2,6A dan jarak kawat penghantar ke kompas 1 cm ternyata jarum kompas menyimpang dengan arah S ke U atau menggunakan acuan utara ke kiri. Dan medan magnet yang dihasilkan 5,2 x 10-5 T. Dengan arah arus S ke U, kuat arus 1,3A dan jarak kawat penghantar ke kompas 1 cm ternyata jarum kompas menyimpang dengan arah U ke S atau menggunakan acuan utara ke kanan. Dan medan magnet yang dihasilkan 2,6 x 10-5 T. Dengan arah arus S ke U, kuat arus 2,3A dan jarak kawat penghantar ke kompas 1 cm ternyata jarum kompas menyimpang dengan arah U ke S atau menggunakan acuan utara ke kanan. Dan medan magnet yang dihasilkan 4,6 x 10-5 T. Dengan arah arus S ke U, kuat arus 3,0A dan jarak kawat penghantar ke kompas 1 cm ternyata jarum kompas menyimpang dengan arah U ke S atau menggunakan acuan utara ke kanan. Dan medan magnet yang dihasilkan 6,0 x 10-5 T. Pada saat kawat penghantar berarus dijauhkan dari jarum kompas ternyata jarum kompas tidak menyimpang,hal ini dikarenakan tidak ada medan magnet lain yang berinteraksi dengan magnet jarum kompas atau jarak kawat penghantar ke jarum kompas terlalu jauh.
IX.
JAWABAN PERTANYAAN a. Hubungan medan magnetik dengan kuat arus adalah medan magnetik berbanding lurus dengan kuat arus artinya semakin besar kuat arus yang melalui penghantar maka semakin besar pula medan magnet yang
10
ditimbulkan yang dibuktikan melalui besarnya penyimpangan jarum kompas b. Hubungan antara jarak kompas dari kawat penghantar yaitu semakin dekat jarak yang kita ambil terhadap jarum kompas maka pengaruh arus listrik terhadap penyimpangan kompas semakin terlihat, tetapi ketika di jauhkan jarum kompas tidak menyimpang ini berarti bahwa arus listrik menimbulkan medan magnet tetapi jauh dari magnet lain sehingga keadaanya tidak dapat dibuktikan.seperti yang kita ketahui jarum kompas adalah magnet jarum yang memiliki kutub utara dan selatan. Ketika didekatkan medan magnet yang dihasilkan oleh kawat berarus berinteraksi dengan medan magnet kompas, c. Arah penyimpangan jarum kompas setelah di balik yaitu ketika arah arus S ke U jarum kompas ternyata menyimpang ke arah yang sebaliknya U ke S dengan acuan utara ke kanan. Ini menunjukkan arah arus berbeda arah dengan medan magnet.
X.
KESIMPULAN Dari serangkaian analisis di atas dapat kita simpulkan bahwa : Besarnya arus ternyata mempengaruhi besarnya kuat medan magnet yang ditimbulkan (besarnya penyimpangan jarum kompas). Semakin besar kuat arus yang melewati kawat penghantar, maka semakin besar pula kuat medan magnet, semakin kecil kuat arus sudut penyimpangan jarum kompas atau kuat medan magnet juga semakin kecil. Jarak penghantar dari jarum kompas mempunyai pengaruh terhadap penyimpangan jarum kompas. Semakin dekat jarak kawat penghatar ke jarum kompas semakin kelihatan penyimpangan jarum kompas sedangkan saat dijauhkan penyimpangan jarum kompas tidak terlihat.
DAFTAR PUSTAKA
11
Ari Damari. 2007. Mari Belajar Fisika untuk SMA-MA Kelas XII IPA. Surabaya: Depdiknas Kanginan Marthen. 2007. Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga Sri Rahmini,dkk. 2007. IPA Terpadu 3 untuk SMP/MTs Kelas IX. Semarang: Aneka Ilmu
12
