Sawah ada di sekitar kita. Entah itu medan gravitasi yang disebabkan oleh massa Bumi atau medan listrik yang diciptakan oleh partikel bermuatan seperti elektron, ada medan tak kasat mata di mana-mana, mewakili potensi dan kekuatan tak terlihat yang mampu menggerakkan objek dengan tepat karakteristik.
Misalnya, medan listrik di suatu daerah berarti bahwa benda bermuatan dapat dibelokkan dari jalur aslinya ketika memasuki daerah tersebut, dan medan gravitasi karena massa Bumi membuat Anda tetap berada di permukaan Bumi kecuali Anda melakukan beberapa pekerjaan untuk mengatasinya mempengaruhi.
Medan magnet adalah penyebab gaya magnet, dan benda yang mengerahkan gaya magnet pada benda lain melakukannya dengan menciptakan medan magnet. Medan magnet dapat dideteksi dengan pembelokan jarum kompas yang sejajar dengan garis medan (magnet utara jarum mengarah ke selatan magnet). Jika Anda mempelajari listrik dan magnet, mempelajari lebih lanjut tentang medan magnet dan gaya magnet adalah langkah penting dalam perjalanan Anda.
Apa Itu Medan Magnet?
Dalam fisika secara umum, medan adalah vektor dengan nilai di setiap wilayah ruang yang memberi tahu Anda seberapa kuat atau lemah suatu efek pada titik itu, dan arah efeknya. Misalnya, sebuah benda bermassa, seperti matahari, menciptakan medan gravitasi, dan benda lain dengan massa yang memasuki medan tersebut akan terpengaruh oleh gaya sebagai akibatnya. Ini adalah bagaimana tarikan gravitasi matahari membuat Bumi tetap mengorbit di sekitarnya.
Lebih jauh di tata surya, seperti pada kisaran orbit Uranus, gaya yang sama berlaku, tetapi kekuatannya jauh lebih rendah. Itu selalu diarahkan langsung ke matahari; jika Anda membayangkan kumpulan panah yang mengelilingi matahari, semuanya mengarah ke sana tetapi dengan panjang yang lebih panjang pada jarak yang dekat close (gaya yang lebih kuat) dan panjang yang lebih kecil pada jarak yang jauh (gaya yang lebih lemah), pada dasarnya Anda telah membayangkan medan gravitasi di matahari sistem.
Dengan cara yang sama, benda-benda bermuatan menciptakan medan listrik, dan muatan yang bergerak menghasilkan movingMedan magnet, yang dapat menimbulkan gaya magnet di dekat benda bermuatan atau bahan magnet lainnya.
Medan-medan ini sedikit lebih rumit dalam hal bentuk daripada medan gravitasi, karena medan-medan ini memiliki magnet perulangan garis medan yang muncul dari kutub positif (atau kutub utara) dan berakhir di kutub negatif (atau kutub selatan), tetapi mereka mengisi dasar yang sama wewenang. Mereka seperti garis gaya, yang memberi tahu Anda bagaimana suatu objek yang ditempatkan di suatu lokasi akan berperilaku. Anda dapat memvisualisasikannya dengan jelas menggunakan serbuk besi, yang akan sejajar dengan medan magnet luar.
Medan magnet adalahselalu medan dipol, sehingga tidak ada monopol magnetik. Umumnya medan magnet dilambangkan dengan hurufB, tetapi jika medan magnet melewati bahan magnet, ini dapat menjadi terpolarisasi dan menghasilkan medan magnetnya sendiri. Bidang kedua ini berkontribusi pada bidang pertama, dan kombinasi keduanya disebut dengan hurufH, dimana
H=\frac{B}{\mu_m}\text{ dan }\mu_m=K_m\mu_0
dengan0 = 4π × 10−7 H/m (yaitu, permeabilitas magnetik ruang bebas) dan Ksaya menjadi permeabilitas relatif dari bahan yang bersangkutan.
Jumlah medan magnet yang melewati area tertentu disebut fluks magnet. Kerapatan fluks magnet berhubungan dengan kekuatan medan lokal. Karena medan magnet selalu dipolar, fluks magnet bersih melalui permukaan tertutup adalah 0. (Setiap garis bidang yang keluar dari permukaan, harus memasukkannya lagi, membatalkannya.)
Satuan dan Pengukuran
Satuan SI untuk kuat medan magnet adalah tesla (T), di mana:
1 tesla = 1 T = 1 kg/A s2 = 1 V s/m2 = 1 N/A m
Satuan lain yang banyak digunakan untuk kekuatan medan magnet adalah gauss (G), di mana:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla adalah unit yang cukup besar, jadi dalam banyak situasi praktis, gauss adalah pilihan yang lebih berguna – misalnya, a magnet kulkas akan memiliki kekuatan sekitar 100 G, sedangkan medan magnet bumi di permukaan bumi adalah sekitar 0,5 G
Penyebab Medan Magnet
Listrik dan magnet pada dasarnya saling terkait karena medan magnet dihasilkan oleh muatan yang bergerak (seperti arus listrik) atau perubahan medan listrik, sedangkan perubahan medan magnet menghasilkan listrik bidang.
Dalam magnet batang atau benda magnet serupa, medan magnet dihasilkan dari beberapa "domain" magnetik menjadi sejajar, yang pada gilirannya diciptakan oleh pergerakan elektron bermuatan di sekitar inti atomnya atom. Gerakan ini menghasilkan medan magnet kecil dalam domain. Di sebagian besar materi, domain akan memiliki keselarasan acak dan saling membatalkan, tetapi di beberapa bahan, medan magnet di domain tetangga menjadi selaras, dan ini menghasilkan skala yang lebih besar daya tarik.
Medan magnet bumi juga dihasilkan oleh muatan yang bergerak, tetapi dalam kasus ini, gerakan lapisan cair yang mengelilingi inti bumilah yang menciptakan medan magnet. Hal ini dijelaskan olehteori dinamo, yang menjelaskan bagaimana cairan yang berputar dan bermuatan listrik menghasilkan medan magnet. Inti luar bumi mengandung zat besi cair yang terus bergerak, dengan elektron bergerak melalui cairan dan menghasilkan medan magnet.
Matahari juga memiliki medan magnet, dan penjelasan tentang cara kerjanya sangat mirip. Namun, kecepatan rotasi yang bervariasi dari berbagai bagian matahari (yaitu, bahan seperti cairan pada garis lintang yang berbeda) mengarah ke garis medan. terjerat dari waktu ke waktu serta banyak fenomena yang terkait dengan matahari, seperti jilatan api matahari dan bintik matahari, dan sekitar 11 tahun matahari siklus. Matahari memiliki dua kutub, seperti magnet batang, tetapi gerakan plasma matahari dan aktivitas matahari yang meningkat secara bertahap menyebabkan kutub magnet terbalik setiap 11 tahun.
Rumus Medan Magnet
Medan magnet karena pengaturan yang berbeda dari muatan yang bergerak harus diturunkan secara individual, tetapi ada banyak rumus standar yang dapat Anda gunakan sehingga Anda tidak harus "menemukan kembali roda" setiap waktu. Pada dasarnya Anda dapat memperoleh rumus untuk pengaturan muatan bergerak apa pun menggunakan hukum Biot-Savart atau hukum Ampere-Maxwell. Namun, rumus yang dihasilkan untuk pengaturan sederhana arus listrik sangat umum digunakan dan dikutip sehingga Anda dapat cukup perlakukan mereka sebagai "rumus standar" daripada menurunkannya dari hukum Biot-Savart atau Ampere-Maxwell setiap saat.
Medan magnet arus garis lurus ditentukan dari hukum Ampere (bentuk sederhana dari hukum Ampere-Maxwell) sebagai:
B = \frac{μ_0 I}{2 r}
Dimanaμ0 adalah seperti yang didefinisikan sebelumnya,sayaadalah arus dalam amp danradalah jarak dari kawat yang Anda ukur medan magnetnya.
Medan magnet di pusat loop arus diberikan oleh:
B = \frac{μ_0 I}{2 R}
DimanaRadalah jari-jari loop, dan simbol lainnya seperti yang didefinisikan sebelumnya.
Akhirnya, medan magnet solenoida diberikan oleh:
B = _0 \frac{N}{L} I
Dimanatidakadalah jumlah putaran danLadalah panjang solenoida. Medan magnet solenoida sebagian besar terkonsentrasi di tengah koil.
Contoh Perhitungan
Belajar menggunakan persamaan ini (dan persamaan seperti itu) adalah hal utama yang harus Anda lakukan saat menghitung medan magnet atau gaya magnet yang dihasilkan, jadi contoh masing-masing akan membantu Anda mengatasi jenis masalah yang mungkin Anda hadapi pertemuan.
Untuk kawat lurus panjang yang dialiri arus 5 ampere, (yaitu, I = 5 A), berapa kuat medan magnet yang berjarak 0,5 m dari kawat?
Menggunakan persamaan pertama dengan I = 5 A dan r = 0,5 m memberikan:
\begin{aligned} B &= \frac{μ_0 I}{2 r} \\ &= \frac{4π × 10^{−7} \text{ H/m} × 5 \text{ A}}{ 2π × 0,5 \text{ m}} \\ &= 2 × 10^{−6}\text{ T} \end{selaras}
Sekarang untuk loop arus yang membawa I = 10 A dan dengan jari-jari r = 0,2 m, berapakah medan magnet di pusat loop? Persamaan kedua memberikan:
\begin{aligned} B &= \frac{μ_0 I}{2R} \\ &= \frac{4π × 10^{−7} \text{ H/m} × 10 \text{ A}}{2 × 0,2 \text{ m}} \\ &= 3,14 × 10^{−5}\text{ T} \end{selaras}
Akhirnya, untuk sebuah solenoida dengan N = 15 lilitan sepanjang L = 0,1 m, dialiri arus 4 A, berapakah kuat medan magnet di pusatnya?
Persamaan ketiga memberikan:
\begin{aligned} B &= _0\frac{N}{L}Saya \\ &= 4π × 10^{−7} \text{ H/m} ×\frac{15 \text{ bergantian}}{0.1 \text{ m}} × 4 \text{ A}\\ &= 7,54 × 10^{−4}\text{ T} \end{selaras}
Contoh perhitungan medan magnet lainnya mungkin bekerja sedikit berbeda – misalnya, memberi tahu Anda medan di pusat a solenoid dan arus, tetapi meminta rasio N/L – tetapi selama Anda terbiasa dengan persamaan, Anda tidak akan mengalami masalah menjawab mereka.