Bagaimana Medan Magnet Bekerja?

•••Syed Hussain Ather

​Medan magnetjelaskan bagaimana gaya magnet didistribusikan melalui ruang di sekitar benda. Umumnya, untuk benda yang bersifat magnetis, garis medan magnet bergerak dari kutub utara benda ke kutub selatan, seperti yang terjadi pada medan magnet bumi, seperti yang ditunjukkan pada diagram di atas.

Gaya magnet yang sama yang membuat benda menempel pada permukaan lemari es digunakan di medan magnet bumi yang melindungi lapisan ozon dari angin matahari yang berbahaya. Medan magnet membentuk paket energi yang mencegah lapisan ozon kehilangan karbon dioksida.

Anda dapat mengamati ini dengan menuangkan serbuk besi, potongan kecil seperti bubuk besi, dengan adanya magnet. Tempatkan magnet di bawah selembar kertas atau kain tipis. Tuang serbuk besi dan amati bentuk dan formasi yang mereka ambil. Tentukan garis medan apa yang harus ada untuk menyebabkan pengarsipan mengatur dan mendistribusikan diri seperti ini menurut fisika medan magnet.

Semakin besar kerapatan garis-garis medan magnet yang ditarik dari utara ke selatan, semakin besar besar medan magnetnya. Kutub utara dan selatan ini juga menentukan apakah objek magnet menarik (antara kutub utara dan selatan) atau tolak-menolak (antara kutub identik). Medan magnet diukur dalam satuan Tesla,

Karena medan magnet terbentuk setiap kali muatan bergerak, medan magnet diinduksi dari arus listrik melalui kabel. Medan memberi Anda cara untuk menggambarkan kekuatan potensial dan arah gaya magnet tergantung pada arus yang melalui kabel listrik dan jarak yang dilalui arus. Garis medan magnet membentuk lingkaran konsentris di sekitar kabel. Arah bidang ini dapat ditentukan melalui "aturan tangan kanan".

Aturan ini memberi tahu Anda bahwa, jika Anda meletakkan ibu jari kanan ke arah arus listrik melalui kawat, medan magnet yang dihasilkan searah dengan bagaimana jari-jari tangan Anda melengkung. Dengan arus yang lebih besar, medan magnet yang lebih besar diinduksi.

Anda dapat menggunakan contoh yang berbeda dari differentaturan tangan kanan, aturan umum untuk menentukan arah besaran yang berbeda yang melibatkan medan magnet, gaya magnet, dan arus. Aturan praktis ini berguna untuk banyak kasus dalam listrik dan magnet seperti yang ditentukan oleh matematika kuantitas.

•••Syed Hussain Ather

Aturan tangan kanan ini juga dapat diterapkan ke arah lain untuk magnetsolenoida, atau serangkaian arus listrik yang dibungkus kabel di sekitar magnet. Jika Anda mengarahkan ibu jari tangan kanan ke arah medan magnet, maka jari-jari tangan kanan Anda akan melingkar ke arah arus listrik. Solenoid memungkinkan Anda memanfaatkan kekuatan medan magnet melalui arus listrik.

•••Syed Hussain Ather

Ketika muatan listrik bergerak, medan magnet menghasilkan elektron yang berputar dan bergerak menjadi objek magnet itu sendiri. Unsur-unsur yang memiliki elektron tidak berpasangan dalam keadaan dasarnya seperti besi, kobalt, dan nikel dapat disejajarkan sedemikian rupa sehingga membentuk magnet permanen. Medan magnet yang dihasilkan oleh elektron unsur-unsur ini memungkinkan arus listrik mengalir melalui unsur-unsur ini dengan lebih mudah. Medan magnet itu sendiri juga dapat saling meniadakan jika besarnya sama dalam arah yang berlawanan.

Arus yang mengalir melalui bateraisayamengeluarkan medan magnetBdi radiusrsesuai dengan persamaan untukhukum Ampere​:

dimanaμ​₀ adalah konstanta magnetik permeabilitas vakum,1,26x10^-6 H/m("Henries per meter" di mana Henries adalah unit induktansi). Meningkatkan arus dan mendekati kawat keduanya meningkatkan medan magnet yang dihasilkan.

Agar suatu benda bersifat magnetis, elektron yang menyusun benda tersebut harus dapat bergerak bebas di sekitar dan di antara atom-atom dalam benda tersebut. Untuk bahan menjadi magnet, atom dengan elektron tidak berpasangan dengan putaran yang sama adalah kandidat ideal karena atom-atom ini dapat berpasangan satu sama lain untuk memungkinkan elektron mengalir dengan bebas. Menguji bahan di hadapan medan magnet dan memeriksa sifat magnetik atom yang membuat bahan ini dapat memberi tahu Anda tentang magnetnya.

​Ferromagnetmemiliki properti ini bahwa mereka bersifat magnetis permanen.Paramagnet, sebaliknya, tidak akan menampilkan sifat magnetik kecuali di hadapan medan magnet untuk melapisi putaran elektron sehingga mereka dapat bergerak bebas.diamagnetmemiliki komposisi atom sedemikian rupa sehingga tidak terpengaruh oleh medan magnet sama sekali atau hanya sedikit terpengaruh oleh medan magnet. Mereka tidak memiliki atau sedikit elektron tidak berpasangan untuk membiarkan muatan mengalir.

Paramagnet bekerja karena terbuat dari bahan yang selalu memilikimomen magnetik, yang dikenal sebagai dipol. Momen-momen ini adalah kemampuannya untuk menyelaraskan dengan medan magnet luar karena putaran elektron yang tidak berpasangan dalam orbital atom yang membuat bahan ini. Di hadapan medan magnet, bahan sejajar untuk melawan gaya medan magnet. Unsur paramagnetik termasuk magnesium, molibdenum, litium, dan tantalum.

Dalam bahan feromagnetik, dipol atom adalah permanen, biasanya sebagai akibat dari pemanasan dan pendinginan bahan paramagnetik. Ini menjadikannya kandidat ideal untuk elektromagnet, motor, generator, dan transformator untuk digunakan dalam perangkat listrik. Diamagnet, sebaliknya, dapat menghasilkan gaya yang memungkinkan elektron mengalir bebas dalam bentuk arus yang, kemudian, menciptakan medan magnet yang berlawanan dengan medan magnet yang diterapkan padanya. Ini membatalkan medan magnet dan mencegahnya menjadi magnet.

Medan magnet menentukan bagaimana gaya magnet dapat didistribusikan dengan adanya bahan magnetik. Sementara medan listrik menggambarkan gaya listrik dengan adanya elektron, medan magnet tidak memiliki partikel analog untuk menggambarkan gaya magnet. Para ilmuwan telah berteori bahwa monopole magnetik mungkin ada, tetapi belum ada bukti eksperimental untuk menunjukkan bahwa partikel-partikel ini ada. Jika mereka ada, partikel-partikel ini akan memiliki "muatan" magnetik seperti halnya partikel bermuatan memiliki muatan listrik.

Gaya magnet dihasilkan karena gaya elektromagnetik, gaya yang menggambarkan komponen listrik dan magnet dari partikel dan benda. Ini menunjukkan bagaimana magnet intrinsik adalah fenomena listrik yang sama seperti arus dan medan listrik. Muatan elektron inilah yang menyebabkan medan magnet membelokkannya melalui gaya magnet seperti halnya medan listrik dan gaya listrik.

Sementara hanya partikel bermuatan yang bergerak yang mengeluarkan medan magnet, dan semua partikel bermuatan yang mengeluarkan medan listrik, medan magnet dan elektromagnetik adalah bagian dari gaya fundamental yang sama dari elektromagnetisme. Gaya elektromagnetik bekerja di antara semua partikel bermuatan di alam semesta. Gaya elektromagnetik mengambil bentuk fenomena sehari-hari dalam listrik dan magnet seperti listrik statis dan ikatan bermuatan listrik yang menyatukan molekul.

Gaya ini di samping reaksi kimia juga membentuk dasar gaya gerak listrik yang memungkinkan arus mengalir melalui sirkuit. Ketika medan magnet dilihat terjalin dengan medan listrik, produk yang dihasilkan dikenal sebagai medan elektromagnetik.

Itupersamaan gaya Lorentz​

menggambarkan gaya pada partikel bermuatanqbergerak dengan kecepatanvdengan adanya medan listrikEdan medan magnetB. Dalam persamaan inixantaraqvdanBmewakili produk silang. Istilah pertamaqEadalah kontribusi medan listrik terhadap gaya, dan suku keduaqv x Badalah kontribusi medan magnet.

Persamaan Lorentz juga memberi tahu Anda bahwa gaya magnet antara kecepatan muatanvdan medan magnetBaku sqvbsinϕuntuk biayaqdimanaϕ("phi") adalah sudut antaravdanB, yang harus kurang dari 180derajat. Jika sudut antaravdanBlebih besar, maka Anda harus menggunakan sudut dalam arah yang berlawanan untuk memperbaikinya (dari definisi produk silang). Jikaϕadalah 0, seperti dalam, kecepatan dan titik medan magnet dalam arah yang sama, gaya magnet akan menjadi 0. Partikel akan terus bergerak tanpa dibelokkan oleh medan magnet.

•••Syed Hussain Ather

Pada diagram di atas, perkalian silang antara dua vektor vectorSebuahdanbaku sc. Perhatikan arah dan besarnyac. Arahnya tegak lurus terhadapSebuahdanbjika diberikan oleh aturan tangan kanan. Aturan tangan kanan berarti bahwa arah produk silang yang dihasilkancdiberikan oleh arah ibu jari Anda ketika jari telunjuk kanan Anda berada di arahbdan jari tengah kanan Anda mengarah keSebuah​.

Perkalian silang adalah operasi vektor yang menghasilkan vektor yang tegak lurus terhadap keduanyaqvdanBdiberikan oleh aturan tangan kanan dari tiga vektor dan dengan besarnya luas jajaran genjang yang vektor thatqvdanBmenjangkau. Aturan tangan kanan berarti Anda dapat menentukan arah perkalian silang antaraqvdanBdengan meletakkan jari telunjuk kanan ke arahB, jari tengah Anda ke arahqv, dan arah yang dihasilkan dari ibu jari Anda akan menjadi arah perkalian silang dari kedua vektor ini.

•••Syed Hussain Ather

Dalam diagram di atas, aturan tangan kanan juga menunjukkan hubungan antara medan magnet, gaya magnet, dan arus melalui kawat. Ini juga menunjukkan hasil kali silang antara ketiga besaran ini dapat mewakili aturan tangan kanan karena hasil kali silang antara arah gaya dan medan sama dengan arah arus.

Medan magnet sekitar 0,2 hingga 0,3 tesla digunakan dalam MRI, pencitraan resonansi magnetik. MRI adalah metode yang digunakan dokter untuk mempelajari struktur internal dalam tubuh pasien seperti otak, sendi, dan otot. Hal ini umumnya dilakukan dengan menempatkan pasien dalam medan magnet yang kuat sehingga medan tersebut berjalan di sepanjang sumbu tubuh. Jika Anda membayangkan pasien adalah solenoid magnetik, arus listrik akan membungkus tubuhnya dan and medan magnet akan diarahkan ke arah vertikal sehubungan dengan tubuh, seperti yang ditentukan oleh tangan kanan aturan.

Para ilmuwan dan dokter kemudian mempelajari cara proton menyimpang dari keselarasan normalnya untuk mempelajari struktur di dalam tubuh pasien. Melalui ini, dokter dapat membuat diagnosa yang aman dan non-invasif dari berbagai kondisi.

Orang tersebut tidak merasakan medan magnet selama proses tersebut, tetapi, karena ada begitu banyak air dalam tubuh manusia, inti hidrogen (yang merupakan proton) menyelaraskan diri karena magnet bidang. Pemindai MRI menggunakan medan magnet tempat proton menyerap energi, dan, ketika medan magnet dimatikan, proton kembali ke posisi normalnya. Perangkat kemudian melacak perubahan posisi ini untuk menentukan bagaimana proton disejajarkan dan membuat gambar bagian dalam tubuh pasien.