Satu penemuan mengejutkan dalam fisika awal adalah bahwa listrik dan magnet adalah dua sisi dari fenomena yang sama: elektromagnetisme. Faktanya, medan magnet dihasilkan dengan memindahkan muatan listrik atau perubahan medan listrik. Dengan demikian, gaya magnet bekerja, tidak hanya pada sesuatu yang dimagnetisasi, tetapi juga pada muatan yang bergerak.
Definisi Gaya Magnet
Gaya magnet adalah gaya pada suatu benda akibat interaksi dengan medan magnet.
Satuan SI untuk gaya magnet adalah newton (N) dan satuan SI untuk medan magnet adalah tesla (T).
Siapapun yang telah memegang dua magnet permanen di dekat satu sama lain telah memperhatikan adanya gaya magnet. Jika dua kutub selatan magnet atau dua kutub utara magnet didekatkan, gaya magnet adalah tolak-menolak dan magnet akan mendorong satu sama lain dalam arah yang berlawanan. Jika kutub yang berlawanan didekatkan, itu menarik.
Tetapi asal dasar medan magnet adalah muatan yang bergerak. Pada tingkat mikroskopis, ini terjadi karena pergerakan elektron dalam atom bahan yang dimagnetisasi. Kita dapat memahami asal-usul gaya magnet secara lebih eksplisit, dengan memahami bagaimana medan magnet mempengaruhi muatan yang bergerak.
Persamaan Gaya Magnetik
Hukum gaya Lorentz menghubungkan medan magnet dengan gaya yang dirasakan oleh muatan atau arus yang bergerak. Hukum ini dapat dinyatakan sebagai perkalian silang vektor:
\bold F=q\bold v \times\bold B
untuk biayaqbergerak dengan kecepatanvdalam medan magnetB.Besarnya hasil disederhanakan menjadiF = qvBsin (θ)dimanaθadalah sudut antaravdanB. (Jadi gaya maksimum ketikavdanBtegak lurus, dan 0 jika sejajar.)
Ini juga dapat ditulis sebagai:
untuk arus listriksayadalam kawat yang panjangnyaLdi lapanganB.
Hal ini karena:
\bold IL=\frac{q}{\Delta t}L = q\frac{L}{\Delta t} = q\bold v
Tips
Jika medan listrik juga hadir, hukum gaya ini termasuk istilahqEuntuk memasukkan gaya listrik juga, di manaEadalah medan listrik.
Arah gaya Lorentz ditentukan olehaturan tangan kanan. Jika Anda mengarahkan jari telunjuk tangan kanan Anda ke arah muatan positif bergerak, dan jari tengah Anda ke arah medan magnet, ibu jari Anda memberikan arah memaksa. (Untuk muatan negatif, arahnya terbalik.)
Contoh
Contoh 1:Sebuah partikel alfa bermuatan positif yang bergerak ke kanan memasuki medan magnet seragam 0,083 T dengan garis-garis medan magnetnya mengarah keluar dari layar. Akibatnya, ia bergerak dalam lingkaran. Berapa jari-jari dan arah lintasan lingkarannya jika kecepatan partikel adalah 2 × 105 MS? (Massa partikel alfa adalah 6,64424 × 10-27 kg, dan mengandung dua proton bermuatan positif.)
Saat partikel memasuki medan, dengan menggunakan aturan tangan kanan, kita dapat menentukan bahwa partikel tersebut pada awalnya akan mengalami gaya ke bawah. Saat mengubah arah di lapangan, gaya magnet berakhir menunjuk ke arah pusat orbit melingkar. Begitugerakannya akan searah jarum jam.
Untuk benda yang mengalami gerak melingkar dengan kecepatan konstan, gaya total diberikan oleh givenFbersih = mv2/r.Mengatur ini sama dengan gaya magnet, kita kemudian dapat memecahkanr:
\frac{mv^2}{r}=qvB\implies r = \frac{mv}{qB}=\frac{(6.64424\times10^{-27})(2\times 10^5)}{(2 \times 1,602\times 10^{-19})(0,083)}=0,05\text{ m}
Contoh 2:Tentukan gaya per satuan panjang pada dua kawat lurus sejajar yang berjarakrterpisah membawa arussaya.
Karena medan dan arus berada pada sudut siku-siku, gaya pada kawat pembawa arus adalahF = ILB, maka gaya per satuan panjang adalahF/L = IB.
Medan akibat kawat diberikan oleh:
B=\frac{\mu_0I}{2\pi r}
Jadi gaya per satuan panjang yang dirasakan oleh satu kawat akibat kawat lainnya adalah:
\frac{F}{L}=IB=\frac{\mu_0I^2}{2\pi r}
Perhatikan bahwa jika arah arusnya sama, aturan tangan kanan menunjukkan kepada kita bahwa ini akan menjadi gaya tarik-menarik. Jika arusnya anti-blok, itu akan menjijikkan.