Sifat Magnet & Elektromagnet

Fisika jarang terasa lebih ajaib daripada ketika Anda pertama kali menemukan magnet sebagai seorang anak. Mendapatkan magnet batang di kelas sains dan mencoba – dengan sekuat tenaga – untuk mendorongnya ke kutub magnet lain yang cocok tetapi tetap benar-benar tidak bisa, atau membiarkan kutub yang berlawanan saling berdekatan tetapi tidak menyentuh sehingga Anda dapat melihatnya merayap bersama dan akhirnya Ikuti. Anda dengan cepat mengetahui bahwa perilaku ini adalah akibat dari magnetisme, tetapi apa sebenarnya magnetisme itu? Apa hubungan antara listrik dan magnet yang memungkinkan elektromagnet bekerja? Mengapa Anda tidak menggunakan magnet permanen alih-alih elektromagnet di halaman memo logam, misalnya? Magnetisme adalah topik yang menarik dan rumit, tetapi jika Anda hanya ingin mempelajari sifat-sifat magnet dan dasar-dasarnya, itu sangat mudah untuk dipelajari.

Perilaku magnetik pada akhirnya disebabkan oleh gerakan elektron. Muatan listrik yang bergerak menghasilkan medan magnet, dan – seperti yang Anda duga – magnet dan medan magnet saling terkait secara rumit. Karena elektron adalah partikel bermuatan, gerakan orbitalnya di sekitar inti atom menciptakan medan magnet kecil. Namun, secara umum, ada berton-ton elektron dalam suatu material, dan medan yang diciptakan olehnya adalah dibatalkan oleh bidang yang dibuat oleh yang lain, dan tidak akan ada magnet dari material sebagai seluruh.

Beberapa bahan bekerja secara berbeda. Medan magnet yang diciptakan oleh satu elektron dapat mempengaruhi orientasi medan yang dihasilkan oleh elektron tetangga, dan mereka menjadi sejajar. Ini menghasilkan apa yang disebut "domain" magnetik di dalam material, di mana semua elektron telah menyelaraskan medan magnet. Bahan yang melakukan ini disebut feromagnetik, dan pada suhu kamar, hanya besi, nikel, kobalt, dan gadolinium yang bersifat feromagnetik. Ini adalah bahan yang bisa menjadi magnet permanen.

Domain dalam bahan feromagnetik semuanya akan memiliki orientasi acak; meskipun elektron tetangga menyelaraskan bidang mereka bersama-sama, kelompok lain cenderung disejajarkan dalam arah yang berbeda. Ini tidak meninggalkan magnetisme dalam skala besar, karena domain yang berbeda saling meniadakan seperti yang dilakukan elektron individu pada bahan lain.

Namun, jika Anda menerapkan medan magnet eksternal – dengan mendekatkan magnet batang ke material, misalnya – domain mulai sejajar. Kapan semua dari domain disejajarkan, seluruh bagian materi secara efektif berisi satu domain dan mengembangkan dua kutub, umumnya disebut utara dan selatan (walaupun positif dan negatif juga dapat bekas).

Dalam bahan feromagnetik, penyelarasan ini berlanjut bahkan ketika medan luar dihilangkan, tetapi di lain jenis bahan (bahan paramagnetik), sifat magnetik hilang ketika medan eksternal dihapus.

Sifat yang menentukan magnet adalah bahwa mereka menarik beberapa bahan dan kutub yang berlawanan dari magnet lain, dan menolak seperti kutub magnet lainnya. Jadi jika Anda memiliki dua magnet batang permanen, mendorong dua kutub utara (atau selatan) bersama-sama menghasilkan gaya tolak, yang semakin kuat semakin dekat kedua ujungnya disatukan. Jika Anda menyatukan dua kutub yang berlawanan (utara dan selatan) ada gaya tarik menarik di antara keduanya. Semakin dekat Anda menyatukan mereka, semakin kuat kekuatan ini.

Bahan feromagnetik - seperti besi, nikel dan kobalt - atau paduan yang mengandungnya (seperti baja) tertarik pada magnet permanen, bahkan jika mereka tidak menghasilkan medan magnetnya sendiri. Mereka hanya tertarik ke magnet, dan mereka tidak akan ditolak kecuali mereka mulai menghasilkan medan magnet mereka sendiri. Bahan lain, seperti aluminium, kayu, dan keramik, tidak tertarik pada magnet.

Magnet permanen dan elektromagnet sangat berbeda. Elektromagnet melibatkan listrik dengan cara yang lebih jelas dan pada dasarnya dihasilkan oleh pergerakan elektron melalui kawat atau konduktor listrik. Seperti halnya penciptaan domain magnetik, pergerakan elektron melalui kawat menghasilkan medan magnet. Bentuk medan tergantung pada arah perjalanan elektron – jika Anda mengarahkan ibu jari tangan kanan Anda ke arah arus, jari-jari Anda melengkung ke arah bidang.

Untuk menghasilkan elektromagnet sederhana, kawat listrik dililitkan di sekitar inti pusat, biasanya terbuat dari besi. Ketika arus mengalir melalui kawat, berjalan dalam lingkaran di sekitar inti, medan magnet dihasilkan, berjalan di sepanjang sumbu pusat kumparan. Medan ini hadir terlepas dari apakah Anda memiliki inti atau tidak, tetapi dengan inti besi, medan menyelaraskan domain dalam bahan feromagnetik dan dengan demikian menjadi lebih kuat.

Ketika aliran listrik dihentikan, elektron bermuatan berhenti bergerak di sekitar kumparan kawat, dan medan magnet menghilang.

Elektromagnet dan magnet memiliki sifat kunci yang sama. Perbedaan antara magnet permanen dan elektromagnet pada dasarnya terletak pada bagaimana medan diciptakan, bukan sifat-sifat medan sesudahnya. Jadi elektromagnet masih memiliki dua kutub, masih menarik bahan feromagnetik, dan masih memiliki kutub yang menolak kutub sejenis lainnya dan menarik kutub tidak sejenis. Perbedaannya adalah bahwa muatan yang bergerak dalam magnet permanen diciptakan oleh pergerakan elektron dalam atom, sedangkan dalam elektromagnet itu dibuat oleh pergerakan elektron sebagai bagian dari listrik arus.

Elektromagnet memiliki banyak keuntungan, meskipun. Karena medan magnet dihasilkan oleh arus, karakteristiknya dapat diubah dengan mengubah arus. Misalnya, meningkatkan arus meningkatkan kekuatan medan magnet. Demikian pula, arus bolak-balik (listrik AC) dapat digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang terus berubah, yang dapat digunakan untuk menginduksi arus di konduktor lain.

Untuk aplikasi seperti derek magnetik di tempat skrap logam, keuntungan besar elektromagnet adalah medan dapat dimatikan dengan mudah. Jika Anda mengambil sepotong besi tua dengan magnet permanen yang besar, mengeluarkannya dari magnet akan cukup sulit! Dengan elektromagnet, yang harus Anda lakukan adalah menghentikan aliran arus dan besi tua akan jatuh.

Hukum elektromagnetisme dijelaskan oleh hukum Maxwell. Ini ditulis dalam bahasa kalkulus vektor dan memerlukan beberapa matematika yang cukup rumit untuk digunakan. Namun, dasar-dasar aturan yang berkaitan dengan magnet dapat dipahami tanpa mempelajari matematika yang rumit.

Hukum pertama yang berkaitan dengan magnet disebut "hukum tidak ada monopole". Ini pada dasarnya menyatakan bahwa semua magnet memiliki dua kutub, dan tidak akan pernah ada magnet dengan satu kutub. Dengan kata lain, Anda tidak dapat memiliki kutub utara magnet tanpa kutub selatan, dan sebaliknya.

Hukum kedua yang berkaitan dengan magnet disebut hukum Faraday. Ini menggambarkan proses induksi, di mana medan magnet yang berubah (dihasilkan oleh elektromagnet dengan a arus yang berubah-ubah atau oleh magnet permanen yang bergerak) menginduksi tegangan (dan arus listrik) di dekat konduktor.

Hukum terakhir yang berkaitan dengan magnet disebut hukum Ampere-Maxwell, dan ini menjelaskan bagaimana medan listrik yang berubah menghasilkan medan magnet. Kekuatan medan berhubungan dengan arus yang melewati area dan laju perubahan medan listrik (yang dihasilkan oleh pembawa muatan listrik seperti proton dan elektron). Ini adalah hukum yang Anda gunakan untuk menghitung medan magnet dalam kasus yang lebih sederhana, seperti untuk gulungan kawat atau kawat lurus yang panjang.