Belajar Fisika Melatih Daya Nalar dan Logika

Daya nalar dan logika merupakan salah satu kemampuan penting dan keterampilan yang perlu dimiliki dan merupakan fitrah dari manusia. dengan logika ini, manusia berpikir dan membedakan mana yang benar dan salah. Dengan daya nalar manusia mampu berpikir untuk terus mempertahankan kelangsungan hidupnya dan keturunannya. Dengan daya nalar ini manusia dapat berkreasi dan menciptakan teknologi yang dapat mempermudah kehidupannya. Dengan daya nalar ini manusia terus berkembang dan meningkatkan kemampuannya dalam beradaptasi dengan lingkungan yang dinamis dan berubah secara kontinu.

Daya nalar dan logika merupakan salah satu keterampilan hidup atau life skill yang secara alami akan terus tumbuh dalam diri individu. Tidak ada satu cara yang sangat efektif tetapi semua manusia pada dasarnya memiliki kemampuan untuk meningkatkan daya nalarnya ini. tidak ada pelajaran khusus yang perlu dipelajari untuk melakukannya namun manusia memiliki ruang untuk terus meningkatkannya.

Pelajaran fisika bersama-sama dengan matematika diyakini mampu meningkatkan daya nalar dan logika manusia ini. di dalam fisika siswa akan terbiasa berpikir secara sistematis dan terstruktur karena siswa akan selalu dihadapkan pada pemecahan masalah, hubungan sebab akibat, pertanyaan dan jawaban yang logis, ilmiah, dan masuk akal. Pemecahan masalah dalam fisika biasa dilakukan secara terpola dan sistematis dengan mengikuti satu pola tertentu. Kemampuan untuk mengenali pola-pola yang kadang tersembunyi ini salah satu tantangan menarik dalam fisika.

Daya nalar dan logika juga akan sangat banyak membantu seseorang dalam kehidupannya. Kemampuan untuk bangkit dari kegagalan, kemampuan untuk kembali tenang dari musibah dan kesedihan dan lain-lain diyakini juga amat dipengaruhi oleh kemampuan daya nalar seseorang. Daya nalar yang tinggi akan mampu membentuk seseorang untuk tetap teguh seiring dengan banyaknya cobaan hidup dan kejadian tidak menyenangkan yang dialaminya. Daya nalar bisa juga disertai dengan sikap positif yang membuat seseorang tidak mudah putus asa dengan segala kejadian yang menimpanya.

Kepercayaan diri juga bisa timbul dari daya nalar dan logika yang kuat ini. jika seorang siswa mendapat nilai yang tinggi dalam pelajaran fisika atau matematika, biasanya kepercayaan diri siswa juga akan semakin kuat. Pelajaran fisika dan matematika biasa dianggap sebagai pelajaran yang sulit, sehingga ketika mendapatkan nilai yang bagus tentu akan menimbulkan kepercayaan diri yang tinggi dalam dirinya. Kepercayaan diri ini selanjutnya juga bisa menanamkan sikap positif bahwa kita bisa melakukan apapun juga sesulit apapun itu. efek ini bisa jadi bisa ditimbulkan dari pemahamannya yang kuat terhadap pelajaran fisika.

Selanjutnya sikap positif dan kepercayaan diri yang dilandasi dengan kemampuan logika dan nalar yang kuat akan sangat menunjang kehidupan dan juga karir dan pekerjaannya nanti. Kesuksesan pun akan bisa diraih dalam sikap dan mental semacam ini. banyak orang sukses yang mereka memiliki sikap dan daya pikir kreatif yang dihasilkan dari proses penalaran kuat yang ditunjang salah satunya dari pemahaman yang kuat dalam fisika dan matematika.

Uraian di atas telah menggambarkan bagaimana fisika dapat berperan dalam kehidupan kita. Bahwa fisika begitu penting tidak hanya karena fisika masuk dalam kurikulum, namun juga karena fisika merupakan ilmu dasar yang menjadi landasan bagi perkembangan teknologi. Juga fisika yang melatih daya nalar dapat menjadi salah satu penunjang untuk meraih sukses dalam hidup. Dengan uraian ini semoga dapat menjawab pertanyaan: mengapa harus belajar fisika?

INDUKSI SILANG

Dalam bidang kelistrikan ada konsep yang sangat berguna, yaitu konsep induksi silang (mutual induction) atau ada juga yang menyebutnya sebagai induksi timbal-balik. Konsep ini merupakan awal mula dari pengembangan elektronika telekomunikasi. Aplikasi induksi timbal-balik digunakan untuk mentransmisikan sinyal elektromagnet melalui ruang dari satu perangkat ke perangkat lain. Di sini akan dibahas konsep dasar dari induksi silang sebagai dasar pemahaman bagi pengertian lebih lanjut tentang elektronika komunikasi.

arus listrik dalam loop kawat menginduksi medan magnet

Sebelumnya, kamu sudah mempelajari tentang medan magnet, bukan? Dalam pembahasan tentang medan magnet kamu sudah belajar bagaimana muatan listrik yang bergerak atau arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Bukankah begitu? Apakah kamu masih ingat, siapakah tokoh yang memperkenalkan konsep ini? Ya, dia adalah Hans Christian Oersted, seorang ahli fisika yang berasal dari Denmark. Konsep medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik dirumuskan secara lengkap oleh Ampere, dan dikenal dengan hukum Ampere. Konsep arus listrik yang dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet dikenal sebagai induksi magnet.

Selain itu, sebelumnya kamu juga sudah mempelajari bagaimana medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan arus listrik, bukan? Apakah kamu masih ingat siapakah tokoh yang berjasa dalam mengembangkan konsep ini? ya, dia adalah Michael Faraday, seorang tokoh terkemuka dalam fisika yang berkebangsaan Inggris. Konsep medan listrik (dalam bentuk arus listrik) yang dihasilkan (diinduksi) dari medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dikenal sebagai induksi elektromagnet.

medan magnet yang berubah-ubah menghasilkan arus listrik

Kedua konsep ini sangat berguna untuk memahami pengertian induksi silang yang akan dijelaskan berikut ini.

Induksi silang dapat terjadi pada dua buah rangkaian listrik. Salah satu rangkaian tersebut dialiri arus listrik sedangkan rangkaian yang lain tidak. Melalui peristiwa induksi silang, rangkaian yang dialiri arus listrik dapat “menginduksi” (baca: mentransmisikan listrik ke) rangkaian yang lain sehingga arus listrik dapat dihasilkan dalam rangkaian ini. untuk lebih jelasnya, coba kamu perhatikan gambar berikut ini.

induksi silang antara dua rangkaian

Berdasarkan prinsip Ampere bahwa arus listrik dapat menginduksi medan magnet, pada rangkaian dua (#2) arus listrik (i) dalam rangkaian dapat menghasilkan medan magnet (B). arus listrik yang digunakan dalam rangkaian haruslah arus yang berubah-ubah besarnya (bisa dilakukan dengan menggunakan arus bolak-balik). Mengapa? Coba kamu cari alasannya. Selanjutnya medan magnet ini menghasilkan fluks magnet yang menembus rangkaian listrik satu (#1) secara tegak lurus. Karena medan magnet yang menginduksi rangkaian listrik berubah-ubah maka arus listrik akan dihasilkan dalam rangkaian kedua ini. (Jadi, pertanyaan tadi sudah terjawab, kan).

Dihasilkannya arus listrik pada rangkaian kedua yang disebabkan oleh medan magnet dari rangkaian listrik lain yang dialiri arus listrik ini di mana antara kedua rangkaian tidak saling berhubungan dan terpisah oleh ruang merupakan konsep dasar dari induksi silang. Bagaimana, sudah paham kan sekarang?

Prinsip induksi silang dapat juga dimanfaatkan untuk memahami cara kerja transformator (trafo). Tahukah kamu, apa yang dimaksud dengan transformator? Secara singkat dijelaskan di sini bahwa transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik. Pembahasan tentang trafo akan diberikan dalam bahasan tersendiri.

Apakah kamu dapat menghubungkan konsep induksi silang yang sudah dibahas di sini dengan bagaimana cara kerja telepon seluler, radio, atau TV? Telepon seluler dapat menerima sinyal listrik dari perangkat lain walaupun kedua perangkat tidak saling bersentuhan atau berhubungan. Demikian juga dengan radio dan TV. Secara luas juga mencakup perangkat wireless (tanpa kabel) yang saat ini sangat bermanfaat dan banyak digunakan sehari-hari. Tentu saja konsep induksi silang dapat digunakan untuk menjelaskan peristiwa tersebut. Penjelasan lebih lanjut tentang cara kerja baik telepon seluler, radio, TV, maupun perangkat wireless lainnya akan dibahas dalam materi gelombang Elektromagnetik.

TERMODINAMIKA

Termodinamika

Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika kamu akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan.

Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V₂ – V₁)

Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai

Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V₂ > V₁. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V₂ < V₁ dan usaha gas bernilai negatif.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol⁻¹ K⁻¹, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi.

Gambar

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai

Q = W + ∆U

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi dalam ∆U.

Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai

Dimana V₂ dan V₁ adalah volume akhir dan awal gas.

Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan Q_V.

Q_V = ∆U

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_p. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

Q_V =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Q_p − Q_V

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Q_p) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (Q_V).

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p₁ dan V₁ mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p₂ dan V₂, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.

MOTOR BAKAR

MESIN BAKAR (Combustion Engine)
Para perintis: al-Jazari, Taqi al-Din, Samuel Morland, Samuel Morey, Sir Dugald Clark, Karl Benz dan Nikolaus Otto.
Tahun = 1206 - Revolusi Industri - 1879
Mesin atau Mesin Bakar, adalah alat yang mengubah tekanan / letupan api menjadi gaya/tenaga/kekuatan dengan menggunakan bahan bakar dari fosil (bensin, solar dll). Mesin jenis ini banyak dipakai sebagai mesin otomotif.
Usaha manusia untuk menciptakan mesin sudah ada sejak zaman Yunani kuno. Mulai dengan menggunakan tenaga manusia, hewan atau air terjun untuk menggerakkan roda penggiling. Dilaporkan sistem mekanika pertama menggunakan tenaga aliran air pernah dibuat oleh Kaberia (Raja Mithridat) sekitar 100 SM.
Kemudian para ilmuan dari bangsa Arab mengembangkan penemuan poros (crankshaft) dan engkol penghubung (connecting rod) serta pembangkit uap oleh Taqi al-Din.

Cara kerja mesin bakar 4 langkah :
1.Bahan bakar dialirkan (mixture in) kedalam ruang pembakaran (combustion chamber) proses ini dinamakan : Fuel Intake.
2.Udara dimampatkan (Compession) sehingga piston ditarik keatas.
3.Kemudian dilakukan pembakaran (Ignation) dengan memantik busi (spark plug) sehingga terjadi letupan keras dan mendorong piston kebawah untuk memutar poros mesin.
4.Exhaust valve terbuka dan udara hasil pembakaran dibuang. Sejalan dengan itu piston kembali naik keatas. Begitu seterusnya.
Dengan turun-naiknya piston akan memutar poros (crankshaft) mesin secara terus-menerus. Putaran poros ini diperluas menjadi putaran roda atau baling-baling sehingga menimbulkan daya dorong atau daya angkat..

ARUS PUSAR

Definisi arus pusar atau pengertian arus eddy adalah arus induksi yang timbul akibat konduktor yang bergerak dalam medan magnet. Arus ini juga disebut arus Fauccoult. Arus eddy dapat ditunjukkan dengan percobaan ayunan Waltenhofen. Jika keeping konduktor pejal diayunkan dalam medan magnet, gerakannya akan terhambat karena pada saat melewati medan magnet terjadi perubahan fluks magnet. Akibatnjya, electron bebas pada konduktor itu bergerak mengalami gaya Lorentz. Ada gerakan electron, berarti ada arus listrik yang arahnya berlawanan dengan arus electron berupa lingkaran.
Dalam tungku magnetic, arus eddy ini menguntungkan karena menimbulkan panas. Sebaliknya dalam tranformator, justru merugikan, karena adanya panas berartu terjadi kebocoran energy. Untuk memperkecil kerugian ini, inti besi dari transformator dibuat lempengan berlapis isolasi. Oleh karenanya, pada ayunan Waltenhofen, jika keping logam dibuat seperti sisir, akan lebih lama.

PEMBIASAN

Pembiasan cahaya adalah pembelokan cahaya ketika berkas cahaya melewati bidang batas dua medium yang berbeda indeks biasnya. Indeks bias mutlak suatu bahan adalah perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa dengan kecepatan cahaya di bahan tersebut. Indeks bias relatif merupakan perbandingan indeks bias dua medium berbeda. Indeks bias relatif medium kedua terhadap medium pertama adalah perbandingan indeks bias antara medium kedua dengan indeks bias medium pertama. Pembiasan cahaya menyebabkan kedalaman semu dan pemantulan sempurna.

1. Persamaan indeks bias mutlak

2. Hukum Pembiasan Cahaya

Lensa adalah peralatan sangat penting dalam kehidupan manusia. Mikroskop menggunakan susunan lensa untuk melihat jasad-jasad renik yang tak terlihat oleh mata telanjang. Kamera menggunakan susunan lensa agar dapat merekam obyek dalam film. Teleskop juga memanfaatkan lensa untuk melihat bintang-bintang yang jaraknya jutaan tahun cahaya dari bumi.

Kuat lensa berkaitan dengan sifat konvergen (mengumpulkan berkas sinar) dan divergen (menyebarkan sinar) suatu lensa. Untuk Lensa positif, semakin kecil jarak fokus, semakin kuat kemampuan lensa itu untuk mengumpulkan berkas sinar. Untuk Lensa negatif, semakin kecil jarak fokus semakin kuat kemampuan lensa itu untuk menyebarkan berkas sinar. Oleh karenanya kuat lensa didefinisikan sebagai kebalikan dari jarak fokus.

Rumus Kuat Lensa

Pembentukan Bayangan Pada Lensa

Lensa Gabungan

MEDAN MAGNET

KEMAGNETAN ( MAGNETOSTATIKA )

Benda yang dapat menarik besi disebut MAGNET.

Macam-macam bentuk magnet, antara lain :

magnet batang magnet ladam magnet jarum

Magnet dapat diperoleh dengan cara buatan.

Jika baja di gosok dengan sebuah magnet, dan cara menggosoknya dalam arah yang tetap, maka baja itu akan menjadi magnet.

Baja atau besi dapat pula dimagneti oleh arus listrik.

Baja atau besi itu dimasukkan ke dalam kumparan kawat, kemudian ke dalam kumparan kawat dialiri arus listrik yang searah. Ujung-ujung sebuah magnet disebut Kutub Magnet. Garis yang menghubungkan kutub-kutub magnet disebut sumbu magnet dan garis tegak lurus sumbu magnet serta membagi dua sebuah magnet disebut garis sumbu.

Sebuah magnet batang digantung pada titik beratnya. Sesudah keadaan setimbang tercapai, ternyata kutub-kutub batang magnet itu menghadap ke Utara dan Selatan.

Kutub magnet yang menghadap ke utara di sebut kutub Utara.

Kutub magnet yang menghadap ke Selatan disebut kutub Selatan.

Hal serupa dapat kita jumpai pada magnet jarum yang dapat berputar pada sumbu tegak ( jarum deklinasi ).

Kutub Utara jarum magnet deklinasi yang seimbang didekati kutub Utara magnet batang, ternyata kutub Utara magnet jarum bertolak. Bila yang didekatkan adalah kutub selatan magnet batang, kutub utara magnet jarum tertarik.

Kesimpulan : Kutub-kutub yang sejenis tolak-menolak dan kutub-kutub yang tidak sejenis tarik-menarik

Jika kita gantungkan beberapa paku pada ujung-ujung sebuah magnet batang ternyata jumlah paku yang dapat melekat di kedua kutub magnet sama banyak. Makin ke tengah, makin berkurang jumlah paku yang dapat melekat.

Kesimpulan : Kekuatan kutub sebuah magnet sama besarnya semakin ke tengah kekuatannya makin berkurang.

HUKUM COULOMB.

Definisi : Besarnya gaya tolak-menolak atau gaya tarik menarik antara kutub-kutub magnet, sebanding dengan kuat kutubnya masing-masing dan berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.

F = gaya tarik menarik/gaya tolak menolak dalam newton.

R = jarak dalam meter.

m₁ dan m₂ kuat kutub magnet dalam Ampere-meter.

₀ = permeabilitas hampa.

Nilai = 10⁷ Weber/A.m

Nilai permeabilitas benda-benda, ternyata tidak sama dengan permeabilitas hampa.

Perbandingan antara permeabilitas suatu zat debgan permeabilitas hampa disebut permeabilitas relatif zat itu.

m_r

_r = Permeabilitas relatif suatu zat.

= permeabilitas zat itu

₀ = permeabilitas hampa.

PENGERTIAN MEDAN MAGNET.

Medan magnet adalah ruangan di sekitar kutub magnet, yang gaya tarik/tolaknya masih dirasakan oleh magnet lain.

Kuat Medan ( H ) = ITENSITY.

Kuat medan magnet di suatu titik di dalam medan magnet ialah besar gaya pada suatu satuan kuat kutub di titik itu di dalam medan magnet m adalah kuat kutub yang menimbulkan medan magnet dalam Ampere-meter. R jarak dari kutub magnet sampai titik yang bersangkutan dalam meter. dan H = kuat medan titik itu dalam : atau dalam

Garis Gaya.

Garis gaya adalah : Lintasan kutub Utara dalam medan magnet atau garis yang bentuknya demikian hingga kuat medan di tiap titik dinyatakan oleh garis singgungnya.

Sejalan dengan faham ini, garis-garis gaya keluar dari kutub-kutub dan masuk ke dalam kutub Selatan. Untuk membuat pola garis-garis gaya dapat dengan jalan menaburkan serbuk besi disekitar sebuah magnet.

Gambar pola garis-garis gaya.

Rapat Garis-Garis Gaya ( FLUX DENSITY ) = B

Definisi : Jumlah garis gaya tiap satuan luas yang tegak lurus kuat medan.

Kuat medan magnet di suatu titik sebanding dengan rapat garis-garis gaya dan berbanding terbalik dengan permeabilitasnya.

B = rapat garis-garis gaya.

= Permeabilitas zat itu.

H = Kuat medan magnet.

catatan : rapat garis-garis gaya menyatakan kebesaran induksi magnetik.

Medan magnet yang rapat garis-garis gayanya sama disebut : medan magnet serba sama ( homogen )

Bila rapat garis-garis gaya dalam medan yang serba sama B, maka banyaknya garis-garis gaya ( ) yang menembus bidang seluar A m² dan mengapit sudut dengan kuat medan adalah : = B.A Sin Satuanya : Weber.

Diamagnetik Dan Para Magnetik.

Sehubungan dengan sifat-sifat kemagnetan benda dibedakan atas Diamagnetik dan Para magnetik.

Benda magnetik : bila ditempatkan dalam medan magnet yang tidak homogen, ujung-ujung benda itu mengalami gaya tolak sehingga benda akan mengambil posisi yang tegak lurus pada kuat medan. Benda-benda yang demikian mempunyai nilai permeabilitas relatif lebih kecil dari satu. Contoh : Bismuth, tembaga, emas, antimon, kaca flinta.

Benda paramagnetik : bila ditempatkan dalam medan magnet yang tidak homogen, akan mengambil posisi sejajar dengan arah kuat medan. Benda-benda yang demikian mempunyai permeabilitas relatif lebih besar dari pada satu. Contoh : Aluminium, platina, oksigen, sulfat tembaga dan banyak lagi garam-garam logam adalah zat paramagnetik.

Benda feromagnetik : Benda-benda yang mempunyai effek magnet yang sangat besar, sangat kuat ditarik oleh magnet dan mempunyai permeabilitas relatif sampai beberapa ribu. Contoh : Besi, baja, nikel, cobalt dan campuran logam tertentu ( almico )

LATIHAN SOAL.

1. Dua kutub magnet sejenis kekuatannya 10^-3 A.m

a. Beberapa gaya tolak menolaknya jika jaraknya 25 cm.

b. Berapa jarak antara kutub-kutub itu bila gaya tolak-menolaknya 10 N.

2. Sebuah kutub magnet mempunyai kekuatan 10^-5 A.m

a. Berapa kuat medan di satu titik yang jaraknya 1 m.

b. Berapa induksi magnetik di tempat itu ?

c. Berapa kuat medan dan induksi magnetik pada jarak 0,25 m.

3. Kuat medan di titik dalam medan magnet 5 N/A.m

a. Berapa besar gaya yang bekerja pada magnet yang kekuatannya 10 A.m dititik itu ?

b. Berapa besar induksi magnetik di tempat itu ?

4. Berapa flux magnetik kutub magnet yang kekuatannya 10^-2

5. Medan magnet yang serba sama mempunyai kuat medan sebesar 10⁷ N/A.m

a. Berapa induksi magnetiknya ?

b. Berapa flux magnetik yang tegak lurus bidang seluas 2 m²

c. Jika bidang itu mengapit sudut 30⁰ dengan medan magnet. Berapa flux magnetik yang menembus bidang itu ?

MEDAN MAGNET DI SEKITAR ARUS LISTRIK.

Percobaan OERSTED

Di atas jarum kompas yang seimbang dibentangkan seutas kawat, sehingga kawat itu sejajar dengan jarum kompas. jika kedalam kaewat dialiri arus listrik, ternyata jarum kompas berkisar dari keseimbangannya.

Kesimpulan : Disekitar arus listrik ada medan magnet.

Cara menentukan arah perkisaran jarum.

a. Bila arus listrik yang berada anatara telapak tangan kanan dan jarum magnet mengalir dengan arah dari pergelangan tangan menuju ujung-ujung jari, kutub utara jarum berkisar ke arah ibu jari.

b. Bila arus listrik arahnya dari pergelangan tangan kanan menuju ibu jari, arah melingkarnya jari tangan menyatakan perkisaran kutub Utara.

Pola garis-garis gaya di sekitar arus lurus.

Pada sebidang karton datar ditembuskan sepotong kawat tegak lurus, di atas karbon ditaburkan serbuk besi menempatkan diri berupa lingkaran-lingkaran yang titik pusatnya pada titik tembus kawat.

Kesimpulan : Garis-garis gaya di sekitar arus lurus berupa lingkaran-lingkaran yang berpusatkan pada arus tersebut.

Cara menentukan arah medan magnet

Bila arah dari pergelangan tangan menuju ibu jari, arah melingkar jari tangan menyatakan arah medan magnet.

HUKUM BIOT SAVART.

Definisi : Besar induksi magnetik di satu titik di sekitar elemen arus, sebanding dengan panjang elemen arus, besar kuat arus, sinus sudut yang diapit arah arus dengan jaraknya sampai titik tersebut dan berbanding terbalik dengan kwadrat jaraknya.

B = k .

k adalah tetapan, di dalam sistem Internasional

k = = 10^-7

Vektor B tegak lurus pada l dan r, arahnya dapat ditentukan denagan tangan kanan. Jika l sangat kecil, dapat diganti dengan dl.

dB =

Persamaan ini disebut hukum Ampere.

INDUKSI MAGNETIK

Induksi magnetik di sekitar arus lurus.

Besar induksi magnetik di titik A yang jaraknya a dari kawat sebanding dengan kuat arus dalam kawat dan berbanding terbalik dengan jarak titik ke kawat.

B = .

B dalam W/m²

I dalam Ampere

a dalam meter

Kuat medan dititik H = = =

mr udara = 1

Jika kawat tidak panjang maka harus digunakan Rumus :

Induksi Induksi magnetik di pusat arus lingkaran.

Titik A berjarak x dari pusat kawat melingkar besarnya induksi magnetik di A dirumuskan :

Jika kawat itu terdiri atas N lilitan maka :

B = . atau B = .

Induksi magnetik di pusat lingkaran.

Dalam hal ini r = a dan a = 90⁰

Besar induksi magnetik di pusat lingkaran.

B = .

B dalam W/m².

I dalam ampere.

N jumlah lilitan.

a jari-jari lilitan dalam meter.

Arah medan magnetik dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan.

Jika arah arus sesuai dengan arah melingkar jari tangan kanan arah ibu jari menyatakan arah medan magnet.

Solenoide

Solenoide adalah gulungan kawat yang di gulung seperti spiral.

Bila kedalam solenoide dialirkan arus listrik, di dalam selenoide terjadi medan magnet dapat ditentukan dengan tangan.

Gambar :

Besar induksi magnetik dalam solenoide.

Jari-jari penampang solenoide a, banyaknya lilitan N dan panjang solenoide 1. Banyaknya lilitan pada dx adalah : atau n dx, n banyaknya lilitan tiap satuan panjang di titik P.

Bila 1 sangat besar dibandingkan dengan a, dan p berada di tengah-tengah maka a₁= 0 ⁰ dan a₂ = 180 ⁰

Induksi magnetik di tengah-tengah solenoide :

Bila p tepat di ujung-ujung solenoide a₁= 0 ⁰ dan a₂ = 90 ⁰

Toroida

Sebuah solenoide yanfg dilengkungkan sehingga sumbunya membentuk lingkaran di sebut Toroida.

Bila keliling sumbu toroida 1 dan lilitannya berdekatan, maka induksi magnetik pada sumbu toroida.

n dapat diganti dengan

N banyaknya lilitan dan R jari-jari toroida.

LATIHAN SOAL.

1. Pada jarak 1 cm dari kawat lurus yang panjang terdapat titik A. Di dalam kawat mengalir arus listrik sebesar 10 Ampere.

a. Berapa besar induksi magnetik di titik A.

b. Berapa besar gaya yang bekerja pada kutub magnet yang berkekuatan 6,28 Am di

titik A.

2. Di atas jarum Kompas yang seimbang di bentangkan kawat lurus yang panjang, sehingga kawat itu sejajar dengan jarum kompas. Jarak antara jarum kompas dengan kawat adalah 5 cm. Kedalam kawat dialirkan arus listrik sebesar 4,5 A. Berapa besar induksi magnetik pada jarak 5 cm dari kawat.

3. Dua kawat 1 dan m yang sejajar berada pada jarak 4 cm satu sama lain. di dalam kawat 1 mengalir arus listrik 15 A dan dalam, kawat m sebesar 10 A. Tentukan besar induksi magnetik di tengah-tengah antara 1 dan m.

a. Jika arusnya searah.

b. Jika arusnya berlawanan arah.

4. Besar induksi magnetik di pusat arus yang berbentuk lingkaran 2.10^-6 W/m² jari-jari lingkaran 15,7 cm. = 3,14

a. Berapa besar kuat arus

b. Berapa gaya yang dialami kuat medan magnet yang kekuatannya 3,14.10^-2 di titik

pusatnya.

5. Sebuah gulungan kawat yang tipis terdiri atas 100 lilitan jari-jarinya 10 cm. Kedalam kawat dialirkan arus listrik sebesar 5 Ampere. Berapa besar induksi magnetik di titik pusatnya ?

6. Sebuah gulungan kawat tipis terdiri atas 100 lilitan berjari-jari 3 cm. Didalam gulungan kawat mengalir arus listrik sebesar 0,5 A.

a. Berapa besar induksi magnetik disatu titik yang berada pada garis tegak lurus

lingkaran yang melalui pusatnya dengan jarak 4 cm.

b. Berapa besar gaya pada kuat kutub yang berkekuatan 2.10^-4 Am.

7. Kawat yang berbentuk lingkaran berjari-jari 15 cm, dialiri arus listrik sebesar 10 A.

a. Berapa induksi magnetik dipusat lingkaran ?

b. Berapa induksi magnetik di suatu titik pada garis sumbu 20 cm dari pusat

lingkaran.

8. Sebuah solenoida panjangnya 25 cm mempunyai 500 gulungan dialiri arus listrik 5 A.

a. Berapa induksi magnetik ditengah-tengah solenoide.

b. Berapa induksi magnetik pada ujung-ujung solenoida.

c. Berapa induksi magnetik jika intinya besi = 5500

d. Berapa flux magnetik pada soal a, b dan c jika penampang solenoida 25 cm².

9. Sebuah solenoida mempunyai 1250 lilitan, panjangnya 98 cm dan jari-jari penampangnya 2 cm. Bila kedalam solenoida dialirkan arus 1,4 Ampere.

a. Berapa kuat medan magnet ditengah-tengah solenoida dan di ujung-ujungnya ?

b. Berapa flux magnetik pada ujung-ujung solenoide.

10. Sebuah toroida mempunyai 3000 lilitan. Diameter luar dan dalam masing-masing 26 cm dan 22 cm. Berapa induksi magnetik dalam toroida bila mengalir arus 5 A.

GAYA LORENTZ

Pada percobaan oersted telah dibuktikan pengaruh arus listrik terhadap kutub magnet, bagaimana pengaruh kutub magnet terhadap arus listrik akan dibuktikan dari percobaan berikut :

Seutas kawat PQ ditempatkan diantara kutub-kutub magnet ladam kedalam kawat dialirkan arus listrik ternyata kawat melengkung kekiri.

Gejala ini menunjukkan bahwa medan magnet mengerjakan gaya pada arus listrik, disebut Gaya Lorentz. Vektor gaya Lorentz tegak lurus pada I dan B. Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan tangan kanan. Bila arah melingkar jari-jari tangan kanan sesuai dengan putaran dari I ke B, maka arah ibu jari menyatakan arah gaya Lorents.

gambar :

Besar Gaya Lorentz.

Hasil-hasil yang diperoleh dari percobaan menyatakan bahwa besar gaya Lorentz dapat dirumuskan sebagai :

F = B I sin a

F = gaya Lorentz.

B = induksi magnetik medan magnet.

I = kuat arus.

= panjang kawat dalam medan magnet.

a = sudut yang diapit I dan B.

Satuan Kuat Arus.

Kedalam kawat P dan Q yang sejajar dialirkan arus listrik. Bila arah arus dalam kedua kawat sama, kawat itu saling menarik.

Penjelasannya sebagai berikut :

Dilihat dari atas arus listrik P menuju kita digambarkan sebagai arus listrik dalam kawat P menimbulkan medan magnet. Medan magnet ini mengerjakan gaya Lorentz pada arus Q arahnya seperti dinyatakan anak panah F. Dengan cara yang sama dapat dijelaskan gaya Lorentz yang bekerja pada arus listrik dalam kawat P.

Kesimpulan :

Arus listrik yang sejajar dan searah tarik-menarik dan yang berlawanan arah tolak- menolak.

Bila jarak kawat P dan Q adalah a, maka besar induksi magnetik arus P pada jarak a :

Besar gaya Lorentz pada arus dalam kawat Q

Besar gaya Lorentz tiap satuan panjang

F tiap satuan panjang dalam N/m.

I_p dan I_Q dalam Ampere dan a dalam meter.

Bila kuat arus dikedua kawat sama besarnya, maka :

Untuk I = 1 Ampere dan a = 1 m maka F = 2.10^-7 N/m

Kesimpulan :

1 Ampere adalah kuat arus dalam kawat sejajar yang jaraknya 1 meter dan menimbulkan gaya Lorentz sebesar 2.10^-7 N tiap meter.

Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Listrik.

Pertambahan energi kinetik.

Partikel A yang massanya m dan muatannya q berada dalam medan listrik serba sama, kuat medannya E arah vektor E kekanan. Pada partikel bekerja gaya sebasar F = qE, oleh sebab itu partikel memperoleh percepatan :

Usaha yang dilakukan gaya medan listrik setelah partikel berpindah d adalah :

W = F . d = q . E .d

Usaha yang dilakukan gaya sama dengan perubahan energi kinetik

E_k = q . E .d

v₁ kecepatan awal partikel dan v₂ kecepatannya setelah menempuh medan listrik sejauh d.

Lintasan partikel jika v tegak lurus E.

Didalam medan listrik serba sama yang kuat medannya E, bergerak partikel bermuatan positif dengan kecepatan v_x.

Dalam hal ini partikel mengalami dua gerakan sekaligus, yakni gerak lurus beraturan sepanjang sumbu x dan gerak lurus berubah beraturan sepanjang sumbu y.

Oleh sebab itu lintasannya berupa parabola. Setelah melintasi medan listrik, lintasannya menyimpang dari lintasannya semula.

Kecepatan pada saat meninggalkan medan listrik.

Arah kecepatan dengan bidang horisontal q :

Gerak Partikel Bermuatan Dalam Medan Magnet

Besar gaya Lorentz pada partikel.

Pada arus listrik yang berada dalam medan magnet bekerja gaya Lorentz.

F = B . I . sin a

Arus listrik adalah gerakan partikel-partikel yang kecepatannya tertentu, oleh sebab itu rumus di atas dapat diubah menjadi :

F = B . . v . t sin a

F = B . q . v sin a

F adalah gaya Lorentz pada partikel yang muatannya q dan kecepatannya v, B besar induksi magnetik medan magnet, a sudut yang diapit vektor v dan B.

Lintasan partikel bermuatan dalam medan magnet.

Tanda x menyatakan titik tembus garis-garis gaya kemagnetan yang arah induksi magnetiknya ( B ) meninggalkan kita. Pada partikel yang kecepatannya v, bekerja gaya Lorentz.

F = B . q . v sin 90⁰

F = B . q . v

Vektor F selalu tegak lurus pada v, akibatnya partikel bergerak didalam medan magnet dengan lintasan bentuk : LINGKARAN.

Gaya centripetalnya yang mengendalikan gerak ini adalah gaya Lorentz.

F_c = F Lorentz

= B . q . v

R =

R jari-jari lintasan partikel dalam magnet.

m massa partikel.

v kecepatan partikel.

q muatan partikel.

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan kadah tangan kanan bila tangan kanan di buka : Ibu jari menunjukkan ( v ), keempat jari menunjukkan ( B ) dan arah telapak tangan menunjukkan ( F )

LATIHAN SOAL

1. Sepotong kawat lurus panjangnya 10 cm dialiri arus listrik sebesar 2A, kawat itu berada dalam medan magnet serba sama yang induksi magnetiknya 6.10^-3 W/m².

Berapa besar gaya Lorentz yang bekerja pada kawat itu jika.

a. Kawat tegak lurus arah induksi magnetik.

b. Kawat mengapit sudut 30⁰ dengan arah induksi magnetik.

2. Kawat yang panjangnya 20 cm berada dalam medan magnet yang induksi magnetiknya 0,8 W/m². Jika gaya yang dialami kawat 2,4 N, berapa kuat arusnya, ( arah arus tegak lurus medan magnet ).

3. Dua kawat sejajar masing-masing panjangnya 90 cm dan jaraknya satu sama lain 1 mm. Dalam kawat mengalir arus 5 A dalam arah arus berlawanan. Berapa besar gaya antara kedua kawat ?

4. Kawat A, B, C, adalah kawat yang titik tembusnya pada bidang lukisan membentuk segitiga sama kaki. Dalam kawat A dan B masaing-masing mengalir arus 9 A dan dalam kawat C mengalir arus 3 A.

Carilah besar gaya tiap satuan panjang yang bekerja pada arus di C.

5. Sebuah gulungan kawat yang berbentuk empat persegi sisi-sisinya 12 cm dan 15 cm, Banyaknuya lilitan 25. Gulungan kawat ini ditempatkan dalam medan magnet yang induksi magnetiknya 4.10^-3 W/m². Bidang kawat sejajar dengan medan magnet. Berapa momen koppel yang bekerja pada gulungan itu jika induksi magnetik :

a. Sejajar dengan sisi yang panjangnya 12 cm.

b. Sejajar dengan sisi yang panjangnya 15 cm.

c. Kuat arus yang mengalir 400 mA.

6. Sebuah coil tunggal berbentuk empat persegi dilalui arus 10 A, panjang ab adalah 10 cm dan sisi lainnya 20 cm. Diletakkan dalam medan magnetik sehingga sudut yang diapit induksi magnetik dengan bidang coil 60⁰ B = 0,25 W/m².

a. Berapa gaya Lorentz yang bekerja pada kawat a yang panjangnya 20 cm.

b. Berapa momen koppel yang dapat menahan coil dalam posisi tersebut.

7. Sebuah coil terdiri dari 50 gulungan kawat berbentuk bangun persegi panjang dengan ukuran 4 cm dan 5 cm.

Coil ini dipasang vertikal dan dapat berputar pada sumbu yang sejajar dengan sisi pendek. Medan magnet yang induksi magnetiknya 2 W/m², arah induksi magnetiknya sejajar dan sebidang dengan coil. Berapa besar momen koppel untuk menahan jika :

a. Coil belum berputar ?

b. Coil sudah berputar 60⁰ ?

Kuat arus yang mengalir 0,3 A.

8. Partikel yang bermuatan 10^-6 C berada dalam medan listrik yang kuat medannya 2 V/cm. Massa partikel 0,02 gram.

a. Berapa percepatan yang diperoleh partikel ?

b. Berapa perubahan energi kinetiknya setelah bergerak 4 cm.

c. Berapa kecepatannya jika kecepatan awal sama dengan nol.

9. Elektron-elektron yang kecepatannya 4.10⁴ m/det bergerak dalam medan magnet. Arah gerak elektron selalu tegak lurus arah medan magnet. Besar induksi magnetiknya 10^-6 W/m².

a. Berapa besar gaya Lorentz pada elektron.

b. Berapa jari-jari lintasannya ?

c. Berapa percepatan centripetalnya ?

Massa elektron + 9.10^-31 Kg.

10. Didalam medan listrik yang kuat medannya 8.10^-8 V/m bergerak elektron-elektron dengan kecepatan 4.10⁴ m/s.

a. Kearah manakah simpangan elektron dalam listrik.

b. Agar lintasan elektron tetap lurus, harus dipasang medan magnet kemana arah

induksi magnetiknya?

c. Berapa besar induksi magnetik untuk keperluan tersebut?