Listrik dan Magnet

MAKALAH

LISTRIK DAN MAGNET

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dalam kehidupan modern, manusia tidak dapat dipisahkan dengan listrik. Andaikata tidak ada listrik, berarti tidak ada radio, tidak ada televisi, tidak ada lampu penerangan, tidak ada lampu lalu lintas. Sebaliknya, dengan listrik kehidupan manusia menjadi sangat menyenangkan. Lampu penerangan, telepon, televisi, alat-alat rumah tangga, semua menggunakan listrik. Jadi listrik dapat dikatakan suatu bentuk hasil teknologi yang sangat vital, dalam perikehidupan manusia.

Melalui pokok bahasan tegangan listrik dan arus listrik, memberikan bekal kepada peserta didik untuk memahami konsep-konsep dasar kelistrikan. Konsep-konsep dasar tersebut sangat penting untuk dapat memahami prinsip kerja alat-alat yang serba listrik, bahkan dapat pula menjadi dasar untuk dapat mengembangkan pengetahuan ke tingkat pemahaman masalah kelistrikan.

Radio, televisi, komputer, yang menjadi mitra kehidupan masa kini maupun masa mendatang tidak akan dipahami oleh kita tanpa memahami masalah-masalah yang akan dibahas dalam tegangan listrik.

B. Rumusan Masalah

1. Apa yang dimaksud dengan listrik ?

2. Bagaimanakah sejarah penemuan dan perkembangan listrik ?

3. Apa yang dimaksud dengan muatan listrik ?

4. Bagaimanakah bunyi Hukum Couloumb ?

5. Apa yang dimaksud medan listrik ?

6. Apa yang dimaksud potensial listrik ?

7. Apa yang dimaksud dengan arus listrik ?

8. Apa yang dimaksud energi listrik ?

9. Apa yang dimaksud kapasitas listrik ?

10. Apa yang dimaksud magnet ?

11. Apa yang dimaksud dengan medan magnet ?

12. Apa yang dimaksud dengan induksi magnet ?

13. Bagaimanakah hubungan antara listrik dan kemagnetan ?

14. Apa sajakah manfaat listrik dan magnet untuk kehidupan sehari – hari kita?

C. Tujuan Makalah

1. Untuk mengetahui tentang listrik

2. Untuk mengetahui sejarah penemuan dan perkembangan listrik

3. Untuk mengetahui tentang muatan listrik

4. Untuk mengetahui tentang bunyi Hukum Couloumb

5. Untuk mengetahui tentang medan listrik

6. Untuk mengetahui tentang potensial listrik

7. Untuk mengetahui tentang arus listrik

8. Untuk mengetahui tentang energi listrik

9. Untuk mengetahui tentang kapasitas listrik

10. Untuk mengetahui tentang magnet

11. Untuk mengetahui tentang medan magnet

12. Untuk mengetahui tentang induksi magnet

13. Untuk mengetahui tentang hubungan antara listrik dan kemagnetan

14. Untuk mengetahui tentang manfaat listrik dan magnet untuk kehidupan sehari – hari kita?

BAB II

PEMBAHASAN

A. Listrik

Listrik adalah aliran elektron-elektron dari atom ke atom pada sebuah penghantar. Semua atom memiliki partikel yang disebut elektron, terletak pada orbitnya mengelilingi proton. Atom yang paling sederhana adalah atom Hydrogen (Atom Air), yaitu hanya mempunyai satu elektron yang mengelilingi satu proton.

B. Sejarah Penemuan Listrik dan Perkembangannya

Kira-kira 600 tahun sebelum masehi, seorang filosof Yunani bernama Thalus memiliki sebuah batu ambar yang tidak mengkilap. Dalam upaya menjadikan batu tersebut mengkilap, dia menggosokkan batu ambar pada kain bajunya. Ternyata batu tersebut dapat menarik serbuk kayu yang halus.

Pada tahun 1600 setelah masehi, seorang dokter berkebangasaan Inggris bernama William Gilbert menemukan fenomena yang sama pada gelas, balerang, ebonit dan damar. Oleh Gilbert kekuatan yang ditimbulkan benda ketika digosok dinamakan kekuatan elektron sesuai dengan nama betu ambar dalam bahasa Yunani. Dari kata elektron, orang Belanda mennerjemahkan electriceit, dan bahasa Indonesia menerjemahkannya menjadi listrik.

Pada tahun 1897, J. J. Thompson, fisikawan inggris, dengan percobaan yang dirancangnya berhasil membuktikan adanya elektron. Kemudian muridnya yakni Ernest Rutherford mengemukakan teori mengenai struktur atom pada tahun 1911. Ternyata di dalam atom terdapat inti yang terdiri atas proton dan neutron, serta elektron yang mengelilingi inti. Proton bermuatan positif, elektron bermusdfghj atan negatif sedangkan neutron tidak bermuatan. Kemudian para ahli fisika menyimpulkan bahwa semua muatan yang bergerak dapat menimbulkan arus listrik. Muatan yang bergerak dapat berupa elektron maupun proton.

Pada tahun 1752, Benyamin Franklin menaikkan layang-layang mendekati sebuah gumpalan awan ketika hendak turun hujan. Layang-layang tersebut dikendalikan dengan seutas benang. Pada ujung sebelah bawah benang dikaitkan sebuah anak kunci. Pada saat hujan turun benang menjadi basah dan ketika dia mendekatkan telunjuknya pada anak kunci, terlihat bunga api kecil meloncat. Awan ternyata mengandung listrik yang ingin mengalir ke tanah melewati apa saja yang dapat menghantarkannya.

C. Muatan listrik

Muatan listrik merupakan salah satu sifat dari elemen tertentu. Muatan listrik ada dua macam, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Jika muatan sejenis di dekatkan akan tolak-menolak, sedangkan muatan tidak sejenis akan tarik menarik. Satuan muatan listrik adalah Coulomb (C). Muatan positif atau proton mempunyai harga +1,6x10^-19 C, dan muatan negatif atau elektron mempunyai harga -1,6x10^-19 C.

Jika suatu zat dibentuk energi, maka akan muncul sejumlah muatan positif dan negatif. Sebaliknya jika zat berubah menjadi energi, maka akan hilang sejumlah muatan positif dan negatifnya. Hal tersebut sesuai dengan prinsip kekekalan muatan, jumlah muatan listrik dalam sistem terisolasi selalu tetap. (Beiser, 1983)

D. Hukum Coulomb

Menurut Hukum Coulomb, besarnya gaya listrik yang diakibatkan suatu muatan dengan muatan yang lain dapat dinyatakan sebagai berikut.

Dimana q₁dan q₂ adalah besarnya muatan listrik, r adalah jarak antara q₁dan q₂, dan k adalah konstanta. Dalam ruang hampa nilai konstanta adalah

Dimana adalah permitifitas dalam ruang hampa, dan nilainya adalah

Secara lengkap Hukum Coulomb dapat dinyatakan dengan :

Contoh :

Berapakah besar dan arah gaya yang bekerja pada suatu muatan listrk +3 x 10^-9C yang berada 6 cm dari suatu muatan +4 x 10^-9C?

Jawab:

q₁: +3 x 10^-9C

q₂ : +4 x 10^-9C

r : 6 cm = 6 x 10^-2 m

menurut Hukum Coulomb:

= 3 x 10^-5

E. Medan Listrik

Medan listrik adalah suatu daerah dari suatu ruang dimana suatu muatan listrik berada. Dengan kata lain dapat dinyatakan bahwa sebuah muatan listrik akan menimbulkan suatu medan listrik disekitarnya.

Jika muatan q₀ pada suatu titik tertentu mengalami gaya F, maka medan magnet listrik pada titik tersebut akan mengikuti hubungan :

Kuat medan listrik merupakan besaran vektor. Satuan kuat medan listrik adalah Newton/ Coulomb atau N/C, atau Volt Meter (V/M).

F. Potensial listrik

Beda potensial V antara dua titik dalam suatu medan listrik adalah usaha yang diperlukan untuk membawa satu satuan muatan listrik dari suatu titik ke titik yang lain. Jadi pernyataan tersebut dapat dirumuskan menjadi :

Satuan beda potensial atau potensial listrik adalah volt (V). Beda potensial antara dua titik dalam medan listrik homogen (uniform) E dapat dirumuskan :

Jika suatu medan listrik yang biasanya dihasilkan dengan menggunakan suatu beda potensial antara dua pelat logam yang terpisah sejauh s, maka dapat dirumuskan :

Contoh:

Beda potensial sebesar 30V digunakan pada dua pelat paralel dan menghasilkan medan listrik 600 V/m.

Berapa jarak antara dua pelat tersebut?

Jawab:

= 0,05 m = 5 cm

G. Arus listrik

Apabila dalam suatu konduktor terjadi muatan listrik maka timbulah arus listrik. Dalam baterai atau generator arus listrik selalu mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Arus listrik dalam kawat logam merupakan aliran elektron, dan arus diasumsikan terjadi dengan arah berlawanan dengan arah gerak elektron. Muatan positif dan negatif bergerak jika berada dalam konduktor zat cair atau gas. Konduktor merupaka suatu zat yang dapat menghantarkan listrik. Lawan dri konduktor adalah isolator, yaitu suatu zat yang tidak dapat menghantarkan listrik.

Jika muatan q melewati titik tertentu dalam suatu konduktor dalam selang waktu t maka arus dalam konduktor adalah

Satuan untuk kuat arus listrik adalah amper (A). Perbedaan potensial diantara kedua ujung suatu konduktor akan menimbulkan arus listrik. Dalam konduktor logam kuat arus listrik akan sebanding dengan beda potensial. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Ohm, yang berbunyi : Kuat arus berbanding lurus dengn beda potensial, dan berbanding terbalik dengan hambatan listrik. Jika ditulis secara sistematis, maka :

Satuan untuk R atau tahanan/ hambatan arus listrik adalah ohm. Dari pernyataan Hukum Ohm tersebut dapat disimpulkan bahwa makin besar hambatan dalam suatu konduktor, maka semakin berkurang kuat arus untuk beda potensial tertentu. Hambatan dalam konduktor mengikuti ketentuan

Dimana L adalah panjang konduktor, A adalah penampang lintang konduktor, dan adalah resistivitas bahan konduktor. Resistivitas bahan konduktor bervariasi dengan suhu. Jika R adalah hambatan pada suatu konduktor pada suhu tertentu, kemudian berubah hambatannya sebesar ∆R, jika suhunya berubah sebesar ∆T, maka :

Dimana adalah koefisien suhu suatu hambatan dari suatu bahan. (Beiser, 1983).

Contoh :

Suatu pemanas listrik dengan tegangan (potensial) 220 V mempunyai tahanan 20 ohm. Berapa batas minimum sekering yang harus digunakan ?

Jawab :

Menurut Hukum Ohm :

Jadi batas minimum sekering yang dipakai adalah 11 A

H. Energi listrik

Besarnya usaha yang dilakukan untuk mempertahankan arus listrik dapat dinyatakan dengan :

Dimana I adalah arus listrik (A), V adalah tegangan atau potensial (volt), dan P adalah daya (watt). Jika suatu konduktor dilewati arus listrik, maka daya yang dipakai dapat dinyatakan dengan :

Menurut Hukum Ohm :

Jadi :

Sedangkan usaha :

Rangkaian listrik dibagi menjadi dua jenis, yaitu rangkaian arus searah dan rangkaian arus bolak balik.

1. Rangkaian arus searah

Jika hambatan dihubungkan seri, maka : kuat arus yang melewati masing-masing tahanan tidak berbeda (sama)

Rs = R₁+ R₂ + R₃+ ....

Jika dihubungkan paralel :

2. Rangkaian arus bolak balik

Rangkaian arus bolak balik merupakan rangakaian arus listrik yang digunakan pada listrik yang bersumber dari PLN. Arus listrik pada rangkaian bolak balik disebut arus kuat.

I. Kapasitas listrik

Suatu kapasitor merupakan suatu sistem penyimpanan energi. Kapasistas dari kapasitor dapat dinyatakan sebagai berikut :

dimana C adalah kapasitansi, Q adalah muatan listrik, dan V adalah beda potensial. Satuan kapasitas suatu kapasitor adalah farad (F).

1. Kapasitor Pelat Paralel

Kapasitor yang terdiri atas dua pelat paralel yang luas tiap pelatnya A, dan terpisah sejauhd akan mempunyai kapasita sebesar :

Dimana adalah permitivitas ruang hampa, yang besarnya adalah : 8,85 x 10^-12 C²/N.m² = 8,85 x 10^-12F/m

K adalah konstanta dielektrik bahan yang berada antara pelat-pelat kapasitor.

2. Hubungan Kapasitor

Jika kapasitor dihubungkan seri akan mengikuti ketentuan

Jika kapasitor dihubungkan paralel, maka akan mengikuti ketentuan

3. Energi pada kapasitor

Dimana W adalah energi potensial kapasitor, C adalah kapasitas kapasitor, Q adalah muatan listrik, dan V adalah beda potensial.

Contoh Soal :

Empat kapasitor masing-masing mempunyai kapasitas 2 mikroFarad, 1 mikroFarad, 3 mikroFarad dan 4 mikroFarad. Keempat kapasitor disusun seri. Kapasitas penggantinya adalah…

Pembahasan
Diketahui :

Ditanya :Kapasitas pengganti
Jawab :
Kapasitas pengganti :

Kapasitas pengganti adalah 0,48 mikroFarad.

J. Magnet

Magnet atau magnit adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Kata magnet (magnit) berasal dari bahasa Yunani magnítis líthos yang berarti batu Magnesian. Magnesia adalah nama sebuah wilayah di Yunani pada masa lalu yang kini bernama Manisa (sekarang berada di wilayah Turki) di mana terkandung batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayah tersebut.

Magnet dapat juga dikatakan sebagai suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Materi tersebut bisa dalam berwujud magnet tetap atau magnet tidak tetap. Magnet yang sekarang ini ada hampir semuanya adalah magnet buatan.

Magnet selalu memiliki dua kutub yaitu: kutub utara (north/ N) dan kutub selatan (south/ S). Walaupun magnet itu dipotong-potong, potongan magnet kecil tersebut akan tetap memiliki dua kutub. Magnet dapat menarik benda lain.

1. Sifat-Sifat Magnet

Hasil kerja Maxwell telah banyak menyatukan listrik statis dengan magnetisme, yang menghasilkan sekumpulan dari empat persamaan mengenai kedua medan tersebut. Namun, di bawah formula Maxwell, masih ada dua medan yang berbeda yang menjelaskan fenomena berbeda. Einsteinlah yang berhasil menunjukan, dengan relativitas khusus, bahwa medan listrik dan medan magnet adalah dua aspek dari hal yang sama (tensor tingkat 2), dan seorang pengamat bisa merasakan gaya magnet di mana seorang pengamat bergerak hanya merasakan gaya elektrostatik. Dengan demikian, menggunakan spesial relativitas, gaya magnet adalah manifestasi dari gaya elektrostatik dari muatan listrik yang bergerak, dan bisa diprakirakan dari pengetahuan tentang gaya elektrostatik dan gerakan muatan tersebut (relatif terhadap seorang pengamat).

Medan magnet tidak dapat dilihat dengan mata. Namun, keberadaan dan polanya dapat ditunjukkan. Garis-garis yang menggambarkan pola medan magnet disebut garis-garis gaya magnet Garis-garis gaya magnet tidak pernah berpotongan satu sama lainnya. Garis-garis gaya magnet keluar dari kutub utara, masuk (menuju) ke kutub selatan. Makin banyak jumlah garis-garis gaya magnet makin besar kuat medan magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan magnet yang digambar berupa garis lengkung.

Dua kutub magnet yang tidak sejenis saling berdekatan pola medan magnetnya juga berupa garis lengkung yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik.

Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub utara masing-masing cenderung saling menolak. Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara garis garis gaya yang keluar kedua kutub utara magnet. Hal itulah yang menyebabkan dua kutub yang sejenis saling menolak.

2. Bahan Magnetik dan Non Magnetik Bahan Magnetik :

a. Bahan Magnetik

Bahan yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet dan dapat dimagnetkan. Contoh : besi, baja, nikel, kobalt

b. Bahan Non-magnetik, terdiri dari :

1) Bahan paramagnetik,

Bahan yang ditarik dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan. Contoh : alumunium, platina

2) Bahan diamagnetik,

Bahan yang ditolak dengan lemah oleh magnet dan tidak dapat dimagnetkan

3. Jenis Magnet

a. Magnet tetap

Magnet tetap tidak memerlukan tenaga atau bantuan dari luar untuk menghasilkan daya magnet (berelektromagnetik).

Jenis magnet tetap selama ini yang diketahui terdapat pada:

1) Neodymium Magnets, merupakan magnet tetap yang paling kuat.

2) Samarium-Cobalt Magnets

3) Ceramic Magnets

4) Plastic Magnets

5) Alnico Magnets

b. Magnet tidak tetap

Magnet tidak tetap (remanen) tergantung pada medan listrik untuk menghasilkan medan magnet. Contoh magnet tidak tetap adalah elektromagnet.

c. Magnet buatan

Magnet buatan meliputi hampir seluruh magnet yang ada sekarang ini.
Bentuk magnet buatan antara lain:

1) Magnet U

2) Magnet ladam

3) Magnet batang

4) Magnet lingkaran

5) Magnet jarum (kompas)

d. Cara membuat magnet

Cara membuat magnet antara lain:

1) Digosok dengan magnet lain secara searah.

2) Induksi magnet.

3) Magnet diletakkan pada solenoida dan dialiri arus listrik searah (DC).

Bahan yang biasa dijadikan magnet adalah besi dan baja. Besi lebih mudah untuk dijadikan magnet daripada baja. Tapi sifat kemagnetan besi lebih mudah hilang daripada baja. Oleh sebab itu, besi lebih sering digunakan untuk membuat elektromagnet.

e. Menghilangkan Sifat Kemagnetan

Cara menghilangkan sifat kemagnetan antara lain:

1) Dibakar.

2) Dibanting-banting.

3) Dipukul-pukul.

4) Magnet diletakkan pada solenoida dan dialiri arus listrik bolak-balik (AC).

K. Medan Magnet

Medan adalah suatu daerah (ruang) dimana setiap titik pada daerah itu mempunyai harga (besar atau besar dan arah). Medan Magnet, dalam ilmu Fisika, adalah suatu medan yang dibentuk dengan menggerakan muatan listrik (arus listrik) yang menyebabkan munculnya gaya di muatan listrik yang bergerak lainnya. Putaran mekanika kuantum dari satu partikel membentuk medan magnet dan putaran itu dipengaruhi oleh dirinya sendiri seperti arus listrik; inilah yang menyebabkan medan magnet dari ferromagnet "permanen". Sebuah medan magnet adalah medan vektor, yaitu berhubungan dengan setiap titik dalam ruang vektor yang dapat berubah menurut waktu. Arah dari medan ini adalah seimbang dengan arah jarum kompas yang diletakkan di dalam medan tersebut.

Menurut hukum Coulumb dua muatan listrik pada keadaan diam akan melakukan gaya satu sama lain. Jika kedua muatan tersebut bergerak, maka gaya yang dilakukan akan berubah.

Keadaan ini dikatakan sebagai perbedaan gaya magnetik yang terjadi antara muatan-muatan yang bergerak yang meningkatkan gaya listrik antara muatan tersebut. Gaya total pada muatan Q pada ruang dan waktu tertentu dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu gaya listrik yang hanya tergantung pada nilai h dan gaya magnetik yang tergantung pada kecepatan muatan v sebagaimana halnya dengan Q. (Beiser, 1983).

Satuan medan magnet adalah tesla (T), di mana:

1 tesla =

Tesla disebut juga weber/m2. Kadang-kadang juga digunakan satuan gauss, dimana 1 gauss = .

Timbulnya medan magnet dapat disebabkan oleh hal-hal berikut :

1. Medan magnet dari arus lurus pada penghantar lurus

Medan magnet arus lurus I sepanjang jarak s adalah:

Di mana = permeabilitas pada medium; di mana medan magnet terjadi.

Untuk ruang hampa:

= 4π x 10^-7 Wb / Am

Nilai di udara hampir sama besarnya dengan , dan biasa dianggap sama.

Garis gaya dari sekitar arus lurus berbentuk lingkaran konsentris sekeliling arus. Untuk menegetahi arah B, letakkan ibu jari tangan kanan pada arah arus dan jari-jari tangan yang memegang batang berarus menunjukkan arah B.

2. Medan magnet dari suatu gulungan kawat (current loop)

Medan magnet dari suatu gulungan berarus yang berjari-jari r mempunyai harga:

Gulungan kawat yang banyak dapat membentuk sebuah coi(kumparan) yang berupa Solenoid.

Untuk Solenoid, dapat dirimuskan :

Di mana:

N = jumlah kumparan

L= panjang solenoid

I= kuat arus

Contoh :

Sebuah kumparan terdiri dari 200 gulungan kawat dengan jari-jari 4 cm. Carilah medan magnet pada pusat kumparan, bila kuat arusnya 5 A.

Jawab :

3. Gaya Magnetik pada muatan bergerak

Gaya magnetik pada suatu muatan bergerak Q dalam suatu medan magnet bervariasi dengan arah relativ v dan B. Bila v paralel terhadap B, F=0. Jika v tegak lurus B, F maksimum.

F= B q v sin

Di mana : F = gaya Lorentz (N)

q = muatan listrik (C)

v = kecepatan muatan (m/s)

B = induksi magnetik (T)

sin =sudut antara v dan B

Arah F untuk muatan positif ditentukan dengan aturan tangan kanan. Berikut ini ketentuannya:

4. Gaya magnetik pada suatu arus listrik

Jika arus listrik terdiri dari muatan-muatan yang bergerak, maka kawat berarus listrik akan mengalami keadaan tanpa gaya jika berada sejajar dengan medan magnet B, dan akan mengalami gaya maksimum bila tegak lurus B

Bila L tegak lurus B

F = I L B

Jika tidak dalam keadaan tegak lurus, maka :

F = I L B sin

di mana :

F = gaya (N)

I = arus listrik (A)

B = medan magnet (T)

L = panjang kawat listrik yang dialiri listrik (m)

5. Gaya antara dua kawat berarus listrik

Pada gambar berikut menunjukkan jika arus searah maka gaya akan tarik menarik. Sebaliknya bila arus berlawanan arah, maka gaya akan tolak menolak.

Gaya per satuan panjang F/L pada setiap arus tergantung pada arus I1 dan I2 dan jarak antara kedua kawat berarus s.

Jadi :

6. Intensitas magnetik

Oleh karena bahan yang berbeda mempunyai sifat magnetik yang berbeda yang berbeda, maka perlu ditinjau tentang kuantitas yang disebab intensitas magnetik H yang bebas (tidak berpengaruh) medium dimana medan magnet berbeda. Intensitas magnet disuatu tempat dimana medan magnet B dan permeabilitas µ ditentukan dengan rumus:

H = B / µ

Satuan untuk H adalah A/m

Contoh :

a. Kawat yang menghantarkan arus pada alat pemanas listrik 220 V. 3kw terpisah 3mm satu sama lain. Berapakah gaya per meter antara kawat-kawat tersebut?

Jawab:

Jika P = I V, maka:

I = I₁= I₂= P/V = 3000 W/220V = 13,6 A

Jika s = 3mm = 3 × 10^-3m, maka gaya antara dua kawat adalah:

= = 0,012 N/m

Arus dalam arah berlawanan, dan gaya tolak-menolak.

b. Sebuah solenoida panjangnya 30 cm dengan 200 kumparan kawat berarus listrik 2A.

Ditanya:

1) µBerapakah intensitas magnetik H didalam solenoida?

2) Berapakah seharusnya permeabilitas inti solenoida bila kuat medan magnetik didalam solenoida 0,8 T?

Jawab:

a) H = B /µ = N/L I = 200/0,3 × 2A = 1333,3 A/m

b) B/H = 0,8 T/ 1333,3 A/m = 4,5 × 10^-4 T m/A

L. Induksi Magnet

1. Induksi Elektromagnetik

Suatu konduktor lurus panjangnya e bergerak melintasi suatu medan magnetik B dengan kecepatan v, maka akan menghasilkan emf induksi:

Ɛ = B l v

dimana, B, v dan konduktor semuanya saling tegak lurus satu sama lain.

Jika suatu kumparan (coil) mempunyai N lilitanyang melingkupi suatu luasan A bersumbu paralel dengan medan magnet B, maka emf induksinya adalah:

Ɛ = N

Dimana: BA = fluks magnetik dan diberi simbol Φ

Jadi Φ = BA

dimana: B = medan magnetik

A = luas penampang lintang

Satuan untuk fluks magnetik adalah weber (Wb), dimana:

1 Wb = 1 T m²

Jadi:

Ɛ = -N

Pernyataan ini disebut dengan hukum Faraday, dimana:

Ɛ = emf induksi

N = jumlah lilitan

= perubahan fluks magnetik, dan

= perubahan waktu

Mengapa pada rumus (6-20) ada tanda negatif? Tanda negatif ini sebagai konsekuensi hukum Lenz, yang menyatakan bahwa suatu arus induksi dalam medan magnetik, maka arah arus induksi selalu berlawanan dengan efek yang menyebabkannya.

2. Transformator

Transformator adalah suatu alat yang berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan (potensial) listrik. Transformator terdiri atas dua kumparan kawat (coil) dan ditengah kumparan ada inti yang terbuat dari baja.

Apabila arus listrik bolak-balik (AC) dilewatkan melalui salah satu kumparan, maka medan magnetik akan berubah dan menimbulkan peningkatan yang digunakan untuk menginduksi arus bolak-balik ke kumparan yang lain. Perbedaan potensial antara kumparan primer dan sekunder adalah:

dimana:

V₁ = tegangan (potensial) primer, yaitu tegangan masuk dari sekunder.

V₂ = tegangan (potensial) sekunder.

N₁= lilitan primer.

N₂= lilitan sekunder.

Apabila daya I₁, V₁ masuk ke transformator, maka akan menghasilkan daya luaran I = V₂, dengan ketentuan:

I₁V₁= I₂V₂

Dimana: I₁= arus primer

V₂= arus sekunder

Dengan demikian maka rumus (6-21) dapat pula dinyatakan dengan :

Transformator yang berfungsi untuk menaikkan tenaga listrik disebut: step up transformer. Sedangkan yang berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik disebut: step down transformer.

3. Induksi diri

Jika arus dalam rangakaian berubah, maka medan magnet yang dilengkapi oleh rangkaian juga akan berubah, dan menghasilkan perubahan fluks yang mendorong terjadinya induksi diri.

Ɛ = -L

dimana: = laju perubahan arus

L = induktansi

Tanda negatif pada rumus menunjikkan bahwa arah Ɛ bertentangan dengan perubahan arus .

Satuan induktansi adalah Henry (H), sering pula digunakan milihenry dan mikrohenry.

1 milihenry = 1mH = 10^-3H

1mikrohenry = 1µH = 10^-6 H

Induktansi untuk solenoida adalah:

L =

dimana:

µ = permeabilitas bahan inti

L = panjang solenoida

N = jumlah lilitan

A = luas penampang

Jika L adalah induktansi dari suatu indikator, maka energi potensial adalah:

W = L I²

Contoh :

Suatu kumparan (coil) mempunyai 200 lilitan dengan tahanan 8 Ohm yang melingkupi luasan 100 cm². Berapa perubahan medan magnetik sejajar dengan perubahan sumbu untuk menginduksi arus 2 mA dalam kumparan?

Jawab:

Ɛ = IR = 2 × 10^-3 A × 8 Ohm = 1,6 × 10^-2V

A = = 10^-2 m²

Jika a tetap, maka:

Ɛ = N = NA

= = = 0,8

Contoh :

Suatu transformator dihubungkan dengan arus sumber 220 AC. Kuparan primer 300 lilitan dan kumparan sekunder 100 lilitan. Kemudian kumparan sekunder dihubungkan dengan bola lampu 200 Ohm. Berapa jumlah arus yang diperoleh dari sumber 220 AC?

Jawab:

Tegangan pada kumparan sekunder:

V₂ = N₂/N₁ V₁ = 100/ 300 × 220 V = 73,3 V

Kuat arus pada kumparan sekunder:

I₂ = V₂/R = 73,3 V/ 220 Ohm = 0,37 A

Kemudian kuat arus dalam kumparan primer:

I₂= N₂/N₁I₂ = 100/300 × 0,37 A = 0,123 A

M. Hubungan Kelistrikan dengan Kemagnetan

Kelistrikan dan kemagnetan adalah suatu fenomena alam yang memiliki keterkaitan satu dengan yang lainnya. Hal ini dibuktikan oleh fisikawan Inggris yaitu James Clerk Maxwell.

Berbeda dengan para ilmuan sebelumnya yang secara estafet mengembangkan ilmu penegtahuan kelistrikan lewat pengamatan dan percobaan James Clerk Maxwell memberikan kontribusinya dalam bentuk teori yang mampu menerangkan fenomena listrik magnet menjadi satu kesatuan. Menurut Maxwell listrik dan magnet sebenarnya berasal dari sumber yang sama. Keduanya saling berkaitan erat dalam arti listrik dapat diubah menjadi magnet dan sebaliknya magnet dibangkitkan dengan magnet. Maxwell berusaha untuk merumuskan keterkaitan keduanya dengan bahasa matematis yang sederhanya.

Dikenal ada dua macam perumusan persamaan Maxwell, yakni perumusan dalam bentuk diferensial dan integral.

Dengan berkembangnya ilmu kemagnetan dan di dukung dengan ilmu lainnya maka para perekayasa dapat membuat teknologi mulai dari yang sederhana hingga mutakhir untuk mempermudah pekerjaan manusia.

N. Manfaat Listrik dan Magnet dalam Kehidupan Sehari - hari

1. Generator Van de Graff

Muatan listrik yang diperoleh melalui cara menggosok.Untuk memperoleh muatan listrik yang sangat besar digunakan generator Van de Graff. Gesekan antara pita karet dan roda pemutar menyebabkan pita karet bermuatan listrik. Muatan listrik ini ditampung pada bola logam.Distribusi muatan listrik ini terdapat pada permukaan luar bola yang berongga.

2. Penggumpal Asap

Alat ini membersihkan partikel-partikel abu hasil pembakaran gas, sehingga mengurangi pencemaran udara. Alat penggumpal asap ini terdiri dari kawat dan pelat logam, kawat dibuat bermuatan negatif, partikel abu ketika melewati kawat akan bermuatan negatif. Pelat logam dibuat bermuatan positif sehingga akan menarik partikel abu yang bermuatan negatif. Gumpalan-gumpalan partikel abu itu kemudian jatuh ke dasar cerbong sehingga mudah dibersihkan. Teknik penggumpal asap ini sering digunakan dalam pabrik baja, pabrik semen, dan industri kimia yang banyak mengeluarkan asap.

3. Cat Semprot

Butiran cat dari aerosol menjadi bermuatan ketika bergesekan dengan mulut pipa semprot dan udara. Bila benda yang dicat diberi muatan berlawanan, maka butiran cat akan tertarik ke badan benda. Metode ini sangat efektif, efisien, dan murah.

4. Mesin Fotokopi

Mesin fotokopi menggunakan daya tarik muatan listrik berbeda. Suatu pola muatan positif pada pelat tadi, mencitrakan bidang hitam yang akan digandakan, menarik partikel bermuatan negatif dari bubuk hitam halus yang disebut toner, toner tersebut jadi bermuatan negatif karena berhubungan dengan butir-butir gelas kecil di baki pengembang. Pola toner dipindahkan ke atas secarik kertas kosong dan dipanggang di atasnya.

5. Printer Laser

Ketika drum yang bermuatan positif berputar, laser bersinar melintasi permukaan yang tidak bermuatan. Laser akan menggambar pada kertas yang bermuatan negatif. Setelah melewati drum yang berputar kertas akan melewati fuser. Pada bagian fuser ini kertas akan mengalami pemanasan, hal ini yang menyebabkan kertas terasa panas pada saat keluar dari printer. Printer laser lebih cepat, lebih akurat, dan lebih ekonomis

Pemanfaatan medan magnet dalam kehidupan sehari-hari tak kalah banyak dengan pemanfaatan medan listrik, yaitu sebagai berikut :

1. Kompas , penunjuk arah

Medan magnet bermanfaat untuk membangkit listrik, kaidah tangan kanan yang memberikan ketentuan arah arus listrik yang mengalir ke arah ibu jari tangan kanan yang mengepal memberikan medan magnet kearah jari jari lainnya yang mengepal. Nah, dari situ dapat disimpulkan bahwa, kumparan kawat berisolator yang dialiri arus listrik dapat menghasilkan medan magnet.

2. Dalam bidang kesehatan, terdapat suatu alat yang bernama Magnetic Resonance Imaging (MRI) yaitu suatu alat kedokteran di bidang pemeriksaan diagnostik radiologi , yang menghasilkan rekaman gambar potongan penampang tubuh / organ manusia dengan meng-gunakan medan magnet. Hal ini terjadi karena struktur atom hidrogen dalam tubuh manusia saat diluar medan magnet mempunyai arah yang acak dan tidak membentuk keseimbangan. Kemudian saat diletakkan dalam alat MRI (gantry), maka atom H akan sejajar dengan arah medan magnet sehingga atom H akan memancarkan energi yang dimilikinya. Kemudian energi yang berupa sinyal tersebut dideteksi dengan detektor yang khusus dan diper-kuat, Kemudian untuk mencetak gambar pada film rongent sehingga dapat dideteksi ada tidaknya suatu penyakit dalam tubuh.

3. Penggunaan terapi medan magnet sudah banyak dalam bidang kesehatan karena prinsip kerja medan magnet ini adalah memperlancar peredaran darah. Beberapa penyakit yang dapat disembuhkan dengan alat medis yang memanfaatkan medan magnet yaitu :

a. sakit kepala,

b. sakit otot,

c. insomnia,

d. konstipasi kronis

e. lumbago, bahkan kanker

O. Percobaan Sederhana

1. Listrik Statis

a. Tujuan : Untuk mengamati proses terjadinya listrik statis pada suatu benda

b. Alat dan Bahan : Penggaris Plastik, Rambut dan Potongan kertas kecil

c. Langkah Kerja : Penggaris digosokkan pada rambut dilakukan searah dengan tempo dan durasi yang agak lama. Setelah itu penggaris didekatkan pada potongan kertas kecil yang telah disiapkan. Kemudian amati apa yang terjadi pada potongan kertas tersebut! Lalu ulangi langkah diatas dengan arah yang berlawanan atau bolak-balik.

d. Hasil : Hasil dari percobaan yang dilakukan pada penggaris yang digosokkan dengan rambut dapat menarik potongan kertas tersebut.

e. Alasan : Pada dasarnya setiap benda yang awalnya mempunyai muatan netral, ketika benda tersebut digosok dengan benda lain maka akan terjadi perpindahan muatan positif maupun negative sehingga apabila kita dekatkan pada potongan kertas kecil, maka potongan tersebut akan tertarik. Benda yang digosokkan pada rambut akan mengalami perpindahan muatan sehingga bila didekatkan dengan potongan kertas kecil maka kertas tersebut akan tertarik kearahnya. Ini disebabkan oleh muatan yang ada pada penggaris saling tarik menarik-menarik dengan muatan yang ada pada potongan kertas karena pada kertas terjadi peristiwa polirisasi.

2. Menarik
a. Tujuan: Untuk mengetahui apa yang dapat ditarik oleh magnet.

b. Alat dan Bahan: magnet batang, mata uang 500 rupiah, 100 rupiah, 1000 rupiah, paku besi, penjepit kertas, pensil, penghapus, kertas.

c. Langkah Kerja :

1) Sentuhkan magnet pada tiap benda percobaan.

2) Pensil mempunyai beberapa bagian: pengikat logam, kayu, mata pensil, Pastikan untuk mencoba tiap bagian.

3) Buat daftar benda percobaan yang dapat ditarik oleh magnet.

d. Hasil: Hanya paku, penjepit kertas dan uang 1000 rupiah yang dapat ditarik oleh magnet.

e. Alasan : Karena, sebagian besar bahan tidak dapat ditarik oleh magnet. Yang dapat ditarik oleh magnet adalah bahan yang bisa menjadi magnet. Bahan magnetik mengandung "wilayah magnet", kumpulan atom, yang berlaku sebagai magnet kecil. Ketika ,wilayah magnet" tersusun acak, bahan yang bersangkutan tidak bersifat magnet, tetapi jika "wilayah magnet" berbaris teratur, bahan memiliki sifat magnet. Penjepit kertas terbuat dari baja dan paku besi mengandung "wilayah magnet" yang acak sebelum disentuh dengan magnet. Gaya magnet dari magnet batang menarik "wilayah magnet" pada paku dan penjepit kertas, menyebabkannya menunjuk ke arah magnet batang. Berbarisnya "wilayah magnet" menyebabkan bahan bermagnet. Magnet batang dan penjepit kertas serta paku yang sekarang bermagnet tarik menarik.

3. Membuat Sebuah Elektromagnet

a. Tujuan : Membuat sebuah elektromagnet dari seutas kawat tembaga yang dililitkan pada paku yang kemudian ujung-ujung dari kawat disambungkan ke baterai, sehingga mampu mangangkat benda-benda feromagnetik

b. Alat dan bahan : Sebuah batu baterai, paku kecil, paku besar, kawat tembaga panjang berisolasi (disebut kabel),

c. Langkah Kerja : Buatlah sebuah paku yang dililiti kawat. Hubungkan ujung-ujung kawat dengan ujung-ujung baterai. Dekatkan dengan paku kecil. Lalu amati.

d. Hasil : Paku kecil akan tertarik oleh gaya magnetik dari paku besar tersebut. Dan bila hubungan arus listrik diputus, maka gaya magnetik dari paku besar terhadap paku kecil akan terputus juga dan paku kecil akan jatuh.

e. Alasan : Benda yang dialiri oleh arus listrik akan menimbulkan gaya magnet. Berdasarkan hasil pengamatan diatas kita dapat mengetahui bagaimana cara membuat magnet yaitu dengan dialiri arus listrik.

4. Garis Gaya Magnet

a. Tujuan : Untuk mengetahui Pola Medan Magnet (Garis Gaya Magnet)

b. Alat dan Bahan : Kertas HVS, Serbuk Besi, Papan/Buku, Magnet

c. Langkah Kerja :

1) Letakkan magnet batang pada bidang datar.

2) Lalu letakkan kertas di atasnya, sehingga menutupi magnet tersebut.

3) Taburkan serbuk besi di atas kertas itu.

4) Ketuk-ketuklah perlahan kertasnya. Sehingga membentuk gambar pola garis gaya magnet.

d. Hasil : Serbuk-serbuk besi membentuk pola garis gaya magnet

e. Alasan : Berdasarkan hasil pengamatan diatas, dapat dilihat serbuk-serbuk besi membentuk pola garis gaya magnet. Serbuk besi yang diletakkan diatas kertas dan dilapisi magnet dibawahnya jika diketukkan secara perlahan maka akan mendapatkan pengaruh gaya tarik magnet.Hal ini membuktikan bahwa disekitar magnet terdapat daerah yang dipengaruhi oleh magnet atau medan magnet.

BAB IV

PENUTUP

A. Simpulan

1. Listrik adalah aliran elektron-elektron dari atom ke atom pada sebuah penghantar.

2. Tokoh – tokoh yang berperan dalam sejarah serta perkembangan listrik diantaranya adalah Thalus, William Gilbert, J. J. Thompson, Ernest Rutherford dan Benyamin Franklin

3. Muatan listrik ada dua macam, yaitu muatan positif dan muatan negatif.

4. Menurut Hukum Coulomb, besarnya gaya listrik yang diakibatkan suatu muatan dengan muatan yang lain dapat dinyatakan sebagai berikut.

5. Medan listrik adalah suatu daerah dari suatu ruang dimana suatu muatan listrik berada.

6. Beda potensial antara dua titik dalam suatu medan listrik adalah usaha yang diperlukan untuk membawa satu satuan muatan listrik dari suatu titik ke titik yang lain.

7. Arus listrik terjadi apabila dalam suatu konduktor terdapat muatan listrik.

8. Energi listrik adalah besarnya usaha yang dilakukan untuk mempertahankan arus listrik .

9. Kapasitas listrik merupakan suatu sistem penyimpanan energi listrik

10. Magnet adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet.

11. Medan Magnet adalah suatu medan yang dibentuk dengan menggerakan muatan listrik (arus listrik) yang menyebabkan munculnya gaya di muatan listrik yang bergerak lainnya.

12. Induksi listrik terjadi ketika suatu konduktor lurus panjangnya e bergerak melintasi suatu medan magnetik B dengan kecepatan.

13. Listrik dan magnet, keduanya saling berkaitan erat dalam arti listrik dapat diubah menjadi magnet dan sebaliknya magnet dibangkitkan dengan listrik

14. Listrik dimanfaatkan dalam Generator Van de Graff, Penggumpal Asap, Cat Semprot, Mesin Fotokopi, Printer Laser sedangkan magnet dimanfaatkan dalam Kompas , penunjuk arah, Magnetic Resonance Imaging (MRI) dan penggunaan terapi medan magnet.

B. Saran

1. Kajian tentang Konsep Dasar Listrik dan Kemagnetan itu akan memberikan pengetahuan dan wawasan kepada tenaga kependidikan. Hal itu sangat penting agar para pendidik dapat memahami dan memberikan ilmunya kepada para siswa sehingga kelak dapat memberikan kontribusi terhadap dinamika pendidikan itu.

2. Dengan pengetahuan dan wawasan saintis tersebut, setiap tenaga kependidikan diharapkan memiliki bekal yang memadai dalam meninjau berbagai Konsep Dasar Listrik dan Kemagnetan serta pertimbangan yang tepat dalam menetapkan aplikasi dan tindakan sehari-hari.

DAFTAR PUSTAKA

Supriyono Koes H, dan Prabowo.1998.Konsep Dasar IPA.Jakarta:Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.

Kartianto, Madevin.2013.Makalah Listrik dan Magnet.http://warnet178meulaboh.blogspot.com/2013/04/makalah-listrik-dan-magnet_5701.html. Diakses pada tanggal 29 September 2014

Munawar, Maki.2010.Magnet dan Listrik.

http://makimunawar.blogspot.com/2010/06/magnet-dan-listrik.html

Diakses tanggal 29 September 2014.

http://leting2011.wordpress.com/2012/02/20/biografi-sing/

Diakses pada tanggal 10 Oktober 2014

http://teddyadreas.blogspot.com/2011/01/elektromagnet.html

Belajar dan Berbagi Ilmu