Laporan Fisika Dasar Lanjutan [PDF]

Citation preview

MEDAN MAGNET DAN GAYA LORENTZ



LAPORAN PRAKTIKUM MATA KULIAH FISIKA DASAR LANJUTAN



Oleh : Nama /NIM



: Nurul Wahidatis Sya’bania



Kelompok



: IIIB



Asisten



: Oki Firmansyah



Tanggan Praktikum/Jam



: 15 April 2020 / 09.40 – 12.20



LABORATORIUM FISIKA DASAR JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS JEMBER 2020



DAFTAR ISI BAB 1 PENDAHULUAN..............................................................................3 1.1 Latar Belakang....................................................................................3 1.2 Rumusan Masalah...............................................................................3 1.3 Tujuan.................................................................................................4 1.4 Manfaat...............................................................................................4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA.....................................................................5 BAB 3 METODE EKSPERIMEN.................................................................9 3.1 Alat dan Bahan................................................................................9 3.2 Desain Eksperimen........................................................................10 3.2.1 Variabel Eksperimen..................................................................11 3.2.2 Prosedur Percobaan....................................................................12 3.3 Metode Analisis Data....................................................................14 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN........................................................15 4.1 Hasil...............................................................................................15 4.2 Pembahasan...................................................................................16 BAB 5 PENUTUP........................................................................................18 5.1 Kesimpulan....................................................................................18 5.2 Saran..............................................................................................18 DAFTAR PUSTAKA...................................................................................19 LAMPIRAN



2



BAB 1 PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Magnet adalah suatu materi yang memiliki medan magnet. Pada umumnya medan magnet muncul disekitar magnet, maka setiap benda yang memiliki sifat kemagnetan akan terpengaruh oleh medan magnet. Magnet tidak hanya dapat melakukan gaya pada magnet lain, tetapi juga dapat melakukan gaya pada arus listrik yang disebut gaya lorentz. Gaya lorentz merupakan gabungan antara gaya listrik dan gaya magnetik pada suatu medan elektromagnetik. Gaya lorentz timbul karena adanya arus listrik dalam suatu medan magnet (Sutrisno, 1979) Prinsip dari gaya lorentz ini banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Contoh penerapannya yaitu pada halvanometer, motor listrik, relai, pengeras suara, dan video recorder. Benda-benda diatas memanfaatkan prinsip kerja dari gaya lorentz untuk menjalankan fungsinya. Maka dari itu, praktikum medan magnet dan gaya lorentz ini akan memperjelas dasar dari kerja gaya magnet atau gaya lorentz. Pada praktikum medan magnet dan gaya lorentz ini, kami melakukan dua percobaan. Percobaan pertama yaitu menentukan medan magnet disekitar kumparan berarus dan yang kedua yaitu menentukan gaya magnet disekitar kawat berarus. Percobaan dapat dilakukan dengan menggunakan metode mengalirkan arus dari setiap titik ujung kawat pada penghantar lurus dan sejajar sehingga dapat diperoleh beberapa arah medan magnet.



1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz yang kami lakukan, sebagai berikut : 1. Bagaimana medan magnet di sekitar kumparan berarus? 3



2. Bagaimana gaya magnet yang bekerja pada penghantar berarus? 1.3 Tujuan Adapun tujuan dilakukannya praktikum medan magnet dan gaya lorentz yang kami lakukan, diantaranya : 1. Mempelajari medan magnet di sekitar kumparan berarus. 2. Mempelajari gaya magnet yang bekerja pada penghantar berarus? 1.4 Manfaat Manfaat dari praktikum medan magnet dan gaya lorentz ini adalah kita apat lebih memahami cara kerja dari benda-benda yang menerapkan gaya lorentz dalam penggunaannya. Seperti dalam video recorder yang kerjanya sangat bergantung pada magnetisme dan listrik. Begitu pula pada motor listrik yang merupakan alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Arus yang mengalir melalui kumparan dalam medan magnet akan mengalami gaya yang digunakan untuk memutar kumparan.



4



BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA



2.1 Sejarah Hans Christian Oesterd adalah orang yang menyatakan bahwa disekitar kawat berarus terdapat medan magnet. Penemuan ini ditemukan pada tahun 1820 saat Hans Christian Oesterd menemukan bahwa kawat yang dialiri listrik dapat menolak jarum kompas. Pada tahun 1878 Lorentz memperkenalkan gagasan bahwa medan elektromagnetik ditimbulkan oleh muatan listrik pada tingkat atom. Lorentz mendapatkan seperangkat persamaan yang mentranformasikan kualitas elektromagnetik dari suatu kerangka acuan ke kerangka acuan lainnya yang bergerak relatif terhadap kerangka acuan pertama. Seperangkat persamaan ini ditemukan pada tahun 1904, namun pentingnya penemuan ini baru disadari 10 tahun setelahnya. Pentingnya persamaan ini disadari ketika Albert Einstein mengemukakan teori relativitas khususnya. Kemudian, salah satu mahasiswanya pada tahun 1896 menemukan bahwa garis spektral atom dalam medan magnet akan terpecah menjadi beberapa komponen yang frekuensinya sedikit berbeda. Hal ini membenarkan pekerjaan Lorentz sebelumnya. Pada tahun 1904 Lorentz mengemukakan transformasi-transformasi yang benar dan menerbitkan sebilangan hasil dari transformasi-transformasi itu. Ia juga menerbitkan penelitiannya dalam menentukan gaya magnetik yang terjadi pada penghantar yang dialiri arus listrik dan berada dalam medan magnet yang biasa disebut dengan “Gaya Lorentz” (Bueche, 1999). 2.2 Dasar Teori Magnet merupakan suatu materi yang memiliki dua kutub yaitu kutub utara dan kutub selatan. Interaksi kemagnetan dan kelistrikan umumnya sama. Dalam kemagnetan, kutub sejenis akan saling tolak-menolak sedangkan kutub yang tak



5



sejenis akan saling tarik-menarik. Pada magnet, kedua kutub selalu berpasangan , tidak ada magnet yang hanya memiliki satu kutub saja. Berbeda dengan kelistrikan yang memungkinkan adanya muatan tunggal (Halliday, 2003) Medan magnet dapat didefinisikan sebagai daerah atau wilayah yang apabila sebuah benda bermuatan listrik berada atau bergerak didaerah itu, maka benda akan mendapatkan gaya magnet. Medan magnet disekitar arus listrik dibuktikan melalui percobaan yang dilakukan oleh Hans Christian Oested. Gaya yang diberikan oleh satu magnet ke magnet lainnya dapat dideskripsikan sebagai interaksi antara suatu magnet dan medan magnet dari yang lain. Garis-garis medan magnet juga dapat digambarkan seperti garis-garis mean listrik. ketentuannya adalah sebagai berikut : 1. Arah medan magnet merupakan tangensial (garis singgung) terhadap suatu garis sititik mana saja. 2. Jumlah garis persatuan luas sebanding dengan besar medan magnet. (Giancolli, 1998). Magnet tidak hanya melakukan gaya pada magnet lain, tetapi juga dapat melakukan gaya pada arus listrik. Gaya ini disebut Gaya Lorentz, yaitu gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau gaya yang ditimbulkan oleh arus listrik yang berada didalam suatu medan magnet. Apabila terdapat sebuah penghantar yang berada dalam medan magnet dan didalam penghantarnya terdapat arus listrik, maka akan timbul gaya lorentz. Arah gaya lorentz selalu tegak lurus dengan arah arus listrik dan induksi magnetik yang ada. Arah gayanya akan mengikuti arah maju skrup yang diputar dari vektor arah arus listrik kearah medan magnet (Tim Dosen Pendidikan Fisika, 2015). Arah gaya lorentz dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Kaidah tangan kanan dalam matematika dan fisika merupakan jembatan keledai yang umum untuk memahami konvensi notasi vektor dalam bangun tiga dimensi. Kaidah ini diciptakan untuk digunakan dalam elektromagnetisme oleh fisikawan Inggris John Ambrose Fleming pada abad ke-19 (Fleming John Ambrose, 1902). 6



Kaidah tangan kanan yang dilakuka untuk menentukan gaya lorentz ini, menunjukkan tiga arah kumponen. Komponen-komponen tersebut yaitu medan magnet (B), arus listrik (I), dan gaya lprentz (F). Posisi tangan untuk menentukan gaya lorentz dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Berdasarkan gambar diatas, perhatikan arah-arah yang ditunjukkan, dengan penjelasan sebagai berikut :



Gambar 2.1 Kaidah tangan kanan 1. Ibu jari menunjukkan arah arus listrik (I). 2. Jari telunjuk menunjukan arah dari medan magnet (B) 3. Jari tengah menunjukkan arah dari gaya lorentz (F) yang mengarah tegak lurus terhadap (B) dan (I). (George Waton, 1998) 2.3 Rumus Besar gaya lorentz bergantung pada besar medan magnet, panjang penghantar dan kuat arus listrik yang mengaliri penghantar. Besar gaya lorentz berbanding lurus dengan besar medan magnet, arus listrik dan panjang penghantarnya. Untuk arah aliran arus listrik tegak lurus terhadap arah medan magnet, gaya lorentz dapang dinyatakan dengan : F=B× I × L Keterangan : 7



F = gaya lorentz pada kawat (N) B = medan magnet (Tesla) I = arus listrik (A) L = panjang kawat (m) (Cunayah, 2006) 2.4 Literatur Menurut (Hayt, 2010) kawat yang dialiri arus listrik akan menimbulkan medan magnet disekitarnya. Jika penghantar berarus diletakkan dalam medan magnet, maka akan timbul gaya pada penghantar. gaya itu disebut gaya magnetik atau gaya lorentz (F). Gaya magnetik selalu tegak lurus dengan arus listrik (I) dan arah induksi magnetik (B). Semakin besar arus yang mengalir, maka semakin besar pula gaya magnetik yang dihasilkan. Pada kaidah tangan kanan, ibu jari menunjukkan arah arus, keempat jari ainnya menunjukkan arah meda magnetik sedangkan telapak tangan menunjukkan gaya lorentz. Besar arah penyimpangan bergantung pada sumber tegangan . Semakin besar sumber tegangan, maka semakin besar pula kuat arus yang mengalir dan simpangan yang dihasilkan juga semakin besar.



8



BAB 3 METODE EKSPERIMEN



3.1 Alat dan Bahan Desain eksperimen yang dipakai untuk melakukan praktikum medan magnet dan gaya lorentz adalah sebagai berikut : Percobaan 1: 1. Catu daya 6V DC, sebagai sumber tegangan listrik. 2. Kumparan 500 lilitan, untuk menyimpan arus listrik dalam medan magnet. 3. Saklar 1 kutub, berfungsi untuk memutus dan menghubungkan arus listrik. 4. Model kompas, berfungsi untuk mengetahui besar sudut suatu objek medan terhadap arh utara magnetiss bumi secara akurat. 5. Lamp holder, berfungsi sebagai tempat dipasangnya bola lampu. 6. Bola lampu 6,2 V 0,48 A, untuk merangkai seri. 7. Kabel penghubung, untuk menghubungkan sumber listrik dengan rangkaian. 8. Papan rangkaian, berfngsi sebagai media untuk myusun rangkaian. 9. Jembatan penghubung, untuk merangkai rangkaian seri tertutup. Percobaan 2 1. Magnet batang, berfungsi untuk memberikan gaya magnet. 2. Rumah baterai, sebagai media untuk merangkai batrai dalam percobaan. 3. Baterai A 1,5 V, berfungsi sebagai sumber listrik. 4. Papan perangkai, berfungsi sebagai media untuk menyusun rangkaian. 5. Inti besi, berfungsi untuk mempermudah jalannya fluks yang ditimbulkan oleh arus listrik.



9



6. Jembatan penghubung, berfungsi sebagai penyusun rangkaian untuk meneruskan jalannya arus listrik. 7. Saklar 1 kutub, berfungsi untuk memutus dan menghubugkan arus listrik. 8. Jepit buaya, untuk menjepit alumunium foil yang akan diuji perubahannya. 9. Steker perangkai, untuk merangkai capit buaya di rangkaian. 10. Pita aluminium/aluminium foil, berfungsi sebagai objek yang akan diamati perubahannya. 3.2 Desain Eksperimen Desain eksperimen dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz yang kami lakuka, sebagai berikut : Percobaan 1 Medan magnet di sekitar kumparan berarus



Gambar 3.1. Rangkaian percobaan 1 (Sumber : Tim Penyusun, 2020) Percobaan 2 Gaya magnet disekitar kawat berarus



10



Gambar 3.2 Rangkaian perocbaan 2 (Sumber : Tim Penyusun, 2020) 3.2.1 Variabel Eksperimen Adapun variabel eksperimen dari percobaan medan magnet dan gaya lorentz yang kami lakukan, diantaranya : A. Percobaan 1 medan magnet disekitar kumparan berarus 1. Variabel bebas dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz perobaan 1 ini yaitu, penambahan inti besi, letak kutub posistif dan negatif, saklar dan posisi kompas. 2. Variabel terikat dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz percobaan 1 ini yaitu, simpangan pada jarum kompas (sudut deklinasi). 3. Variabel kontrol dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz percbaan 1 ini yaitu, catu daya. B. Percobaan 2 gaya magnet disekitar kawat berarus 1. Variabel bebas dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz percobaan 2 ini yaitu, posisi batrai, saklar dan posisi magnet. 2. Variabel terikat dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz percobaan 2 ini yaitu, perubahan aluminium foil. 3. Variabel kontrol dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz percobaan 2 ini yaitu, batrai.



11



3.2.1



Prosedur Eksperimen Prosedur eksperimen yang dilakukan dalam praktikum medan magnet dan



gaya lorentz ini, yaitu : a. Percobaan 1 Medan magnet disekitar kumparan berarus Mulai



Rangkaian disusun seperti gambar 3.2



Kumparan tanpa inti besi



Kumparan dengan inti besi



Rangkaian dihubungkan dengan catu daya 6V DC (kutub positif (A), kutub negatif (B)



Catu daya dinyalakan



Saklar ditutup, pada posisi 1 amati posisi jarum kompas, catat hasilnya



Lakukan kembali langkah-langkah diatas untuk posisi 2 dan 3 12



Saklar dibuka, tukarkan posisi kutub positif dan negatif dari catu daya sehingga kutub positif (B) dan kutub negatif (A) Ulangi langkah-langkah, dan catat hasilnya Saklar dibuka, catu daya dimatikan



Selesai b. Percobaan 2 gaya magnet disekitar kawat berarus



Mulai Rangkaian disusun seperti gambar 3.2 Steker perangkai dipasang pada jepit buaya Pita aluminium dipasang, dengan kedua ujung pita dijepitkan pada jepit buaya



Magnet dipasang dengan arah medan dari atas ke bawah



Magnet dipasang dengan arah medan dari bawah ke atas Saklar dibuka



Pita aluminium diamati perubahannya saat sklar dalam posisi on, dan hasilnya dicatat



Saklar dibuka, polaritas batrai dibalikkan sehingga kutub-kutub saling dipertukarkan



13



Saklar ditutup Pita aluminium diamati perubahannya saat sklar dalam posisi on, dan hasilnya dicatat



Saklar dibuka, polaritas batrai dibalikkan kembali Selesai



3.3



Metode Analisis Data Adapun metode analisis data yang akan dilakukan dalam pengamatan medan



magnet dan gaya lorentz ini, antara lain : a) Percobaan 1 medan magnet disekitar kumparan berarus Berdasarkan hasil pengamatan yang telah dilakukan, analisis data akan dilakukan pada simpangan yang dihasilkan oleh jarum kompas pada posisi yang berbeda, dan ketika inputnya dirubah. b) Percoban 2 Gaya magnet disekitar kawat berarus Berdasarkan hasil pengamatan yang telah dilakukan, analisis data akan dilakukan pada perubahan pita aluminium ketika dialiri arus listrik pada rangkaian untuk polaritas rangkaian yang pertama untuk kedua posisi kutub kedua. Juga pengaruh pita alumunium saat dialiri arus listrik pada rangkaian untuk polaritas rangkaian yang kedua untuk kedua posisi kutub.



14



BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN



4.1. Hasil Hasil yang didapat daripraktikum medan magnet dan gaya lorentz ini dapat dilihat pada tabel dibawah ini. 1. Medan magnet disekitar kumparan berarus. Tabel 4.1. Medan magnet disekitar kumparan berarus tanpa inti besi. Tegangan (V)



Kutub (+)



Đ1 ± Δđ1



Đ2 ± Δđ2



Đ3 ± Δđ3



A B A B



101 ± 1,4142 -55 ± 1,4142 112 ± 2 117,3 ± 1,1547



-32 ± 1,4142 47 ± 1,4142 -66 ± 1,1547 -44 ± 2



101 ± 1,4142 -59 ± 1,4142 -68 ± 2 -44 ± 2



3 6



Tabel 4.2. Medan magnet disekitar kumparan berarus inti besi. Tegangan (V) 3



Kutub (+)



Đ1 ± Δđ1



Đ2 ± Δđ2



Đ3 ± Δđ3



A B



101 ± 2,828 -71 ± 1,4142



-229 ± 1,4142 115 ± 1,4142



106 ± 0 -61 ± 1,4142



15



6



A B



117,3 ± 1,1547 -607 ± 1,1547



-234,7 ± 1,1547 118,7 ± 1,1547



112,7 ± 1,1547 -54, 7 ± 1,1547



2. Gaya magnet disekitar kawat berarus Tabel 4.3. Gaya magnet disekitar kawat berarus Arah Arus U–S S–U S–U U–S



Arah Medan Magnet Bawah – Atas Bawah – Atas Atas – Bawah Atas – Bawah



Kutub Positif



Arah pita



A B B A



Kiri (barat) Kanan (timur) Kiri (barat) Kanan (timur)



4.2 Pembahasan Magnet merupakan suatu materi yang memiliki medan magnet. Magnet dapat melakukan gaya pada magnet lain, fan juga dapat melakukan gaya pada arus listrik. Gaya ini disebut Gaya Lorentz, yaitu gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau gaya yang ditimbulkan oleh arus listrik yang berada didalam suatu medan magnet. Percobaan kali ini yaitu medan listrik dan gaya lorentz. Pada praktikum ini, dilakukan dua percobaan yang berbeda. Percobaan pertama yaitu untuk mempelajari medan magnet disekitar kumparan yang berarus. Perobaan kedua yaitu untuk mempelajari gaya magnet disekitar kawat berarus. Percobaan pertama dilakukan dengan dua kali pengujian yaitu dengan inti besi dan tanpa inti besi. Setiap pengujiannya, digunakan sumber tegangan yang besarnya berbeda yaitu 3V dan 6 V. Dari hasil yang kami dapatkan pada percobaan yang dilakukan tanpa inti besi, menghasilkan simpangan jarum kompas yang bernilai lebih kecil daripada percobaan yang dilakukan dengan inti besi. Inti besi menjadi berpengaruh terhadap nilai yang dihasilkan oleh jarum kompas sebab, inti besi dapat menjadi magnet dengan kata lain inti besi dapat memperkuat medan magnetnya. Namun, ini hanya berlaku ketika terdapat arus listrik yang mengalir pada suatu kumparan.



16



Percobaan kedua dilakukan dengan menyusun rangkaian seperti gambar 3.2 dan kutub saling ditukarkan. Percobaan ini berkaitan dengan pengaruh dari kutub magnet terhadap pita aluminium foil yang telah disusun. Seperti hasil yang didapatkan pada percobaan pertama dengan arus dialirkan dari kutub utara ke kutub selatan. Hasilnya yaitu aluminium foil melengkung ke dalam, atau kearah barat. Melengkungnya aluminium foil ini menjelaskan jika terdapat gaya disekitarnya sehingga menyebabkan timbulnya perubahan pada aluminium foil yang awalnya lurus menjadi melengkung. Gaya yang menyebabkan terjadinya perubahan ini lah yang disebut dengan Gaya Lorentz yaitu gaya yang terjadi pada suatu penghantar yang didalamnya terdapat arus listrik dan penghantar tersebut berada di wilayah terdapatnya medan magnet. Arah dari kelengkungan ini dapat diukur dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Sesuai rumus pada dasar teori diatas, jika arus yang mengalir meningkat dan medan magnetnya meningkat, maka kelengkungan aluminium foil akan bertambah atau gaya lorentz nya akan semakin besar.



17



BAB 5 PENUTUP



5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang kami dapatkan dari praktikum medan mahnet dan gaya lorentz ini, diantaranya : 1. Medan magnet pada sekitar kumparan berarus akan menghasilkan medan magnet yang kuat jika terdapat materi lain yang juga bersifat kemagnetan disekitarnya, sesuai percobaan diatas yang menyatakan bahwa inti besi berpengaruh terhadap perubahan simpangan pada kompas. 2. Sebuah penghantar berarus yang diletakkan disekitar medan magnet akan mengalami gaya magnet yang aranya tegak lurus terhadap arah medan magnet dan arah arus listrik, gaya inilah yang disebut gaya lorentz. 5.2 Saran Lakukanlah percobaan-percoaan dalam praktikum medan magnet dan gaya lorentz ini dengan hati-hati dan teliti. Ini akan berpengaruh pada hasil yang didapatka nantinya. Lebih pahamilah dasar-dasar teori pada materi kemagnetan ini dan pahami dengan benar-benar pada langkah-langkah percobannya agar tidak terjadi kesalahan yang tidak diinginkan.



18



DAFTAR PUSTAKA



Bueche, Frederick J. 1999. Fisika Edisi Kedelapan seri Buku Schwam. Bandung : Erlangga. Cunayah, Cucun. 2006. Fisika. Jakarta : Erlangga. Fleming, John Ambrose. 1992. Magnet and Electric Currents, 2nd Edition. London : E.&F.N. Spon. George Watson. I998. PHYS345 Introduction to the Right Hand Rule. University of Delaware. Giancolli, Dougles. 1998. Fisika Edisi Kelima Jilid 2. Jakarta : Erlangga. Hayt, William H. 2010. Elektromagnetika Edisi Ketujuh. Jakarta : Erlangga. Halliday, Resnick. Dasar-Dasar Fisika Versi Diperluas Jilid 2. Tangerang : BINARUPA AKSARA Publisher. Sutrisno dan Tan Ik Gie. 1979. Fisika Dasar Listrik Magnet dan Termofisika Listrik. Bandung : ITB. Tim Dosen Pendidikan Fisika. 2015. Modul Praktikum Fisika Dasar II. Banjarmasin : Fkip Unlam.



19



Tim penyusun. 2020. Petunjuk Praktikum Fisika Dasar 2. Jember : Universitas Jember.



LAMPIRAN



20



21



22