KEMAGNETAN DAN PEMANFAATANNYA bagian 2

 

A.    TEORI KEMAGNETAN BUMI

Bumi adalah magnet raksasa. Sebagai magnet raksasa, bumi memiliki kutub magnet, yaitu kutub utara magnet dan kutub selatan magnet. Kutub utara magnet bumi berada di sekitar kutub selatan bumi, sedangkan kutub selatan magnet bumi berada di sekitar kutub utara bumi.

deklinasi adalah sudut pada bidang datar antara Kutub Utara Magnetik (arah ujung utara dari jarum kompas bermagnet, sesuai dengan arah garis medan magnet Bumi) dengan Utara sejati (arah di sepanjang meridian ke arah geografis Kutub Utara).

inklinasi adalah sudut yang dibentuk antara ujung jarum kompas dengan arah horizontal permukaan bumi. Sudut inklinasi bernilai positif, jika kutub utara jarum kompas berada di sebelah atas garis mendatar dan bernilai negatif jika kutub utara jarum kompas berada di bawah garis mendatar.

 

Medan magnet bumi, sangat penting bagi kehidupan di bumi. Medan magnet bumi berfungsi untuk melindungi penduduk bumi dari radiasi kosmik (partikel listrik yang dihasilkan oleh matahari atau benda-benda langit lainnya) yang dapat membahayakan kesehatan. Dengan adanya medan magnet bumi, partikel listrik tidak dapat masuk ke seluruh permukaan bumi, tetapi akan tertarik menuju ke kutub-kutub magnet bumi. Saat menabrak atmosfer bumi, partikel listrik tersebut terionisasi (peristiwa lepasnya elektron dari nukleon) dan membentuk plasma lemah (gas super yang dipanaskan agar elektron terlepas dari nukleon). Tampilan indah cahaya plasma inilah yang kemudian dikenal sebagai aurora.

 

B.     INDUKSI MAGNET DAN GAYA LORENTZ

1.    Induksi Magnet

Hans Christian Oersted (1820) dalam suatu percobaan (yang dikenal dengan Percobaan Oersted) menemukan bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet. Caranya adalah dengan mengamati pergerakan jarum kompas saat diletakkan di dekat kabel yang dialiri arus listrik.  Arah medan magnet dan arah arus dapat di tunjukkan dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Arus listrik ditunjukkan dengan huruf I dan medan magnet ditunjukkan dengan huruf B.

Jika pada kawat lurus, medan magnet terbentuk melingkari arah arus. Pada kumparan medan magnet tampak melingkari kabel membentuk kutub utara dan selatan pada ujung-ujungnya, persis seperti pada magnet batang.

2.    Konsep Gaya Lorentz

kawat berarus yang berada dalam medan magnet akan mengalami gaya yang disebut dengan gaya Lorentz. Semakin besar arus listrik, gaya Lorentz yang dihasilkan semakin besar. Semakin besar medan magnet, gaya Lorentz yang dihasilkan semakin besar.  Begitu pula dengan panjang kawat berarus, semakin  panjang kawat berarus yang ada dalam medan magnet, gaya Lorentz yang dihasilkan juga semakin besar. Untuk arah arus (I) dan arah medan magnet (B) saling tegak lurus, secara matematis, besarnya gaya Lorentz dituliskan sebagai berikut:

F = B . I . L

dengan:

F  = gaya Lorentz (newton)

B = medan magnet (tesla)

I  = kuat arus listrik (ampere)

L  = panjang kawat berarus yang masuk ke dalam medan magnet (meter)

 

 Penentuan arah gaya Lorentz, dapat dilakukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan

 

C.    INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

konsep perubahan medan magnet dapat menghasilkan listrik disebut juga induksi elektromagnetik

Menurut Faraday, listrik dapat dihasilkan dengan cara menggerakkan magnet batang keluar masuk kumparan. Temuan ini diterapkan pada generator listrik yang mengubah energi gerak menjadi energi listrik.

Alat-alat yang menggunakan prinsip kerja induksi elektromagnetik: Generator, Dinamo AC-DC, Transformator.

Berdasarkan penggunaannya, transformator dibagi menjadi dua jenis, yaitu transformator step-down dan transformator step-up. Transformator step-down berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik, sedangkan transformator step-up berfungsi untuk menaikkan tegangan listrik

 

Dengan:

Vp = Tegangan primer (volt)

Vs = Tegangan sekunder (volt)

Np = Jumlah lilitan primer

Ns = Jumlah lilitan sekunder

 

Transformator pada dasarnya terdiri atas lilitan primer dan lilitan sekunder yang dihubungkan dengan menggunakan inti besi. Lilitan primer yang mendapat tegangan AC akan menginduksi lilitan sekunder. Perubahan arah arus AC membuat medan magnet yang terbentuk berubah-ubah, sehingga menghasilkan tegangan AC pada ujung-ujung kumparan sekunder.  Inti besi digunakan dengan tujuan untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Besar kecilnya tegangan keluaran yang dihasilkan transformator sangat dipengaruhi oleh jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder. Jika jumlah lilitan primernya lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder, maka tegangan pada kumparan sekunder juga akan lebih kecil daripada tegangan pada kumparan primer, dan transformator tersebut disebut transformator step- down. Namun, jika jumlah lilitan primernya lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder, maka tegangan pada kumparan sekunder akan lebih besar daripada tegangan pada kumparan primer, dan transformator tersebut disebut transformator step-up.

Pada transformator ideal, energi listrik yang masuk ke dalam kumparan primer akan dipindahkan seluruhnya ke dalam kumparan sekunder. Hal ini mengakibatkan besar efisiensi transformator menjadi 100% atau secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Pada kenyataannya, tidak pernah dapat dibuat transformator dengan efisiensi sebesar 100%  (ideal), karena            Sebagian energi listrik yang masuk ke dalam kumparan primer akan diubah menjadi kalor.

Perhitungan efisiensi trafo (η) yang tidak ideal tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan rumus berikut.

     

dengan:

P_out = daya listrik pada kumparan sekunder (W)

P_in   = daya listrik pada kumparan primer (W)

 

Prinsip kemagnetan diterapkan dalam teknologi MRI (Magnetic Resonance Imaging), kereta maglev, dan pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN)