Contoh Soal Pembahasan Kemagnetan
Kemagnetan adalah salah satu fenomena alam yang sangat penting dan menarik untuk dipelajari dalam fisika. Fenomena ini berkaitan dengan gaya-gaya yang terjadi antara magnet dan material tertentu. Secara umum, magnetisme dapat dijelaskan melalui konsep medan magnet, garis gaya magnet, serta interaksi antara magnet-magnet maupun magnet dengan bahan feromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik. Pada artikel ini, kita akan membahas beberapa contoh soal dan pembahasannya terkait topik kemagnetan.
Soal 1: Identifikasi Kutub Magnet
Soal: Sebuah batang magnet memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Jelaskan bagaimana cara mengidentifikasi kutub-kutub pada batang magnet menggunakan kompas.
Pembahasan:
Cara mengidentifikasi kutub-kutub pada batang magnet adalah dengan menggunakan kompas. Berikut langkah-langkahnya:
1. Letakkan kompas di dekat salah satu ujung batang magnet.
2. Amati jarum kompas yang menunjukkan arah utara dan selatan.
3. Kutub magnet yang menarik ujung utara jarum kompas adalah kutub selatan dari magnet tersebut, karena kutub utara jarum kompas (yang sebenarnya adalah kutub selatan magnet kompas) tertarik oleh kutub selatan magnet.
4. Dengan cara yang sama, pindahkan kompas ke ujung yang lainnya dari batang magnet dan ulangi pengamatan. Ujung magnet yang menarik kutub selatan jarum kompas adalah kutub utara dari magnet tersebut, karena kutub utara jarum kompas tertarik oleh kutub selatan dari magnet.
Soal 2: Medan Magnet di Sekitar Kawat Lurus Berarus
Soal: Sebuah kawat lurus panjang membawa arus listrik sebesar 5 A. Tentukan arah medan magnet di sekitar kawat di titik yang berada pada jarak 10 cm dari kawat.
Pembahasan:
Medan magnet di sekitar kawat lurus yang membawa arus dapat ditentukan menggunakan aturan tangan kanan. Berikut caranya:
1. Pegang kawat dengan tangan kanan, dengan ibu jari menunjukkan arah aliran arus listrik (dari positif ke negatif).
2. Arah dari jari-jari yang melingkar di sekitar kawat menunjukkan arah medan magnet.
Misalnya arus mengarah ke atas (menurut ibu jari). Maka, di titik yang berada pada jarak 10 cm dari kawat, arah medan magnet akan melingkar searah pergerakan jari tangan kanan:
– Jika titik berada di depan kawat, medan magnet mengarah ke dalam (menuju lembaran kertas/screen).
– Jika titik berada di belakang kawat, medan magnet mengarah keluar (dari lembaran kertas/screen).
Soal 3: Gaya Lorentz pada Partikel Berarus
Soal: Sebuah partikel bermuatan (+1.6 × 10^-19 C) bergerak dengan kecepatan 2 × 10^6 m/s memasuki medan magnet sebesar 0.01 T yang arahnya keluar dari halaman. Tentukan besar dan arah gaya Lorentz yang dialami partikel tersebut.
Pembahasan:
Gaya Lorentz pada partikel bermuatan dalam medan magnet dapat dinyatakan dengan persamaan \( \vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B} \).
– Muatan partikel, \(q\) = +1.6 × 10^-19 C
– Kecepatan partikel, \( \vec{v} \) = 2 × 10^6 m/s (dianggap menuju sumbu x)
– Medan magnet, \( \vec{B} \) = 0.01 T (keluar dari halaman, menuju sumbu z)
Untuk arah dari gaya:
1. Gunakan aturan tangan kanan lagi untuk melintasi vektor kecepatan (\( \vec{v} \)) dan medan magnet (\( \vec{B} \)).
2. Jari tangan kanan mengikuti arah kecepatan (sumbu x), lipat jari menuju luar kertas (menurut medan magnet sumbu z), maka ibu jari memberikan arah gaya Lorentz (sumbu y).
Besarnya gaya Lorentz \( F \) dapat dihitung sebagai:
\[ F = q \cdot v \cdot B \cdot \sin \theta \]
Karena \( \theta \) = 90° (kecepatan tegak lurus medan magnetic),
\[ F = (1.6 \times 10^{-19} C) \cdot (2 \times 10^6 m/s) \cdot (0.01 T) \sin (90°) \]
\[ F = 3.2 \times 10^{-21} N \]
Arah gaya adalah sesuai lipatan jari (kekanan = sumbu y positif).
Soal 4: Medan Magnet di Tengah Solenoid
Soal: Diketahui sebuah solenoid panjang memiliki 500 lilitan dengan panjang 0.5 m membawa arus 2 A. Hitung besar medan magnet di tengah-tengah solenoid.
Pembahasan:
Medan magnet di dalam solenoid panjang dapat dihitung menggunakan rumus:
\[ B = \mu_0 n I \]
Dimana:
– \( B \): besar medan magnet di dalam solenoid (Tesla)
– \( \mu_0 \): koefisien permeabilitas vakum (\(4 \pi \times 10^{-7} \: T \cdot m/A\))
– \( n \): jumlah lilitan per satuan panjang (lilitan/meter), dirumuskan \( n = \frac{N}{L} \)
– \( I \): besar arus yang mengalir melalui solenoid (Ampere)
Maka,
– \( N = 500 \)
– \( L = 0.5 m \)
– \( n = \frac{500}{0.5} = 1000 \: lilitan/m \)
– \( I = 2 A \)
Dengan demikian,
\[ B = \mu_0 \cdot n \cdot I \]
\[ B = (4 \pi \times 10^{-7} T \cdot m/A) \cdot (1000 \: lilitan/m) \cdot 2 A \]
\[ B = 8 \pi \times 10^{-4} T \]
\[ B \approx 2.51 \times 10^{-3} T \]
Soal 5: Induksi Elektromagnetik
Soal: Sebuah kumparan terdiri atas 200 lilitan dan terletak dalam medan magnet yang berubah dari 0.1 T menjadi 0.5 T dalam waktu 0.25 s. Hitung tegangan induksi yang dihasilkan di kumparan tersebut.
Pembahasan:
Induksi elektromagnetik dapat dihitung dengan menggunakan Hukum Faraday’s:
\[ \mathcal{E} = -N \frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t} \]
Dimana,
– \( \mathcal{E} \): tegangan induksi (Volt)
– \( N \): jumlah lilitan
– \( \Delta \Phi_B \): perubahan fluks magnetik (Wb)
– \( \Delta t \): perubahan waktu (s)
Dengan \(\Delta \Phi_B = B \cdot A \); di mana A adalah area kumparan. Namun, jika area tak berubah
\[ \mathcal{E} = -N \cdot \frac{\Delta B \cdot A}{\Delta t} \]
Karena \(\Delta B = 0.5 T – 0.1 T = 0.4 T \),
maka
\[ \mathcal{E} = -200 \cdot \frac{0.4 T \cdot A}{0.25 s} \]
\[ \mathcal{E} = -320 \cdot A \]
Jika tak diberikan area spesifik (diasumsikan sama),
nilai induksi tetap bergantung linear ke A.
Semoga contoh soal-soal kemagnetan tersebut dapat membantu dalam memahami konsep dan aplikasi praktis dalam kemagnetan. Pandangan dan prinsip ini digunakan konsisten dalam berbagai tingkat akademis serta penelitian lebih dalam.
