Kita sering mendengar istilah magnet. Dalam kehidupan sehari-hari, kita menemukan banyak alat dan perangkat yang memiliki magnet atau bekerja dengan magnet di dalamnya. Contohnya yaitu kompas, generator listrik, alat pengangkut benda berat yang terbuat dari besi atau baja, hingga mesin MRI.
Namun ada pula perangkat yang tidak memiliki fisik magnet yang besar, atau bahkan tidak terlihat bentuk magnetnya, menjadi berfungsi akibat adanya pengaruh gaya magnet dengan intensitas magnet tertentu baik karena sifat magnetik dari komponen penyusunnya maupun karena adanya gesekan yang menghasilkan medan listrik. Contohnya adalah hard disk drive (HDD) pada komputer dan laptop.
Lalu, bagaimana medan magnet bisa terjadi? Bagaimana medan magnet bisa menyebabkan suatu perangkat bisa berfungsi atau bekerja?
Kali ini kita akan membahas tentang medan magnet, darimana medan magnet berasal, bagaimana medan magnet terjadi, dan berapa kekuatan medan magnet yang tercipta pada suatu area, yang dilansir dari berbagai sumber.
Apa Itu Medan Magnet
Bila berbicara tentang intensitas medan magnet, kita tidak bisa mengesampingkan apa itu gaya magnet dan medan magnet.
Medan magnet dan gaya magnet adalah dua konsep dasar dalam magnetisme dan elektromagnetisme. Meskipun keduanya saling terkait, keduanya mewakili aspek fenomena magnetik yang berbeda.
Medan magnet adalah medan vektor di sekitar magnet, arus listrik, atau perubahan medan listrik di mana gaya magnet dapat diamati. Medan magnet dihasilkan oleh pergerakan muatan listrik dan momen magnet intrinsik partikel elementer yang terkait dengan sifat kuantum fundamental yang dikenal sebagai spin.
Sedangkan gaya magnet adalah gaya yang dialami oleh partikel bermuatan atau bahan magnetis ketika ditempatkan di dalam medan magnet, dan merupakan besaran vektor yang mempunyai besar dan arah. Hal ini sering digambarkan dengan panah yang menunjuk ke arah gaya.
Gaya magnet bertanggung jawab untuk menarik atau menolak partikel bermuatan atau bahan magnetis dalam medan magnet. Besarnya gaya bergantung pada kekuatan medan magnet dan sifat partikel bermuatan atau bahan magnet.
Medan magnet dan medan listrik keduanya saling terkait dan merupakan komponen gaya elektromagnetik, salah satu dari empat gaya fundamental alam.
Sinar ultraviolet yang dipancarkan sinar matahari, merupakan salah satu fenomena elektromagnetik merupakan loncatan-loncatan molekul dan partikel listrik. Sinar ultraviolet dari matahari ini berdampak buruk untuk kesehatan manusia, misalnya merupakan penyebab mata minus, katarak, kanker mata, hingga kanker kulit.
Sejarah Penelitian Medan Magnet
Penelitian tentang medan magnet dimulai pada tahun 1269 ketika sarjana Perancis Petrus Peregrinus de Maricourt memetakan medan magnet pada permukaan magnet berbentuk bola dengan menggunakan jarum besi.
Dia memperhatikan bahwa garis medan yang dihasilkan berpotongan di dua titik. Dia menamakan titik-titik ini “kutub”. Setelah pengamatannya, ia menyatakan bahwa magnet selalu mempunyai kutub Utara dan Selatan, tidak peduli seberapa halus irisannya.
Tiga abad kemudian, William Gilbert menyatakan bahwa Bumi adalah magnet. Pada tahun 1750 John Mitchell, seorang pendeta dan filsuf Inggris, menyatakan bahwa kutub magnet saling tarik menarik dan tolak menolak.
Pada tahun 1785, Charles-Augustin de Coulomb secara eksperimental memverifikasi medan magnet bumi. Pada abad ke-19, matematikawan dan geometer Perancis Simeon Denis Poisson menciptakan model medan magnet pertama, yang ia presentasikan pada tahun 1824.
Pada tahun 1819, fisikawan dan kimiawan Denmark Hans Christian Oersted menemukan bahwa arus listrik menciptakan medan magnet di sekitarnya.
Pada tahun 1825, André-Marie Ampère mengusulkan model magnetisme di mana gaya ini disebabkan oleh aliran arus yang terus-menerus, bukan karena dipol muatan magnet.
Pada tahun 1831, ilmuwan Inggris Faraday menunjukkan bahwa perubahan medan magnet menghasilkan medan listrik. Faktanya, ia menemukan induksi elektromagnetik.
Antara tahun 1861 dan 1865, James Clerk Maxwell menerbitkan teori tentang listrik dan magnet. Itu dikenal sebagai persamaan Maxwell. Persamaan ini menggambarkan hubungan antara listrik dan magnet.
Bagaimana Medan Magnet Tercipta
Darimana medan magnet berasal? Atau, bagaimana medan magnet bisa tercipta? Secara ilmiah medan magnet bisa tercipta karena konduktor pembawa arus dan terjadinya gerak elektron di sekitar inti atom.
Medan Magnet yang Tercipta oleh Konduktor Pembawa Arus
Ampere menyarankan bahwa medan magnet dihasilkan setiap kali muatan listrik bergerak. Untuk pemahaman kita, mari kita perhatikan sebuah kawat yang melaluinya arus dibuat mengalir dengan menghubungkannya ke baterai.
Ketika arus melalui konduktor meningkat, medan magnet meningkat secara proporsional. Ketika kita menjauh dari kawat, medan magnetnya berkurang seiring dengan bertambahnya jarak. Hukum Ampere menjelaskan hal ini.
Menurut hukum, persamaan tersebut memberikan medan magnet pada jarak r dari penghantar arus panjang I.
Dalam persamaan tersebut, µ 0 adalah konstanta khusus yang dikenal sebagai permeabilitas ruang bebas ( µ 0 =4π×10 -7 T⋅ m/A ).
Bahan dengan permeabilitas lebih tinggi mempunyai kemampuan untuk berkonsentrasi pada medan magnet.
Medan magnet mempunyai arah karena merupakan besaran vektor. Untuk arus konvensional yang mengalir melalui kawat lurus, arus ini dapat dicari dengan aturan tangan kanan.
Contohnya bila Anda menggenggam tangan kanan Anda pada kawat dengan ibu jari menunjuk ke arah arus untuk menggunakan aturan ini. Jari-jari menunjukkan arah medan magnet yang membungkus kawat.
Medan Magnet Akibat Gerak Elektron di Sekitar Inti Atom
Magnet permanen bekerja berdasarkan pergerakan elektron di sekitar inti. Hanya beberapa bahan yang dapat dibuat menjadi magnet, dan beberapa bahan lebih kuat dibandingkan bahan lainnya.
Atom mempunyai banyak elektron, dan mereka dipasangkan sedemikian rupa sehingga medan magnet keseluruhannya hilang. Dua elektron yang berpasangan dengan cara ini dikatakan mempunyai spin yang berlawanan. Dari sini kita memahami bahwa jika kita ingin suatu bahan bersifat magnetis, kita memerlukan atom yang memiliki satu atau lebih elektron tidak berpasangan dengan spin yang sama. Besi adalah bahan yang memiliki empat elektron seperti itu dan oleh karena itu baik untuk dijadikan magnet.
Sepotong kecil materi terdiri dari miliaran atom. Jika mereka diorientasikan secara acak, keseluruhan medan akan hilang, terlepas dari berapa banyak elektron tidak berpasangan yang dimiliki material tersebut. Bahan tersebut harus cukup stabil pada suhu kamar untuk memungkinkan pembentukan orientasi yang diinginkan secara keseluruhan. Jika terbentuk secara permanen, maka kita memiliki magnet permanen yang disebut juga feromagnet.
Beberapa bahan menjadi cukup tertata dengan baik untuk menjadi magnetis ketika terdapat medan magnet luar. Pada garis medan luar, semua elektron berputar ke atas, namun keselarasannya hilang begitu medan luar dihilangkan. Bahan semacam ini dikenal sebagai paramagnetik.
Mengilustrasikan Medan Magnet
Biasanya, medan magnet dapat diilustrasikan dengan dua cara berbeda, yaitu Vektor Medan Magnet dan Garis Medan Magnet.
Vektor Medan Magnet
Medan magnet secara matematis dapat digambarkan sebagai medan vektor. Bidang vektor adalah himpunan banyak vektor yang digambar pada suatu kisi. Dalam hal ini, setiap vektor menunjuk ke arah yang ditunjukkan kompas dan memiliki panjang yang bergantung pada kekuatan gaya magnet.
Garis Medan Magnet
Garis medan magnet adalah alat visual yang digunakan untuk merepresentasikan medan magnet. Mereka menggambarkan arah gaya magnet pada monopole utara pada posisi tertentu.
Kerapatan garis menunjukkan besarnya medan. Misalnya, medan magnet lebih kuat dan padat di dekat kutub magnet. Saat kita menjauh dari kutub, ia menjadi lemah dan garis-garisnya menjadi kurang rapat.
Garis-garis medan magnet tidak pernah saling bersilangan. Kerapatan garis medan menunjukkan kekuatan medan dan selalu membentuk loop tertutup. Garis-garis medan magnet selalu muncul atau bermula dari kutub utara dan berakhir di kutub selatan.
Dengan kedua metode ilustrasi medan magnet tersebut, kita juga bisa membayangkan secara sederhana medan magnet bumi.
Apa Itu Intensitas Medan Magnet
Kuat medan magnet juga merupakan intensitas medan magnet atau intensitas magnet. Ini direpresentasikan sebagai vektor H dan didefinisikan sebagai rasio MMF yang diperlukan untuk menciptakan Kerapatan Fluks (B) tertentu dalam material tertentu per satuan panjang material tersebut.
Intensitas medan magnet diukur dalam satuan ampere/meter, dengan rumus sebagai berikut:
Dimana: B adalah kerapatan fluks magnet, M adalah magnetisasi, dan μ adalah permeabilitas magnetik
Kekuatan medan magnet adalah ukuran intensitas medan magnet di suatu area tertentu pada medan tersebut. Diwakili sebagai H, kekuatan medan magnet biasanya diukur dalam ampere per meter ( A/m ), sebagaimana didefinisikan oleh Satuan Sistem Internasional ( SI ). Ampere dan meter (atau meter) adalah satuan dasar SI yang dibuat dari konstanta penentu SI. Ampere adalah ukuran kuat arus listrik , dan meter adalah ukuran panjang.
Kekuatan medan magnet, disebut juga intensitas medan magnet, terkadang diukur dalam satuan oersted (Oe) dan bukan A/m. Oersted adalah bagian dari sistem satuan Gaussian, yang didasarkan pada sistem sentimeter-gram-sekon ( CGS ). Satu Oe sama dengan 79,577472 A/m, dan satu A/m sama dengan 0,012566 Oe.
Kekuatan medan magnet adalah salah satu dari dua cara mengukur medan magnet. Cara lainnya adalah kerapatan fluks magnet , atau induksi magnet. Kerapatan fluks magnet direpresentasikan sebagai B dan diukur dalam tesla (T). Satu tesla sama dengan satu weber per meter persegi (Wb/m 2 ). Weber adalah satuan SI untuk fluks magnet. Dalam satuan Gaussian, kerapatan fluks magnet diukur dalam gauss (G atau Gs). Satu tesla sama dengan 10.000 gauss.
Kekuatan medan magnet dan kerapatan fluks magnet berhubungan langsung satu sama lain. Hubungan ini dapat dinyatakan melalui rumus B = μH . Huruf Yunani Mu (μ) mewakili permeabilitas magnetik, yang diukur dalam henry per meter (H/m). Permeabilitas adalah ukuran bagaimana suatu zat merespons medan magnet yang diterapkan.
Ketika arus listrik mengalir melalui suatu konduktor , medan magnet terbentuk di sekitar konduktor tersebut. Kekuatan medan bergantung pada banyak faktor, termasuk jumlah arus. Jika arus ditingkatkan, kekuatan medan magnet juga meningkat; jika Anda mengurangi arus, kekuatan medan berkurang.
Bentuk konduktor juga mempengaruhi kekuatan medan magnet. Misalnya, sebuah konduktor dapat dibentuk menjadi kumparan, bukan garis lurus. Solenoida adalah contoh umum dari konduktor melingkar. Jika Anda menambah jumlah kumparan pada konduktor tanpa mengubah panjangnya, Anda juga akan meningkatkan kekuatan medan magnet.
Kekuatan medan magnet berhubungan dengan kerapatan garis-garis medan. Pada konduktor lurus, garis-garis medan berada pada titik terpadat yang paling dekat dengan konduktor, sehingga disitulah medan magnet berada pada titik terkuatnya. Sebaliknya, semakin jauh garis-garis tersebut menyebar dari konduktor, hal ini menunjukkan semakin lemahnya kekuatan medan.
Pada konduktor melingkar, garis-garis berada pada titik terpadatnya di pusat kumparan, dimana kuat medannya paling besar. Garis-garis medan menjadi kurang padat di luar kumparan dan terus menipis semakin jauh dari konduktor, dimana kuat medan berada pada titik terlemahnya.
Jumlah garis medan magnet yang menembus suatu permukaan tertentu dalam selang waktu tertentu disebut fluks magnet. Hal ini berbanding lurus dengan jumlah garis medan magnet yang melewati permukaan. Semakin terkonsentrasi garisnya, semakin besar kerapatan fluksnya.
Jika Anda meningkatkan intensitas medan magnet, Anda meningkatkan jumlah garis medan, yang menunjukkan tingkat fluks yang lebih besar.
Menurut artikel Robert Sheldon di Techtarget, laju fluks juga dipengaruhi oleh besar kecilnya luas permukaan dan sudut permukaan terhadap garis-garis medan. Gambar 1 menunjukkan dua permukaan. Yang di sebelah kanan jauh lebih besar daripada yang di sebelah kiri, tetapi kekuatan medannya sama pada kedua kasus. Akibatnya, permukaan di sebelah kanan mempunyai laju fluks yang lebih tinggi.
Kesimpulan
Medan magnet dihasilkan setiap kali muatan listrik bergerak, yang bisa bersumber dari konduktor pembawa listrik maupun gerakan elektron pada sekitar inti atom.
Memahami kekuatan medan magnet penting karena penggunaan magnet untuk menyimpan data pada hard drive komputer (Berbagai perangkat lain, termasuk generator, speaker, dan televisi), juga mengandalkan magnet atau elektromagnet.