Medan Magnetik

Document Sample
Medan Magnetik Powered By Docstoc
					FI-1201
Fisika Dasar IIA

          Kuliah-08
        Medan Magnetik


    Physics Study Program
    Faculty of Mathematics and Natural Sciences
    Institut Teknologi Bandung
Topik Hari ini

     Pengantar

     Gaya Magnetik

     Gaya Lorentz

     Bubble Chamber

     Velocity Selector

     Mass Spectrometer

     Cyclotron


          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
Pengantar
  Jika sebuah kawat yang diletakkan vertikal di sekitar
     tumpukan pasir halus (atau serbuk besi) diberi
     arus listrik, maka pasir halus ini akan membentuk
     garis-garis konsentris dengan kawat sebagai
     pusatnya.
  Garis-garis ini menggambarkan bahwa di sekitar
     kawat tersebut medan magnetik atau medan
     magnet.
  Medan magnetik diberi simbol* : B

  *Tidak ada aturan baku dalam menamai medan
     vektor pada gejala magnetisasi. B mungkin
     disebut juga sebagai induksi magnetik atau rapat
     fluks magnetik. Medan vektor yang lain H, kadang
     disebut sebagai medan magnetik. Dalam kuliah ini
     kita anggap B sebagai besaran yang lebih
     mendasar, karenanya kita sebut B sebagai medan
     magnetik.
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Pengantar …
 Dalam medan listrik kita mengenal:
          muatan listrik  E muatan listrik
 Seharusnya simetri antara medan listrik dan medan magnet
   memungkinkan kita untuk menuliskan
          muatan magnet  B muatan magnet
 Akan tetapi karena tidak/belum dijumpai muatan magnetik
   tunggal (monopole magnetic), maka pernyataan yang lebih
   lengkap adalah:
   muatan listrik yg bergerak B muatan listrik yg bergerak
 atau
                       arus listrik  B arus listrik
 Jadi arus listrik akan menimbulkan medan listrik
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
   Medan Magnetik

                                                                         B
                                  S                 N




                   N                                                         S

Medan magnetik, B, searah                                 Besarnya ditentukan dari gaya
dengan arah jarum kompas                                  yang bekerja pada muatan
                                                          yang bergerak
            Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

  PHYSI S
 Muatan bergerak dalam medan magnetik
     Medan magnetik menembus bidang
                                                                        Berkas partikel
                                                                       bermuatan dalam
                                B                                         Medan B
                                  B
                                       B

                                           +        FB


                                            v                    Eksperimen
                                                                 menunjukkan
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
    Gaya yang bekerja pada muatan yang
    bergerak dalam medan magnetik

   Besarnya gaya magnetik FB yang bekerja pada
    suatu partikel sebanding dengan muatan q dan
    laju partikel |v|
   Besar dan arah dari gaya FB bergantung pada
    kecepatan partikel v dan besar & arah medan
    magnetik B




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
    Gaya yang bekerja pada muatan yang
    bergerak dalam medan magnetik…

   Ketika partikel bergerak sejajar dengan vektor
    medan magnetik, gaya magnetik yang bekerja
    pada partikel adalah nol
   Ketika vektor kecepatan partikel v membuat
    sudut   0 dengan medan magnetik, gaya
    magnetik bekerja dalam arah yang tegak lurus
    dengan v dan B. Dengan kata lain F  bidang
    yang dibentuk oleh v dan B


          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
    Gaya yang bekerja pada muatan yang
    bergerak dalam medan magnetik…
   Gaya magnetik yang bekerja pada muatan
    positif berlawanan arah dengan gaya magnetik
    yang bekerja pada muatan negatif yang begerak
    dalam arah yang sama
   Besarnya medan magnetik yang bekerja pada
    partikel yang bergerak sebanding dengan sin 
    dimana  adalah sudut yang dibentuk vektor
    kecepatan partikel dan medan magnetik B



          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
Gaya yang bekerja pada muatan yang
bergerak dalam medan magnetik …

Eksperimen menunjukkan bahwa:

                           FB  qv  B
Kita dapat menggunakan hubungan ini untuk menentukan
besarnya B



                          FB  qv  B
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
  Gaya Magnetik

                                          F                            Aturan
                                                                       tangan
                                                    B                  kanan
                                      q       
                                                   v


  Jika sebuah muatan q bergerak dengan kecepatan v dalam
     medan magnetik B, maka muatan tersebut akan
     mengalami gaya magnetik F, yang besarnya adalah:

                                  F  qvBsin 
  Atau dalam bentuk vektor                        F  qvxB
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Gaya Magnetik …

  Satuan SI untuk B adalah tesla (T)

     1 tesla = 1 newton / (coulomb.meter/second)

                  = 1 newton / (ampere.meter)

  Satuan yang lebih awal untuk B (bukan SI) adalah
    gauss.

     1 tesla = 104 gauss

          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
Tabel 1. Beberapa contoh nilai medan magnetik

                Lokasi                                       Medan Magnetik, (T)
Pada permukaan bintang neutron                                         108
(dihitung)
Dekat magnet superkonduktor                                             5
Dekat elektromagnetik yang                                              1
besar
Dekat batang magnetik kecil                                            10-2
Dekat permukaan bumi                                                   10-4
Ruang antar bintang                                                    10-10
Dalam ruang kedap magnetik                                             10-14


          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
Perbedaan antara gaya listrik dan gaya magnetik

   Bekerja searah                                      Bekerja dalam arah tegak
    dengan medan listrik                                 lurus medan magnetik
                                                        Bekerja pada partikel
   Bekerja pada partikel                                muatan hanya jika
    bermuatan tanpa                                      partikel tersebut
                                                         bergerak
    memperdulikan                                       Tidak bekerja untuk
    apakah bergerak atau                                 menindahkan partikel
    tidak
   Bekerja memindahkan
    partikel
    Charged particle in E field                         c.f. Charged particle in B field
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Usaha dan Energi

    Gaya magnetik tidak
       bekerja untuk
    memindahkan partikel
       yang bergerak
                                                             Energi kinetik partikel
                                                                 tidak berubah

       Laju tidak berubah
      tetapi kecepatan dan
        arah bisa berubah
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
Partikel bermuatan dalam medan magnetik
serba sama

          Medan menembus bidang                                        FB  qv  B
                                                        +
                                                                       Perhatikan laju
                                                    +                  tidak berubah
                                                                       tetapi arah berubah
                                              +
                 FB                                                    Force is always
                                      +
                                                                            to v
                            +
   +            +

  v            v
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
  Partikel bermuatan dalam medan
  magnetik serba sama
                                                                         Charged particle
                                                                        spiralling in B field
           Medan menembus bidang
                                                    Karena gaya selalu dalam
FB  qv  B                                         arah radial, ia bekerja untuk
                               +                    mempertahankan
                                                    partikelbergerak dalam
                                                    lingkaran
                                                                            2
                                        FB  qvB                     mv
    FB                                                             
                                                                      r
   +
                                              mv                                    mv
                                         qB 
           Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
                                                                                 r
   v                                          r                                     qB
 PHYSI S
 Bubble chamber
    mv                 Momentum / charge is                            mv p
 r                    Radius [measured] times                             rB
    qB                 Field [known]                                   q  q




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
     Contoh soal
    Sebuah proton bergerak dalam lintasan lingkaran
     dengan jari-jari 14 cm dalam sebuah medan magnetik
     0.35 T yang tegak lurus dengan kecepatan proton.
     Tentukan laju linier proton.




              Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

    PHYSI S
Gaya Lorentz




   Physics Study Program
   Faculty of Mathematics and Natural Sciences
   Institut Teknologi Bandung
 Gaya Lorentz
Jika medan listrik E dan medan magnetik B dua-
  duanya diaplikasikan pada partikel bermuatan
  maka total gayanya adalah:
               F  qE  qvxB
Gaya ini dikenal sebagai gaya Lorentz:

                                  E
                                           FE
                                           q         v
                            B

                                           FB
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Selektor kecepatan & Gaya Lorentz


                                      +ve

                  FB
              +
                  FE

                                     -ve

                  Gaya magnetik                   FB  qv  B
                   Gaya listrik                    FE  qE
                                       F  qv  B  qE
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
                                                                        Gaya
PHYSI S   Gaya Total
                                                                       Lorentz
 Velocity Selector                                                      Berkas partikel
                                                                       bermuatan dalam
                                                                          medan B
                                      +ve
                                                                        Gaya magnetik


                                                                       FB  qv  B
                 FB                                                    Gaya listrik

   +            +
                                                                         FE  qE
                   FE
  v            v
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S                               -ve
 Velocity Selector (selektor kecepatan)
                                                                       FB  FE
                                      +ve

                  FB
   +          +                                                             FB  FE
                  FE
  v
                   FB                -ve


                                                                   FB  FE
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Selektor kecepatan




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
                                                                         FB  FE
     Velocity Selector                         Velocity Selector
                                                                +ve

                                                          FB
                                                 +    +                         FB  FE

                        FB  qv  B
                                                          FE
                                                v
  Magnetic Force                                           FB   -ve


                                                                         FB  FE
    Electric Force      FE  qE
Equating the
magnitudes
                         FB  q v  B  FE  q E
Since the velocity
& Magnetic Field         vB  v B                   thus             q v B  qE
are perpendicular
                                                          Since E & B are fixed
                            vE B
             Finally Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
              Physics Study
                                                          we have selected a single
   PHYSI   S
                                                          velocity
         Bainbridge Mass                       Charged particle in uniform
         spectrometer                                magnetic field
                                                                                 FB  qv  B 2
                                                Magnetic field into board
                                                                             +
                                                                                  Note speed never

                          v  E B1                     r                 +        changes
  Velocity Selector                                                  +
                                                                                  but direction does

                                                    FB                            Force is always
                    +ve                                         +
                                                                                       to v
                              v  E B1
                                                           +
              FB                           +       +

    +     +                                v       v
                                                                                 mv
                                                                         r
              FE
   V?
               FB   -ve

                           v  E B1
                                                                                 q B2
         Charge to mass ratio

        m    B2                       B2                   m    B 2 B1
          r               r                                r
        q    v                   E B1                      q       E
              radius Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung
Measuring thePhysics Studyfor fixed B1, B2, E1, gives you the mass/charge ratio
        PHYSI S
   Bainbridge Mass Spectrometer
                                                       m    B 2 B1
Measuring the radius for fixed
B1, B2, E1, gives you the
                                                         r
mass/charge ratio
                                                       q       E

                                                       q   E
Or of course the charge/mass                             
ratio                                                  m B1 B 2 r
Thomson used this technique to
measure the charge to mass ratio
                                                          e
of the electron                                           me
           Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

 PHYSI S
 Spektrometer massa




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
   Bainbridge Mass Spectrometer

                 Film perekam

                                          Medan
                                         Magnetic
                                         homogen

   Velocity Selector



Film perekam
           Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

 PHYSI S
 Spektrometer massa




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
   Quiz

Recording film

                                     a       b       c
A mass spectrometer records particles arriving at position b.
If particles of the same charge but half the mass were put in the
with the same set-up would they arrive at a, b or c?
If particles of the half the charge & half the mass were put in the
with the same set-up would they arrive at a, b or c?
If particles of the double the charge & 3 × mass were put in the
with the same set-up would they arrive at a, b or c?
           Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

 PHYSI S
   Cyclotron
Ingat rumus untuk jari-jari
                                         mv                               v qB
partikel bermuatan yang
bergerak dan medan
                                      r                    sehingga     
magnetik serba sama
                                         qB                               r m
 Ini adalah frekuensi sudut dimana partikel bergerak melingkar
 (spiral) dalam medan magnetik serba sama yang dikenal sebagai
 frekuensi cyclotron .
 N.B. frekuensi (juga periode T = 2p/) tidak bergantung
 pada kecepatan partikel tetapi hanya pada sifat
 fundamental dari partikel dan kuat medan magnetik B.
 Berguna bagi aplikasi praktis dalam suatu pemercepat partikel
 Cyclotron
           Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

 PHYSI S
    Cyclotron                                     2pr 2pm                                     2p
                                               T                                        
Partikel pada jari-jari
                                                   v   qB                                     
dalam & luar                      Meskipun partikel
membutuhkan waktu                 pada jari-jari lebih
                                                                                mv
yang sama untuk 1
putaran
                                  luar bergerak lebih
                                  cepat                                      r
                                                                                qB
        -ve +ve                FE        +ve  -ve
                                                                          Pada setiap siklus partikel
                                                                          melewati gap dan
                                                                          dipercepat oleh medan
                                                                          listrik. Hal ini
                                                                          menyebabkan
                                                                          bertambahnya kecepatan
                                                                          dan bergerak dengan jari-
                                                                          jari yang lebih besar
             Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

  PHYSI S
                                FE
                                  2pr 2pm   2p
                            T           
Cyclotron
Particle at inner
& outer radius
                     Even though
                                   v
                     outer particle is
                                       qB   
                                              mv
                                                                                        Cyclotron
take same time       going much            r
to go around         faster                   qB                            We must switch the
     -ve +ve       FE
                          +ve  -ve
                                         At each cycle the
                                                                            charge of the drums at
                                         particle crosses the gap
                                         and accelerates under
                                                                            the right frequency
                                         the electric field. It
                                         thus increases its
                                                                     V                  Dt = T/2 = pm/qB
                                         velocity and so moves
                                         to a larger radius




    Kecepatan maksimum yang                                         DV
    dapat dicapai:
              m               qB                                                    t
Rcy clotron     vm ax vmax     Rcy clotron
              qB              m
  Pada saat partikel meninggalkan akselerator
                       Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

       PHYSI S
                                  2pr 2pm   2p
Cyclotron
Particle at inner
                            T
                     Even though
                                   v
                                     
                                       qB
                                          
                                                                                 Cyclotron
& outer radius       outer particle is                mv                 V
take same time       going much                 r                                Dt = T/2 = pm/qB
to go around         faster                           qB
     -ve +ve       FE
                          +ve  -ve
                                             At each cycle the

                                                                        DV
                                             particle crosses the gap
                                             and accelerates under
                                                      qB
                                             the electric field. It

                                         v          
                                             thus increases its
                                             velocity    R
                                             max and so moves
                                                      m
                                             to a larger radius
                                                                              t


                                                                         DK  qDV
  Setiap percepatan melewati gap
  memberikan tambahan energi:
                                          1 2 1  qB  qBR )2
                                                                              2

  Energi kinetik akhir: K  mv  m R  
                                          2               2 m        2m
  Jumlah siklus:              N  K DK 
                                                       q BR )2
                                                       2 mDV
            Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

       PHYSI S
 Cyclotron




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Partikel bermuatan dalam medan magnetik serba
 sama

 If we know the mass, velocity,                                    mv
 charge and magnetic field we can                               r
 estimate the radius                                               qB
     Or we can measure the radius, for a
                                                                          rqB
     particle of known charge, mass in a
     known field to find the velocity
                                                                       v
                                                                           m
 The angular velocity of a particle                                v qB
 in a magnetic field depends only                                 
     on its charge to mass ratio                                   r m
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Contoh soal




   a). Tentukan besar medan B
   b). Tentukan kecepatan angular
   elektron
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Contoh soal ….
a). Medan magnetik B




b). Kecepatan angular elektron


          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
Gaya pada kawat berarus




   Physics Study Program
   Faculty of Mathematics and Natural Sciences
   Institut Teknologi Bandung
    Gaya pada suatu kawat berarus

Sebuah kawat berarus terdiri dari partikel bermuatan yang
bergerak sehingga tiap partikel akan mengalami gaya
berikut.

                         FB  qv  B                             FB



                                    +          v                   A
B
                                l

          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Force on a Current Carrying Wire
                                                                                      Gaya pada kawat
A current carrying wire consists of moving charges so we                                      berarus
would expect each of these to feel a force according to

                 FB  qv  B            FB
                                                               Gaya total pada segmen kawat
                         +    v          A                     adalah jumlah gaya pada seluruh
B
                     l
                                                               muatan
      Asumsikan gayanya sama pada                                       FB  qv  B )N
      setiap pembawa arus (muatan)
    Jumlah muatan (N) adalah densitas                                  FB  qv  B )nAl
    muatan (n) × Volume (Al)
      Kumpulkan semua yg tidak
      berarah (besaran skalar)
                                                                       FB  qvnAl v  B )
                                                                                   ˆ
         Ingat laju hanyut                      I  qnAv                      FB  I L  B )
                         Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

       PHYSI S
     Gaya pada suatu kawat berarus…

                              Medan
                             Magnetik
                                                                    B           Gaya
                                                                                =
                  Arus                                              L           NOL

        FB  I L  B )                                                        |F|=ILB
                                                              B




                                                                           L
Gaya pada kawat

                                                                               |F|=ILB
               Vector panjang                                   B


                                                                           L
                kawat searah
              Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

    PHYSI S
              dengan arah arus
    Force on a Current Carrying Wire                                 Gaya pada kawat
                  Magnetic
                   Field
                                     B           Force                       berarus
                                                 =
           Current                   L           Zero

      FB  I L  B )
                                                |F|=ILB
                                 B




                                           L
Force on Wire

           Vector length                        |F|=ILB
             of wire in          B
                                                                    F5=0
                                           L
            direction of
           current flow




                     B                                            F4=IL4B
                                               F3=0
                                                                          Gaya pada suatu segmen
                                                                          kawat sama dengan gaya
                                           F2=IL2B                        pada suatu kawat lurus
                      F1=0                                                antara dua titik yang sama
                       Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

         PHYSI S
 Gaya pada suatu kawat berarus…




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
    Contoh soal
   Suatu kawat yang dibentuk sehingga menjadi setengah
    lingkaran dengan jejari R diberi arus I seperti pada
    gambar. Kawat diletakkan dalam suatu bidang xy dan
    medan magnetik serba sama diberikan searah sumbu-y
    positif. Hitung total gaya magnetik yang bekerja pada
    loop kawat.




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
 Contoh soal…
Gaya yang bekerja pada bagian kawat yang lurus
  F1=ILB = I (2R) B


Gaya yang bekerja pada bagian kawat yang melengkung
sama dengan gaya pada suatu kawat lurus antara dua titik
yang sama
  F2=- ILB = -I (2R) B



      Gaya total:
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
   Gaya pada loop kawat berarus

                                                         F=0
                                                     L

F = -ILB
                             L




                                                                         L
                                                                             F = +ILB


      B                                          L

                                              F=0
     Gaya total adalah nol Tetapi torsi/torka tidak nol
            Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

  PHYSI S
 Torsi pada loop kawat berarus
    B
                                                                         F  L
                       L’
                                                                  I L  B ) L
   L




                                         L                     Karena L×B tegak lurus L’

                    L’                                  I A  B )
                                                                  xB
   Tetapi torsi/torka tidak nol
                                                           = IA = momen dipol magnet
          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
    Contoh soal: Kontrol satelit
   Banyak satelit menggunakan kumparan yang disebut
    torquers untuk mengatur arahnya. Alat ini berinteraksi
    dengan medan magnetik bumi untuk menghasilkan torsi
    pada satelit dalam arah x,y,z. Energi dari sistem kontrol
    ini berasal dari sel-surya. Jika momen dipol magnetik
    dari alat kontrol adalah 250 A.m2, tentukan torsi
    maksimum yang diberikan ke satelit bila torquer
    dinyalakan pada ketinggian dimana medan magnetik
    bumi adalah 3 x 10-5 T.




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
    Summary
   Practical uses of moving charge
    in magnetic field
                                                                          mv
                                                                       r
                                                                          qB
   Lorentz Force
                                          F  qv  B  qE
   Force on Wire
                                                  FB  I L  B )

          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S
                     End of Section...




          Physics Study Program - FMIPA | Institut Teknologi Bandung

PHYSI S

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:48
posted:5/10/2012
language:
pages:53
Denok  Fransiska Denok Fransiska oprektor docushared.blogspot.com
About tagged-basistik.blogspot.com,free-pdf-doc-xls-ppt.blogspot.com,soccers-basistik.blogspot.com,pharaswork.blogspot.com,docushared.blogspot.com