Induksi magnetik adalah fenomena dimana sebuah medan magnet yang berubah dapat menghasilkan arus listrik pada suatu conduktor yang berada di dalamnya. Fenomena ini dikenal sebagai hukum Faraday dan dapat dituliskan dalam rumus:
E = – N (dΦ/dt)
Dimana:
E = Tegangan listrik yang dihasilkan
N = Jumlah bobin pada conduktor
Φ = Intensitas medan magnet
t = Waktu
Induksi magnetik dapat digunakan dalam beberapa aplikasi, seperti pembuatan generator, motor listrik, transformator, dan alat pengukuran.
Untuk mengukur induksi magnetik, dapat digunakan beberapa alat, seperti tesla meter, oscillo-scope, dan multimeter. Alat-alat tersebut dapat mengukur sifat fisik dan kimiawi dari induksi magnetik dan dapat digunakan dalam beberapa aplikasi, seperti pembuatan generator, motor listrik, transformator, dan alat pengukuran.
Untuk mengoptimalkan pengukuran induksi magnetik, dapat dilakukan beberapa langkah, seperti menggunakan alat yang tepat, menggunakan metode yang tepat, dan menggunakan standar yang tepat. Selain itu, pemerintah dan masyarakat juga dapat bekerjasama dalam melakukan pengelolaan yang baik dan benar terhadap penggunaan alat, metode, dan standar yang digunakan dalam pengukuran induksi magnetik.
Induksi magnetik dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti intesitas medan magnet, kecepatan perubahan medan magnet, dan jarak antara conduktor dan sumber medan magnet. Misalnya, induksi magnetik dapat meningkat saat intesitas medan magnet atau kecepatan perubahan medan magnet meningkat. Induksi magnetik dapat juga menurun saat jarak antara conduktor dan sumber medan magnet meningkat.
Untuk mengatasi masalah yang timbul akibat induksi magnetik, dapat dilakukan beberapa langkah, seperti menggunakan alat yang tepat, menggunakan metode yang tepat, dan menggunakan standar yang tepat. Selain itu, pemerintah dan masyarakat juga dapat bekerjasama dalam melakukan pengelolaan yang baik dan benar terhadap penggunaan alat, metode, dan standar yang digunakan dalam mengatasi masalah yang timbul akibat induksi magnetik.
Pengertian
Induksi magnetik atau kerapatan fluks magnetik adalah perubahan lingkungan yang disebabkan oleh adanya arus listrik. Mereka memodifikasi sifat ruang yang mengelilinginya, menciptakan bidang vektor.
Vektor induksi magnetik, kerapatan fluks magnetik atau hanya medan magnet B, memiliki tiga ciri-ciri khas: intensitas diungkapkan oleh nilai numerik, arah dan juga rasa yang diberikan pada setiap titik dalam ruang. Hal ini disorot dalam huruf tebal untuk membedakannya dari jumlah murni numerik atau skalar.
Aturan jempol kanan untuk menentukan arah dan rasa vektor induksi magnet. Sumber: Jfmelero [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]
Aturan jempol kanan digunakan untuk menemukan arah dan arah medan magnet yang disebabkan oleh kawat pembawa arus, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.
Ibu jari tangan kanan harus menunjuk ke arah arus. Kemudian putaran keempat jari yang tersisa menunjukkan bentuk B, yang pada gambar diwakili oleh lingkaran merah konsentris.
Dalam kasus seperti itu, arah B bersinggungan dengan keliling yang konsentris dengan kawat dan arahnya berlawanan arah jarum jam.
induksi magnetik B dalam Sistem Internasional diukur Tesla (T), namun lebih sering untuk mengukurnya di unit lain yang disebut Gauss (G). Kedua unit diberi nama masing-masing untuk menghormati Nikola Tesla (1856-1943) dan Carl Friedrich Gauss (1777-1855) atas kontribusi luar biasa mereka terhadap ilmu listrik dan magnet.
Apa sifat induksi magnet atau kerapatan fluks magnet?
Sebuah kompas ditempatkan di dekat kawat saat selalu selaras dengan B. Fisikawan Denmark Hans Christian Oersted (1777-1851) adalah orang pertama yang memperhatikan fenomena ini pada awal abad ke-19.
Dan ketika arus berhenti, kompas kembali menunjuk ke utara geografis, seperti biasa. Dengan hati-hati mengubah posisi kompas, Anda mendapatkan peta bentuk medan magnet.
Peta ini selalu berbentuk lingkaran yang konsentris dengan kawat, seperti yang dijelaskan di awal. Dengan cara ini, B
Bahkan jika kawat tidak lurus, vektor B akan membentuk lingkaran konsentris di sekitarnya. Untuk menentukan bentuk medan, bayangkan segmen kawat yang sangat kecil, sangat kecil sehingga tampak bujursangkar dan dikelilingi oleh lingkaran konsentris.
Garis-garis medan magnet yang dihasilkan oleh loop kawat berarus. Sumber: Pixabay.com
Ini menunjukkan sifat penting dari garis medan magnet B : garis-garis tersebut tidak memiliki awal atau akhir, garis-garis tersebut selalu berbentuk kurva tertutup.
Hukum Biot-Savart
Abad ke-19 menandai awal era Listrik dan Magnetisme dalam sains. Sekitar tahun 1820, fisikawan Prancis Jean Marie Biot (1774-1862) dan Felix Savart (1791-1841) menemukan hukum yang menyandang nama mereka dan yang memungkinkan vektor B dihitung.
Mereka melakukan pengamatan berikut tentang kontribusi medan magnet yang dihasilkan oleh segmen kawat dengan panjang diferensial dl yang dialiri arus listrik I :
- Besarnya B berkurang dengan kebalikan kuadrat jarak ke kawat (ini masuk akal: jauh dari kawat intensitas B harus kurang dari pada titik terdekat).
- Besarnya B sebanding dengan intensitas arus I yang melewati kawat.
- Arah B bersinggungan dengan lingkaran berjari-jari r yang berpusat pada kawat dan arah B diberikan, seperti yang kita katakan, dengan aturan jempol kanan.
Perkalian silang atau cross product adalah alat matematika yang tepat untuk menyatakan poin terakhir. Untuk membentuk produk vektor, diperlukan dua vektor, yang didefinisikan sebagai berikut:
- d l adalah vektor yang besarnya adalah panjang segmen diferensial dl
- r adalah vektor yang bergerak dari kawat ke titik di mana Anda ingin mencari medan
Rumus
Semua ini dapat digabungkan menjadi ekspresi matematika:
Konstanta proporsionalitas yang diperlukan untuk membangun kesetaraan adalah permeabilitas magnetik ruang bebas μ o = 4π.10 -7 T.m / A
Ungkapan ini adalah hukum Biot dan Savart, yang memungkinkan kita menghitung medan magnet dari segmen arus.
Segmen seperti itu pada gilirannya harus menjadi bagian dari rangkaian yang lebih besar dan lebih tertutup: distribusi arus.
Kondisi rangkaian tertutup diperlukan agar arus listrik dapat mengalir. Arus listrik tidak dapat mengalir pada rangkaian terbuka.
Akhirnya, untuk menemukan medan magnet total dari distribusi arus tersebut, semua kontribusi dari setiap segmen diferensial d l ditambahkan. Ini setara dengan mengintegrasikan seluruh distribusi:
Untuk menerapkan hukum Biot-Savart dan menghitung vektor induksi magnetik, perlu untuk mempertimbangkan beberapa poin yang sangat penting:
- Perkalian silang antara dua vektor selalu menghasilkan vektor lain.
- Lebih mudah untuk menemukan produk vektor sebelum melanjutkan ke relarutan integral, kemudian integral dari masing-masing komponen yang diperoleh secara terpisah diselesaikan.
- Hal ini diperlukan untuk menggambarkan situasi dan membangun sistem koordinat yang sesuai.
- Setiap kali keberadaan beberapa simetri diamati, itu harus digunakan untuk menghemat waktu perhitungan.
- Ketika ada segitiga, teorema Pythagoras dan teorema kosinus sangat membantu dalam membangun hubungan geometris antara variabel.
Bagaimana cara menghitungnya?
Dengan contoh praktis perhitungan B untuk kawat lurus, rekomendasi ini berlaku.
Contoh
Hitung vektor medan magnet yang dihasilkan oleh kawat bujursangkar yang sangat panjang pada titik P di ruang angkasa, sesuai dengan gambar yang ditunjukkan.
Geometri diperlukan untuk menghitung medan magnet di titik P, dari kawat arus yang panjangnya tak terhingga. Sumber: buatan sendiri.
Dari gambar Anda harus:
- Kawat diarahkan dalam arah vertikal, dengan arus I mengalir ke atas. Arah ini adalah + y dalam sistem koordinat, yang asalnya di titik O.
- Dalam hal ini, menurut aturan ibu jari kanan, B di titik P diarahkan ke bagian dalam kertas, oleh karena itu dilambangkan dengan lingkaran kecil dan “x” pada gambar. Alamat ini akan diambil sebagai -z.
- Segitiga siku-siku yang kakinya adalah y dan R, menghubungkan kedua variabel sesuai dengan teorema Pythagoras : r 2 = R 2 + y 2
Semua ini diganti dalam integral. Perkalian silang atau persilangan ditunjukkan oleh besarnya ditambah arah dan pengertiannya:
Integral yang diusulkan ditemukan dalam tabel integral atau diselesaikan dengan substitusi trigonometri yang sesuai (pembaca dapat memeriksa hasilnya menggunakan y = Rtg ) :
Hasilnya sesuai dengan apa yang diharapkan: besarnya medan berkurang dengan jarak R dan meningkat secara proporsional dengan intensitas arus I.
Meskipun kawat panjang tak terhingga adalah idealisasi, ekspresi yang diperoleh adalah pendekatan yang sangat baik untuk bidang kawat panjang.
Dengan hukum Biot dan Savart adalah mungkin untuk menemukan medan magnet dari distribusi yang sangat simetris lainnya, seperti loop melingkar yang membawa arus, atau kabel bengkok yang menggabungkan segmen bujursangkar dan lengkung.
Tentu saja, untuk memecahkan integral yang diusulkan secara analitis, masalahnya harus memiliki tingkat simetri yang tinggi. Jika tidak, alternatifnya adalah menyelesaikan integral secara numerik.
Referensi
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Jilid 2. Meksiko. Cengage Learning Editor. 367-372.