Materi IPA Kelas 9 SMP/MTs: Kemagnetan dan Pemanfaatannya dalam Produk Teknologi

A. PENGGOLONGAN BENDA BERDASARKAN SIFAT KEMAGNETANNYA

Magnet dapat menarik benda-benda yang terbuat dari baja, besi, dan logam-logam tertentu. Magnet pertama kali ditemukan berupa batuan. Batu magnet pertama kali ditemukan di Magnesia (Asia Kecil) dekat Yunani. Benda-benda disekitar kita dikelompokkan menjadi tiga golongan yaitu:

Magnet U

a.Ferromagnetik adalah benda-benda yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet, misalnya besi, baja, nikel dan kobalt.

b.Paramagnetik adalah benda-benda yang ditarik dengan lemah oleh magnet, misalnya platina dan aluminium.

c.Diamagnetik adalah benda-benda yang tidak ditarik oleh magnet, misalnya seng dan bismuth.

Magnet memiliki sifat-sifat antara lain:

1. Dapat menarik logam tertentu

2. Memiliki gaya tarik magnet terbesar terletak di kedua kutubnya

3. Selalu menunjukkan arah utara dan selatan

4. Memilki dua kutub magnet

5. Kutub-kutub magnet yang berlainan jenis tarik-menarik

6. Kutub-kutub magnet yang sejenis akan tolak-menolak

      B. MEMBUAT MAGNET

Berdasarkan asalnya magnet ada dua macam, yaitu magnet alam dan magnet buatan. Cara membuat magnet antara lain :

a. Dengan cara menggosok

b. Dengan cara dialiri arus listrik

c. Dengan cara induksi magnetik

C. TEORI KEMAGNETAN BUMI

Tahukah kamu? Jarum kompas selalu menunjuk arah selatan dan utara disebabkan tertarik oleh kutub utara dan kutub selatan magnet Bumi. Kutub utara jarum kompas tertarik oleh kutub selatan magnet Bumi yang berada di sekitar kutub utara Bumi.

Kutub selatan jarum kompas tertarik oleh kutub utara magnet Bumi yang berada di sekitar kutub selatan Bumi. Kutub selatan dan kutub utara magnet Bumi tidak berimpit dengan kutub selatan dan kutub utara Bumi.

Hal ini menyebabkan kutub utara dan kutub selatan magnet jarum kompas tidak menunjukkan arah utara dan selatan geografis, sehingga membentuk sebuah sudut deklinasi. Sudut deklinasi adalah sudut yang dibentuk oleh kutub utara-selatan jarum kompas terhadap arah utara-selatan jarum kompas terhadap arah utara dan selatan geografis.

Di daerah yang tepat di atas garis khatulistiwa, posisi jarum kompas dalam keadaan seimbang. Akan tetapi jika kompas dibawa ke kutub Bumi, posisi jarum kompas akan condong ke bawah atau ke atas. Ketika dibawa mendekati kutub utara Bumi, kutub utara jarum kompas condong ke bawah karena tertarik oleh kutub selatan magnet Bumi.

Sedangkan ketika dibawa mendekati kutub selatan Bumi, kutub selatan jarum kompas condong ke bawah karena tertarik oleh kutub utara magnet Bumi. Kemiringan jarum kompas tersebut membentuk sudut inklinasi. Sudut iinklinasi adalah sudut yang dibentuk oleh jarum kompas terhadap permukaan bumi.

      D. MEDAN MAGNETIK

Gaya magnetic menyebabkan besi dapat tertarik  oleh magnet. Gaya tarik magnet terhadap besi ini semakin kecil jika jarak semakin jauh, dan pada suatu saat nol. Selama besi masih dapat tertarik oleh magnet berarti besi tersebut masih berada dalam medan magnet. Medan magnet adalah daerah di mana benda dipengaruhi oleh gaya magnetik.

      E. MEDAN MAGNETIK DI SEKITAR KAWAT BERARUS LISTRIK

Arus listrik yang mengalir dalam kawat penghantar menghasilkan medan magnetik atau di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnetik. Arah medan magnetik disekitar kawat penghantar lurus berarus listrik dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan.

Jika arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik (l), maka arah keempat jarimu yang lain menunjukkan arah medan magnet (B). Kaidah tangan kanan ini juga dapat digunakan untuk menentukan arah medan magnetik pada penghantar berbentuk lingkaran yang dialiri listrik.

Letak kutub utara magnet ditunjukkan oleh arah ibu jari, sedangkan arah sebaliknya menunjukkan kutub selatan. Jika kawat penghantar yang pertama kali teraliri arus listrik berada di belakang inti besi, maka hadapkan telapak tanganmu ke belakang, kemudian genggamlah kumparan kawat itu. Dengan begitu kamu juga dapat menentukan letak kutub utara, dan kutub selatan magnet.

      F. ELEKTROMAGNETIK

Elektromagnetik adalah magnet yang terjadi karena aliran listrik pada kumparan berinti besi. Elektromagnetik ini memiliki beberapa kelebihan dibanding magnet permanen. Kelebihan-kelebihan tersebut antara lain:

1)Sifat kemagnetannya dapat diperbesar dengan cara memperbanyak jumlah lilitan atau memperbesar arus listrik

2)Sifat kemagnetannya dapat dihilangkan dengan cara memutus arus listrik, dan dapat ditimbulkan kembali dengan cara menyambung arus listrik

3)Kutub-kutub magnetnya dapat ditukar dengan cara mengubah arah arus listrik.

Peralatan sehari-hari yang berprinsip pada elektromagnet antara lain: bel listrik, telepon, alat ukur listrik, dan alat pengangkat besi.

      G. GAYA LORENTZ

Gaya Lorentz adalah gaya yang terjadi apabila kawat penghantar berarus listrik berada di dalam medan magnetik. Besar gaya lorentz bergantung pada besar medan magnetik, panjang penghantar, dan besar arus listrik yang mengalir dalam kawat penghantar.

Besar gaya Lorentz dapat ditentukan dengan rumus:

F = B x I x L

dengan,

F = gaya Lorentz (N)

I = kuat arus listrik (A)

B= kuat medan magnet (tesla)

L = panjang kawat penghantar (m)

Dengan menggunakan kaidah tangan kanan juga dapat ditentukan arah gaya Lorentz. Jika ibu jari menunjukkan arah arus listrik (I), dan jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B), maka jari tengah menunjukkan arah gaya Lorentz (F).

Peralatan dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan gaya Lorentz antara lain: bor listrik, kipas angin, blender, mixer, alat pengering rambut, mesin penyedot air, dan mesin cuci.

Materi IPA Fisika Kelas 9: Induksi Listrik dan Transformator

Apa kabar hari ini? Mudah-mudahan dalam keadaan baik. Saya akan membahas materi yang berjudul Induksi Elektromagnetik Kelas 9 SMP.

A. GAYA GERAK LISTRIK INDUKSI

Kawat penghantar yang dialiri listrik dapat menimbulkan medan magnetik. Hal ini telah diselidiki oleh Hans Christian Oersted. Berdasarkan penemuan tersebut Michael Faraday melakukan penyelidikan tentang hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan, kemudian mengemukakan hipotesis bahwa “perubahan medan magnetik dapat menghasilkan arus listrik”. Untuk membuktikan hipotesisnya, 

Induksi Elektromagnetik

Faraday kemudian melakukan eksperimen dengan menggerakkan magnet batang masuk keluar ke dalam kumparan kawat yang kedua ujungnya dihubungkan dengan galvanometer. Berdasarkan hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa gaya gerak listrik induksi dapat diperbesar dengan cara memperbanyak jumlah lilitan kumparan, mempercepat gerakan magnet ke dalam dan ke luar kumparan, dan memperbesar kekuatan medan magnetik. 

Gaya gerak listrik induksi juga dapat diperbesar dengan cara melengkapi kumparan dengan inti besi.Di samping dengan menggerakkan magnet ke dalam atau ke luar kumparan, gaya gerak listrik induksi juga dapat ditimbulkan dengan cara:

1) Memutar magnet batang di dekat kumparan,

2) Memutar kumparan di dekat magnet batang,

3) Memutus hubungkan arus listrik pada kumparan primer sehingga terjadi arus induksi pada kumparan sekunder.

      B. DINAMO DAN GENERATOR

Dinamo dan generator pada prinsipnya sama, yaitu merupakan alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Perbedaannya, dinamo menghasilkan gaya gerak listrik lebih kecil dibanding generator. Pada dinamo, magnet berputar di dalam kumparan, sedangkan dalam generator, kumparan bergerak dalam medan magnetik.

1.    Dinamo

Dinamo dapat kita jumpai pada perlengkapan lampu sepeda. Apabila kamu pernah membuka bagian dalam sebuah dinamo sepeda, maka kamu akan mendapatkan dua komponen penting, yaitu magnet silinder sebagai rotor (bagian yang berputar), dan kumparan kawat tembaga yang dilengkapi inti besi sebagai stator (bagian yang tidak bergerak).

Prinsip kerja dinamo sepeda

Pada saat dinamo digunakan untuk menyalakan lampu sepeda, dinamo dihubungkan dengan ban sepeda,, sehingga ketika roda sepeda berputar, poros dinamo tersebut juga ikut berputar. 

Akibatnya magnet silinder yang ada di dalam kumparan juga berputar. Perputaran maggnet di dalam kumparan ini menimbulkan perubahan jumlah garis gaya magnetik, sehingga terjadilah gaya gerak listrik induksi pada ujung-ujung kumparan, dan menghasilkan arus listrik induksi yang dapat menyalakan lampu sepeda. Arus listrik induksi ini akan semakin besar jika roda sepeda bergerak lebih cepat.

2.    Generator

Generator dapat menghasilkan gaya gerak listrik yang lebih besar dibanding dinamo sehingga generator digunakan sebagai pembangkit listrik bertegangan tinggi.

a. Generator Arus Listrik Bolak-balik (Alternator)

Generator arus listrik bolak-balik tersusun dari: (1) sebuah kutub utara dan selatan magnet permanen bentuk huruf “U”, (2) kumparan, (3) cincin logam, (4) sikat karbbon, (5) galvanometer.

b. Generator Arus Listrik Searah

Bagian-bagian utama generator arus listrik searah adalah (1) magnet ladam, (2) kumparan, (3) cincin belah, (4) sikat karbon.

C. TRANSFORMATOR

Transformator adalah alat yang dapat digunakan untuk menaikan atau menurunkan tegangan listrik bolak balik. Transformator tidak dapat digunakan pada tegangan listrik searah. Bagian-bagian utama transformator ada tiga macam yaitu kumparan primer yang dihubungkan ke tegangan sumber, kumparan sekunder yang menghasilkan tegangan keluaran dan inti besi.

1. Transformator Penaik Tegangan (step up)

Transformator penaik tegangan memiliki ciri-ciri antara lain:

a. Jumlah lilitan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer

b. Tegangan sekunder lebih besar daripada tegangan primer

c. Kuat arus sekunder lebih kecil daripada kuat arus primer

2. Transformator Penurun Tegangan (step down)

Transformator penurun tegangan memiliki ciri-ciri antara lain:

a. Jumlah lilitan sekunder lebih sedikit daripada jumlah lilitan primer

b. Tegangan sekunder lebih kecil daripada jumlah lilitan primer

c. Kuat arus sekunder lebih besar daripada kuat arus primer

Perubahan medan magnetik pada inti besi menimbulkan tegangan induksi pada kummparan sekunder.  Besar tegangan yang dihasilkan kumparan sekunder bergantung pada besar tegangan pada kumparan primer dan perbandingan jumlah kumparan primer dan kumparan sekunder. 

Hubungan antara jumlah kumparan dan gaya gerak listrik induksi (tegangan) pada kumparan primer dan sekunder dapat dinyatakan sebagai berikut.

Np/Ns = Vp/Vs

dengan,

N_p = jumlah lilitan kumparan primer

N_s = jumlah lilitan kumparan sekunder

V_p = tegangan pada kumparan primer

V_s = tegangan pada kumparan sekunder

Sedangkan hubungan antara tegangan dengan kuat arus listrik pada kumparan primer dan sekunder dapat dientukan dengan menganggap transformator bersifat ideal. Pada transformator ideal berlaku:

Daya primer = daya sekunder

P_p = P_s

V_p x I_p = V_s x I_s

dengan,

V_p = tegangan pada kumparan primer (volt)

V_s = tegangan pada kumparan sekunder (volt)

I_s = kuat arus sekunder (ampere)

I_p = kuat arus primer (ampere)

Efisiensi Transformator

Efisiensi transformator bergantung pada daya listrrik yang dihasilkan oleh kumparan sekunder dan daya listrrik yang dihasilkan oleh kumparan primer. Dengan kata lain, efisiensi transformator adalah perbandingan antara daya pada kumparan sekunder dengan daya pada kumparan primer sebuah transformator. Efisiensi transformator selalu kurang dari 100 %. Hal ini disebabkan ketika digunakan, transformator selalu menimbulkan panas. Efisiensi transformator dapat ditentukan dengan rumus:

n = Ps/Pp x 100%

dengan,

n  = efisiensi transformator (%)

P_s = daya sekunder (W)

P_p = daya primer (W)

      D. PERALATAN SEHARI-HARI YANG MEMANFAATKAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

1. Tungku Induksi

Tungku induksi memanfaatkan arus pusaran. Arus pusaran yang terjadi di dalam kumparan dapat menimbulkan kalor. Kalor yang dihasilkan oleh arus pusaran pada tungku induksi dapat dimanfaatkan sebagai pemanas, misalnya pada kumparan yang digunakan untuk alat pemanas air. Alat pemanas air mengubah energi listrik menjadi energi panas.

2. Rem Magnetik

Suatu bahan tertentu yang dialiri arus listrik induksi dalam selang waktu tertentu dapat menghasilkan sifat kemagnetan sisa yang kuat. Fenomena ini dikenal dengan nama rem magnetik. Kemagnetan sisa yang terjadi pada rem magnetik dapat digunakan untuk menyimpan memori atau ingatan dalam sebuah komputer.

3. Induktor Ruhmkoff

Induktor Ruhmkoff terdiri atas:

(1) Sumber arus listrik searah

(2) Sakelar

(3) Kumparan primer

(4) Inti besi

(5) Interuptor yang berfungsi sebagai pemutus dan penyambung arus listrik secara otomatis pada kumparan primer

(6) Silinder logam

(7) Kumparan sekunder

Prinsip kerja induktor ruhmkoff kita jumpai pada kendaraan bermotor yang menggunakan sistem platina. Platina pada kendaraan bermotor berfungsi sebagai interuptor yaitu sebagai pemutus dan penyambung arus listrik secara otomatis.

Materi IPA Fisika Kelas 9: Listrik Dinamis dan Rangkaian Listrik

 A.   ARUS LISTRIK DAN BEDA POTENSIAL LISTRIK

Listrik tidak dapat terlihat, tetapi hampir semua orang mengenal adanya listrik yaitu dengan mengetahui dari gejala – gejalanya. Dalam suatu rangkaian listrik terminal atau sambungan kawat penghantar yang mempunyai potensial lebih tinggi disebut kutub positif, sedangkan terminal yang mempunyai potensial lebih rendah disebut kutub negatif. 

Listrik Dinamis dan Rangkaian Listrik

Arus listrik mengalir dari potensial tinggi (kutub positif) ke potensial rendah (kutub negatif). Arus listrik dapat mengalir pada sebuah rangkaian listrik jika ujung-ujung rangkaian dalam keadaan tertutup. Rangkaian listrik semacam ini disebut rangkaian listrik tertutup. Didalam sebuah kawat penghantar elektron-elektron (muatan negatif) mengalir dalam arah yang berlawanan dengan arah arus listrik. Adapun muatan positif mengalir dengan arah yang sama dengan arah arus listrik yaitu dari potensial tinggi ke potensial rendah.

a. Kuat Arus Listrik

Satuan kuat arus listrik adalah Ampere (A). Satuan ini diambil dari nama seorang ilmuwan Perancis, Andre Marie Ampere. Ilmuwan itulah yang berhasil menemukan hubungan antara kuat arus listrik (I), banyaknya muatan listrik (Q), dan selang waktu (t) untuk perpindahan muatan. 

Hubungan tersebut dinyatakan dengan

     I = Q x t

Keterangan: 

I = kuat arus ( A atau C/s)

Q = muatan listrik (C)

t = waktu (s)

  

Besarnya kuat arus listrik sebanding dengan muatannya, dan berbanding terbalik dengan selang waktu. Alat yang digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik adalah amperemeter (ammeter).

b. Beda Potensial

Arus listrik mengalir dari daerah yang mempunyai potensial listrik tinggi (kutub positif) ke daerah yang mempunyai potensial listrik lebih rendah (kutub negatif). Arus listrik timbul jika ada perbedaan potensial. 

Beda potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian listrik disebut tegangan listrik. Beda potensial listrik mempunyai satuan volt (V). Satuan ini diambil dari nama seorang ilmuwan berkebangsaan Italia bernama Alessandro Volta (1775-1827). Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial dinamakan voltmeter.

  

B. RANGKAIAN KOMPONEN LISTRIK

a. Sakelar

Keuntungan menggunakan sakelar adalah kita dapat menyalakan atau pun mematikan lampu sesuai kebutuhan. Saat sakelar off lampu tidak menyala dan saat sakelar on lampu menyala.

b. Sekring

Sekring dalam rangkaian listrik digunakan sebagai pengaman listrik saat terjadi korsleting. Korsleting dapat terjadi karena hubungan singkat yaitu terjadinya arus yang mengalir dalam kabel tanpa mengalami hambatan atau seharusnya kabel tidak terhubung menjadi  terhubung karena isolasinya terkelupas. Korsleting dapat berakibat fatal yaitu  dapat mengakibatka kebakaran.

  

C. HUKUM OHM

Resistensi (hambatan) ditentukan dengan jalan memberikan beda potensial di antara dua titik konduktor dan mengukur arusnya. 

Hambatan R didefinisikan sebagai rasio atau perbandingan antara beda potensial V dengan arus I.

     R =  V/I

     I = arus listrik (A)

     V = beda potensial (volt)

     R = hambatan (ohm)

  

a.    Rangkaian Seri

Untuk mencari nilai hambatan pengganti pada beberapa resistor yang dirangkai seri, kamu dapat menggunakan persaamaan berikut ini.

     Rs = R₁ + R₂ + R₃ + ....

b.    Rangkaian Paralel

Jika tiga buah resistor disusun secara paralel dan ujung ujung ketiga jalur hubungan secara bersama-sama, hambatan total diberikan oleh,

     1/Rp = 1/R1 + 1/R2 + .....

  

D. MENENTUKAN PERBEDAAN HAMBATAN BEBERAPA JENIS (KONDUKTOR, SEMI KONDUKTOR DAN ISOLATOR)

Hambatan kabel logam (R) berbanding lurus dengan panjang kabel (L) dan berbanding terbalik dengan luas penampang (A). Hubungan antara ketiga besaran tersebut dinyatakan sebagai berikut.

     R = P x L / A

     P = hambatan jenis (ohm meter)

     L = panjang kawat (m)

     R = hambatan (ohm)

     A = luas penampang kawat (m²)

  

E. HUKUM I KIRCHOFF

Hukum I Kirchoof berbunyi : “Pada setiap titik persambungan, jumlah seluruh arus yang masuk persambungan sama dengan jumlah seluruh arus yang meninggalkan persambungan”. 

Dari Hukum I Kirchoff tersebut didapat persamaan :

     Em = Ek

     Em = jumlah kuat arus menuju titik cabang

     Ek = jumlah kuat arus meninggalkan titik cabang