Medan Magnet di Sekitar Arus — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menentukan besar dan arah medan magnet di sekitar kawat lurus berarus, loop melingkar, dan solenoida dengan kaidah tangan kanan serta rumus Biot-Savart.

Letakkan kompas di dekat kabel yang mengalir listrik ke setrika yang menyala, dan jarumnya akan berbelok — meskipun tidak ada magnet batang di dekatnya. Hans Christian Orsted menemukan hal persis seperti ini pada 1820, dan percikan api itu melahirkan seluruh era elektromagnetik: motor, generator, MRI, speaker, semuanya berakar pada satu fakta bahwa arus listrik menciptakan medan magnet. Seret kompas di sekitar kawat di bawah dan saksikan jarumnya melingkar mengitari kawat sesuai kaidah tangan kanan.

Seret titik kompas di sekitar kawat berarus, lalu perhatikan arah jarum medan yang selalu menyinggung lingkaran.

Setiap arus listrik menghasilkan medan magnet

Pada 1820, saat memberi kuliah, Orsted melihat jarum kompas di dekat kawat bergetar setiap kali arus listrik dialirkan. Penemuan itu mengubah cara fisikawan memandang listrik dan magnet: keduanya bukan dua hal terpisah, melainkan dua sisi dari koin yang sama — gejala elektromagnetik. Setiap muatan yang bergerak (yaitu arus listrik) menciptakan medan magnet di sekitarnya, tak terkecuali.

Medan magnet $\vec{B}$ di suatu titik adalah besaran vektor yang menggambarkan gaya magnet yang akan dialami muatan bergerak di titik itu. Satuannya tesla (T); satu tesla sangat kuat — medan magnet Bumi hanya sekitar $5 \times 10^{-5}$ T.

Bayangkan kawat berarus seperti sumbu putar yang tak terlihat, dan medan magnetnya seperti angin yang berputar mengelilingi sumbu itu. Makin dekat ke kawat, angin makin kencang; makin jauh, angin mereda. Arah putarannya (searah atau berlawanan jarum jam) ditentukan oleh arah arus — itulah kaidah tangan kanan.

Kawat lurus berarus panjang dan kaidah tangan kanan

Untuk kawat lurus panjang berarus $I$ , medan magnet di sekitarnya membentuk lingkaran-lingkaran konsentris yang bidangnya tegak lurus kawat. Untuk menentukan arahnya, pakai kaidah tangan kanan: keempat jari mengepal searah arah medan (lingkaran), dan ibu jari menunjuk arah arus konvensional (+ ke −).

$B = \frac{\mu_0 \, I}{2 \pi r}$

Arti tiap simbol: $B$ = kuat medan magnet (tesla, T), $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ T·m/A (permeabilitas vakum), $I$ = arus listrik (ampere, A), $r$ = jarak tegak lurus dari kawat (m). Medan berkurang berbanding terbalik dengan jarak — bukan kuadrat seperti gaya Coulomb, melainkan sekadar $1/r$ .

Berbeda dengan gaya Coulomb atau gravitasi yang ikut $1/r^2$ , medan kawat lurus hanya ikut $1/r$ . Penjelasannya: kawat lurus tak berujung, sehingga kontribusi medan dari sepanjang kawat terakumulasi secara berbeda dibanding muatan titik. Grafik di bawah memperlihatkan kurva $1/r$ ini — perhatikan bahwa medan melemah lebih lambat daripada kurva kuadrat terbalik.

Sementara itu, hubungan medan terhadap arus adalah linier — arus dua kali lipat membuat medan dua kali lipat pada jarak yang sama. Inilah sebabnya kawat bertegangan tinggi yang berarus besar memang berbahaya bagi kompas atau perangkat magnetik di dekatnya.

Loop melingkar dan solenoida: pola medan mirip magnet batang

Bila kawat dilengkungkan menjadi loop melingkar, medan magnet di sekitar loop tidak lagi berbentuk lingkaran konsentris, melainkan menyerupai medan magnet batang — keluar dari satu sisi loop (kutub utara) dan masuk ke sisi lain (kutub selatan). Inilah inti cara elektromagnet bekerja.

$B_{\text{pusat loop}} = \frac{\mu_0 \, I}{2 R}$

Arti tiap simbol: $B$ = kuat medan di pusat loop melingkar (T), $\mu_0$ = permeabilitas vakum, $I$ = arus (A), $R$ = jari-jari loop (m). Loop yang lebih kecil (R kecil) menghasilkan medan pusat yang lebih kuat — muatan “terkonsentrasi” di ruang sempit.

Bila banyak loop disusun sejajar rapat menjadi solenoida (tabung lilitan), medan di dalam tabung menjadi seragam dan sangat kuat, sementara di luar tabung nyaris nol. Inilah cara membuat medan magnet yang kuat dan terkontrol tanpa magnet permanen — dasar kerja elektromagnet, relay, speaker, dan MRI. Diagram di bawah memperlihatkan susunan loop yang medannya menyerupai magnet batang.

Membalik arah arus: medan berputar balik

Karena arah medan magnet bergantung pada arah arus, membalik arah arus (dari + ke − jadi dari − ke +) membalik seluruh arah medan. Lingkaran medan yang tadinya searah jarum jam kini berlawanan jarum jam, dan sebaliknya. Pada loop, kutub utara dan selatan bertukar tempat. Inilah sebabnya kamu bisa mengubah kutub elektromagnet hanya dengan membalik polaritas baterai yang menghubungkannya.

Walaupun kemagnetan tidak masuk cakupan resmi TKA Fisika (kelistrikan TKA terbatas statis + arus searah), medan magnet arus adalah jembatan wajib menuju induksi elektromagnetik dan AC yang sebagian di antaranya relevan untuk ujian sekolah dan olimpiade. Tip soal yang sering muncul: tentukan arah medan di suatu titik menggunakan kaidah tangan kanan, lalu hitung besarnya dengan $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ . Jebakan klasik: lupa konversi cm ke m, atau keliru menyimpulkan arah medan karena ibu jari tidak menunjuk arah arus.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah kawat lurus panjang mengalirkan arus $I = 10$ A ke arah utara. Tentukan besar dan arah medan magnet di titik $P$ yang berjarak $r = 5{,}0$ cm di sebelah timur kawat.

$I = 10$ A; $r = 5{,}0$ cm $= 0{,}050$ m; $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ T·m/A $= 1{,}2566 \times 10^{-6}$ T·m/A.

$B = \dfrac{\mu_0 I}{2\pi r} = \dfrac{(1{,}2566 \times 10^{-6}) \times 10}{2\pi \times 0{,}050} = \dfrac{1{,}2566 \times 10^{-5}}{0{,}3142} \approx 4{,}0 \times 10^{-5}$ T. Itu kira-kira sama dengan medan magnet Bumi — kuat untuk ukuran kawat laboratorium.

Ibu jari tangan kanan menunjuk utara (arah arus). Keempat jari mengepal searah medan. Di titik P di sebelah timur kawat, jari menunjuk ke bawah (masuk ke tanah). Jadi medan di P besarnya $\approx 4{,}0 \times 10^{-5}$ T mengarah vertikal ke bawah.

Jebakan: keliru menyimpulkan arah medan karena ibu jari tidak menunjuk arah arus. Yang benar: pada kaidah tangan kanan untuk kawat lurus, ibu jari HARUS menunjuk arah arus konvensional (+ ke −). Bila kamu salah menunjuk ibu jari ke arah gerak elektron (− ke +), seluruh arah medan akan terbalik.

Jebakan: mengira medan kawat lurus berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Yang benar: medan kawat lurus hanya ikut $1/r$ , bukan $1/r^2$ seperti gaya Coulomb atau medan titik muatan. Tip: bedakan rumus — kawat lurus $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ , muatan titik listrik $E = kq/r^2$ .

Jebakan: lupa konversi cm ke m pada jarak. Yang benar: dalam $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ , jarak harus dalam meter. $5$ cm $= 0{,}05$ m, bukan $5$ . Memasukkan $r = 5$ membuat hasil melesat 100 kali.

Setiap arus listrik menghasilkan medan magnet di sekitarnya (penemuan Orsted 1820).
Kawat lurus: $B = \mu_0 I / (2\pi r)$ , berbanding terbalik dengan jarak (bukan kuadrat).
Arah medan: kaidah tangan kanan (ibu jari = arus, jari mengepal = medan).
Loop melingkar: medan mirip magnet batang; pusat $B = \mu_0 I / (2R)$ .
Solenoida: medan dalam seragam dan kuat, di luar nyaris nol.
Membalik arah arus membalik seluruh arah medan (kutub elektromagnet bertukar).