LAPORAN NERACA ARUS 2024
Muhammad Rizal Fahlepy*)
Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan eksperimen tentang neraca arus dengan tujuan untuk menyelidiki hubungan antara gaya meagnetik (FM) dengan kuat arus listrik kawat penghantar (I), menyelidiki hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan panjang kawat penghantar (L), menyelidiki hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan kuat medan magnet (B), dan memformulasikan persamaan gaya magnetik. Kegiatan pertama dalam eksperimen ini ialah mengamati hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan panjang loop arus. Untuk menentukan besarnya gaya magnetik yang terjadi, diamati selisih massa magnet assembly sebelum dan setelah dialiri arus listrik ketika dihubungkan dengan papan loop arus tertentu. Kegiatan kedua adalah mengamati hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan kuat arus listrik. Untuk menentukan besarnya gaya magnetik, diamati selisih massa magnet assembly sebelum dan sesudah dialiri arus listrik dengan besar kuat arus tertentu. Kegiatan terakhir yaitu mengamati hubungan antara gaya magnetik dengan jumlah magnet pada magnet assembly. Untuk menentukan gaya magnetik pada kegiatan ini, diamati selisih massa magnet assembly yang dipasangi sejumlah magnet sebelum dan sesudah dialiri arus listrik. Hasil yang didapatkan adalah besarnya gaya magnetik (FM) dipengaruhi oleh panjang kawat penghantar (L), kuat arus listrik (I), dan kuat medan magnet (B), dan hubungannya adalah berbanding lurus. Hubungan antara variabel-variabel tersebut dapat diformulasikan sebagai F = I L B.
Kata kunci: Gaya magnetik, kuat medan magnet
A. RUMUSAN MASALAH
- Bagaimana pengaruh kuat arus listrik terhadap gaya magnetik?
- Bagaimana pengaruh panjang kawat penghantar terhadap gaya magnetik?
- Bagaimana pengaruh kuat medan magnet terhadap gaya magnetik?
- Bagaimana formulasi persamaan gaya magnetik jika dianalisis dari hubungannya dengan ketiga variabel di atas?
B. TUJUAN
- Menyelidiki hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan kuat arus listrik kawat penghantar (I).
- Menyelidiki hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan panjang kawat penghantar (L).
- Menyelidiki hubungan antara gaya magnetik (FM) dengan kuat medan magnet (B).
- Memformulasikan persamaan gaya magnetik.
C. TEORI SINGKAT
Selama abad ke delapan belas, banyak filsuf ilmu alam yang mencoba menemukan hubungan antara listrik dan magnet. Muatan listrik yang stasioner dan magnet tampak tidak saling mempengaruhi. Tetapi pada tahun 1820, Hans Christian Oersted (1777-1851) menemukan bahwa ketika jarum kompas diletakkan di dekat kawat listrik, jarum menyimpang saat kawat dihubungkan ke baterai dan arus mengalir. Sebagaimana telah kita lihat, jarum kompas dapat dibelokkan oleh medan magnet. Apa yang ditemukan Oersted adalah bahwa arus listrik menghasilkan medan magnet. Ia telah menemukan hubungan antara listrik dan magnet (Giancoli: 1998).
Jarum kompas yang diletakkan di dekat bagian yang lurus dari kawat pembawa arus mengatur dirinya sendiri sehingga membentuk tangent terhadap lingkaran yang mengelilingi kawat. Dengan demikian, garis-garis medan magnet yang dihasilkan oleh arus di kawat lurus membentuk lingkaran dengan kawat pada pusatnya. Arah garis-garis ini ditunjukkan oleh kutub utara kompas. Ada cara sederhana untuk mengingat arah garis-garis medan magnet pada kasus ini. Cara ini disebut kaidah tangan kanan: Anda menggenggam kawat tersebut dengan tangan kanan sehingga ibu jari Anda menunjuk arah arus (positif) konvensional; kemudian jari-jari lain akan melingkari kawat dengan arah medan magnet. Garis-garis medan magnet yang disebabkan oleh loop melingkar kawat pembawa arus dapat ditentukan dengan cara yang sama dengan menggunakan kompas. Kembali kaidah tangan kanan dapat digunakan (Giancoli: 1998).
Muatan bergerak berinteraksi satu sama lain melalui gaya magnetik. Karena arus listrik terdiri atas muatan yang bergerak, arus listrik itu juga mengerahkan gaya magnetik satu sama lain. Gaya ini diuraikan dengan mengatakan bahwa satu muatan bergerak atau arus menciptakan medan magnetik yang selanjutnya mengarahkan gaya pada muatan bergerak atau arus lain. Akhirnya, seluruh medan magnetik itu diakibatkan oleh muatan yang bergerak (Tipler: 2001).
Menurut Serway (2010), kita dapat mendefinisikan medan magnet B pada beberapa titik dalam ruang sebagai suatu gaya magnetik yang dihasilkan oleh medan magnet terrsebut pada partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan v yang kita sebut dengan benda uji. Untuk saat ini, mari kita asumsikan bahwa tidak ada medan listrik atau medan gravitasi yang memengaruhi benda uji. Eksperimen pada partikel bermuatan yang berbeda-beda dan bergerak di dalam medan magnet memberikan hasil-hasil sebagai berikut.
Besar gaya magnetik FB yang bekerja pada partikel sebanding dengan muatan q dan sebanding dengan kecepatan partikel v.
Besar dan arah FB bergantung pada kecepatan partikel dan pada besar dan arah medan magnet B.
Ketika sebuah partikel bermuatan bergerak sejajar degan vektor medan magnet, gaya magnetik yang bekerja pada partikel adalah nol.
Ketika vektor kecepatan partikel membentuk sudut θ ≠ 0 dengan medan magnet, gaya magnetik berada pada arah yang tegak lurus terhadap kedua v dan B; yang berarti FB tegak lurus dengan bidang yang dibentuk oleh v dan B.
Gaya magnetik yang dihasilkan pada muatan positif arahnya berlawanan dengan arah gaya magnetik yang dihasilkan pada muatan negatif yang bergerak pada arah yang sama.
Besar gaya magnetik yang dihasilkan pada partikel yang sedang bergerak sebanding dengan sin θ, dimana θ adalah sudut vektor kecepatan partikel yang terbentuk dengan arah B.
Kita dapat merangkum pengamatan ini dengan menuliskan gaya magnetik dalam bentuk yang didefiniskan oleh hasil kali silang yang arahnya tegak lurus v dan B. Kita dapat memandang persamaan ini sebagai definisi operasional dari medan magnet pada berbagai titik dalam ruang. Artinya, medan magnet didefinisikan dalam hal gaya yang bekerja pada partikel bermuatan yang sedang bergerak.
FB = qv ×B (1.1)
Pada gambar di berikut ini menunjukkan potongan kawat lurus dengan luas penampang A dan panjang Δx atau I yang dialiri arus listrik i. Karena dialiri arus listrik maka di sekitar kawat ini terdapat medan magnet B. Persamaan gaya magnetik pada setiap muatan listrik adalah sebagaimana disebut di atas adalah F_B=qv_d ×B (Herman & Asisten LFD: 2015).
dengan vd merupakan kecepatan hanyut (drift) pembawa muatan. Jumlah muatan dalam potongan kawat ini merupakan jumlah n per satuan volume dikali AL. Dengan demikian gaya total pada potongan kawat ini ialah
F = (q vd ×B) n AL (1.2)
dan arus dalam kawat ini adalah
I=n q v_d A (1.3)
Jadi, gaya tersebut dapat ditulis
F=IL ×B (1.4)
dengan L merupakan vektor yang besarnya sama dengan panjang kawat dan arahnya sejajar dengan qvd, yang juga merupakan arah arus I. Gaya magnetik tersebut dapat juga dituliskan dalam bentuk skalar
F = I L B sinθ (1.5)
dengan θ adalah sudut antara fluks medan magnet dengan kawat (Herman & Asisten LFD: 2015).
D. METODE EKSPERIMEN
Alat dan Bahan
- Catu daya variabel dc.
- Neraca digital.
- Ammeter, 0-5 A dc.
- Statif + klem berkonektor
- Magnet assembly dengan 6 magnet
- Papan loop arus
- Kabel penghubung
- Mistar
Identifikasi Variabel
Kegiatan 1
- Variabel manipulasi : Panjang loop arus (cm)
- Variabel respon : Massa akhir magnet assembly (g)
- Variabel kontrol : Jumlah magnet (n), kuat arus listrik (A), massa awal magnet assembly (g)
Kegiatan 2
- Variabel manipulasi : Kuat arus listrik (A)
- Variabel respon : Massa akhir magnet assembly (g)
- Variabel kontrol : Jumlah magnet (n), panjang loop arus (cm), massa awal magnet assembly (g)
Kegiatan 3
- Variabel manipulasi : Jumlah magnet (n)
- Variabel respon : Massa awal magnet assembly (g), massa akhir magnet assembly (g)
- Variabel kontrol : Kuat arus listrik (I), panjang loop arus (cm)
Definisi Operasional Variabel
Kegiatan 1. Gaya magnet (FM) sebagai fungsi panjang loop arus (L).
Variabel manipulasi
Panjang papan loop arus adalah panjang kawat pada papan loop arus yang disambungkan pada magnet assembly, diukur dengan menggunakan mistar dengan satuan cm.
Variabel respon
Massa akhir magnet assembly yaitu massa magnet assembly beserta magnet kecilnya yang terbaca pada neraca digital setelah sistem dialiri oleh arus listrik, satuannya adalah gram (g).
Variabel kontrol
Jumlah magnet adalah banyaknya magnet yang terpasang pada magnet assembly.
Kuat arus listrik adalah ukuran kuat arus listrik yang dialirkan pada magnet assembly yang diukur menggunakan ammeter dengan satuan ampere (A).
Massa awal magnet assembly adalah massa magnet assembly beserta magnet kecilnya yang terbaca pada neraca digital sebelum sistem dialiri oleh arus listrik, satuannya adalah gram (g).
Kegiatan 2. Gaya magnet (FM) sebagai fungsi kuat arus listrik
Variabel manipulasi
Kuat arus listrik adalah ukuran kuat arus listrik yang dialirkan pada magnet assembly yang diukur menggunakan ammeter dengan satuan ampere (A).
Variabel respon
Massa akhir magnet assembly yaitu massa magnet assembly beserta magnet kecilnya yang terbaca pada neraca digital setelah sistem dialiri oleh arus listrik, satuannya adalah gram (g).
Variabel kontrol
Jumlah magnet adalah banyaknya magnet yang terpasang pada magnet assembly.
Panjang loop arus adalah panjang kawat pada papan loop arus yang disambungkan pada magnet assembly, diukur dengan menggunakan mistar dengan satuan cm.
Massa awal magnet assembly adalah massa magnet assembly beserta magnet kecilnya yang terbaca pada neraca digital sebelum sistem dialiri oleh arus listrik, satuannya adalah gram (g).
Kegiatan 3. Gaya magnet (FM) sebagai fungsi kuat medan magnetik (B)
Variabel manipulasi
Jumlah magnet adalah banyaknya magnet yang terpasang pada magnet assembly.
Variabel respon
Massa awal magnet assembly adalah massa magnet assembly beserta magnet kecilnya yang terbaca pada neraca digital sebelum sistem dialiri oleh arus listrik, satuannya adalah gram (g).
Massa akhir magnet assembly yaitu massa magnet assembly beserta magnet kecilnya yang terbaca pada neraca digital setelah sistem dialiri oleh arus listrik, satuannya adalah gram (g).
Variabel kontrol
Kuat arus listrik adalah ukuran kuat arus listrik yang dialirkan pada magnet assembly yang diukur menggunakan ammeter dengan satuan ampere (A).
Panjang loop arus adalah panjang kawat pada papan loop arus yang disambungkan pada magnet assembly, diukur dengan menggunakan mistar dengan satuan cm.
Prosedur Kerja
Kegiatan 1. Gaya magnet (FM) sebagai fungsi panjang loop arus (L).
- Mempelajari dengan seksama skema di bawah ini
- Menyiapkan 6 (enam) buah papan loop arus dan mengukur panjangnya masing-masing. Panjang yang dimaksud adalah panjang jalur konduktor pada sisi bagian bawah papan. Kemudian mencatat pada tabel pengamatan panjang setiap loop arus tersebut mulai dari yang terpendek.
- Meletakkan magnet assembly lengkap dengan 6 buah magnet kecilnya di atas piringan neraca dengan posisi celah magnet berada di atas.
- Memasang papan loop arus terpendek pada ujung klem statif dan mengaturnya sedemikian rupa dengan sangat perlahan sehingga panjang jalur loop yang telah diukur sebelumnya berada tepat di antara celah magnet assembly.
- Mengukur massa magnet assembly tanpa arus listrik dan mencatat hasilnya sebagai m0.
- Menyalakan catu daya dan alirkan arus listrik secara perlahan hingga ammeter menunjukkan arus sebesar 5 A. Kemudian menyetimbangkan neraca dan mencatat nilai massa baru ini sebagai m1.
- Mengurangkan nilai massa m1 dan m0 untuk menentukan gaya magnetik.
- Dengan nilai arus yang sama, melakukan langkah 5 dan 6 untuk setiap papan loop arus.
Kegiatan 2. Gaya magnet (FM) sebagai fungsi kuat arus listrik (I).
- Mengulangi langkah 3 dan 4 pada kegiatan 1.
- Menyalakan catu daya dan mengalirkan arus listrik secara perlahan ke loop arus mulai 1 A.
- Mengukur massa baru yang terbaca.
- Tanpa mengganti papan loop aru, menaikkan arus dengan rentang 1 A hingga mendapatkan sedikitnya 5 (lima) trial data.
Kegiatan 3. Gaya magnet (FM) sebagai fungsi kuat medan magnetik (B).
- Memasang satu buah magnet kecil di dalam magnet assembly dan melakukan langkah 3 dan 4 seperti kegiatan 1.
- Menyalakan catu daya dan mengalirkan arus ke loop sebesar 5 A.
- Mencatat massa baru yang terbaca pada neraca.
- Menambahkan satu magnet lagi di dalam magnet assembly dengan menggunakan papan loop arus dan kuat arus yang sama kemudian mencatat massa yang terbaca pada neraca.
- Melanjutkan dengan menambahkan jumlah magnet satu demi satu ke dalam magnet assembly.
E. HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA
Untuk dapat melihat hasil praktikum dan analisis data silahkan klik link berikut (Hasil dan Analisis Data Neraca Arus)
F. PEMBAHASAN
Pada kegiatan 1, dilakukan pengamatan hubungan antara panjang loop arus dengan gaya magnetik. Panjang loop arus yang digunakan menjadi variabel yang dimanipulasi, dan mengakibatkan massa akhir magnet assembly menjadi berbeda dari massa awalnya yakni sebelum dialiri arus listrik. Perubahan massa magnet assembly pada waktu sebelum dan setelah dialiri arus listrik dianggap sebagai representasi gaya magnetik yang timbul pada sistem. Pada analisis perhitungannya, selisih massa magnet assembly dikalikan dengan percepatan gravitasi sehingga menghasilkan gaya magnetik. Hasilnya, semakin panjang loop yang digunakan, maka gaya magnetik akan semakin besar pula. Untuk menentukan kuat medan magnetik untuk setiap magnet yang digunakan, dilakukan analisis perhitungan berdasarkan grafik sehingga hasil yang didapatkan yaitu BT = 0,001 Wbm-2.
Pada kegiatan 2, variabel yang dimanipulasi adalah kuat arus listrik, untuk mengamati pengaruhnya terhadap gaya magnetik. Massa akhir magnet assembly akan berubah seiring dengan perubahan kuat arus listrik yang dialirkan pada sistem. Semakin besar kuat arus listrik, maka akan semakin besar pula gaya magnetik yang timbul. Kuat medan magnetik untuk setiap magnet yang digunakan juga ditentukan dari analisis perhitungan berdasarkan grafik. Kuat medan magnet pada kegiatan 1 dan kegiatan 2 tidak jauh berbeda, yaitu BT = 0,0015 Wbm-2. Hal ini disebabkan karena jumlah magnet yang digunakan sama.
Terakhir, pada kegiatan ketiga, diamati hubungan antara jumlah magnet dengan gaya magnetik. Hasilnya pun sama, yakni berbanding lurus. Perubahan massa magnet assembly sebelum dan setelah dialiri arus listrik ternyata semakin meningkat jika jumlah magnet kecil yang dipasangkan pada magnet assembly semakin banyak.
Hal di atas sesuai dengan persamaan gaya Lorentz yang menyatakan bahwa gaya Lorentz atau gaya magnetik yang ditimbulkan oleh arus listrik pada kawat penghantar yang berada pada medan magnetik besarnya sama dengan F = LI × B.
G. SIMPULAN
Dari data di atas, dapat disimpulkan bahwa besarnya gaya magnetik yang ditimbulkan oleh arus listrik pada seutas kawat penghantar yang berada di medan magnet dipengaruhi oleh panjang kawat penghantar (L), kuat arus listrik (I), dan kuat medan magnet (B). Semakin panjang kawat penghantar yang digunakan, maka gaya magnetik yang timbul akan semakin besar pula. Gaya magnetik juga akan semakin meningkat jika kuat arus listrik yang dialirkan semakin besar. Begitu pun dengan kuat medan magnet yang mempengaruhi besarnya gaya magnetik. Semakin banyak jumlah magnet yang terpasang pada magnet assembly, maka akan semakin besar kuat medan magnet sehingga gaya magnetik juga semakin meningkat.
Untuk memformulasikan persamaan gaya magnetik, kita dapat mengamati hubungannya dengan ketiga variabel di atas. Sebagaimana yang telah kita ketahui, gaya magnetik akan semakin besar jika panjang loop arus, kuat arus, dan kuat medan magnet semakin meningkat. Sehingga, secara matematis persamaan gaya magnetik dapat ditulis sebagai F = I L B.
H. SARAN
Saran untuk laboran, agar kiranya lebih meningkatkan kualitas peralatan praktikum, sehingga data yang dihasilkan dalam pengukuran dan pengamatan lebih akurat dan bisa menghasilkan hasil eksperimen yang baik.
DAFTAR RUJUKAN
Giancoli, Douglas C. 1998. Fisika Jilid 2 Edisi Kelima. Jakarta: Penerbit Erlangga.
Herman & Asisten LFD. 2015. Penuntun Fisika Dasar 2. Laboratorium Fisika Unit Praktikum Fisika Dasar: Makassar.
Serway, Raymond A. dan John W. Jewett. 2010. Fisika—untuk Sains dan Teknik Buku 2 Edisi 6. Jakarta:Salemba Teknika
Tipler, Paul A. 2001. Fisika. Jakarta: Erlangga.