Medan Magnet, Induksi Elektromagnetik, dan Gelombang Elektromagnetik — Materi Fisika SMA

Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.8 Elektromagnetik

Listrik dan magnet adalah dua sisi dari satu fenomena. Arus listrik menghasilkan medan magnet, dan medan magnet yang berubah menghasilkan arus listrik. Dari prinsip inilah lahir motor listrik, generator di pembangkit listrik, transformator di tiang PLN, dan gelombang radio yang membawa sinyal ponselmu.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menganalisis fenomena elektromagnetik. Sub materi: medan magnet, induksi elektromagnetik, arus bolak-balik, dan gelombang elektromagnetik. Panduan menyarankan proyek seperti catu daya, pembangkit listrik tenaga gerak, motor listrik sederhana, dan speaker sederhana.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Menentukan arah dan besar medan magnet di sekitar kawat lurus, kawat melingkar, solenoida, dan toroida.
Menghitung gaya Lorentz pada kawat berarus dan muatan bergerak.
Menerapkan Hukum Faraday dan Lenz untuk GGL induksi.
Menjelaskan prinsip generator dan transformator serta menghitung efisiensi trafo.
Menganalisis rangkaian arus bolak-balik dan resonansi RLC.
Menjelaskan spektrum gelombang elektromagnetik dan pemanfaatannya.

📚Materi

1. Medan magnet akibat arus

Kawat lurus tegak dengan arus I ke atas, dikelilingi garis-garis medan magnet berbentuk lingkaran konsentris. — Kaidah tangan kanan: ibu jari searah arus, keempat jari menunjukkan arah melingkar medan magnet.

\[ B_{\text{kawat lurus}} = \frac{\mu_0 I}{2\pi a} \]

\[ B_{\text{pusat lingkaran}} = \frac{\mu_0 I N}{2a}, \qquad B_{\text{solenoida}} = \frac{\mu_0 I N}{L} \]

\( \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \) Wb/A m. Solenoida berarus berperilaku seperti magnet batang — prinsip elektromagnet pada bel listrik, derek barang bekas, dan relai.

2. Gaya Lorentz

\[ F = BIL\sin\theta, \qquad F = qvB\sin\theta \]

Arahnya ditentukan kaidah tangan kanan (jari-jari menunjuk B, ibu jari menunjuk I atau v muatan positif, telapak menunjuk F). Dua kawat sejajar yang arusnya searah saling tarik-menarik. Gaya Lorentz inilah yang memutar motor listrik dan menggetarkan membran speaker.

3. Induksi elektromagnetik

Fluks magnetik \( \Phi = BA\cos\theta \). Perubahan fluks menimbulkan GGL induksi:

\[ \varepsilon = -N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} \]

Tanda negatif adalah Hukum Lenz: arus induksi menimbulkan medan yang melawan perubahan fluks penyebabnya. Batang sepanjang \( L \) yang bergerak dengan kecepatan \( v \) tegak lurus medan \( B \) menghasilkan \( \varepsilon = BLv \). GGL induksi diperbesar dengan menambah lilitan, memperkuat magnet, atau mempercepat gerak.

Generator memutar kumparan dalam medan magnet sehingga menghasilkan GGL bolak-balik \( \varepsilon = NBA\omega\sin\omega t \). Pembangkit listrik tenaga air, uap, angin, dan panas bumi berbeda hanya pada cara memutar turbinnya.

4. Transformator

Inti besi berbentuk persegi dengan kumparan primer berlilitan banyak di kiri dan kumparan sekunder berlilitan sedikit di kanan. — Trafo step-down: lilitan sekunder lebih sedikit sehingga tegangannya lebih kecil.

\[ \frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}, \qquad \eta = \frac{P_s}{P_p} \times 100\% \]

Pada trafo ideal \( V_p I_p = V_s I_s \). Trafo hanya bekerja dengan arus bolak-balik, karena memerlukan fluks yang berubah. Listrik ditransmisikan pada tegangan sangat tinggi (ratusan kV) agar arusnya kecil dan kerugian panas \( I^2R \) pada kabel kecil.

5. Arus bolak-balik

Tegangan PLN 220 V adalah nilai efektif; nilai maksimumnya \( V_m = V_{\text{ef}}\sqrt2 \approx 311 \) V, frekuensi 50 Hz.

\[ X_L = \omega L, \qquad X_C = \frac{1}{\omega C}, \qquad Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2} \]

Pada resistor, arus dan tegangan sefase; pada induktor tegangan mendahului arus 90°; pada kapasitor arus mendahului tegangan 90°. Resonansi terjadi saat \( X_L = X_C \), yaitu \( f = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \) — prinsip penala radio.

6. Gelombang elektromagnetik

Medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus dan berubah-ubah merambat bersama sebagai gelombang transversal dengan kelajuan \( c = 3 \times 10^8 \) m/s di ruang hampa. Urutan spektrum dari frekuensi terkecil: gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar-X, sinar gamma. Pemanfaatan: radio dan televisi, ponsel dan Wi-Fi (gelombang mikro), remote dan termometer inframerah, sterilisasi UV, rontgen (sinar-X), dan radioterapi (gamma). Makin besar frekuensinya, makin besar energi fotonnya dan makin besar potensi bahayanya bagi sel tubuh.

✏️Contoh soal

Trafo menurunkan tegangan 220 V menjadi 11 V untuk mengisi baterai. Kumparan primernya 2.000 lilitan. Jika arus sekunder 2 A dan efisiensi trafo 80%, tentukan jumlah lilitan sekunder dan arus primer.

\[ N_s = N_p\frac{V_s}{V_p} = 2.000 \times \frac{11}{220} = 100\ \text{lilitan} \]

\[ P_s = 11 \times 2 = 22\ \text{W}, \qquad P_p = \frac{22}{0{,}8} = 27{,}5\ \text{W} \]

\[ I_p = \frac{27{,}5}{220} = 0{,}125\ \text{A} \]

Periksa. Trafo step-down: tegangan turun, arus naik. Arus primer (0,125 A) jauh lebih kecil daripada arus sekunder (2 A).

Jebakan. Memakai \( V_pI_p = V_sI_s \) padahal trafonya tidak ideal. Dengan efisiensi 80%, daya primer lebih besar daripada daya sekunder.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Berapa medan magnet pada jarak 2 cm dari kawat lurus berarus 10 A?

\( B = \dfrac{4\pi \times 10^{-7} \times 10}{2\pi \times 0{,}02} = 10^{-4} \) T.

2. Kawat 50 cm berarus 4 A berada tegak lurus medan magnet 0,2 T. Berapa gaya Lorentz-nya?

\( F = BIL = 0{,}2 \times 4 \times 0{,}5 = 0{,}4 \) N.

3. Fluks pada kumparan 200 lilitan berubah dari 0,05 Wb menjadi 0,01 Wb dalam 0,1 s. Berapa GGL induksinya?

\( |\varepsilon| = 200 \times \dfrac{0{,}04}{0{,}1} = 80 \) V.

4. Mengapa trafo tidak dapat dipakai untuk menaikkan tegangan baterai (arus searah)?

Arus searah menghasilkan fluks yang tetap, sehingga tidak ada perubahan fluks dan tidak ada GGL induksi di kumparan sekunder.

5. Rangkaian RLC memiliki L = 0,1 H dan C = 10 μF. Berapa frekuensi resonansinya?

\( f = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{0{,}1 \times 10^{-5}}} = \dfrac{1}{2\pi \times 10^{-3}} \approx 159 \) Hz.

6. Urutkan dari panjang gelombang terbesar: sinar-X, gelombang radio, cahaya tampak, gelombang mikro.

Gelombang radio, gelombang mikro, cahaya tampak, sinar-X.

🎯Latihan TKA

Belum ada soal latihan TKA yang khusus untuk topik ini. Kerjakan paket lengkapnya: TKA Fisika Paket 1 dan Paket 2.