Magnetisme dan elektromagnetisme

Magnet yang bergerak dapat menghasilkan arus; arus listrik dapat menghasilkan gerakan. Setiap motor, generator, pembangkit listrik, dan pengeras suara ada dalam topik ini. Referensi ini mencakup AQA GCSE Fisika 8463, topik 4.7 Magnetisme dan elektromagnetisme.

Bagaimana ujian memperlakukan topik ini:

• Kertas 2 memuat topik ini. $F = BIl$ dan dua persamaan transformator terdapat pada lembar terlampir.
• Aturan tangan kiri Fleming, motor, pengeras suara, efek generator, alternator/dynamo, mikrofon, dan transformator adalah HT saja; semua materi mulai dari 4.7.3 ke bawah juga fisika saja.
• Anda harus menggambar pola medan: magnet batang, kawat lurus, solenoida.

• Kutub: tempat di mana gaya magnetik paling kuat.

Kutub sejenis tolak-menolak; kutub berlawanan tarik-menarik — merupakan gaya tanpa kontak.

• Magnet permanen menghasilkan medannya sendiri. Magnet induksi menjadi magnet hanya saat berada dalam medan — dan magnetisasi induksi selalu menarik (kehilangan sifat magnetiknya saat dikeluarkan).
• Medan magnet adalah wilayah di mana gaya bekerja pada magnet lain atau bahan magnetik (besi, baja, kobalt, nikel). Magnet selalu menarik bahan magnetik.
• Medan paling kuat di kutub; arah = gaya pada kutub utara pada titik tersebut. Garis medan berjalan utara → selatan.
• Kompas adalah magnet batang kecil; ia menunjuk sepanjang medan Bumi — bukti bahwa Bumi memiliki medan magnet (intinya berperilaku seperti magnet raksasa).

Memetakan medan: letakkan kompas plotting kecil dekat magnet, tandai ujung jarum, gerakkan kompas agar ekornya berada pada tanda terakhir, ulangi dan hubungkan titik-titik. Serbuk besi menunjukkan seluruh pola sekaligus.

Kawat yang membawa arus memiliki medan magnet di sekelilingnya (lingkaran konsentris; pegangan tangan kanan — ibu jari dengan arah arus, jari-jari melengkung searah medan). Medan lebih kuat dengan arus lebih besar dan melemah menjauh dari kawat.

Melengkungkan kawat menjadi solenoida:

• Medan dari lilitan saling bertambah — medan di dalamnya kuat dan seragam;
• di luar, bentuknya sesuai dengan magnet batang;
• menambahkan inti besi meningkatkan kekuatannya lebih lanjut — ini adalah elektromagnet.

Elektromagnet dapat dinyalakan dan dimatikan, serta kekuatannya dapat diubah melalui arus listrik — itulah sebabnya elektromagnet unggul dibandingkan magnet permanen di tempat penampungan logam bekas dan relay.

Konduktor yang dialiri arus dalam medan magnet mengalami gaya (yang disebut efek motor — medan, magnet, dan konduktor saling mendorong satu sama lain).

Aturan tangan kiri Fleming: ibu jari = gaya, jari telunjuk = medan (N→S), jari tengah = arus — ketiganya saling tegak lurus.

• $F$ gaya dalam N; $B$ kerapatan fluks magnetik dalam tesla, T; $I$ arus dalam A; $l$ panjang konduktor di dalam medan, dalam m.
• Gaya lebih besar jika: medan lebih kuat (nilai $B$ lebih besar), arus lebih besar, atau konduktor di dalam medan lebih panjang. Gaya maksimum terjadi ketika konduktor berada pada sudut tegak lurus terhadap medan.

Motor listrik: kumparan yang dialiri arus dalam medan magnet berputar karena kedua sisinya mengalami gaya ke arah berlawanan.

Komutator cincin belah membalikkan arah arus setiap setengah putaran agar rotasi terus berlanjut.

Pembesar suara (hanya fisika): arus bolak-balik yang melewati kumparan dalam medan magnet membuat kumparan bergetar masuk dan keluar; kerucut penguat suara mendorong udara menjadi fluktuasi tekanan — gelombang suara yang frekuensinya sesuai dengan sinyal.

Jika konduktor bergerak relatif terhadap medan magnet, atau medan di sekitarnya berubah, maka beda potensial terinduksi; jika rangkaian tertutup, arus akan mengalir — fenomena ini disebut efek generator.

• Medan dari arus terinduksi sendiri melawan perubahan yang menyebabkannya.
• Beda potensial terinduksi lebih besar jika: pergerakan lebih cepat, medan lebih kuat, atau jumlah lilitan kawat lebih banyak. Arah berbalik jika: gerakan dibalik atau polaritas medan dibalik.

Alternator (generator AC): kumparan berputar dalam medan magnet — beda potensial terinduksi berubah arah setiap setengah putaran, sehingga grafik beda potensial–waktu menunjukkan gelombang berulang yang melewati nol.

Dynamo (DC): komutator cincin belah membalik koneksi setiap setengah putaran, sehingga output tetap berada di satu sisi nol (grafik yang selalu positif dengan pola naik-turun).

Mikrofon: kebalikan dari pembesar suara — fluktuasi tekanan suara menggerakkan kumparan dalam medan magnet, menginduksi arus berubah-ubah yang mencerminkan bunyi tersebut.

Sebuah transformator: kumparan primer dan sekunder yang dililitkan pada inti besi (mudah dimagnetisasi; tidak memerlukan pelapisan laminasi).

Arus bolak-balik pada kumparan primer menghasilkan medan magnet yang berubah di inti; medan yang berubah tersebut menginduksi beda potensial bolak-balik pada kumparan sekunder.

• Naik tegangan: $V_s > V_p$ (lebih banyak lilitan sekunder). Turun tegangan: $V_s < V_p$.
• Persamaan kedua adalah daya masuk = daya keluar; gunakan untuk mencari arus yang diambil dari sumber input.

Contoh terarah. Sebuah transformator memiliki 345 lilitan primer dan 6000 lilitan sekunder; inputnya adalah 230 V.

Contoh terarah (daya). Transformator tersebut mensuplai 50 mA pada 4000 V.

• Daya keluar: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• Arus input: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

Kisah Jaringan Nasional menutup lingkaran: naik tegangan sebelum transmisi (arus lebih kecil → $P = I^2R$ kerugian hilang), turun tegangan untuk rumah (lihat topik 2.7).

• Nyatakan aturan kutub; bedakan magnet permanen dan magnet induksi.
• Gambar pola medan batang magnet, kawat lurus, dan solenoid beserta arahnya; jelaskan hubungan kompas/Bumi.
• (HT) Gunakan aturan tangan kiri Fleming dan $F = BIl$; jelaskan motor dan komutator.
• (hanya fisika, HT) Nyatakan syarat efek generator dan medan induksi penentang; bedakan grafik alternator dan dinamo; jelaskan mikrofon.
• (hanya fisika, HT) Gunakan kedua persamaan transformator; jelaskan induksi antar kumparan dan keunggulan Grid.