Banyak orang yang akrab dengan magnet karena sering memiliki magnet dekoratif di lemari es dapur mereka. Namun, magnet memiliki banyak tujuan praktis di luar dekorasi, dan banyak yang memengaruhi kehidupan kita sehari-hari tanpa kita sadari.
Ada banyak pertanyaan tentang cara kerja magnet, dan pertanyaan magnet umum lainnya. Namun, untuk menjawab sebagian besar pertanyaan ini, dan untuk memahami bagaimana magnet yang berbeda dapat memiliki kekuatan medan magnet yang berbeda, penting untuk memahami apa itu medan magnet dan bagaimana medan magnet itu dihasilkan.
Apa itu Medan Magnet?
Medan magnet adalah gaya yang bekerja pada partikel bermuatan, dan persamaan yang mengatur untuk interaksi ini adalah hukum gaya Lorentz . Persamaan lengkap gaya medan listrik E dan medan magnet B pada sebuah partikel dengan muatan q dan kecepatan v diberikan oleh:
vec{F} = qvec{E} + qvec{v}times vec{B}.
Ingatlah bahwa karena gaya F , medan E dan B , dan kecepatan v semuanya adalah vektor, operasi × adalah perkalian silang vektor , bukan perkalian.
Medan magnet dihasilkan oleh partikel bermuatan yang bergerak, sering disebut arus listrik . Sumber umum medan magnet dari arus listrik adalah elektromagnet, seperti kawat sederhana, kawat dalam satu lilitan, dan beberapa lilitan kawat dalam satu rangkaian yang disebut solenoida . Medan magnet bumi juga disebabkan oleh pergerakan partikel bermuatan di inti.
Namun, magnet di lemari es Anda sepertinya tidak memiliki arus atau sumber daya yang mengalir. Bagaimana cara kerjanya?
Magnet Permanen
Magnet permanen adalah sepotong bahan feromagnetik yang memiliki sifat intrinsik yang menghasilkan medan magnet. Efek intrinsik yang menghasilkan medan magnet adalah spin elektron, dan penyelarasan spin ini menciptakan domain magnetik. Domain ini menghasilkan medan magnet bersih.
Bahan feromagnetik cenderung memiliki urutan domain tingkat tinggi dalam bentuk alaminya, yang dapat dengan mudah disejajarkan sepenuhnya oleh medan magnet luar. Dengan demikian magnet feromagnetik cenderung bersifat magnetis ketika ditemukan di alam dan mudah mempertahankan sifat magnetiknya.
Bahan diamagnetik mirip dengan bahan feromagnetik dan dapat menghasilkan medan magnet saat ditemukan di alam, tetapi merespons medan luar secara berbeda. Bahan diamagnetik akan menghasilkan medan magnet yang berorientasi berlawanan dengan adanya medan eksternal. Efek ini dapat membatasi kekuatan magnet yang diinginkan.
Bahan paramagnetik hanya bersifat magnetis di hadapan medan magnet eksternal yang menyelaraskan, dan cenderung cukup lemah.
Apakah Magnet Besar Memiliki Gaya Magnet yang Kuat?
Seperti disebutkan, magnet permanen terdiri dari domain magnetik yang sejajar secara acak. Dalam setiap domain, ada beberapa tingkat keteraturan yang menciptakan medan magnet. Interaksi semua domain dalam satu bagian bahan feromagnetik menghasilkan medan magnet keseluruhan, atau bersih, untuk magnet.
Jika domain diselaraskan secara acak, kemungkinan besar terdapat medan magnet yang sangat kecil, atau efektif nol. Namun, jika medan magnet luar didekatkan ke magnet tak beraturan, domain akan mulai sejajar. Jarak medan pelurusan ke domain akan mempengaruhi keselarasan keseluruhan, dan karenanya medan magnet bersih yang dihasilkan.
Meninggalkan bahan feromagnetik dalam medan magnet eksternal untuk jangka waktu yang lama dapat membantu menyelesaikan pemesanan, dan meningkatkan medan magnet yang dihasilkan. Demikian pula, medan magnet bersih dari magnet permanen dapat dikurangi dengan memasukkan beberapa medan magnet acak atau mengganggu, yang dapat membuat domain tidak selaras dan mengurangi medan magnet bersih.
Apakah ukuran magnet mempengaruhi kekuatannya? Jawaban singkatnya adalah ya, tetapi hanya karena ukuran magnet berarti ada lebih banyak domain yang proporsional yang dapat menyelaraskan dan menghasilkan medan magnet yang lebih kuat daripada bagian yang lebih kecil dari bahan yang sama. Namun, jika panjang magnet sangat panjang, ada kemungkinan besar medan magnet yang tersesat akan menyelaraskan domain dan menurunkan medan magnet bersih.
Berapa suhu Curie?
Faktor lain yang berkontribusi terhadap kekuatan magnet adalah suhu . Pada tahun 1895, fisikawan Prancis Pierre Curie menentukan bahwa bahan magnetik memiliki batas suhu di mana sifat magnetiknya dapat berubah. Secara khusus, domain tidak lagi selaras, sehingga penyelarasan domain minggu mengarah ke medan magnet bersih yang lemah.
Untuk besi, suhu Curie sekitar 1418 derajat Fahrenheit. Untuk magnetit, sekitar 1060 derajat Fahrenheit. Perhatikan bahwa suhu ini jauh lebih rendah daripada titik lelehnya. Dengan demikian, suhu magnet dapat mempengaruhi kekuatannya.
Elektromagnet
Kategori magnet yang berbeda adalah elektromagnet , yang pada dasarnya adalah magnet yang dapat dihidupkan dan dimatikan.
Elektromagnet yang paling umum digunakan dalam berbagai aplikasi industri adalah solenoida. Solenoid adalah serangkaian loop arus, yang menghasilkan medan seragam di tengah loop. Ini disebabkan oleh fakta bahwa setiap loop arus individu menciptakan medan magnet melingkar di sekitar kawat. Dengan menempatkan beberapa secara seri, superposisi medan magnet menciptakan medan lurus dan seragam melalui pusat loop.
Persamaan untuk besarnya medan magnet solenoida adalah: B = μ 0 nI , di mana μ 0 adalah permeabilitas ruang bebas, n adalah jumlah loop arus per satuan panjang dan I adalah arus yang mengalir melalui mereka. Arah medan magnet ditentukan oleh aturan tangan kanan dan arah aliran arus, dan karenanya dapat dibalik dengan membalik arah arus.
Sangat mudah untuk melihat bahwa kekuatan solenoida dapat disesuaikan dengan dua cara utama. Pertama, arus melalui solenoida dapat ditingkatkan. Meskipun tampaknya arus dapat dinaikkan secara sewenang-wenang, mungkin terdapat batasan pada catu daya atau resistansi rangkaian, yang dapat mengakibatkan kerusakan jika arus ditarik berlebihan.
Oleh karena itu, cara yang lebih aman untuk meningkatkan kekuatan magnet solenoida adalah dengan menambah jumlah loop arus. Medan magnet jelas meningkat secara proporsional. Satu-satunya batasan dalam hal ini mungkin jumlah kabel yang tersedia, atau batasan spasial jika solenoid terlalu panjang karena jumlah loop arus.
Ada banyak jenis elektromagnet selain solenoida, tetapi semuanya memiliki sifat umum yang sama: Kekuatannya sebanding dengan aliran arus.
Kegunaan Elektromagnet
Elektromagnet ada di mana-mana dan memiliki banyak kegunaan. Contoh elektromagnet yang umum dan sangat sederhana, khususnya solenoida, adalah speaker. Arus yang bervariasi melalui speaker menyebabkan kekuatan medan magnet solenoidal meningkat dan menurun.
Saat ini terjadi, magnet lain, khususnya magnet permanen, ditempatkan di salah satu ujung solenoida dan di permukaan yang bergetar. Saat dua medan magnet menarik dan menolak karena medan solenoidal yang berubah, permukaan yang bergetar ditarik dan didorong menciptakan suara.
Speaker berkualitas lebih baik menggunakan solenoida berkualitas tinggi, magnet permanen, dan permukaan bergetar untuk menghasilkan keluaran suara berkualitas lebih tinggi.
Fakta Menarik Magnetisme
Magnet ukuran terbesar di dunia adalah bumi itu sendiri! Seperti disebutkan, bumi memiliki medan magnet yang disebabkan oleh arus yang diciptakan dengan inti bumi. Meskipun ini bukan medan magnet yang sangat kuat dibandingkan dengan banyak magnet genggam kecil atau yang pernah digunakan dalam akselerator partikel, bumi itu sendiri adalah salah satu magnet terbesar yang kita ketahui!
Bahan magnet lain yang menarik adalah magnetit. Magnetit adalah bijih besi yang tidak hanya sangat umum tetapi merupakan mineral dengan kandungan besi tertinggi. Kadang-kadang disebut lodestone, karena sifatnya yang unik memiliki medan magnet yang selalu sejajar dengan medan magnet bumi. Dengan demikian, itu digunakan sebagai kompas magnetik sejak 300 SM.
•••Pat_Hastings/iStock/GettyImages
