Medan Magnet: Seperti Gravitasi dan Medan Listrik, Plus Hubungan Listrik dan Magnet

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 04: Kemagnetan (artikel 6 dari 7)

Medan adalah daerah di sekitar sesuatu yang membuat gaya bekerja tanpa perlu bersentuhan. Ada tiga yang sering dibandingkan: medan gravitasi yang bekerja pada benda bermassa, medan listrik yang bekerja pada benda bermuatan, dan medan magnet yang bekerja pada benda bersifat magnet. Dua hubungan terpenting antara listrik dan magnet juga ada di sini. Muatan yang bergerak menimbulkan medan magnet, dan medan magnet memberi gaya pada muatan yang bergerak.

Bentuk gambarnya mirip, yang dipengaruhi berbeda. Massa, muatan, dan sifat magnet.

Tiga Jenis Medan

Ketiganya punya satu kesamaan yang membuatnya pantas dibahas bersama: gayanya bekerja dari jarak jauh, tanpa ada yang menyentuh apa pun.

Jenis medan	Bekerja pada benda yang punya	Contoh sehari-hari
Gravitasi	Massa	Bumi menarik benda yang jatuh dan menahan bulan di orbitnya
Listrik	Muatan listrik	Daun elektroskop membuka, debu menempel di layar
Magnet	Sifat magnet	Jarum kompas berputar, besi menempel pada magnet

Kolom tengah itu yang paling penting dan paling sering tertukar. Medan gravitasi tidak peduli benda itu bermuatan atau tidak, yang dilihatnya hanya massa. Medan magnet tidak peduli benda itu berat atau ringan, yang dilihatnya hanya apakah benda itu punya sifat magnet.

Jadi sepotong tembaga yang berat tidak tertarik magnet, sementara sekerup baja kecil langsung menempel. Bukan soal beratnya. Soal bahannya.

Medan Gravitasi

Contoh paling besar yang bisa diamati siapa pun tanpa alat apa pun.

Bumi menarik bulan dan menahannya tetap mengelilingi bumi, padahal jarak antara keduanya rata-rata sekitar 384.400 kilometer. Tidak ada tali, tidak ada batang penyangga, dan tidak ada apa pun yang menghubungkan keduanya secara fisik.

Matahari melakukan hal yang sama pada bumi, dari jarak rata-rata sekitar 149,6 juta kilometer. Tetap tidak ada yang bersentuhan.

Satu catatan soal angka. Modul aslinya menulis jarak itu dalam satuan mil, yaitu 250.000 mil untuk bulan dan 93 juta mil untuk matahari. Saya mengubahnya ke kilometer karena itu satuan yang dipakai di Indonesia, dan angka pembulatan modul memang bukan nilai yang dipakai sekarang.

Medan Listrik

Yang ini sudah pernah terlihat kalau Anda pernah memakai elektroskop, dan itulah sebabnya alat sederhana tersebut masih dipakai mengajar sampai sekarang meski ada alat ukur yang jauh lebih canggih.

Benda bermuatan yang didekatkan ke kepala elektroskop membuat kedua daun di dalamnya membuka, padahal benda itu tidak menyentuh elektroskopnya sama sekali. Yang bekerja adalah medan listrik dari benda tersebut.

Cara kerja dan pemakaian elektroskop sudah dibahas lengkap di artikel cara mengukur listrik statis, dan dasar gaya tarik-tolak antar-muatannya ada di artikel muatan listrik.

Arah Medan Magnet

Medan punya besar dan punya arah. Arahnya perlu disepakati lebih dulu.

Kesepakatannya begini. Arah medan magnet di suatu titik adalah arah yang ditunjuk kutub utara jarum kompas bila sebuah kompas diletakkan tepat di titik tersebut, dan dari satu kesepakatan sederhana itulah seluruh cara menggambar garis medan diturunkan.

Dari kesepakatan itu muncul aturan yang sering dipakai, yaitu garis medan digambar keluar dari kutub utara magnet dan masuk kembali ke kutub selatannya. Di dalam badan magnet itu sendiri, garisnya berlanjut dari selatan ke utara sehingga setiap garis membentuk lingkaran tertutup yang tidak pernah terputus.

Cara paling mudah melihatnya adalah menaburkan serbuk besi di atas kertas yang diletakkan menutupi magnet. Tiap butir serbuk menjadi magnet kecil dan ikut berbaris mengikuti arah medan, sehingga polanya kelihatan: rapat di dekat kutub dan renggang di tengah batang.

Kerapatan itu bukan hiasan. Garis yang rapat berarti medan yang kuat, dan di situlah alasan kenapa magnet batang menarik paling kuat di kedua ujungnya sementara bagian tengahnya hampir tidak menarik apa-apa.

Muatan Bergerak Menimbulkan Medan

Sampai di sini medan magnet masih terdengar seperti urusan batang magnet dan jarum kompas saja, padahal justru bagian berikut inilah yang menyambungkan seluruh pembahasan tadi ke pekerjaan kelistrikan sehari-hari.

Hubungan pertama: muatan yang bergerak menimbulkan medan magnet. Arus listrik adalah muatan yang bergerak, jadi setiap kawat berarus dikelilingi medan magnet, dan itulah dasar seluruh elektromagnet.

Besar medannya tidak sama di semua keadaan. Modul menyebut dua hal yang menentukannya, yaitu kecepatan gerak muatan dan besar muatan itu sendiri. Makin cepat dan makin besar muatannya, makin kuat medan yang timbul.

Hubungan kedua adalah kebalikannya: medan magnet memberi gaya pada muatan yang bergerak. Muatan yang diam di dalam medan magnet tidak mendapat gaya sama sekali, dan baru mendapat gaya begitu ia bergerak.

Dua hubungan itu yang menjadi dasar semua mesin listrik. Yang pertama membuat elektromagnet dan medan putar stator. Yang kedua membuat kawat di dalam medan terdorong, dan dorongan itulah torsi motor.

Rapat di ujung, renggang di tengah. Itulah sebabnya tarikannya paling kuat di kedua kutub.

Sudut Pandang Workshop

Kata medan jarang terdengar di lantai bengkel. Akibatnya ada di mana-mana.

Yang paling sering saya hadapi adalah soal jarak. Medan melemah dengan cepat begitu menjauh dari sumbernya, dan sifat itu menjelaskan banyak keputusan rancangan yang kelihatannya sepele.

Contohnya celah udara antara stator dan rotor. Celah itu dibuat sekecil mungkin, biasanya kurang dari satu milimeter pada motor kecil. Alasannya bukan ketelitian demi ketelitian. Medan harus menyeberangi celah itu, dan celah yang lebih lebar berarti medan yang sampai ke rotor lebih lemah, sehingga motor butuh arus magnetisasi lebih besar untuk menghasilkan torsi yang sama. Arus lebih besar berarti panas lebih besar dan faktor daya lebih buruk.

Dari situ ada akibat praktis yang sering diabaikan. Bearing yang aus membuat rotor turun sedikit dan celah udaranya jadi tidak merata, lebih sempit di bawah dan lebih lebar di atas. Ketidakmerataan itu menimbulkan tarikan magnet yang tidak seimbang, dan tarikan tidak seimbang itu justru membebani bearing lebih berat lagi. Kerusakannya saling memperburuk, jadi bearing yang sudah mulai aus pada motor besar tidak layak ditunda penggantiannya.

Soal medan dari luar, ada satu hal yang perlu diperhatikan saat mengukur. Pengukuran di dekat busbar berarus besar atau di dekat motor yang sedang berjalan bisa mengganggu pembacaan alat, terutama alat yang memakai penjepit arus. Jadi kalau angka yang terbaca terlihat aneh dan tidak konsisten saat probe digeser sedikit, kemungkinan pertama bukan motornya yang aneh melainkan posisi alatnya yang terlalu dekat dengan sumber medan lain.

Satu lagi yang berguna diketahui. Trafo arus yang dipasang di panel juga bekerja dengan medan, jadi kabel yang melewatinya harus benar-benar di tengah lubang dan hanya kabel yang dimaksud. Satu kabel lain yang ikut terselip masuk membuat pembacaannya salah tanpa ada tanda apa pun di layar.

Cek Pemahaman

1. Medan magnet bekerja pada benda karena benda itu punya apa?
   Jawaban: sifat magnetik.
2. Gaya tarik bumi pada Anda muncul karena Anda punya apa?
   Jawaban: massa.
3. Kuat medan yang ditimbulkan muatan bergerak bergantung pada apa?
   Jawaban: kecepatan gerak dan besar muatannya.
4. Bagaimana arah medan magnet di suatu titik ditentukan?
   Jawaban: arah yang ditunjuk kutub utara jarum kompas bila diletakkan di titik itu.
5. Apakah muatan yang diam mendapat gaya di dalam medan magnet?
   Jawaban: tidak, gaya baru muncul saat muatan itu bergerak.

Baca Juga

• Pengertian Magnet: Kutub dan Hukum Tarik-Tolak
• Kaidah Tangan Kiri dan Kanan untuk Listrik dan Magnet
• Cara Mengukur Listrik Statis dengan Elektroskop
• Muatan Listrik: Gaya Tarik-Tolak dan Perpindahan Muatan

Ringkasan

• Medan adalah daerah tempat gaya bekerja tanpa perlu ada sentuhan.
• Medan gravitasi bekerja pada massa, medan listrik pada muatan, medan magnet pada sifat magnet.
• Berat benda tidak menentukan apakah ia tertarik magnet, yang menentukan bahannya.
• Bumi menahan bulan dari jarak rata-rata sekitar 384.400 kilometer.
• Jarak rata-rata bumi ke matahari sekitar 149,6 juta kilometer.
• Arah medan magnet adalah arah yang ditunjuk kutub utara jarum kompas.
• Garis medan keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan, membentuk lingkaran tertutup.
• Garis yang rapat berarti medan yang kuat, dan paling rapat di kedua kutub.
• Muatan yang bergerak menimbulkan medan magnet, besarnya tergantung kecepatan dan besar muatan.
• Medan magnet memberi gaya hanya pada muatan yang bergerak, bukan yang diam.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Apa itu medan magnet?

Medan magnet adalah daerah di sekitar magnet atau di sekitar penghantar berarus tempat gaya magnet bekerja tanpa perlu ada sentuhan. Arahnya di suatu titik disepakati sebagai arah yang ditunjuk kutub utara jarum kompas bila kompas diletakkan di titik tersebut, dan kuat medannya digambarkan lewat kerapatan garis, sehingga garis yang rapat berarti medan yang kuat.

Apa beda medan gravitasi, listrik, dan magnet?

Perbedaannya ada pada sifat benda apa yang dipengaruhinya, karena medan gravitasi bekerja pada benda yang punya massa, medan listrik bekerja pada benda yang punya muatan listrik, dan medan magnet bekerja pada benda yang punya sifat magnet. Karena itu sepotong tembaga yang berat tidak tertarik magnet sementara sekerup baja kecil langsung menempel, sebab yang menentukan bukan beratnya melainkan bahannya.

Bagaimana menentukan arah medan magnet?

Letakkan jarum kompas di titik yang ingin diketahui, lalu arah yang ditunjuk kutub utara jarum itu adalah arah medan magnet di titik tersebut. Dari kesepakatan ini muncul aturan menggambar garis medan keluar dari kutub utara magnet dan masuk kembali ke kutub selatannya, dengan garis yang berlanjut di dalam badan magnet sehingga setiap garis membentuk lingkaran tertutup.

Apakah muatan diam punya medan magnet?

Tidak, karena yang menimbulkan medan magnet adalah muatan yang bergerak, dan muatan yang diam hanya punya medan listrik di sekelilingnya. Hal yang sama berlaku untuk arah sebaliknya, sebab muatan yang diam di dalam medan magnet tidak mendapat gaya sama sekali dan baru mendapat gaya begitu ia mulai bergerak di dalam medan tersebut.

Kenapa celah udara motor dibuat sekecil mungkin?

Karena medan magnet harus menyeberangi celah antara stator dan rotor, dan medan melemah dengan cepat seiring bertambahnya jarak, sehingga celah yang lebih lebar membuat medan yang sampai ke rotor lebih lemah. Akibatnya motor membutuhkan arus magnetisasi lebih besar untuk menghasilkan torsi yang sama, dan arus yang lebih besar itu berarti panas lebih tinggi serta faktor daya yang lebih buruk.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 4, bagian Magnetic Fields dan Magnetism and Electricity (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul nomor 3, 4, dan 5: massa, sifat magnetik, serta kecepatan dan besar muatan.
• Jarak bumi ke bulan dan bumi ke matahari dikonversi ke satuan metrik dari angka mil yang dipakai modul.
• Catatan tentang celah udara, bearing aus, dan trafo arus adalah perluasan dari praktik bengkel servis motor listrik.