Medan magnet
Medan magnet bekerja pada muatan yang bergerak, bukan pada muatan diam hanya karena muatan itu ada. Gaya magnet menyamping terhadap gerak sesaat, sehingga medan seragam dapat membelokkan lintasan partikel bermuatan tanpa secara langsung mengubah kelajuannya.
Gaya pada muatan bergerak
F = |q|vB sin θ
Besar gaya magnet adalah F = |q|vB sinθ, dengan θ sudut antara v⃗ dan B⃗. Untuk muatan positif arah mengikuti kaidah tangan kanan v⃗ × B⃗; untuk muatan negatif arahnya dibalik. Jika v⃗ sejajar atau antiparalel dengan B⃗, sinθ = 0; pada 90° gaya maksimum.
Gaya magnet terhadap sudut
Mengapa gaya magnet membelokkan tanpa menambah kelajuan
r = mv/(|q|B)
Gaya magnet pada muatan titik selalu tegak lurus terhadap kecepatan sesaat sehingga F⃗·v⃗ = 0. Karena itu gaya magnet sendiri tidak mengubah energi kinetik. Untuk v ⟂ B, gaya menjadi gaya sentripetal dan r = mv/(|q|B). Jika ada komponen kecepatan sejajar B, komponen tegak lurus berputar sementara komponen sejajar terus maju, menghasilkan heliks.
Arus juga mengalami gaya magnet
F = ILB sin θ
Kawat lurus panjang L yang membawa arus I dalam medan seragam mengalami F = ILB sinθ. Arahnya mengikuti geometri perkalian silang yang sama dengan muatan bergerak. Efek ini mendasari motor dan kumparan pengeras suara, tempat gaya pada banyak pembawa muatan menjadi gaya mekanik pada penghantar.
Arus juga menghasilkan medan magnet
B = μ₀I/(2πr)
Arus juga menjadi sumber medan magnet. Di sekitar kawat lurus panjang, B = μ₀I/(2πr) dan garis medan berupa lingkaran mengelilingi kawat. Loop arus menghasilkan medan mirip dipol; banyak loop pada solenoida dapat menghasilkan medan internal yang kuat dan hampir seragam. Garis medan magnet membentuk loop tertutup, dan monopole magnet terisolasi belum diamati.
Menentukan arah tanpa menghafal gambar
Untuk arah qv⃗×B⃗, tetapkan v⃗ lalu B⃗, gunakan kaidah tangan kanan untuk muatan positif, lalu balik jika q < 0. Hasilnya harus tegak lurus terhadap v⃗ dan B⃗. Pernyataan yang tepat tentang energi adalah bagian gaya magnet qv⃗×B⃗ tidak melakukan kerja pada muatan titik terisolasi; perangkat nyata tetap dapat memindahkan energi melalui medan listrik, ggl induksi, atau penghantar bergerak.
Contoh terarah
1. Gaya pada proton bergerak
Proton bergerak tegak lurus B = 0,20 T dengan v = 3,0 × 10⁶ m·s⁻¹. Tentukan gaya.
Penyelesaian
F = qvB ≈ 9,61 × 10⁻¹⁴ N.
2. Jari-jari lintasan elektron
Elektron berkelajuan 2,0 × 10⁶ m·s⁻¹ memasuki B = 0,010 T tegak lurus.
Penyelesaian
r = mv/(|q|B) ≈ 1,14 × 10⁻³ m.
3. Medan kawat lurus
Kawat panjang membawa 8,0 A. Tentukan B pada jarak 0,050 m.
Penyelesaian
B = μ₀I/(2πr) = 3,2 × 10⁻⁵ T.