【Edisi Pendidikan Rakyat】Fisika SMA, Pilihan Wajib Semester Kedua: Pengaruh Medan Magnet terhadap Arus dan Muatan Listrik: Lompatan dari Skala Makro ke Mikro

Dari Bendungan Tiga Negeri hingga Tabung Gambar Elektronik: Dialog Gaya antar Skala

Pada pelajaran ini kita akan memulai perjalanan darimekanika makrokedynamika mikroperjalanan pemikiran. Bayangkan aliran air deras di Bendungan Tiga Negeri yang menggerakkan generator besar, proses fisika intinya adalah konduktor bergerak dalam medan magnet menghasilkan arus listrik, sedangkan hambatan arus dalam medan magnet pada dasarnya merupakan akumulasi gaya Lorentz dari banyak muatan mikroskopis.gaya Lorentzyang menjadi tumpukan makroskopis. Sebaliknya, pada televisi model lama,pemindaian (scanning)teknologi ini menggunakan medan magnet untuk mengendalikan berkas elektron: berkas elektron bergerak dari baris paling atas ke baris paling bawah sekali disebut satu frame.

Hukum Fisika Inti

Gaya Ampere (Ampere Force): $F = B I l$ . Ketika arus tegak lurus terhadap medan magnet seragam, gaya mencapai maksimum.
洛伦兹力 (Lorentz Force): $F = q v B$ . Ini adalah esensi mikroskopis dari gaya Ampere. Dalam medan magnet seragam, jika muatan bergerak melingkar maka $q v B = m \frac{v^{2}}{r}$ .
Hukum Gerak: Periode partikel bermuatan yang melakukan gerak melingkar seragam dalam medan magnet seragam $T = \frac{2 π m}{q B}$ , yang mengejutkan, tidak bergantung pada jari-jari orbit dan kecepatan gerak.

Pemikiran dan Prospek Masa Depan

电厂的发电机如何实现能量守恒？实验初步结论表明：感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即Hukum Lenz.

Unit pembangkit listrik besar Bendungan Tiga Negeri mengubah energi mekanik menjadi energi listrik melalui pengaruh medan magnet terhadap arus listrik, dan sumber gaya makroskopis ini berasal dari akumulasi gaya pada partikel mikroskopis.

PERTANYAAN 1

Di medan magnet pada Gambar 1.1-9 terdapat sebuah konduktor berarus, dengan arahnya tegak lurus terhadap arah medan magnet. Jika diketahui arus

I

ke kanan, kuat medan magnet

B

tegak lurus bidang kertas ke dalam, berdasarkan aturan tangan kiri, arah gaya Ampere adalah?

ke atas

ke bawah

ke dalam

ke luar

PERTANYAAN 2

Mengenai rumus definisi kuat medan magnet

B = F / I l

dan rumus perhitungan gaya

F = I l B

, pernyataan berikut yang benar adalah:

Jika

F = 0

, maka kuat medan magnet di tempat tersebut

B

pasti nol

B

besarnya ditentukan oleh

F

dan

I

dan

l

bersama-sama menentukan

B = F / I l

adalah metode definisi rasio, dan

B

sifatnya ditentukan oleh medan magnet itu sendiri

Ketika arah arus sejajar dengan arah medan magnet, rumus

F = I l B

masih berlaku

❌ Salah

Perhatikan

F = 0

mungkin karena arus sejajar dengan medan magnet, dan

B

definisi menggunakan metode rasio, tidak tergantung pada besarnya gaya.

PERTANYAAN 3

Dalam eksperimen seperti pada Gambar 1.1-12, ujung bawah pegas yang lentur tepat menyentuh raksa. Apa yang terjadi pada pegas setelah dialiri arus?

tetap diam

terus menyusut dan meninggalkan permukaan raksa

bergetar naik turun

terus berbelok ke kiri

PERTANYAAN 4

Pada Gambar 1.1-10, jika batang konduktor

a b

ditempatkan pada sudut kemiringan

θ

pada bidang miring licin, medan magnet

B

tegak lurus ke atas, arus dari

a

b

. Arah gaya Ampere yang dialami batang konduktor adalah?

mengikuti bidang miring ke atas

tegak lurus bidang miring ke atas

horizontal ke kanan

horizontal ke kiri

✅ Benar!

Benar. Berdasarkan aturan tangan kiri, garis medan magnet masuk ke telapak tangan ke atas, empat jari menunjuk ke dalam kertas (atau berdasarkan

a

b

arah arus), ibu jari menunjuk ke kanan secara horizontal.

PERTANYAAN 5

Seperti pada Gambar 1-1, terdapat konduktor keras berarus dalam medan magnet berbentuk busur

a b

. Jika arus dari

a

b

, bagaimana konduktor bergerak?

hanya bergerak translasi ke atas

berputar sambil bergerak ke bawah

tetap diam

melakukan gerak melingkar beraturan

Eksplorasi Eksperimen: Mengukur Kuat Medan Magnet dengan Neraca Arus

Mengukur kekuatan medan mikroskopis menggunakan keseimbangan gaya makroskopis

Seperti pada Gambar 1.1-11, lengan kanan neraca arus menggantung kumparan berjumlah

n

, dengan panjang sisi dasar

l

kumparan persegi panjang. Sisi bawah kumparan berada dalam medan magnet seragam. Saat kumparan dialiri arus

I

maka dengan mengatur massa beban di sisi kiri agar neraca seimbang.

m

使天平平衡。

Silakan turunkan rumus menggunakan

n

dan

m

dan

l

dan

I

untuk menyatakan kuat medan magnet

B

dan hitung: ketika

n = 9

l = 10,0 cm

I = 0,10 A

m = 8,78 g

ketika (ambil

g = 9,8 {m/s}^{2}

), berapa kuat medan magnetnya?

Jawaban:
Berdasarkan kondisi keseimbangan, gaya Ampere

F = n B I l

dan perbedaan gaya gravitasi

m g

seimbang. Maka

B = \frac{m g}{n I l}

. Substitusi data:

B = \frac{0,00878 \times 9,8}{9 \times 0,10 \times 0,10} \approx 0,956 T

Pemikiran Mendalam: Jika kita gandakan arus dalam kumparan, sementara kuat medan magnet tetap, apakah neraca masih bisa seimbang? Jika tidak seimbang, bagaimana cara mengatur beban?

Jawaban:
Tidak bisa seimbang. Setelah arus digandakan, gaya Ampere

F

menjadi dua kali lipat. Saat ini gaya pada lengan kanan meningkat, sehingga perlu menambah massa beban di sisi kiri, massa tambahan harus sama dengan massa beban asli

m

(diasumsikan saat seimbang sebelumnya beban hanya digunakan untuk menetralkan gaya Ampere).