Kemagnetan atau hal-hal yang bersifat magnet telah ada sejak dahulu sekali. Fenomena ini cukup menarik untuk dipelajari. Oleh karena itu pada tulisan kali ini kita akan membahas tentang konsep dasar kemagnetan. Pembahasan tentang kemagnetan akan dimulai dengan pembahasan tentang medan magnet dan gaya magnetik yang dialami partikel bermuatan.
Benda-benda yang bersifat magnet telah disediakan oleh alam. Setidaknya sekitar 2000 tahun yang lampau orang-orang Yunani telah menyadari tentang keberadaan sebuah jenis batu yang dapat menarik potongan besi. Jenis batu yang sekarang dikelompokkan ke dalam mineral magnetit. Terdapat catatan sejarah yang menunjukkan bagaimana penggunaan magnet sebagai alat navigasi sejak awal abad XII.
Dari sejumlah eksperimen yang dilakukan, diketahui bahwa sebuah magnet, bagaimana pun bentuknya, selalu memiliki bagian yang disebut kutub magnet. Kutub-kutub ini disebut kutub utara dan kutub selatan. Pada kutub-kutub ini, magnet memiliki daya tarik yang paling kuat. Dari hasil eksperimen itu pula diketahui bahwa kutub-kutub yang sejenis akan saling tolak menolak dan kutub-kutub yang berlawanan jenis akan saling tarik menarik.
Pada tahun 1600, William Gilbert menemukan bahwa bumi kita ini merupakan sebuah magnet alami yang kutub-kutub magnetiknya berada di dekat kutub utara dan kutub selatan geografis bumi. Karena kutub utara sebuah jarum kompas akan menunjuk ke arah kutub selatan sebuah magnet yang mempengaruhi jarum kompas tersebut, maka apa yang kita sebut sebagai kutub utara geografi bumi sebenarnya merupakan sebuah kutub selatan magnet. Atas alasan ini, kutub utara dan kutub selatan sebuah magnet batang kadang-kadang disebut dengan kutub pencari utara dan kutub pencari selatan.
Sebuah magnet selalu memiliki kutub utara dan selatan. Jika kita punya sebuah magnet batang, dan memotong magnet itu tepat di tengah-tengahnya sehingga kutub utara dan kutub selatannya terpisah, maka pada masing-masing potongan magnet itu secara otomatis akan terbentuk kutub-kutub baru lagi yaitu kutub utara-selatan. Sejauh ini belum pernah dapat dilakukan upaya untuk memisahkan kedua kutub magnet ini.
Magnet dapat menarik benda-benda besi di sekitarnya. Kemampuan mempengaruhi (dalam bentuk melakukan tarikan) terhadap benda ini tentu akan mengingatkan kita pada konsep gaya. Dengan demikian, dalam bahasa yang lebih teknis kita bisa mengatakan bahwa magnet melakukan gaya terhadap benda-benda di sekitarnya.
Lompat baca ke bagian berikut :
Gaya magnet sebagai interaksi benda dengan medan magnetik
Gaya yang dikerjakan oleh sebuah magnet terhadap benda lain yang dapat dipengaruhinya merupakan jenis gaya tak sentuh. Untuk jenis gaya seperti ini, digunakan konsep medan untuk menjelaskan bagaimana interaksi gaya tersebut. Hal ini serupa dengan gaya listrik yang juga merupakan gaya tak sentuh. Jika pada gaya listrik atau gaya elektrostatis medannya kita sebut dengan medan listrik, maka untuk gaya magnet medannya kita sebut sebagai medan magnetik yang biasa diberi simbol B.
Jadi, pada sebuah magnet, pada daerah di sekeliling magnet tersebut akan terdapat medan magnetik. Gaya yang dikerjakan oleh magnet terhadap benda magnetik lainnya merupakan interaksi antara magnet tersebut dengan medan magnetik yang ada pada daerah tersebut.
Seperti halnya medan listrik, medan magnetik juga dapat divisualisasikan dengan garis-garis panah yang disebut garis medan magnetik. Garis-garis medan magnetik ini memenuhi sifat:
- Garis medan magnetik searah dengan arah medan magnet di tempat tersebut.
- Jumlah garis medan magnetik per satuan luas sebanding dengan kuat medan magnetik tersebut.
Arah medan magnet pada sebuah titik (lokasi) dapat didefinisikan sebagai arah yang ditunjukkan oleh kutub utara sebuah magnet jarum (seperti magnet yang digunakan sebagai jarum kompas) jika magnet jarum tersebut diletakkan pada titik atau lokasi tersebut.
Gambar berikut menunjukkan bagaimana serbuk-serbuk besi (yang berperilaku seolah-olah magnet-magnet kecil) membentuk pola arah medan magnet di sekitar sebuah magnet batang. Dengan menempatkan sejumlah jarum kompas pada pola serbuk tersebut, kita dapat menggambarkan bahwa arah medan magnetik adalah keluar dari kutub utara dan melengkung masuk ke kutub selatan seperti tampak dalam gambar sebelah kanan (gambar b).
Di dalam batang magnet itu sendiri, garis-garis medan magnetnya kontinu dari kutub selatan magnet ke kutub utaranya. Karena sebuah magnet selalu memiliki kutub utara dan selatan, maka garis-garis medan magnet ini akan selalu membentuk sebuah loop (lintasan yang tidak putus).
Konsep dasar kemagnetan: Menentukan besar gaya magnetik
Kita telah tahu bahwa gaya magnetik yang dialami benda merupakan hasil interaksi benda tersebut dengan medan magnetik. Bagaimana menentukan besar gaya magnetik tersebut?
Berdasarkan hasil eksperimen, diketahui bahwa jika terdapat sebuah muatan q yang bergerak dengan kecepatan v dalam daerah medan magnet B, maka muatan q tersebut akan mengalami gaya. Gaya inilah yang disebut sebagai gaya magnetik.
Besar gaya magnetik ini sebanding dengan besar muatan yang dimiliki q, sebanding dengan kecepatan muatan v, dan sebanding dengan besar medan magnetik B, serta sebanding dengan sinus sudut yang dibentuk oleh arah kecepatan v dengan arah medan magnetik B. Berdasarkan hal ini, kita dapat menuliskan persamaan matematis berikut.
$$F = qvB\sin \theta \ \ \ …\ \ (1)$$
dengan $\theta $ adalah sudut terkecil yang dibentuk oleh arah kecepatan v dengan arah medan magnetik B.
Dari persamaan di atas tampak bahwa agar sebuah benda dapat mengalami gaya magnet, benda tersebut harus memiliki muatan (q) dan muatan ini harus bergerak dengan kecepatan tertentu (v). Juga, tentu saja benda ini harus berada dalam medan magnet (B).
Hal yang cukup mengejutkan pada gaya magnet ini adalah arahnya yang selalu tegak lurus terhadap arah kecepatan muatan dan arah medan magnetik B. Berdasarkan hal tersebut dan dengan menggunakan definisi perkalian silang dalam matematika vektor, persamaan (1) di atas dapat dituliskan dalam bentuk perkalian vektor sebagai berikut.
$${\bf{\vec F}} = q{\bf{\vec v}} \times {\bf{\vec B}}\ \ \ …\ \ \ (2)$$
Karena F tegak lurus baik terhadap v maupun terhadap B, ini berarti F akan tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh vektor kecepatan dan vektor medan magnet ini. Arah hasil perkalian vektor kecepatan v dengan medan magnet B dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan.
Kaidah tangan kanan mengatakan bahwa: jika kita memutar keempat jari tangan kanan kita dari arah vektor kecepatan v ke arah vektor medan magnet B, maka arah hasil perkalian ${\bf{\vec v}} \times {\bf{\vec B}}$ yaitu arah gaya magnet akan ditunjukkan oleh arah ibu jari.
Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut. Pada gambar (a) sebuah bidang yang dibentuk oleh vektor v dan B. Karena arah gaya magnetik tegak lurus terhadap vektor v dan vektor B maka arah gaya ini pasti harus tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk vektor v dan vektor B. hal ini diperlihatkan dengan penggunaan kaidah tangan kanan seperti ditunjukkan dalam gambar (b).
Pada gambar (b) penggunaan aturan tangan kanan adalah sebagai berikut: posisikan keempat jari sesuai dengan arah kecepatan kemudian gerakkan keempat jari ini agar aranya sesuai dengan arah B, maka arah yang ditunjukkan oleh ibu jari pada saat melakukan gerakan ini merupakan arah gaya magnet F.
Perhatikan baik-baik bahwa kita tidak dapat membalik urutan perkalian dalam situasi ini karena akan memberikan hasil yang berbeda.
Misalkan jika kita mengalikan B x v, maka kita akan menempatkan keempat jari kita sesuai arah vektor B kemudian memutarnya ke arah vektor v dengan menempuh sudut terkecil. Dengan cara ini, maka ibu jari akan menunjukkan arah ke bawah berlawanan dengan arah untuk perkalian v x B. Ini berarti hasil perkalian v x B tidak sama dengan B x v.
Berdasarkan persamaan (2), kita dapat menyatakan definisi dari medan magnet B dalam konteks gaya yang dihasilkan terhadap sebuah partikel bermuatan yang bergerak. Dalam SI, medan magnet B dinyatakan dengan satuan tesla (T).
Satu tesla setara dengan besar medan magnet yang menyebabkan sebuah partikel yang memiliki muatan sebesar satu coulomb dan sedang bergerak dengan kecepatan 1 m/s dengan arah yang tegak lurus terhadap arah medan magnet akan mengalami gaya magnetik sebesar satu newton.
Nilai medan magnet sebesar 1 tesla ini sangat besar. Oleh karena itu biasa digunakan satuan yang lebih kecil yaitu gauss (G).
1 T = 104 G
Di dekat permukaan bumi, nilai medan magnetik bumi adalah sekitar 0,5 G atau 0,5 x 10-4 T. Sebuah magnet yang dibuat dari bahan superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet sebesar kurang lebih 3 x 105 G atau 30 T.
Medan Magnetik Bumi
Jika kita mengikat sebuah magnet batang tepat di bagian tengahnya dan menggantungnya sehingga magnet tersebut bebas berputar dalam sebuah bidang horizontal, maka magnet tersebut akan berputar sehingga kutub utara magnet akan menunjuk ke arah kutub utara geografi bumi. Fakta ini menunjukkan bahwa bumi sebenarnya memiliki medan magnet.
Konfigurasi atau susunan medan magnet bumi diperlihatkan dalam gambar berikut.
Konfigurasi medan magnet bumi seperti gambar di atas memiliki kemiripan dengan konfigurasi medan magnet yang dihasilkan oleh magnet batang. Oleh karena itu kita dapat membayangkan bahwa di tengah-tengah perut bumi kita, terdapat sebuah magnet batang raksasa yang kutub selatan magnetnya terletak di kutub utara geografi bumi dan sebaliknya, kutub utara magnet raksasa tersebut terletak pada kutub selatan geografi bumi seperti yang diperlihatkan dalam gambar di atas.
Berdasarkan gambar di atas, sekarang kita tahu mengapa kutub utara jarum kompas selalu menunjuk ke arah kutub utara bumi. Jawabannya adalah karena di sekitar kutub utara geografi bumi terletak kutub selatan medan magnet bumi.
Jika kita memiliki jarum kompas yang dapat bergerak bebas baik secara horizontal maupun secara vertikal, maka jarum kompas ini akan menghasilkan posisi horizontal terhadap permukaan bumi hanya pada daerah ekuator bumi saja. Jika kita memindahkan jarum kompas ini semakin mendekati arah kutub utara geografi bumi, maka ujung jarum kompas akan mulai bergerak menunjuk ke bawah ke arah permukaan bumi. Sudut yang dibentuk antara arah medan magnetik dengan permukaan horizontal ini disebut dip angle (sudut kemiringan). Hingga pada suatu titik tertentu, yaitu pada suatu titik di bagian utara Pantai Hudson di Kanada, kutub utara jarum kompas ini akan menunjuk secara langsung ke arah bawah dengan sudut kemiringan 90o. Lokasi ini, yang ditemukan pertama kali pada tahun 1832, dianggap sebagai lokasi kutub selatan magnet bumi. Lokasi ini sekitar 1300 mil jaraknya dari kutub utara geografi bumi.
Di sisi lain, kutub utara magnet bumi terletak sekitar 1200 mil dari kutub selatan geografi bumi. Hal ini berarti jarum kompas tidak persis menunjukkan arah kutub utara geografi bumi. Perbedaan antara arah utara bumi (yang diberikan oleh posisi kutub utara geografi bumi) dengan arah utara yang ditunjukkan oleh jarum kompas (yang diberikan oleh posisi kutub selatan magnet bumi) akan bervariasi bergantung pada posisi kompas tersebut. Perbedaan arah ini disebut dengan deklinasi magnetik.
Meskipun pola medan magnet bumi serupa dengan pola medan magnet yang ditimbulkan oleh sebuah magnet batang raksasa yang seolah-olah terkubur di tengah-tengah bumi, sumber medan magnet bumi tidak mungkin berbentuk sebuah massa material yang sangat besar yang memiliki sifat magnet. Inti bumi memang terdiri atas inti besi, tetapi temperatur yang sangat tinggi dalam inti bumi akan menyebabkan inti besi ini tidak dapat memiliki sifat magnet yang permanen.
Jika demikian, dari mana asal-usul medan magnet bumi ini?
Hingga saat ini jawaban pasti atas pertanyaan ini masih belum dapat dipahami sepenuhnya. Sejauh ini, medan magnetik bumi dianggap disebabkan oleh arus listrik yang berasal dari cairan yang merupakan bagian dari inti besi bumi. Arus ini, yang sekali lagi belum dapat dipahami sepenuhnya, kemungkinan digerakkan oleh interaksi antara rotasi planet dan konveksi dalam cairan inti yang panas. Terdapat sejumlah bukti-bukti bahwa kuat medan magnet sebuah planet berhubungan dengan laju rotasi planet tersebut. Misalnya, temuan bahwa Jupiter memiliki medan magnetik yang lebih kuat dibandingkan dengan bumi dan Jupiter memiliki laju rotasi yang lebih besar dibandingkan bumi.
Fakta yang menarik tentang medan magnet bumi adalah arahnya yang membalik setiap beberapa juta tahun. Bukti atas fenomena ini diberikan oleh jenis batuan basal, yaitu batuan yang mengandung besi yang biasa dihasilkan oleh aktivitas vulkanik di dasar lautan. Saat lava mendingin, lava ini mengeras dan menyimpan rekaman arah medan magnet bumi. Jika deposit batuan basal ini dianalisis, akan memberikan bukti-bukti adanya pembalikan medan magnet bumi.
Nah, itulah beberapa konsep dasar tentang kemagnetan yang perlu kita pahami. Konsep dasar tentang kemagnetan tersebut meliputi: pemahaman tentang timbulnya gaya magnetik pada benda sebagai interaksi benda tersebut dengan medan magnet, bagaimana menentukan gaya magnetik, dan konsep tentang medan magnetik bumi.
Contoh soal menentukan gaya magnetik yang dialami partikel bermuatan
Contoh 1
Elektron dan proton bergerak dari matahari menuju bumi dengan kecepatan 4,00 x 105 m/s dalam arah sumbu x positif. Pada jarak ribuan mil dari bumi, elektron dan proton ini berinteraksi dengan medan magnetik bumi yang besarnya 3,00 x 10-8 T dalam arah sumbu z positif. Tentukanlah (a) besar (b) arah gaya magnet yang dialami proton. (c) besar (d) arah gaya magnetik yang dialami oleh elektron.
Penjelasan :
Diketahui bahwa kecepatan elektron dan proton adalah 4,00 x 105 m/s arah sumbu x positif.
Besar medan magnet bumi adalah 3,00 x 10-8 T dalam arah sumbu z positif.
Untuk lebih jelasnya tentang arah-arah vektor ini, gambar berikut menunjukkan arah sumbu-sumbu koordinat x-y-z. 
Karena elektron dan proton merupakan partikel yang bermuatan listrik, maka sesuai dengan persamaan (1) kedua partikel ini akan mengalami gaya magnet yang nilai atau besarnya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1) sebagai berikut.
$$F = qvB\sin \theta $$
Karena arah v dan B tegak lurus maka $\sin \theta = \sin {90^o} = 1$ sehingga persamaan di atas menjadi
$$F = qvB$$
Besar muatan yang dimiliki oleh proton dan elektron adalah sama yaitu 1,602 x 10-19 coulomb. Perbedaannya hanya pada tandanya. Elektron membawa muatan negatif sedangkan proton membawa muatan positif. Dengan demikian besar gaya magnetik yang dialami oleh proton dan elektron adalah sama yaitu sebesar :
$$F = \left( {1,602 \times {{10}^{ – 19}}} \right)\left( {4,00 \times {{10}^5}} \right)\left( {3,00 \times {{10}^{ – 8}}} \right) = 19,22 \times {10^{ – 22}}\ \ {\rm{newton}}$$
Atau F = 1,92 x 10-21 newton.
Meskipun besar gaya yang dialami proton dan elektron sama, tetapi karena jenis muatan yang dimilikinya berbeda, maka arah gaya yang dialami keduanya akan berbeda.
Pada proton, tanda muatannya adalah positif sehingga gaya yang dialami juga bernilai positif. Sesuai dengan aturan tangan kanan, maka arah gaya yang dialami oleh proton adalah keluar dari bidang menuju kita (arah sumbu y negatif, seperti diperlihatkan dalam gambar). Sedangkan untuk elektron karena tandanya berlawanan dengan proton, maka arahnya juga akan berlawanan yaitu masuk menuju bidang (arah sumbu y positif).
Contoh 2
Di ekuator, dekat permukaan bumi, medan magnetik adalah sekitar 50 mikroTesla ke arah utara dan medan listrik adalah 100 N/C ke arah bawah. Tentukanlah gaya gravitasi, gaya listrik, dan gaya magnetik yang dialami oleh sebuah elektron yang bergerak dengan kecepatan sesaat 6 x 106 m/s arah ke timur dalam situasi ini.
Penjelasan :
Besar medan magnetik adalah 50 mT = 50 x 10-6 T arah utara
Besar medan listrik adalah 100 N/C ke arah bawah
Kecepatan elektron adalah 6 x 106 m/s ke arah timur.
Perhatikan gambar berikut tentang kesepakatan penggambaran arah-arah mata angin, yaitu arah utara selalu digambarkan menunjuk ke atas dan sebelah kanan utara adalah arah timur. 
Besar gaya gravitasi yang dialami oleh elektron adalah :
Fg = mg
Dengan massa elektron m = 9,11 x 10-31 kg, maka
Fg = (9,11 x 10-31)(9,8) = 8,9 x 10-31 newton (arah ke bawah)
Besar gaya listrik :
Fe = qE = (1,602 x 10-19)(100) = 1,602 x 10-17 newton (arah ke atas/berlawanan arah dengan arah medan listrik E)
Besar gaya magnetik :
$$F = qvB\sin \theta $$
Karena arah kecepatan ke timur dan arah B ke utara, maka sudut $ \theta $ yang dibentuk oleh keduanya adalah 90o sehingga $ \sin \theta = 1 $ dan persamaan di atas menjadi
$$F = qvB = \left( {1,602 \times {{10}^{ – 19}}} \right)\left( {6 \times {{10}^6}} \right)\left( {50 \times {{10}^{ – 6}}} \right) = 480,6 \times {10^{ – 19}} \approx 5 \times {10^{ – 17}}\ \ {\rm{newton}}$$
Dengan menggunakan aturan tangan kanan, dan mengingat bahwa nilai muatan elektron adalah negatif, maka arah gaya magnetik yang dialami oleh elektron adalah masuk ke permukaan bumi (ke bawah).
Jika kita perhatikan nilai ketiga gaya yang dialami oleh elektron, tampak bahwa gaya gravitasi memiliki nilai yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan gaya lainnya. Oleh karena itu efek gaya gravitasi ini tidak dapat teramai terhadap gerak elektron. Sebaliknya gaya listrik dan gaya magnetik memiliki arah yang saling berlawanan dengan nilai yang dapat dibandingkan satu sama lain. Karena gaya magnetik lebih besar dari pada gaya listrik, maka resultan gaya ini arahnya ke bawah.
