Hans Cristian Oersted (1777 –1851) seorang fisikawan berasal dari Denmark, melakukan percobaan pada tahun 1819. Dalam percobaan tersebut Oersted meletakkan jarum di dekat kawat yang tidak dialiri arus listrik dan meletakkan jarum kompas di dekat kawat yang dialiri arus listrik. Oersted melihat bahwa jarum kompas tidak menimpang atau berubah posisi ketika diletakkan di dekat kawat yang tidak dialiri arus listrik, tetapi ketika jarum kompas diletakkan di dekat kawat yang dialiri arus listrik maka jarum kompasnya menyimpang dari posisi semula.
Dari percobaan tersebut Oersted membuat kesimpulan sebagai berikut:
Di sekitar kawat (penghantar) yang dialiri arus listrik terdapat atau timbul medan magnet;
Arah gaya magnet yang menyimpangkan jarum kompas bergantung pada arah arus listrik yang mengalir pada kawat;
Besarnya medan magnet disekitar kawat berarus listrik bergantung pada kuat arus listrik dan jaraknya terhadap kawat.
Berdasarkan percobaan Oersted dapat diketahui bahwa arus di dalam sebuah kawatakan menghasilkan efek–efek magnetik. Efek magnetik ini terlihat saat jarum kompas didekatkan dengan kawat berarus listrik. Jarum kompas akan menyimpang atau dibelokkan dari arah semula. Keadaan tersebut dapat diperlihatkan dari gambar di bawah ini:
Hukum Biot –Savart
Pada saat Hans Christian Oersted melakukan percobaan untuk mengamati hubungan kelistrikan dan kemagnetan, Oersted belum sampai pada tahap menghitung besar kuat medan magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus. Perhitungan secara matematis baru dikemukakan oleh ilmuwan dari Prancis yaitu Jean Bastiste Biot dan Felix Savart.
Berdasarkan hasil percobaannya mengenai medan magnet disuatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar dl yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa besarnya kuat medan magnet (yang kemudian disebut induksi magnet yang diberi lambang B) dititik P
- Berbanding lurus dengan kuat arus listrik (I)
- Berbanding lurus dengan panjang kawat (dl)
- Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik P ke elemen kawat penghantar (r)
- Sebanding dengan sinus sudut apit θ antara arah arus dengan garis hubung antara titik P ke elemen kawat penghantar.
Pernyataan tersebut dikenal dengan hukum Biot–Savart yang secara matematis dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan:
dB=k \frac{i.dl.sin \theta }{r^2} dB= \frac{ \mu _0}{2 \pi } \frac{i.dl.sin \theta }{r^2} Hukum Ampere
Hukum Biot–Savart merupakan hukum yang umum yang digunakan untuk menghitung kuat medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik. Apapun bentuk konduktor yang dialiri arus, dan berapa pun arus yang mengalir, maka kuat medan magnet di sekitar arus tersebut selalu memenuhi hukum Biot–Savart. Namun, kita tidak selalu mudah menentukan kuat medan magnet di sekitar arus dengan menggunakan hukum Biot–Savart. Untuk bentuk kawat yang rumit, maka integral pada hukum Biot–Savart tidak selalu dapat diselesaikan.
Oleh karena itu, perlu dikaji metode alternatif untuk menentukan kuat medan magnet di sekitar arus listrik. Salah satu metode yang cukup sederhana yang akan dibahas di sini adalah hukum Hukum Biot–Savart merupakan hukum yang umum yang digunakan untuk menghitung kuat medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik. Apapun bentuk konduktor yang dialiri arus, dan berapa pun arus yang mengalir, maka kuat medan magnet di sekitar arus tersebut selalu memenuhi hukum Biot–Savart. Namun, kita tidak selalu mudah menentukan kuat medan magnet di sekitar arus dengan menggunakan hukum Biot–Savart. Untuk bentuk kawat yang rumit, maka integral pada hukum Biot–Savart tidak selalu dapat diselesaikan.
Pada beberapa peralatan listrik, kita sering melihat sebuah kawat yang dililitkan pada sebuah logam yang dikenal sebagai kumparan. Ketika peralatan tersebut dialiri arus listrik maka kumparannya akan menimbulkan magnet disekitarnya. Untuk mencari besar medan magnet di sekitar kumparan kita akan menemukan kesulitan jika menggunakan hukum Biot–Savart. Hal yang mudah untuk menentukannya adalah dengan menggunakan hukum Ampere. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:
\oint B\,dl\,cos \theta = \mu_0 Persamaan di atas nantinya akan disederhanakan pada saat diaplikasikan pada bentuk penghantar yang berbeda–beda.
Induksi Magnet Pada Kawat Lurus Berarus Listrik
Sebuah kawat lurus yang dialiri arus listrik akan menimbulkan induksi magnet dengan arah sesuai dengan kaidah tangan kanan.
Untuk menunjukkan arah induksi magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik, genggamlah kawat dengan tangan kanan dengan ibu jari terbuka. Sesuai dengan kaidah tangan kanan, arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik,sedangkan arah keempat jari yang lain menunjukkan arah medan magnet, seperti terlihat pada gambar berikut:
Tanda X adalah masuk . adalah keluar
Bagaimana dengan besar induksi magnetnya?
Sebuah kawat yang dialiri arus sebesar 𝑖 akan menimbulkan induksi magnet sebesar 𝐵, lebih jelasnya terlihat pada gambar berikut ini:
B= \frac{ \mu _0i}{2 \pi a} Keterangan:
𝐵 = besar induksi magnet (T)
𝑖 = besar arus listrik (A)
𝑎 = jarak titik ke kawat (m)
\mu _0 = permeabilitas magnet (4π.10\,^-\,^7Wb/Am)
Bagaimana kalau kawatnya lebih dari satu misalnya 𝑁 buah kawat, maka persamaannya menjadi:
B= \frac{ \mu _0\,iN}{2 \pi a} Induksi Magnet Pada Kawat Melingkar Berarus Listrik
Sebuah kawat melingkar yang dialiri arus listrik akan menimbulkan induksi magnet dengan arah sesuai dengan kaidah tangan kanan.
Untuk menunjukkan arah induksi magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik, genggamlah kawat dengan tangan kanan dengan ibu jari terbuka. Sesui dengankaidah tangan kanan, arah ibu jari menunjukkan arah induksi magnet, sedangkan arah keempat jari yang lain menunjukkan arah arus listrik, seperti terlihat pada gambar berikut:
Besar induksi magnet pada kawat melingkar berarus adalah:
B= \frac{ \mu _0\,i}{2a} Keterangan:
𝐵 = besar induksi magnet (T)
𝑖 = besar arus listrik (A)
𝑎 = jarak titik ke kawat (m)
\mu _0 = permeabilitas magnet (4π.10\,^-\,^7Wb/Am)
Bagaimana kalau kawatnya lebih dari satu misalnya 𝑁 buah kawat, maka persamaannya menjadi:
B= \frac{ \mu _0\,iN}{2 \pi a} Induksi Magnet Pada Solenoida
Medan magnet yang kuat di sekitar arus listrik, dapat dibuat dengan lilitan kawat membentuk kumparan. Kumparan seperti ini disebut solenoida. Solenoida memiliki sifat yang sama dengan magnet batang,yaitu mempunyai kutub utara dan kutub selatan. Arahnya dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Jika kita menggenggam solenoid dengan tangan kanan dengan ibu jari terbuka, arah ibu jari menunjukkan arah induksi magnet (arah utara) dan arah keempat jari lainnya merupakan arah arus listriknya.
Besar induksi magnet pada solenoida dapat ditentukan pada pusat dan ujung solenoid. Pada gambar berikut titik o adalah titik pusat solenoid dan titik p adalah titik ujung solenoida
a. Besar Induksi Magnet Pada Pusat Solenoida
Besar induksi magnet pada pusat solenoida dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
B= \mu _0\,in B= \frac{ \mu _0\,iN}{l} b. Besar Induksi Magnet Pada Ujung Solenoida
Besar induksi magnet pada ujung solenoida dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
B= \frac{ \mu _0\,i}{2} B= \frac{ \mu _0\,iN}{2l} Keterangan:
𝐵= besar induksi magnet (T)
𝑖= besar arus listrik (A)
𝑁= banyak lilitan kawat (lilitan)
𝑙= panjang solenoida (m)
𝑛= banyak lilitan per panjang solenoida (lilitan/m)
\mu _0 = permeabilitas magnet (4π.10\,^-\,^7Wb/Am)
Induksi Magnet Pada Toroida
Toroida adalah kumparan yang dilekuk sehingga membentuk lingkaran. Jika toroida dialiri arus listrik, maka akan timbul garis–garis medan magnet berbentuk lingkaran di dalam toroida.
Besar induksi magnet pada toroida dapat ditentukan dengan persamaan
B= \frac{ \mu _0\,iN}{2 \pi a} Keterangan:
𝐵 = besar induksi magnet (T)
𝑖 = besar arus listrik (A)
𝑁 = banyak lilitan kawat (lilitan)
𝑎 = jari-jari toroida (m)
\mu _0 = permeabilitas magnet (4π.10\,^-\,^7Wb/Am)