Medan magnet adalah salah satu konsep fundamental dalam fisika yang menjelaskan interaksi antara muatan listrik yang bergerak atau material magnetik. Memahami medan magnet sangat penting, tidak hanya untuk keberhasilan akademis tetapi juga untuk memahami berbagai teknologi modern, mulai dari motor listrik, generator, hingga perangkat penyimpanan data. Latihan soal fisika tentang medan magnet ini dirancang untuk membantu Anda menguasai materi ini secara komprehensif. Kami menyajikan berbagai jenis soal, mulai dari pilihan ganda yang menguji pemahaman konsep dan perhitungan dasar, isian singkat untuk menguji ingatan akan istilah kunci, uraian yang menuntut analisis mendalam, hingga soal menjodohkan untuk memperkuat korelasi antar konsep. Setiap soal dilengkapi dengan jawaban dan pembahasan singkat untuk mempermudah proses belajar Anda. Persiapkan diri Anda menghadapi ujian dengan serangkaian soal medan magnet ini dan tingkatkan pemahaman Anda tentang fenomena magnetisme yang menarik!
Contoh Soal soal fisika materi medan magnet
A. Pilihan Ganda
1. Arah medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik dapat ditentukan dengan kaidah…
- A. Tangan kiri
- B. Gaya Lorentz
- C. Tangan kanan
- D. Hukum Lenz
- E. Hukum Faraday
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Arah medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik ditentukan menggunakan kaidah tangan kanan, di mana ibu jari menunjukkan arah arus listrik dan jari-jari lainnya melingkar menunjukkan arah medan magnet.
2. Sebuah kawat lurus sangat panjang dialiri arus listrik 2 A. Berapakah besar induksi magnet pada titik P yang berjarak 1 cm dari kawat? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Wb/Am)
- A. 2 × 10⁻⁵ T
- B. 4 × 10⁻⁵ T
- C. 8 × 10⁻⁵ T
- D. 2π × 10⁻⁵ T
- E. 4π × 10⁻⁵ T
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Rumus induksi magnet untuk kawat lurus panjang adalah B = (μ₀ × I) / (2π × a). Substitusi nilai: I = 2 A, a = 1 cm = 0.01 m. B = (4π × 10⁻⁷ × 2) / (2π × 0.01) = (8π × 10⁻⁷) / (0.02π) = 4 × 10⁻⁵ T.
3. Sebuah solenoida memiliki panjang 20 cm dan terdiri dari 100 lilitan. Jika solenoida dialiri arus listrik 0.5 A, berapakah kuat medan magnet di pusat solenoida? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Wb/Am)
- A. 2π × 10⁻⁵ T
- B. 5π × 10⁻⁵ T
- C. π × 10⁻⁴ T
- D. 2π × 10⁻⁴ T
- E. 5π × 10⁻⁴ T
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Rumus kuat medan magnet di pusat solenoida adalah B = (μ₀ × N × I) / L. Substitusi nilai: N = 100, I = 0.5 A, L = 20 cm = 0.2 m. B = (4π × 10⁻⁷ × 100 × 0.5) / 0.2 = (200π × 10⁻⁷) / 0.2 = 1000π × 10⁻⁷ = π × 10⁻⁴ T.
4. Gaya Lorentz adalah gaya yang dialami oleh…
- A. Muatan listrik diam dalam medan listrik
- B. Muatan listrik diam dalam medan magnet
- C. Muatan listrik bergerak dalam medan listrik
- D. Muatan listrik bergerak dalam medan magnet
- E. Kawat tanpa arus dalam medan magnet
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Gaya Lorentz adalah gaya yang bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet atau pada kawat berarus listrik yang berada dalam medan magnet.
5. Sebuah elektron (muatan -1.6 × 10⁻¹⁹ C) bergerak dengan kecepatan 2 × 10⁶ m/s tegak lurus terhadap medan magnet homogen 0.5 T. Berapakah besar gaya Lorentz yang dialami elektron tersebut?
- A. 1.6 × 10⁻¹³ N
- B. 3.2 × 10⁻¹³ N
- C. 8.0 × 10⁻¹⁴ N
- D. 1.6 × 10⁻¹² N
- E. 3.2 × 10⁻¹² N
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Rumus gaya Lorentz pada muatan bergerak adalah F = qvB sinθ. Karena tegak lurus, sinθ = sin90° = 1. F = (1.6 × 10⁻¹⁹) × (2 × 10⁶) × 0.5 = 1.6 × 10⁻¹³ N.
6. Dua kawat lurus sejajar terpisah sejauh 10 cm. Kawat pertama dialiri arus 5 A dan kawat kedua 10 A dengan arah yang sama. Berapakah besar gaya per satuan panjang yang dialami masing-masing kawat? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Wb/Am)
- A. 5 × 10⁻⁵ N/m
- B. 1 × 10⁻⁴ N/m
- C. 2 × 10⁻⁴ N/m
- D. 5 × 10⁻³ N/m
- E. 1 × 10⁻³ N/m
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Rumus gaya per satuan panjang antara dua kawat sejajar adalah F/L = (μ₀ × I₁ × I₂) / (2π × a). Substitusi nilai: I₁ = 5 A, I₂ = 10 A, a = 10 cm = 0.1 m. F/L = (4π × 10⁻⁷ × 5 × 10) / (2π × 0.1) = (200π × 10⁻⁷) / (0.2π) = 1000 × 10⁻⁷ = 1 × 10⁻⁴ N/m. Karena arah arus sama, gayanya tarik-menarik.
7. Satuan dari induksi magnet dalam Sistem Internasional (SI) adalah…
- A. Ampere (A)
- B. Volt (V)
- C. Weber (Wb)
- D. Tesla (T)
- E. Henry (H)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Satuan SI untuk induksi magnet (kuat medan magnet) adalah Tesla (T).
8. Sebuah toroida memiliki 400 lilitan dan jari-jari rata-rata 20 cm. Jika toroida dialiri arus 1 A, berapakah induksi magnet di dalam toroida? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Wb/Am)
- A. 2 × 10⁻⁴ T
- B. 3 × 10⁻⁴ T
- C. 4 × 10⁻⁴ T
- D. 5 × 10⁻⁴ T
- E. 6 × 10⁻⁴ T
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Rumus induksi magnet di dalam toroida adalah B = (μ₀ × N × I) / (2π × R). Substitusi nilai: N = 400, I = 1 A, R = 20 cm = 0.2 m. B = (4π × 10⁻⁷ × 400 × 1) / (2π × 0.2) = (1600π × 10⁻⁷) / (0.4π) = 4000 × 10⁻⁷ = 4 × 10⁻⁴ T.
9. Fluks magnetik adalah…
- A. Jumlah garis medan magnet yang menembus suatu luasan
- B. Kuat medan magnet pada suatu titik
- C. Arah medan magnet
- D. Sumber medan magnet
- E. Gaya yang dialami oleh magnet
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Fluks magnetik adalah ukuran jumlah garis medan magnet yang melewati suatu area permukaan. Ini adalah ukuran total ‘medan magnet’ yang melewati area yang diberikan.
10. Sebuah kawat melingkar dengan jari-jari 5 cm dialiri arus 2 A. Berapakah induksi magnet di pusat lingkaran? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Wb/Am)
- A. 8π × 10⁻⁶ T
- B. 4π × 10⁻⁶ T
- C. 2π × 10⁻⁶ T
- D. 1.6π × 10⁻⁵ T
- E. 3.2π × 10⁻⁵ T
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Rumus induksi magnet di pusat kawat melingkar adalah B = (μ₀ × I) / (2R). Substitusi nilai: I = 2 A, R = 5 cm = 0.05 m. B = (4π × 10⁻⁷ × 2) / (2 × 0.05) = (8π × 10⁻⁷) / 0.1 = 8π × 10⁻⁶ T.
11. Pernyataan yang benar tentang sifat-sifat garis gaya magnet adalah…
- A. Garis gaya magnet selalu berpotongan
- B. Garis gaya magnet keluar dari kutub selatan dan masuk ke kutub utara
- C. Kerapatan garis gaya magnet tidak menunjukkan kuatnya medan magnet
- D. Garis gaya magnet tidak pernah berpotongan
- E. Garis gaya magnet hanya ada di luar magnet
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Garis gaya magnet tidak pernah berpotongan, selalu keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan, serta rapatnya garis menunjukkan kuatnya medan magnet.
12. Sebuah partikel bermuatan positif bergerak sejajar dengan arah medan magnet. Maka gaya Lorentz yang dialami partikel tersebut adalah…
- A. Nol
- B. Maksimum
- C. Setengah maksimum
- D. Berbanding lurus dengan kecepatan
- E. Berbanding terbalik dengan kecepatan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Gaya Lorentz F = qvB sinθ. Jika partikel bergerak sejajar dengan medan magnet (θ = 0°) atau berlawanan arah (θ = 180°), maka sinθ = 0, sehingga gaya Lorentznya nol.
13. Bahan yang dapat ditarik kuat oleh magnet disebut…
- A. Diamagnetik
- B. Feromagnetik
- C. Paramagnetik
- D. Konduktor
- E. Isolator
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Bahan feromagnetik adalah bahan yang dapat ditarik kuat oleh magnet (misalnya besi, nikel, kobalt). Paramagnetik ditarik lemah, sedangkan diamagnetik ditolak lemah.
14. Sebuah kawat sepanjang 20 cm dialiri arus 4 A berada dalam medan magnet homogen 0.1 T. Jika kawat membentuk sudut 30° terhadap arah medan magnet, berapakah besar gaya Lorentz yang dialami kawat?
- A. 0.02 N
- B. 0.03 N
- C. 0.04 N
- D. 0.05 N
- E. 0.08 N
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Rumus gaya Lorentz pada kawat berarus adalah F = BIL sinθ. Substitusi nilai: B = 0.1 T, I = 4 A, L = 20 cm = 0.2 m, θ = 30°. F = 0.1 × 4 × 0.2 × sin30° = 0.08 × 0.5 = 0.04 N.
15. Pada motor listrik, prinsip kerja utama yang memanfaatkan medan magnet adalah…
- A. Gaya Lorentz
- B. Hukum Faraday
- C. Hukum Lenz
- D. Hukum Ohm
- E. Hukum Coulomb
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Motor listrik bekerja berdasarkan prinsip gaya Lorentz, di mana kawat berarus dalam medan magnet mengalami gaya yang menyebabkan putaran.
16. Konstanta permeabilitas magnetik ruang hampa (μ₀) memiliki nilai…
- A. 8.85 × 10⁻¹² C²/Nm²
- B. 9 × 10⁹ Nm²/C²
- C. 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- D. 6.67 × 10⁻¹¹ Nm²/kg²
- E. 4π × 10⁻⁷ Wb/Am
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: E
Pembahasan: Nilai konstanta permeabilitas magnetik ruang hampa (μ₀) adalah 4π × 10⁻⁷ Wb/Am atau H/m.
17. Sebuah kumparan kawat terdiri dari 50 lilitan berbentuk lingkaran dengan jari-jari 10 cm. Jika kumparan dialiri arus 0.2 A, berapa kuat medan magnet di pusat kumparan? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Wb/Am)
- A. 2π × 10⁻⁶ T
- B. 5π × 10⁻⁶ T
- C. 2π × 10⁻⁵ T
- D. π × 10⁻⁵ T
- E. 5π × 10⁻⁵ T
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Rumus kuat medan magnet di pusat kumparan N lilitan adalah B = (μ₀ × N × I) / (2R). Substitusi nilai: N = 50, I = 0.2 A, R = 10 cm = 0.1 m. B = (4π × 10⁻⁷ × 50 × 0.2) / (2 × 0.1) = (20π × 10⁻⁷) / 0.2 = 100π × 10⁻⁷ = π × 10⁻⁵ T.
18. Perangkat yang digunakan untuk mengukur kuat medan magnet adalah…
- A. Amperemeter
- B. Voltmeter
- C. Gaussmeter
- D. Ohmmeter
- E. Termometer
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Gaussmeter atau magnetimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kuat medan magnet.
19. Sebuah proton bergerak dengan kecepatan konstan dalam daerah yang memiliki medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. Jika gaya listrik dan gaya magnet saling meniadakan, maka kecepatan proton dapat ditentukan oleh rasio…
- A. B/E
- B. E/B
- C. qE/B
- D. qB/E
- E. qv/E
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Jika gaya listrik (qE) dan gaya magnet (qvB) saling meniadakan, maka qE = qvB. Ini menyiratkan E = vB, sehingga v = E/B.
20. Medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida sangat kuat di bagian…
- A. Dalam solenoida
- B. Luar solenoida
- C. Ujung solenoida
- D. Tengah solenoida tapi di luar lilitan
- E. Tidak ada medan magnet di solenoida
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Medan magnet di dalam solenoida (terutama di bagian tengahnya) adalah homogen dan kuat, sedangkan di luar solenoida sangat lemah.
B. Isian Singkat
1. Arah medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik dapat ditentukan dengan kaidah tangan _________.
Jawaban: kanan
2. Gaya yang dialami oleh partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnet disebut gaya _________.
Jawaban: Lorentz
3. Satuan SI untuk fluks magnetik adalah _________.
Jawaban: Weber
4. Bahan yang ditarik lemah oleh magnet disebut _________.
Jawaban: paramagnetik
5. Sebuah partikel bermuatan positif bergerak dengan kecepatan v memasuki medan magnet B secara tegak lurus. Jika muatan partikel q, maka besar gaya Lorentz yang dialami adalah F = _________.
Jawaban: qvB
C. Menjodohkan
1. Jodohkan istilah-istilah berikut dengan definisi atau konsep yang tepat!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Kutub Utara Magnet | Arah keluar garis gaya magnet |
| Hukum Biot-Savart | Menghitung kuat medan magnet di sekitar elemen arus |
| Solenoida | Kumparan panjang yang menghasilkan medan magnet homogen di dalamnya |
| Gaya Lorentz | Gaya pada muatan bergerak dalam medan magnet |
2. Jodohkan besaran fisika atau konstanta berikut dengan satuannya atau nilainya yang tepat!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Induksi Magnet (B) | Tesla (T) |
| Fluks Magnetik (Φ) | Weber (Wb) |
| Permeabilitas Magnetik Ruang Hampa (μ₀) | 4π × 10⁻⁷ Wb/Am |
| Kuat Arus Listrik (I) | Ampere (A) |
D. Uraian
1. Jelaskan bagaimana medan magnet dihasilkan di sekitar kawat lurus berarus listrik dan bagaimana arahnya ditentukan. Gambarkan ilustrasi sederhana.
Medan magnet dihasilkan di sekitar kawat lurus berarus listrik karena adanya gerakan muatan listrik (arus). Ini adalah salah satu prinsip dasar elektromagnetisme. Arah medan magnet ditentukan menggunakan kaidah tangan kanan: jika ibu jari menunjuk arah arus listrik (I), maka genggaman jari-jari lain yang melingkar menunjukkan arah medan magnet (B). Medan magnet akan berbentuk lingkaran konsentris di sekitar kawat. Ilustrasi: Gambar kawat lurus vertikal dengan panah ke atas menunjukkan arus. Lingkaran-lingkaran konsentris mengelilingi kawat dengan panah berlawanan arah jarum jam (jika arus ke atas) menunjukkan arah B.
2. Dua kawat sejajar dialiri arus listrik. Jelaskan kondisi kapan kedua kawat akan saling tarik-menarik dan kapan saling tolak-menolak. Berikan alasan fisiknya.
Dua kawat sejajar yang dialiri arus listrik akan saling berinteraksi melalui gaya magnet (Gaya Lorentz). Jika kedua kawat dialiri arus dengan arah yang SAMA, mereka akan SALING TARIK-MENARIK. Alasannya, medan magnet yang dihasilkan oleh satu kawat akan memberikan gaya Lorentz pada kawat yang lain, dan arah gaya ini akan menuju ke arah kawat pertama. Sebaliknya, jika kedua kawat dialiri arus dengan arah yang BERLAWANAN, mereka akan SALING TOLAK-MENOLAK. Ini karena medan magnet dari satu kawat akan memberikan gaya Lorentz pada kawat kedua dengan arah menjauhi kawat pertama.
3. Apa perbedaan mendasar antara medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida dan toroida? Sebutkan masing-masing rumus kuat medan magnetnya.
Perbedaan mendasar antara solenoida dan toroida terletak pada bentuk dan distribusi medan magnetnya:
– Solenoida: Berbentuk kumparan panjang melingkar. Medan magnet yang dihasilkan di DALAM solenoida (terutama di bagian tengah) adalah homogen dan kuat, sedangkan di luar solenoida sangat lemah (mendekati nol). Rumus kuat medan magnet di pusat solenoida: B = (μ₀ × N × I) / L.
– Toroida: Berbentuk kumparan melingkar yang dililitkan pada inti berbentuk donat. Medan magnet hanya ada di DALAM inti toroida, sedangkan di luar dan di lubang tengah toroida medan magnetnya nol. Rumus kuat medan magnet di dalam toroida: B = (μ₀ × N × I) / (2πR).
Keterangan: μ₀ = permeabilitas magnetik ruang hampa, N = jumlah lilitan, I = kuat arus, L = panjang solenoida, R = jari-jari rata-rata toroida.
4. Sebuah partikel bermuatan (misalnya elektron) bergerak memasuki daerah medan magnet homogen. Jelaskan mengapa lintasan partikel tersebut bisa berupa lingkaran atau spiral.
Ketika sebuah partikel bermuatan memasuki medan magnet homogen, gaya Lorentz akan bekerja pada partikel tersebut. Besar gaya Lorentz adalah F = qvB sinθ.
1. Jika partikel bergerak tegak lurus (θ = 90°) terhadap medan magnet, gaya Lorentz akan selalu tegak lurus terhadap arah kecepatan partikel. Gaya ini berfungsi sebagai gaya sentripetal, menyebabkan partikel bergerak dalam lintasan lingkaran dengan jari-jari R = mv / (qB).
2. Jika partikel bergerak membentuk sudut tertentu (0° < θ < 90°) terhadap medan magnet, kecepatan partikel dapat diuraikan menjadi dua komponen: satu sejajar dengan medan magnet (v_paralel) dan satu tegak lurus terhadap medan magnet (v_tegak lurus). Komponen v_paralel tidak mengalami gaya Lorentz dan menyebabkan partikel bergerak lurus sepanjang arah medan. Komponen v_tegak lurus mengalami gaya Lorentz dan menyebabkan gerak melingkar. Kombinasi kedua gerakan ini menghasilkan lintasan spiral.
5. Jelaskan prinsip kerja spektrometer massa yang memanfaatkan medan magnet untuk memisahkan ion berdasarkan rasio massa per muatan (m/q).
Spektrometer massa adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa atom atau molekul. Prinsip kerjanya melibatkan penggunaan medan listrik dan medan magnet:
1. **Ionization:** Sampel diionisasi, menghasilkan ion-ion bermuatan positif.
2. **Acceleration:** Ion-ion dipercepat oleh medan listrik sehingga memiliki kecepatan tertentu.
3. **Velocity Selector (opsional):** Beberapa spektrometer memiliki ‘pemilih kecepatan’ yang menggunakan medan listrik (E) dan medan magnet (B) yang saling tegak lurus. Hanya ion dengan kecepatan v = E/B yang dapat melewatinya tanpa dibelokkan.
4. **Deflection by Magnetic Field:** Setelah melewati pemilih kecepatan (atau langsung dari akselerator), ion memasuki daerah medan magnet homogen lain yang tegak lurus terhadap arah gerak ion. Gaya Lorentz (F = qvB) menyebabkan ion bergerak melingkar. Radius lintasan (R) lingkaran ini bergantung pada massa (m), muatan (q), kecepatan (v), dan kuat medan magnet (B): R = mv / (qB).
5. **Detection:** Dengan mengukur jari-jari lintasan (R) dan mengetahui nilai B, q, dan v, rasio massa per muatan (m/q) dapat dihitung. Karena ion dengan m/q yang berbeda akan memiliki jari-jari lintasan yang berbeda, mereka dapat dipisahkan dan dideteksi secara terpisah.