Pada pembahasan induksi magnet kita sudah mengetahui bahwa arus listrik dapat menimbulkan medan magnet. Pada artikel kali ini, kita akan mempelajari bagaimana arus dan medan magnet berinteraksi hingga dapat menimbulkan aurora dan berbagai aplikasi elektronik lainnya.
Daftar Isi
Pengertian Gaya Lorentz
Magnet tidak hanya mampu menarik magnet lainnya melainkan juga dapat melakukan gaya (menarik atau mendorong) pada sebuah kawat yang dialiri arus listrik.
Gaya Lorentz adalah gaya yang muncul akibat adanya muatan listrik yang bergerak dalam selang waktu tertentu atau arus listrik yang berada dalam pengaruh suatu medan magnet.
Baca juga: Materi Induksi Elektromagnetik Serta Contoh Soal
Gaya Lorentz Pada Kawat Berarus
Besar gaya yang akan dialami sebuah kawat berarus listrik dinyatakan dalam hukum Lorentz.
F = I.L x B
Dengan:
F = vektor gaya (N)
I = kuat arus listrik (A)
L = Vektor panjang kawat (m)
Besar vektor L sama dengan bagian panjang kawat yang dikenai medan magnet, sedangkan arahnya sama dengan arah arus dalam kawat.
B = medan / induksi magnet (T)
Sebuah perkalian cross antara dua vector dapat kita sederhanakan menjadi
Dengan θ = sudut antara arus dan medan magnet.
Gaya Lorentz pada Muatan yang Bergerak
Arus adalah muatan yang bergerak tiap satuan waktu.
I = q/t
Maka akibatnya persamaan gaya Lorentz juga dapat dinyatakan sebagai
Dengan θ = sudut antara arus (vektor v) dan medan magnet (B).
Artinya, jika muatan yang bergerak adalah elektron maka jangan lupa untuk menggunakan arah sebaliknya.
Gaya Lorentz Dua Kawat Berarus
Medan listrik tidak hanya muncul dari sumber magnet seperti magnet batang, ladam u, dan lainnya. Tapi medan magnet juga dapat muncul dari arus listrik yang kemudian menghasilkan induksi magnet.
Jika medan induksi tersebut dihasilkan sebuah kawat lurus, maka persamaan gaya lorentznya akan menjadi
Dengan:
θ = selalu tegak lurus. Akibatnya sin θ = 1
dan
maka
F = Gaya Lorentz (N)
I = kuat arus listrik (A)
L = Vektor panjang kawat (m)
μo = permeabilitas vakum 4π x 10-7 (Wb/mA)
i = kuat arus listrik (A)
d = jarak antar kawat penghantar (m)
Gerak Partikel dalam Medan Magnet
Sebuah gaya mampu menarik maupun mendorong arus lisrik baik arus yang berada dalam kawat sehingga kawat berarus menjadi melengkung maupun membelokkan muatan sehingga memiliki lintasan tertentu.
Partikel terdiri dari dua jenis yakni positif dan negatif jenis partikel ini akan menentukan arah gaya lorentz membelokkan lintasan muatan.
Arah gaya yang dihasilkan akan sesuai dengan kaidah tangan kanan.
Dengan jempol menunjukkan arah arus (i)
Telunjuk arah medan magnet (B)
Dan ketiga jari lainnya / telapak tangan menunjukkan arah gaya Lorentz (F)
Jika sudut antara vektor kecepatan v dan medan magnet B saling tegak lurus atau 90 derajat, akibatnya muatan akan bergerak melingkar. Sedangkan jika sudutnya tidak saling tegak lurus maka akan dihasilkan lintasan helix.
Pemanfaatan dalam Kehidupan Sehari-Hari
Motor Listrik
Motor listrik adalah salah satu alat yang sering kita jumpai, seperti dalam kipas angin. Secara sederhana motor listrik dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Hal ini dikarenakan komponen motor listrik yang terdiri dari kumparan berotor, magnet stator, dan komutator (cincin belah).
Motor listrik bekerja dengan meletakkan kumparan di dalam medan magnet, lalu mengalirkan arus listrik yang mengaliri kumparan sehingga akan muncul medan magnet. Ketika arus mengalir di kedua sisi kumparan maka akan muncul gaya Lorentz dengan arah yang saling berlawanan sehingga menimbulkan momen kopel.
Momen kopel itu menyebabkan kumparan berputar dan menggerakkan motor. Sedangkan komutator berfungsi untuk menjaga agar arus listrik yang dihasilkan tetap arus searah (DC).
Dengan:
τ = momen kopel
N = jumlah lilitan
B = Medan magnet
I = arus listrik
A = luas kumparan
θ = sudut antara B dan A
Spektrometer Massa
Spektrometer massa adalah alat yang biasa digunakan untuk menentukan massa atom secara teliti. Alat ini memanfaatkan gaya Lorentz. Atom yang akan diukur mula-mula diionisasi sehingga bermuatan positif. Kemudian, ion ditembakkan tegak lurus dengan arah medan magnet di dalam spectrometer. Akibatnya ion akan membentuk lintasan setengah lingkaran dengan jari-jari yang terukur. Jika laju ion dapat ditentukan, maka massa ion dapat dihitung menggunakan persamaan gaya Lorentz sebagai gaya sentripetal ion.
Galvanometer
Galvanometer adalah sebuah komponen elektronik yang biasa terdapat pada amperemeter dan voltmeter. Dengan cara kerja yang sama dengan motor listrik, galvanometer mampu mendeteksi adanya arus listrik meski lemah sekalipun.
Kereta Api Maglev
Kereta api maglev adalah kereta yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak menggunakan prinsip induksi magnet. Di bagian bawah kereta dan rel terdapat magnet listrik, sehingga menyebabkan kereta dapat melayang di atas rel, akibatnya gaya gesekan menjadi berkurang dan kereta dapat melaju dengan cepat. Hal ini sesuai dengan namanya, yakni maglev magnetic levitation. Rekor kecepatan kereta api maglev saat ini dipegang oleh Shanghai Maglev yakni 430 Km/jam.
Contoh Soal Gaya Lorentz
Sebuah partikel yang mempunyai massa 200 mikrogram dan membawa muatan 2×10-8 C ditembakkan secara tegak lurus dan horizontal pada medan magnet serbasama yang horizontal dengan kecepatan 5×104 m/s. Jika partikel itu tidak mengalami perubahan arah, tentukan kuat medan magnet.
Pembahasan:
Pada kasus ini, dua gaya bekerja pada muatan yakni gaya berat atau gaya gravitasi yang arahnya menuju pusat bumi / ke bawah dan gaya Lorentz yang arahnya ke atas. Supaya lintasan partikel tidak berubah, maka besar gaya berat harus sama dengan gaya Lorentz.
FL = Fg
Bqv = mg
B = m.g / qv
B = 2×10-4 . 10 / 2×10-8. 5×104
B = 2 T
Baca juga: Materi Listrik Statis
Pemahaman Akhir
Arus listrik dapat menimbulkan medan magnet, dan gaya Lorentz adalah gaya yang muncul akibat adanya muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet. Gaya Lorentz memiliki peranan penting dalam berbagai aplikasi elektronik, termasuk dalam motor listrik, spektrometer massa, galvanometer, dan kereta api maglev.
Gaya Lorentz pada kawat berarus dinyatakan dalam hukum Lorentz yang menggambarkan besar gaya yang akan dialami sebuah kawat berarus listrik yang berada dalam medan magnet. Hal ini dapat digunakan untuk menghitung gaya yang dialami oleh kawat tersebut.
Gaya Lorentz juga terjadi pada muatan yang bergerak dalam medan magnet. Muatan yang bergerak mengalami gaya Lorentz yang menyebabkan muatan tersebut melengkung atau membelokkan lintasan sesuai dengan kaidah tangan kanan.
Beberapa aplikasi gaya Lorentz dalam kehidupan sehari-hari termasuk dalam motor listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak, spektrometer massa yang digunakan untuk menentukan massa atom secara teliti, galvanometer yang digunakan dalam amperemeter dan voltmeter, dan kereta api maglev yang berjalan di atas rel dengan bantuan medan magnet.
Dalam menyelesaikan contoh soal gaya Lorentz, diperlukan pemahaman mengenai hubungan antara medan magnet, arus listrik, muatan, dan kecepatan partikel. Dengan memanfaatkan hukum Lorentz, kuat medan magnet dapat dihitung untuk memastikan partikel tidak mengalami perubahan arah lintasan.
Itu dia pembahasan mengenai gaya lorentz yang merupakan kelanjutan dari materi induksi magnetik, beserta contoh soal yang muncul di ujian. Ada yang ingin kamu diskusikan? tulis di kolom komentar ya!
Sumber:
Abdullah, Mikrajuddin. 2006. Fisika SMA dan MA untuk Kelas XII Semester I. Jakarta : Erlangga.
Tipler, Paul. 1998. Fisika Untuk Teknik Dan Sains. Jil 2 Edisi 3. Jakarta : Erlangga.
