1.
PENGERTIAN GAYA LOURENTZ.
GAYA LORENTZ dalah gaya yang dialami kawat berarus
listrik di dalam medan magnet. Sehingga dapat disimpulkan bahwa gaya Lorentz
dapat timbul dengan syarat sebagai berikut :
(a) ada kawat pengahantar yang dialiri arus
(b) penghantar berada di dalam medan magnet perhatikan gambar di bawah ini Bagaimana gaya lorentz berfungsi, maka lakukan percobaan dengan mengamati bentuk medan magnet atau garis gaya magnet selama percobaan. Bila pengamatan dilakukan dengan benar maka akan diperoleh :
(a) Makin besar arus listrik yang mengalir, makin besar pula gaya yang bekerja dan makin cepat batang penghantar bergulir.
(b) Bila polaritas sumbu dirubah, maka penghantar akan bergerak dalam arah yang berlawanan dengan gerak sebelumnya.
MENENTUKAN ARAH GAYA LORENTZ Arah gaya lorentz dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan. Jari-jari tangan kanan diatur sedemikian rupa, sehingga Ibu jari tegak lurus terjadap telunjuk dan tegak lurus juga terhadap jari tengah. Bila arah medan magnet
(B) diwakili oleh telunjuk dan arah arus listrik
(I) diwakili oleh ibu jari, maka arah gaya lorentz
(F) di tunjukkan oleh jari tengah. perhatikan gambar berikut : Gaya lorentz pada penghantar bergantung pada faktor sebagai berikut
:
(1) kuat medan magnet (B)
(2) besar arus listrik (I)
(3) panjang penghantar sehingga dapat dirumuskan F = B.I.L
keterangan :
F adalah gaya lorentz (N)
B adalah kuat medan magnet (Tesla) I adalah kuat arus listrik (A) L adalah panjang penghantar (m)
(a) ada kawat pengahantar yang dialiri arus
(b) penghantar berada di dalam medan magnet perhatikan gambar di bawah ini Bagaimana gaya lorentz berfungsi, maka lakukan percobaan dengan mengamati bentuk medan magnet atau garis gaya magnet selama percobaan. Bila pengamatan dilakukan dengan benar maka akan diperoleh :
(a) Makin besar arus listrik yang mengalir, makin besar pula gaya yang bekerja dan makin cepat batang penghantar bergulir.
(b) Bila polaritas sumbu dirubah, maka penghantar akan bergerak dalam arah yang berlawanan dengan gerak sebelumnya.
MENENTUKAN ARAH GAYA LORENTZ Arah gaya lorentz dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan. Jari-jari tangan kanan diatur sedemikian rupa, sehingga Ibu jari tegak lurus terjadap telunjuk dan tegak lurus juga terhadap jari tengah. Bila arah medan magnet
(B) diwakili oleh telunjuk dan arah arus listrik
(I) diwakili oleh ibu jari, maka arah gaya lorentz
(F) di tunjukkan oleh jari tengah. perhatikan gambar berikut : Gaya lorentz pada penghantar bergantung pada faktor sebagai berikut
:
(1) kuat medan magnet (B)
(2) besar arus listrik (I)
(3) panjang penghantar sehingga dapat dirumuskan F = B.I.L
keterangan :
F adalah gaya lorentz (N)
B adalah kuat medan magnet (Tesla) I adalah kuat arus listrik (A) L adalah panjang penghantar (m)
Tiga cara untuk memeperbesar gaya lourentz:
1 .Memperbesar medan magnet
2 .Memperbesar kuat arus yang mengalir
3. menambah panjang kawat penghantar.
2. PEMANFAATAN DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
Pemanfaatan Gaya Lorentz Dalam kehidupan sehari-hari penerapan gaya
lorentz dapat memudahkan pekerjaan manusia. Ciri khas dari motor listrik adalah
adanya kumparan yang dilalui arus listrik dan timbulnya medan magnet yang
menyebabkan kumparan berputar sehingga terjadilah sumber tegangan yang
mengalirkan arus listrik, sehingga dapat dimanfaatkan untuk menghidupkan kipas
angin, bola lampu dan blender yang difungsikan .Relai
Relai adalah sebuah alat yang dapat menghubungkan atau memutuskan arus yang besar meskipun dengan energi kecil. Bagian utama sebuah relai yaitu:
a. Magnet listrik (M)
b. Sauh (S)
c. Kontak (K)
d. Pegas (P)
Cara Kerja Relai
Apabila arus mengalir melalui kumparan, M, maka sauh ditarik oleh M, sehingga kontak K bersentuhan. Arus yang mengalir melalui kumparan disebut arus primer. Arus yang dialirkan oleh kontak disebut arus sekunder. Jika arus primer tidak mengalir, maka sauh tertarik oleh pegas, kontak terputus. Skema relai ditunjukkan pada Gambar 12.13b.
Relai banyak digunakan dalam bidang teknik untuk mengatur suatu alat dari jarak jauh, misalnya pada motor listrik. Motor listrik dihubungkan dan diputuskan dengan cara menutup dan membuka sakelar S. Ketika S ditutup, arus listrik kecil mengalir melalui elektromagnet, ujung kiri elektromagnet menarik jangkar besi lunak yang berbentuk L. Pergerakan ini menyebabkan jangkar besi lunak menekan kontak C yang berada di bawah sehingga naik ke atas dan terhubung. Dengan terhubungnya kontak C, maka baterai terhubung ke motor listrik, dan arus listrik mengalir ke dalam motor listrik. Ketika sakelar S dibuka, arus listrik yang melalui elektromagnet terputus, kontak C terbuka dan motor berhenti berputar. Perhatikan Gambar 12.14. Ada dua rangkaian terpisah dan kontak relai C terbuka. Dengan
menutup sakelar S di rangkaian sebelah kiri, kontak C akan menutup dan menghubungkan rangkaian di sebelah kanan. Satu keuntungan dari sistem ini adalah sakelar-sakelar dan kabel-kabel penerangan yang hanya sesuai untuk arus kecil dapat dipakai untuk mengatur mesin-mesin listrik yang berarus besar, misalnya pada dinamo starter mobil.
Penerapan gaya lorentz yang lain, untuk alat ukur listrik,
salah satunya adalah galvanometer.
Galvanometer digunakan untuk mengukur arus listrik yang kecil.
Prinsip kerjanya sama dengan motor listrik,
yaitu berputarnya kumparan karena munculnya dua gaya Lorente sama besar tetapi berlawanan arah, yang bekerja pada dua sisi kumparan yang saling berhadapan. Kawat tembaga dililitkan pada inti besi lunak berbentuk silinder membentuk statu kumparan, dan diletakkan diantara diantara kutub-kutub sebuah magnet hermanen. Arus listrik memasuki dan meninggalkan kumparan melalui pegas spiral yang terpasang di atas dan di bawah kumparan.
Maka sisi kumparan yang dekat dengan kutub utara dan kutub selatan mengalami gaya Lorente yang sama tetapi berlawanan arah, yang akan menyebebkan kumparan berputar. Putaran kumparan ditahan oleh kedua pegas spiral, sehingga kumparan hanya akan berputar dengan sudut tertentu. Putaran dari kumparan diteruskan oleh sebuah jarum untuk menunjuk pada skala tertentu.Angka yang ditunjukkan oleh skala menyatakan besar arus listrik yang diukur.
Pengeras suara bekerja berdasarkan prinsip gaya lorentz.
Komponen dasar pengeras suara terdiri dari tiga bagian yaitu sebuah krucut yertas yang bersambungan dengan sebuah kumparan suara (silinder yang dikitari oleh kawat tembaga) dan sebuah magnet hermanen berbentuk silinder (kutub utara di tengah dan dikelilingi kutub selatan).
Ketika arus dilewatkan pada lilitan kumparan , maka padanya akan bekerja gaya lorentz yang disebabkan oleh magnet permanen. Besar kecilnya gaya bergantung pada arua yang dihasilkan oleh terminal pengeras suara sehingga akan menyebabkan maju mundurnya kerucut kertas yang menumbuk udara sehingga dihasilkan gelombang-gelombang bunyi sesuai dengan frekuensi pengeras suara. akan mengalir arus dari terminal pengeras suara menuju kumparan suara , sehingga didalam kumparan akan ada aliran elektron yang berada di dalam medan magnet.
Elektron yang berada di medan magnet akan mengalami gaya lorentz yang dapat menimbulkan maju atau mundurnya kerucut kertas, sehingga elektron-elektron yang ada disekitar kerucut bertumbukan dengan udara yang mengakibatkan gelombang bunyi.
2.
Konsep Gaya Lorentz
Jika
arus listrik mengalir dari A ke B ternyata pita dari alumunium foil
melengkung ke atas , ini berarti ada sesuatu gaya yang berarah keatas akibat
adanya medan magnet homogen dari utara ke selatan. Gaya ini selanjutnya disebut
sebagai gaya magnetic atau gaya Lorentz . Jika arus listrik dibalik
sehingga mengalir dari B ke A, ternyata pita dari alumunium foil melengkung ke
bawah. Jika arus listrik diperbesar maka alumunium foil akan melengkung lebih
besar. Ini berarti besar dan arah gaya Lorentz tergantung besar dan arah arus
listrik.
Karena gaya Lorentz ( FL ) , arus listrik ( I ) dan medan magnet ( B ) adalah besaran vector maka peninjauan secara matematik besar dan arah gaya Lorentz ini hasil perkalian vector ( cros-product ) dari I dan B.
Karena gaya Lorentz ( FL ) , arus listrik ( I ) dan medan magnet ( B ) adalah besaran vector maka peninjauan secara matematik besar dan arah gaya Lorentz ini hasil perkalian vector ( cros-product ) dari I dan B.
FL = I x B
Besarnya gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus FL = I.B
sinθ
Rumus ini berlaku untuk panjang kawat 1 meter.
Rumus ini berlaku untuk panjang kawat 1 meter.
Perhitungan diatas adalah gaya Lorentz yang mempengaruhi
kawat tiap satuan panjang. Jadi jika panjang kawat = ℓ , maka besar gaya
Lorentz dapat dihitung dengan rumus :
FL = I . ℓ . B . Sin θ
- FL = gaya Lorentz dalam newton ( N )
- I = kuat arus listrik dalam ampere ( A )
- ℓ = panjang kawat dalam meter ( m )
- B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
- θ = sudut antara arah I dan B
Dari rumus di atas ternyata jika besar sudut θ adalah :
- Θ =900 , arah arus listrik dan medan magnet ( I dan B ) saling tegak lurus maka FL mencapai maksimum
- Θ = 00 , arah arus listrik dan medan magnet ( I dan B ) saling sejajar maka FL = 0 atau kawat tidak dipengaruhi gaya Lorentz
Hubungan antara FL , I dan B dapat lebih mudah dipelajari
dengan menggunakan kaidah tangan kiri. Yaitu dengan mengangan-angankan
jika ibu jari, jari telunjuk dan jari tangah kita bentangkan
saling tegak lurus, maka :
- Ibu jari : menunjukan arah gaya Lorentz ( FL ) Arah gaya Lorentz
- Jari telunjuk : menunjukkan arah medan magnet ( B )
- Jari tengah : menunjukkan arah arus listrik ( I )
Coba sekarang kalian terapkan kaidah ini pada percobaan
diatas, mengapa alumunium foil melengkung keatas ?sesuaikah dengan kaidah
tangan kiri ?
Catatan :
Aturan ini dapat juga menggunakan kaidah tangan kanan, yaitu dengan mengangan-angankan jika Ibu jari, Jari Telunjuk dan Jari tengah kita bentangkan saling tegak lurus, maka : Jari tengah menunjuk arah gaya Lorentz, jari telunjuk menunjuk arah medan magnet dan Ibu jari menunjuk arah arus listrik.
Catatan :
Aturan ini dapat juga menggunakan kaidah tangan kanan, yaitu dengan mengangan-angankan jika Ibu jari, Jari Telunjuk dan Jari tengah kita bentangkan saling tegak lurus, maka : Jari tengah menunjuk arah gaya Lorentz, jari telunjuk menunjuk arah medan magnet dan Ibu jari menunjuk arah arus listrik.
Contoh Soal :
·
Sebuah kawat berarus listrik I = 2 A membentang
horizontal dengan arah arus dari utara ke selatan, berada dalam medan magnet
homogen B = 10 – 4 T dengan arah vertikal ke atas. Bila panjang kawatnya
5 meter dan arah arus tegak lurus arah medan magnet. Berapa besar dan
arah gaya Lorentz yang dialami oleh kawat ? ...
Jawab :
Diket : I = 2 A
B = 10 – 4 T
ℓ = 5 m
Ditanya : FL = ............... ?
Dijawab :
FL = I . ℓ . B .sin θ
= 2 ampere . 5 meter . 10 -4 Tesla . sin 900
= 10-3 newton
Dengan arah gaya menunjuk ke Barat
Diket : I = 2 A
B = 10 – 4 T
ℓ = 5 m
Ditanya : FL = ............... ?
Dijawab :
FL = I . ℓ . B .sin θ
= 2 ampere . 5 meter . 10 -4 Tesla . sin 900
= 10-3 newton
Dengan arah gaya menunjuk ke Barat
·
Seutas kawat lurus yang terletak di equator
diarahkan sejajar dengan bumi sepanjang arah timur-barat. Induksi magnetic
dititik itu horizontal dan besarnya 6.10-5 T. Jika massa
persatuan panjang kawat 5.10-3 kg/m dan g = 10 m/s2,
berapa arus yang mengalir di dalam kawat supaya besar gaya yang dialaminya
seimbang dengan berat kawat ? ….
Jawab :
Diket : B = 6.10-5 T
m/L = 5 . 10-3kg/m
g = 10 m/s2
Ditanya : I = …….? Supaya gaya Lorentz seimbang dengan gaya berat
Dijawab :
FL = w
B. I. L = m . g
B . I = m/L . g
6 . 10 – 5 . I = 5 . 10 – 3 . 10
Jadi I = 5000/6 Ampere
Diket : B = 6.10-5 T
m/L = 5 . 10-3kg/m
g = 10 m/s2
Ditanya : I = …….? Supaya gaya Lorentz seimbang dengan gaya berat
Dijawab :
FL = w
B. I. L = m . g
B . I = m/L . g
6 . 10 – 5 . I = 5 . 10 – 3 . 10
Jadi I = 5000/6 Ampere
Bila sebuah partikel bermuatan
listrik bergerak tegak lurus dengan medan magnet homogen yang mempengaruhi
selama geraknya, maka muatan akan bergerak dengan lintasan berupa lingkaran.
Sebuah muatan positif bergerak dalam medan magnet B (dengan arah menembus
bidang) secara terus menerus akan membentuk lintasan lingkaran dengan gaya
Lorentz yang timbul menuju ke pusat lingkaran. Demikian juga untuk muatan
negativ. Persamaan-persamaan yang memenuhi pada muatan yang bergerak dalam
medan magnet homogen sedemikian sehinga membentuk lintasan lingkaran adalah :
*Gaya yang
dialami akibat medan magnet : F = q . v . B
*Gaya sentripetal yang dialami oleh partikel : Dengan menyamakan kedua persamaan kia mendapatkan persamaan :
Keterangan:
R = jari-jari lintasan partikel dalam meter ( m )
m = massa partikel dalam kilogram ( kg )
v = kecepatan partikel dalam meter / sekon ( m/s )
B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
q = muatan partikel dalam coulomb ( C )
*Gaya sentripetal yang dialami oleh partikel : Dengan menyamakan kedua persamaan kia mendapatkan persamaan :
Keterangan: R = jari-jari lintasan partikel dalam meter ( m )
m = massa partikel dalam kilogram ( kg )
v = kecepatan partikel dalam meter / sekon ( m/s )
B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
q = muatan partikel dalam coulomb ( C )
3. CONTOH SOAL dan PEMBAHASAN
Soal
No. 1
Perhatikan gambar berikut ! Seutas kawat berada diantara dua magnet yang memiliki besar induksi magnetik 0,02 Tesla. Jika besar kuat arus yang mengalir pada kawat adalah 5 A,
Perhatikan gambar berikut ! Seutas kawat berada diantara dua magnet yang memiliki besar induksi magnetik 0,02 Tesla. Jika besar kuat arus yang mengalir pada kawat adalah 5 A,
Tentukan :
a) Besar gaya magnetik yang bekerja pada kawat sepanjang 10 cm
b) Arah gaya magnetik dengan acuan arah mata angin pada gambar
a) Besar gaya magnetik yang bekerja pada kawat sepanjang 10 cm
b) Arah gaya magnetik dengan acuan arah mata angin pada gambar
Pembahasan
a) Besar gaya magnetik pada kawat sepanjang l meter yang berada pada medan magnet B Tesla dan dialiri kuat arus listrik sebesar i Ampere dengan sudut antara arah B dan i sebesar θ adalah :
b) Arah gaya ditentukan dengan kaidah tangan kanan
4 jari → arah B
Jempol → arah i
Telapak tangan → arah F
Jika terdapat dua buah kutub magnet maka arah B adalah dari kutub Utara ke kutub Selatan, sehingga arah F adalah masuk bidang baca atau jika mengikuti petunjuk mata angin arahnya adalah ke bawah.
Soal No. 2
Perhatikan gambar berikut!
Kemanakah arah gaya magnetik pada kawat ?
Pembahasan
Seperti soal nomor satu didapat arah gaya adalah keluar bidang baca atau keluar bidang gambar atau mendekati pembaca.
Soal No. 3
Dua buah kawat dengan konfigurasi seperti gambar di bawah!
Tentukan besar dan arah gaya magnetik yang bekerja pada kawat II untuk panjang kawat 0,5 meter!
Pembahasan
Besar gaya magnetik jika dua buah kawat berarus didekatkan adalah :
Arah gaya:
Jika kedua arus memiliki arah yang sama maka kedua kawat akan tarik menarik
Jika kedua arus memiliki arah yang berlawanan maka kedua kawat akan saling tolak
Dengan demikian arah gaya pada kawat II adalah ke kiri (ditarik mendekat ke kawat I)
Soal No. 4
Tiga buah kawat tersusun seperti gambar !
Tentukan besar dan arah gaya magnetik pada kawat II untuk panjang kawat 1 meter
Pembahasan
a) Kawat II dipengaruhi oleh dua kawat yang lain kawat I dan III
Gaya yang timbul pada kawat II akibat pengaruh kawat I namakan F21 sebesar :
Arah ke kiri
Gaya yang timbul pada kawat II akibat pengaruh kawat III namakan F23 sebesar :
Arah ke kiri
Resultan kedua gaya namakan F2:
Arah ke kiri
Soal No. 5
Kawat A dan kawat B terpisah sejauh 2 meter dengan kuat arus masing-masing 1 A dan 2 A.
Tentukan dimana kawat C harus diletakkan agar resultan gaya pada C sebesar nol !
Pembahasan
Agar resultan gaya magnetik pada C nol, maka kedua gaya akibat pengaruh kawat A dan B harus berlawanan arah. Posisi yang memungkinkan adalah jika kawat C diletakkan di sebelah kiri A atau disebelah kanan B (ingat lagi: Jika kedua arus memiliki arah yang sama maka kedua kawat akan tarik menarik, Jika kedua arus memiliki arah yang berlawanan maka kedua kawat akan saling tolak
Misal ambil posisi C disebelah kiri A dan namakan jaraknya sebagai x
Posisi kawat C adalah 2 meter di kiri kawat A atau 4 meter di kiri kawat B
Soal No. 6
Tiga buah kawat berarus A, B dan C membentuk suatu segitiga sama sisi. Kawat A dialiri arus dengan arah keluar bidang baca, kawat B dan C dialiri arus dengan arah masuk bidang baca tersusun seperti gambar di bawah!
Tentukan :
a) Besar gaya magnetik yang bekerja pada kawat B untuk panjang kawat 1 meter
b) Arah gaya magnetik yang bekerja pada kawat B
Pembahasan
a) Kawat B akan ditolak oleh kawat A dan ditarik oleh kawat C . Ilustrasi seperti gambar di bawah
Interaksi kawat B dan A menghasilkan FBA :
Interaksi kawat B dan C menghasilkan FBC :
Resultan kedua gaya magnetik namakan FB:
Masukkan data, dan akan didapatkan hasil :
b) Salah satu cara untuk menentukan arah FB dengan penguraian vektor gaya kelas 10 SMA, ilustrasi gambar berikut :
Arah FB adalah 60o terhadap sumbu X.
Soal No. 7
Dua kawat sejajar lurus panjang berjarak 20 cm satu sama lain. Apabila kedua kawat dialiri arus listrik 0,5 A dan 4 A, dan µo = 4π .10–7 Wb.A–1.m–1 maka pada setiap kawat bekerja gaya tiap meternya sebesar...
A. 2 × 10–6 N
B. 4 × 10–6 N
C. 2π × 10–6 N
D. 8 × 10–6 N
E. 4π × 10–6 N
(Soal Ebtanas 1993)
Pembahasan
Gaya magnetik pada kawat lurus sejajar yang dialiri arus listrik
Sehingga
Soal No. 8
Dua kawat sejajar yang berjarak 1 m satu sama lain kawat yang mempunyai dialiri oleh arus listrik masing-masing 1 A dengan arah yang sama. Di antara kedua kawat akan terjadi …
A. Gaya tarik menarik sebesar 4×107 N
B. Gaya tolak menolak sebesar 2×107 N
C. Gaya tarik menarik sebesar 2×107 N
D. Gaya tarik menarik sebesar 2×10–7 N
E. Gaya tolak menolak sebesar 2×10–7 N
(Soal Ebtanas 1998)
Pembahasan
Seperti sebelumnya, gaya magnetik pada kawat lurus sejajar yang dialiri arus listrik
Gaya yang timbul adalah tarik menarik
Soal No. 9
Sebuah kawat yang panjangnya 10 cm berada tegak lurus di dalam medan magnetik. Jika rapat fluks magnetiknya 0,2 tesla dan kuat arus yang mengalir di dalam kawat itu 45 A, gaya yang dialami kawat itu adalah...
A. 10,5 x 10−4 N
B. 2,55 x 10−2 N
C. 7,50 x 10−1 N
D. 0,90 N
E. 2,25 N
(Gaya lorentz - Sipenmaru 1984)
Pembahasan
Data soal:
l = 10 cm = 0,1 m
i = 45 A
B = 0,2 T
F =....
F = Bil
F = 0,2 x 45 x 0,1
F = 0,90 N
Tidak ada komentar:
Posting Komentar