Pengertian Gaya Magnetik, Gaya Lorentz, Contoh Soal, Rumus, Praktikum, Jawaban, Penghantar, Arus Listrik, Medan Magnet, Garis Lurus, Spiral, Sejajar, Lingkaran, Fisika.
1. Gaya Magnet pada Penghantar Berarus di Medan Magnet
Arus merupakan kumpulan muatan-muatan yang bergerak. Kita telah mengetahui bahwa arus listrik memperlihatkan gaya pada magnet, ibarat pada jarum kompas. Eksperimen yang dilakukan Oersted mengambarkan bahwa magnet juga akan memperlihatkan gaya pada kawat pembawa arus.
 |
| Gambar 1. Kawat yang membawa arus I pada medan magnet. |
Gambar 1. memperlihatkan sebuah kawat dengan panjang l yang mengangkut arus I yang berada di dalam medan magnet B. Ketika arus mengalir pada kawat, gaya diberikan pada kawat. Arah gaya selalu tegak lurus terhadap arah arus dan juga tegak lurus terhadap arah medan magnetik. Besar gaya yang terjadi adalah:
a. berbanding lurus dengan arus I pada kawat,
b. berbanding lurus dengan panjang kawat l pada medan magnetik,
c. berbanding lurus dengan medan magnetik B,
d. berbanding lurus sudut θ antara arah arus dan medan magnetik.
Secara matematis besarnya gaya Lorentz sanggup dituliskan dalam persamaan:
F = I . l . B sinθ .............................................. (1)
Apabila arah arus yang terjadi tegak lurus terhadap medan magnet (θ = 90o), maka diperoleh:
Fmaks = I. l. B .............................................................. (2)
Tetapi, kalau arusnya paralel dengan medan magnet (θ = 0o), maka tidak ada gaya sama sekali (F = 0).
2. Gaya Magnetik pada Muatan Listrik yang Bergerak di Medan Magnet
Kawat penghantar yang membawa arus akan mengalami gaya ketika diletakkan dalam suatu medan magnetik, yang besarnya sanggup ditentukan dengan memakai persamaan (1). Karena arus pada kawat terdiri atas muatan listrik yang bergerak, maka menurut penelitian memperlihatkan bahwa partikel bermuatan yang bergerak bebas (tidak pada kawat) juga akan mengalami gaya ketika melewati medan magnetik.
Materi Fisika :
Kaidah ajudan menyatakan bahwa arah medan magnetik di sekitar kawat ialah sedemikian sehingga bila ajudan dibuka dengan ibu jari memperlihatkan arah v, keempat jari lainnya memperlihatkan arah induksi magnetik B, dan arah telapak tangan memperlihatkan arah gaya Lorentz F.
Kita sanggup memilih besarnya gaya yang dialami partikel tersebut. Jika N partikel bermuatan q melewati titik tertentu pada ketika t, maka akan terbentuk arus:
I = Nq / t ............................................................... (3)
Jika t ialah waktu yang diharapkan oleh muatan q untuk menempuh jarak l pada medan magnet B, maka:
l = v . t ................................................................ (4)
dengan v menyatakan kecepatan partikel. Jadi, dengan memakai persamaan (1) akan diketahui gaya yang dialami N partikel tersebut, yaitu:
Gaya pada satu partikel diperoleh dengan membagi persamaan (5) dengan N, sehingga diperoleh:
F = q v B sin θ .................................................... (6)
Persamaan (6) memperlihatkan besar gaya pada sebuah partikel bermuatan q yang bergerak dengan kecepatan v pada besar lengan berkuasa medan magnetik B, dengan θ ialah sudut yang dibuat oleh v dan B. Gaya yang paling besar akan terjadi pada ketika partikel bergerak tegak lurus terhadap B (θ = 90o), sehingga:
Fmaks = q. v. B .......................................................... (7)
Tetapi, ketika partikel bergerak sejajar dengan garis-garis medan (θ = 0o, maka tidak ada gaya yang terjadi. Arah gaya tegak lurus terhadap medan magnet B dan terhadap partikel v, dan sanggup diketahui dengan kaidah tangan kanan.
Lintasan yang ditempuh oleh partikel bermuatan dalam medan magnetik tergantung pada sudut yang dibuat oleh arah kecepatan dengan arah medan magnetik.
2.1. Garis Lurus (Tidak Dibelokkan)
Lintasan berupa garis lurus terbentuk kalau arah kecepatan partikel bermuatan sejajar baik searah maupun berlawanan arah dengan medan magnetik. Hal ini mengakibatkan tidak ada gaya Lorentz yang terjadi, sehingga gerak partikel tidak dipengaruhi oleh gaya Lorentz. Lintasan gerak terlihat ibarat pada Gambar 2.
 |
| Gambar 2. Lintasan partikel yang bergerak sejajar dengan garis medan magnet (a) searah (b) berlawanan arah. |
2.2. Lingkaran
 |
| Gambar 3. Lintasan melingkar yang dialami muatan -q. |
Gambar 3. memperlihatkan lintasan yang ditempuh partikel bermuatan negatif yang bergerak dengan kecepatan v ke dalam medan magnet seragam B ialah berupa lingkaran. Kita anggap v tegak lurus terhadap B, yang berarti bahwa v seluruhnya terletak di dalam bidang gambar, sebagaimana ditunjukkan oleh tanda x. Elektron yang bergerak dengan laju konstan pada kurva lintasan, memiliki percepatan sentripetal:
a = v2/r
Berdasarkan Hukum II Newton, bahwa:
F = m.a
Maka, dengan memakai persamaan (7) diperoleh:
q.v.B = m.a
qvB = m (v2/r) ............................................................ (8)
atau R = mv / qB ......................................................... (9)
Persamaan di atas untuk memilih jari-jari lintasan (R), dengan m ialah massa partikel, v ialah kecepatan partikel, B menyatakan induksi magnetik, dan q ialah muatan partikel.
2.3. Spiral
Lintasan melingkar terjadi apabila kecepatan gerak muatan tegak lurus terhadap medan magnetik. Tetapi, kalau v tidak tegak lurus terhadap B, maka yang terjadi ialah lintasan spiral. Vektor kecepatan sanggup dibagi menjadi komponen-komponen sejajar dan tegak lurus terhadap medan. Komponen yang sejajar terhadap garisgaris medan tidak mengalami gaya, sehingga tetap konstan. Sementara itu, komponen yang tegak lurus dengan medan menghasilkan gerak melingkar di sekitar garis-garis medan. Penggabungan kedua gerakan tersebut menghasilkan gerak spiral (heliks) di sekitar garis-garis medan, ibarat yang terlihat pada Gambar 4.
 |
| Gambar 4. Lintasan spiral. |
Contoh Soal 1 :
Suatu kawat berarus listrik 10 A dengan arah ke atas berada dalam medan magnetik 0,5 T dengan membentuk sudut 30o terhadap kawat. Jika panjang kawat 5 meter, tentukan besarnya gaya Lorentz yang dialami kawat!
Penyelesaian:
Diketahui:
I = 10 A
α = 30o
B = 0,5 T
l = 5 m
Ditanya : F = ... ?
Pembahasan :
Pembahasan :
F = I.l.B sin α
F = (0,5)(10)(5) sin 30o
F = 25 (1/2) = 12,5 newton
Contoh Soal 2 :
Suatu muatan bermassa 9,2 × 10-38 kg bergerak memotong secara tegak lurus medan magnetik 2 tesla. Jika muatan sebesar 3,2 × 10-9 C dan jari-jari lintasannya 2 cm, tentukan kecepatan muatan tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 9,2 × 10-38 kg
B = 2 tesla
q = 3,2 × 10-9 C
R = 2 cm = 2 × 10-2 m Besarnya kecepatan muatan adalah:
3. Gaya Magnet pada Dua Penghantar Sejajar
Dua penghantar lurus panjang yang terpisah pada jarak d satu sama lain, dan membawa arus I1 dan I2, diperlihatkan pada Gambar 5.
Berdasarkan eksperimen, Ampere menyatakan bahwa masing-masing arus pada kawat penghantar menghasilkan medan magnet, sehingga masing-masing memperlihatkan gaya pada yang lain, yang mengakibatkan dua penghantar itu saling tarik-menarik. Apabila arus I, menghasilkan medan magnet B1 yang dinyatakan pada persamaan (8), maka besar medan magnet adalah:
 |
| Gambar 5. Dua kawat sejajar yang mengangkut arus-arus sejajar. |
Berdasarkan persamaan (2), gaya F per satuan panjang l pada penghantar yang membawa arus I2 adalah:
F / l = I2.B1 .............................................................. (11)
Gaya pada I2 hanya disebabkan oleh I1. Dengan mensubstitusikan persamaan (11) ke persamaan (10), maka akan diperoleh:
Contoh Soal 3 :
Dua kawat lurus yang panjangnya 2 m berjarak 1 m satu sama lain. Kedua kawat dialiri arus yang sama besar dan arahnya berlawanan. Jika gaya yang timbul pada kawat 1,5 × 10-7 N/m, tentukan besar lengan berkuasa arus yang mengalir pada kedua kawat tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui:
l = 2 m
d = 1 m
F = 1,5 × 10-7 N/m
I1 = I2 = I Besarnya besar lengan berkuasa arus yang mengalir pada kedua kawat adalah:
4. Percobaan Sederhana / Praktikum Medan Magnet
Tujuan : Memahami terjadinya gaya Lorentz.
Alat dan materi : Penjepit kayu, konduktor aluminium foil, kabel penghubung, amperemeter DC, voltmeter, penggaris, resistor variabel, sakelar on-off, dan baterai.
Cara Kerja :
- Dalam kondisi sakelar off, rangkailah alat ibarat gambar.
- On-kan sakelar dan perhatikan apakah terjadi perubahan pada kedua konduktor pada pada serpihan tengahnya.
- Ubahlah besar tahanan dengan memutar sedikit resistor variabel sehingga mulai terlihat adanya perubahan fisis Δx pada konduktor lempeng aluminium foil serpihan tengahnya itu.
- Bacalah nilai pembacaan amperemeter I dan voltmeter V.
- Ukurlah dengan penggaris perubahan fisis jarak antara kedua konduktor serpihan tengahnya. Ukurlah pula panjang konduktor l.
- Ulangilah langkah 3 - 5 untuk aneka macam nilai V dan I, serta panjang konduktor.
- Catatlah data hasil percobaan dengan mengikuti format berikut ini.
No | V (volt) | I (A) | l (m) | (m)Δt | Keterangan |
Diskusi :
1. Apakah yang sanggup disimpulkan dari percobaan yang telah kalian lakukan?
Anda kini sudah mengetahui Gaya Magnet. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.
Referensi :
Budiyanto, J. 2009. Fisika : Untuk SMA/MA Kelas XII. Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta. p. 298.
