Gaya lorent

Rumus Gaya Lorentz dan Cara Menentukan Arahnya

Lorentz adalah nama dari sebuah gaya dalam fisika modern yang diambil dari nama belakang seorang ahli fisika kelahiran Arnhem Belanda bernama Hendrik Anton Lorentz. Jagoan fisika asal negeri kincir angin ini meneliti tentang interaksi sebuah penghantar berarus yang diletakkan di dalam sebuah medan magnet.

Al hasil ia berhasil menemukan sebuah gaya yang kemudian disebut dengan gaya lorentz. Gaya inilah yang kemudian banyak bermanfaat untuk menggerakkan motor listrik untuk berbagai keperluan seperti kipas angin, blender, dan sebagainya.

Apa itu Gaya Lorentz?

Jika ada sebuah penghantar yang dialiri arus listrik dan penghantar tersebut berada dalam medan magnetik maka akan timbul gaya yang disebut dengan nama gaya magnetik atau dikenal juga nama gaya lorentz. Perlu sobat ingat adalah arah dari gaya lorentz selalu tegak lurus dengan arah kuat arus listrik (l) dan induksi magnetik yang ada (B). Jadi kalau dibayangkan mirip dengan ruangan tiga dimensi dengan tiga sumbu masing-masing arus listrik, medan magnet, dan arah gaya lorentz.

Gaya Lorentz pada Kawat Berarus Listrik

Apabila kawat penghatar dengan pangjang l yang dialiri arus listrik sebesar I, kemudian kawat tersebut diletakkan pada daerah yang dipengaruhi medan magnet B, maka kawat tersebut akan mengalami gaya Lorentz yang besarnya  dipengaruhi oleh besar medan magnet, kuat arus dan sudut yang dibentuk oleh medan magnet dan arus listrik. Gaya Lorentz dirumuskan:

Florentz = B I l sin α

B = kuat medan magnet (Tesla)
I = kuat arus yang mengalir pada kawat (ampere)
l = panjang kawat (meter)
α = sudut yang dibentuk oleh B dan I

Arah Gaya Lorentz

Dalam berbagai aplikasi soal fisika sering sekali menanyakan arah dari gaya lorentz. Untuk menentukan arah gaya lorentz sobat bisa menggunakan dua alternatif  cara / kaidah yaitu kaidah tangan kanan atau kaidah pemutaran sekrup.

Kaidah Tangan Kanan

Ibu Jari = arah arus listrik
Jari Telunjuk = arah medan magnet
Jari Tengah = arah gaya lorentz

Kaidah Pemutara Sekrup

Jika sekrup diputar dari I ke B searah dengan arah jarum jam maka arah gaya lorentz ke bawah. Sebaliknya, jika diputar dari I ke B dengan arah berlawanan arah jarum jam maka akan mengahasilkan gaya lorentz ke arah atas.

Gaya Lorentz pad Kawat Sejajar yang Berarus Listrik

Jika ada dua buah kawat lurus berarus listrik yang diletakkan sejajar berdekatan pada sebuah medan magnet akan mengalami gaya Lorentz berupa gaya tarik menarik apabila arus listrik pada kedua kawat tersebut searah dan gaya tolak menolak apabila arus listrik pada kedua kawat tersebut berlawanan arah. Simak ilustrasi berikut:

 

Besarnya gaya tarik menarik atau tolak menolak di antara dua kawat sejajar yang berarus listrik dan terpisah sejauh a dapat ditentukan dengan menggunakan rumus

F1 = F2 = F = gaya tarika menarik atau tolak menolak (Newton)
μo = permeabilitas vakum (4 π. 10^-7 Wb/Am)
I1 = kuat arus pada kawat A
I2 = kuat arus pada kawat B
l = panjang kawat penghantar
a = jarak kedua kawat

Gaya Lorentz pada Muatan Bergerak dalam Medan Magnet

Gaya lorentz ternyata tidak hanya dialami oleh kawat tetapi juga muatan listrik yang bergerak. Apabila mutan listrik q bergerak dengan kecepatan v di dalam sebuah medan magnet B, maka muatan listrik tersebut akan mengalami gaya Lorentz yang bersarnya dirumuskan

Fl = q . v . B sin α

q = muatan listrik (Coloumb)
v = kecepatan gerak muatan (m/s)
B = kuat medan magnet (T)
α = sudut yang dibentuk oleh v dan B

Arah gaya lorentz yang dialami partikel bermuatan q yang bergerak dalam sebuah medan magnet adalah tegak lurus dengan arah kuat medan magnet dan arah kecepatan benda bermuatan tersebut. Untuk menentukan arahnya sobat perlu perhatikan hal berikut

a. Bila muatan q positif, maka arah v searah dengan I
b. Bila muatan q negatif, maka arah v berlawanan dengan I

Jika besarnya susut antara v dan B adalah 90º (v tegak lurus dengan B) maka lintasan partikel bermuatan listrik akan berupa lingkaran, sehingga partikel akan mengalamai gaya sentripetal yang besarnya sama dengan gaya Lorentz. Dirumuskan:

FL	=	Fs
q.v.B sin 90º	=	m v2/R
R	=	mv/qB

R = jari-jari lintasan partikel (m)
m = massa partikel (kg)
v = kecepatan partikel (m/s)
B = kuat medan magnet (T)

Contoh Soal Gaya Lorentz

1. Jika ada sebuah kawat yang dialiri arus listrik dengan arah ke Barat diletakkan dalam medan magnet yang arahnya ke atas, Gaya Lorentz yang dihasilkan akan mengalir ke?

a. ke atas	c. ke timur	d. ke selatan
b. ke bawah	d. ke utara

Jawaban :

Coba sobat gunakan tangan kanan. arahkan ujung jempol (I) ke arah barat. Kemudian, arahkan ujung telunjuk (B) ke arah atas. Amati sekarang arah jari tengah yang merupakan arah dari gaya lorentz. Jika sobat melalukannya dengan cermat maka jari tengah akan menunjuk ke arah utara. (Jawaban d)

2. Perhatikan gambar di bawah ini. Sebuah kawat yang panjangnya 4 m dialiri arus listrik sebesar 25 A. Kawat tersebut berada dalam pengaruh medan magnet sebesar 0,06 Telsa yang membentuk sudut 30º. terhadap kawat. Bersarnya gaya lorentz yang bekerja pada kawat tersebut adalah?

a.0,5 N	c.0,6 N	d.0,75 N
b. 3 N	d. 1 N

Jawaban:
Diketahui
l = 4m
I = 25 A
B = 0,06 T
α = 30^o
FL = B I l sin α
FL = 0,06 . 25. 4. sin 30º
FL = 3 N

Jadi besarnya gaya lorentz yang terjadi adalah 3 N.

3. Dua buah kawat lurus yang sangat panjang diletakkan satu dari yang lain dengan jarak r. Kedua kawat masing-masing dialiri arus sebesar I yang sama arahnya. Maka kedua kawat tersebut akan
a. Tolak menolak dengan gaya sebanding dengan r
b. Tolak menolak dengan gaya sebanding dengan r²
c. Tolak menolak dengan gaya sebanding dengan r^-1
d. tarik menarik dengan gaya sebanding dengan r^-1
e. tarik menarik dengan gaya sebanding dengan r²

Silahkan dicoba ya sobat soal gaya lorentz yang nomor 3.

Manfaat Gaya Lorentz

Salah satu manfaat paling besar dari aplikasi gaya lorentz dalam kehidupan manusia adalah motor listrik. Ketika motor listrik dialiri arus listrik maka akan ada arus yang mengalir menuju cincin komutator. Lalu, dengan melalui sikat karbon arus mengalir ke kumparan. Di dalam motor listrik terdapat magnet yang menimbulkan medan magnet. Dengan adanya medan magnet dan aliran arus listik menimbulkan gerakan berputar akibat adanya gaya lorentz. Lebih jauh tentang prinsip kerja motor listrik akan kita bahas kemudian.

Selain digunakan pada motor listirk, gaya lorentz juga bermanfaat dalam pembuatan galvanometer yang digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik. Secara garis besar prinsip kerja galvanometer mirip dengan motor listik yaitu memanfaatkan gerakan putaran akibat adanya gaya lorentz.