Gaya Lorentz

Gaya Lorentz adalah gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet (B). Arah gaya ini akan mengikuti arah maju skrup yang diputar dari vektor arah gerak muatan listrik (v) ke arah medan magnet (B), seperti yang terlihat dalam rumus berikut:

Keterangan:
F = gaya (Newton)
B = medan magnet (Tesla)
q = muatan listrik ( Coulomb)
v = arah kecepatan muatan (m/t)

Sebuah partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam daerah medan magnet homogen akan mendapatkan gaya. Gaya ini juga dinamakan gaya Lorentz. Gerak partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah medan magnet ( B ). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik ( I ). Untuk muatan positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah arus.

Jika besar muatan q bergerak dengan kecepatan v, dan I = q/t maka persamaan gaya adalah:
                                               FL = I . ℓ . B sin θ
                                                     = q/t . ℓ . B sin θ
                                                     = q . ℓ/t . B sin θ
                                                     = q . v . B sin θ
                        *Karena ℓ/t = v

Sehingga besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh sebuah muatan yang bergerak dalam daerah medan magnet dapat dicari dengan menggunakan rumus :

F = q . v . B sin θ

Keterangan:
F = gaya Lorentz dalam newton ( N )
q = besarnya muatan yang bergerak dalam coulomb ( C )
v = kecepatan muatan dalam meter / sekon ( m/s )
B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
θ = sudut antara arah v dan B

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 )

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

                 
Orang dengan kipas angin                                                Blender jus

                                               Motor listrik

Pada saat sakelar on maka akan mengalir arus dari sumber tegangan menuju cincin komutator selanjutnya melalui sikat karbon arus mengalir ke kumparan (loop). Sehingga di dalam loop akan ada aliran elektron yang berada di dalam medan magnet.Elektron yang terdapat pada loop akan mendapat gaya lorentz yang besarnya sama tetapi dengan arah yang berlawanan pada masing-masing sisi loop. Sehingga keseimbangan loop terganggu dan loop akan berputar secara terus menerus. Fungsi komutator pada motor listrik adalah untuk mengatur agar arus tetap mengalir ke satu arah. Motor listrik mengubah energi listrik menjadi gerak.

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.

                                               Alat ukur listrik

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.

Gaya Lorentz