Gaya Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) merupakan ilmuwan Belanda yang memiliki kontribusi besar pada bidang fisika dan fisika kuantum. Berdasarkan hasil kerja ilmuwan-ilmuwan sebelumnya, Lorentz mengoreksi dan merampungkan hukum gaya elektromagnetik yang sekarang menyandang namanya.

Gaya lorentz merupakan gabungan antara gaya elektrik dan gaya magnetik pada suatu medan elektromagnetik. Gaya Lorentz ditimbulkan karena adanya muatan listrik yang bergerak atau karena adanya arus listrik dalam suatu medan magnet. Arah dari gaya Lorentz selalu tegak lurus dengan arah kuat arus listrik (I) dan induksi magnetik yang ada (B).

Lihat juga materi StudioBelajar.com lainnya:
Induksi Elektromagnetik
Hukum Newton
Energi Kinetik & Energi Potensial

Gaya Lorentz pada Kawat Berarus Listrik

gaya lorentz pengertian

Ketika sebuah kawat dengan panjang  dialiri arus listrik sebesar l dan diletakkan pada suatu medan magnetik sebesar I, maka akan timbul gaya Lorentz pada kawat tersebut. Dengan mengombinasikan gaya Lorentz dan definisi arus listrik, maka dapat dihitung besarnya gaya Lorentz pada kawat yang lurus dan stasioner yaitu:

F_{Lorentz} = I lB \times \sin \alpha

di mana:

l merupakan panjang kawat (m)
I merupakan kuat arus yang mengalir pada kawat (Ampere)
B merupakan kuat medan magnet (Tesla)
α merupakan sudut yang dibentuk oleh B dan I

Jika arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, maka gaya Lorentz yang terjadi akan maksimal (\sin 90^o = 1). Inilah keadaan yang biasanya selalu dikondisikan secara nyata yakni agar gaya Lorentz yang didapat selalu maksimal, medan magnet dikondisikan selalu tegak lurus dengan arus listrik yang mengalir.

F_{Lorentz} = Il \times B

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan pada gambar dibawah ini:

kaidah tangan kanan pada gaya lorentz

Kaidah tangan kanan pertama menggunakan tiga jari tangan kanan dimana:

Ibu jari = arah arus listrik (I)
Jari telunjuk = arah medan magnet (B)
Jari tengah = arah gaya Lorentz (F)

Kaidah tangan kanan kedua menggunakan telapak tangan kanan yang terbuka dan lebih mudah gunakan terlebih lagi jika sudut \alpha \neq 90^o dimana:

Ibu jari = arah arus listrik (I)
Keempat jari lain = arah medan magnet (B)
Telapak tangan = arah gaya Lorentz (F)

Besarnya sudut α tidak mempengaruhi arah gaya Lorentz karena arah gaya Lorentz selalu tegak lurus dengan arah arus listrik dan medan magnetik.

Mau belajar materi ini dalam bentuk video? Buka di Quipper Video

Gaya Lorentz pada Kawat Sejajar yang Berarus Listrik

Ketika terdapat dua buah kawat dengan panjang l dialiri arus listrik sebesar I yang tiap kawat diletakkan pada suatu medan magnetik sebesar B, maka akan timbul gaya Lorentz berupa gaya tarik menarik ataupun tolak menolak tergantung dari arah arus listrik pada tiap kawat. Jika kedua kawat memiliki arah arus yang searah, maka akan mengalami gaya tarik menarik; apabila arah arus pada kedua kawat saling bertolak belakang/berlawanan, maka akan mengalami gaya tolak-menolak.

kawat berarus searah dan bertolak belakang

Besarnya gaya tarik-menarik ataupun tolak-menolak pada kawat sejajar berarus listrik dapat dicari dengan menggunakan rumus:

F_{Lorentz} = F_1 = F_2 = \frac{mu_0 I_1 I_2}{2 \pi \alpha} l

di mana:

F1 merupakan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak pada kawat 1 (Newton)
F2 merupakan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak pada kawat 2 (Newton)
I1 merupakan kuat arus yang mengalir pada kawat 1 (Ampere)
I2 merupakan kuat arus yang mengalir pada kawat 2 (Ampere)
µ0 merupakan permeabilitas vakum (4 \pi \times 10^{-7} Wb/Am)
l merupakan panjang kawat (m)
α merupakan jarak antar kedua kawat (m)

Gaya Lorentz pada Muatan Bergerak dalam Medan Magnet

Ketika terdapat muatan listrik q yang bergerak dengan kecepatan v pada suatu medan magnetik sebesar B, maka muatan listrik tersebut akan mengalami gaya Lorentz yang besarnya dapat dihitung dengan rumus:

F_{Lorentz} = qvB \times \sin \alpha

di mana:

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

Arah gaya Lorentz pada kasus ini adalah tegak lurus dengan arah kuat medan magnet dan arah kecepatan benda. Arah gaya Lorentz akan berbeda tergantung muatan partikelnya. Perhatikan gambar dibawah, sesuai dengan kaidah tangan kanan, bila muatan q positif maka arah v searah dengan I; bila muatan q negatif maka arah v berlawanan dengan arah I.

gaya lorentz dalam medan magnet

Jika arah medan magnet tegak lurus dengan arah kecepatan partikel bermuatan listrik, maka lintasannya akan berbentuk lingkaran sehingga partikel akan mengalami gaya sentripetal yang besarnya sama dengan gaya Lorentz.

F_{Lorentz} = F_{sentripetal}

qvB = mv^2/R

Sehingga, besarnya jari-jari lintasan melingkar partikel tersebut dapat dicari dengan:

R = mv/qvB

Manfaat dan Aplikasi Gaya Lorentz

Manfaat dan aplikasi terbesar dari penerapan gaya Lorentz adalah motor listrik. Dengan mengalirkan arus listrik pada kumparan di dalam medan magnet, dapat dihasilkan gaya Lorentz berupa rotasi pada motor listrik untuk menggerakkan batang shaft yang kemudian dapat dipakai untuk segala kebutuhan.

Selain motor listrik, aplikasi gaya Lorentz diterapkan pada railguns, linear motor, loud speaker, generator listrik, linear alternator, dan lain sebagainya.

Contoh Soal Gaya Lorentz dan Pembahasan

Sebuah proton bergerak searah sumbu X positif (ke kanan) dengan kecepatan 3 m/s melewati medan magnet sebesar 5 \times 10^{-6} T dengan arah masuk ke layar. Berapa besar gaya yang dialami partikel tersebut? (q = 1.6 \times 10^{-19} C).

a) 2.24 \times 10^{-24} Newton dengan arah sumbu Y positif (ke atas)
b) 2.24 \times 10^{-24} Newton dengan arah melingkar ke atas
c) 2.24 \times 10^{-24} Newton dengan arah melingkar ke bawah
d) 1.44 \times 10^{-24} Newton dengan arah melingkar ke bawah

Pembahasan:

Dengan menggunakan rumus gaya Lorentz didapat:

F_{Lorentz} = qvB = (1.6 \times 10^{-19} C) (3 m/s) (5 \times 10^{-6} T)

F_{Lorentz} = 2.4 \times 10^{-24} Newton

Sesuai dengan kaidah tangan kanan, partikel bermuatan positif maka arah kecepatannya sama dengan arah ibu jari, arah medan magnet merupakan arah keempat jari, maka telapak tangan menghadap ke atas. Oleh karena arah kecepatan partikel tegak lurus dengan arah medan magnet, maka lintasannya berbentuk melingkar.

Jadi, jawaban yang benar adalah B.

Kontributor: Ibadurrahman, S.T.
Mahasiswa S2 Teknik Mesin FT UI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

  1. Elektroskop
  2. Mikrometer Sekrup
  3. Elastisitas Fisika