Bagaimana jika benda bergerak tidak tegak lurus arah medan magnet

Jakarta -

Gaya lorentz adalah energi yang ditemukan dalam aliran listrik pada kawat yang berarus atau sejajar. Sesuai namanya, gaya lorentz ditemukan ahli fisika Hendrik Antoon Lorentz

Lewat rumus gaya lorentz bisa diketahui konsep gabungan antara gaya elektrik dan magnetik. Supaya lebih mudah memahami seputar gaya lorentz, berikut penjelasannya

A. Pengertian gaya lorentz

Dalam Modul Pembelajaran Fisika SMA Kelas XII yang disusun karya Sujoko dijelaskan, gaya lorentz timbul akibat kawat penghantar lurus berarus listrik. Arus listrik dalam kawar lurus ini memotong medan magnetik.

Dengan kata lain, gaya lorentz timbul karena muatan listrik atau medan listrik bergerak dalam suatu medan magnet. Kedudukan gaya disesuaikan juga dengan tempat muatan listrik tersebut menjalar dalam kawat.

Konsep gaya magnetik atau gaya lorentz ini banyak digunakan dalam kehidupan kita sehari-hari. Beberapa diantaranya yaitu pada motor, loudspeaker, memori komputer, dan lainnya.

Gaya lorentz juga dapat dilihat pada motor listrik yang memiliki sebuah kumparan kawat dan magnet tetap. Motor listrik dapat bergerak karena gaya lorentz yang terjadi pada kumparan kawat penghantar arus listrik di medan magnet.

B. Arah gaya lorentz

Misalnya pada suatu benda konduktor atau penghantar (kawat) yang diletakan dalam dua medan magnet. Magnet tersebut memiliki dua kutub yang berbeda, kutub selatan (S) dan kutub utara (N).

Jika kawat diberi arus listrik, maka pada kawat tersebut akan timbul gaya lorentz yang dapat menggerakkannya atau membengkokkan. Arah gerak atau bengkoknya kawat akan mengikuti arah gaya lorentz.

Konsep gaya lorentz tidak menimbulkan arah acak, namun memiliki pola dan arah tegak lurus dari arah kuat arus listrik (l) dan magnetik (B). Maka, arahnya akan sejalur dengan arah medan magnet.

C. Rumus Gaya Lorentz

Berikut ini beberapa rumus gaya lorentz berdasarkan arus listrik:

1. Rumus gaya lorentz di kawat berarus

Besarnya gaya magnetik atau Gaya Lorentz pada kawat berarus dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

𝑭𝑳 = 𝑩.𝒊.𝒍. 𝒔𝒊𝒏𝜽

Keterangan:

• 𝑭𝑳 = gaya Lorentz (N)
• 𝐵 = induksi magnet (T)
• 𝑖 = kuat arus listrik (A)
• 𝑙 = panjang kawat (m)
• 𝜃 = sudut antara arah arus listrik dengan kuat medan magnet (0).

2. Rumus gaya lorentz di kawat sejajar

Besarnya gaya medan magnet pada kawat sejajar dengan arus listrik dapat ditemukan dengan rumus berikut

Rumus gaya lorentz. Foto: Screenshoot modul fisika

Keterangan:

• 𝑭𝑳 = gaya magnet (N)
• 𝑖1 = besar arus listrik di kawat pertama (A)
• 𝑖2 = besar arus listrik di kawat kedua (A)
• 𝑙 = panjang kawat (m)
• 𝑎 = jarak antara kedua kawat (m)
• 𝜇0 = permeabilitas magnet = 4 x 10-7 Wb/Am.

3. Rumus gaya lorentz pada muatan bergerak dalam medan magnet

Jika ada muatan listrik (q) bergerak dengan kecepatan (v) dalam medan magnetik (B), maka muatan listrik itu mengalami gaya lorentz yang dapat dihitung menggunakan rumus:

𝑭𝑳 = 𝑞. 𝑣. 𝐵. 𝑠𝑖𝑛

Keterangan:

• 𝑭𝑳 = gaya magnetik atau Gaya Lorentz (N)
• 𝑞 = muatan (C)
• 𝑣 = kecepatan muatan (m/s)
• 𝐵 = Induksi magnet (T)
• 𝛼 = Sudut Antara induksi magnet dengan arah muatan (0).

Nah, itu tadi pembahasan terkait gaya lorentz mulai dari pengertian, cara menentukan arah gaya lorentz, hingga rumus yang bisa kamu praktikan dalam contoh soal.

Simak Video "Konsep Multiverse dalam Sudut Pandang Agama"

[Gambas:Video 20detik]
(row/row)

Lihat Foto

HowStuffWorks

Ilustrasi gaya magnet yang ditimbulkan dari medan magnet karena kawat berarus.

KOMPAS.com - Dilansir dari Encyclopedia Britannica, gaya Lorentz merupakan seluruh gaya elektromagnetk pada partikel bermuatan yang bergerak dengan suatu kecepatan melalui medan listrik dan medan magnet.

Mari kita pelajari bagaimana timbulnya gaya magnet yang dialami suatu kawat penghantar berarus listrik yang berada dalam suatu medan magnet.

Gaya Magnetik pada Kawat Berarus

Seorang peneliti bernama Lorentz, menyatakan bahwa besarnya gaya magnetik yang dialami oleh kawat beraliran arus listrik adalah:

• berbanding lurus dengan kuat medan magnet,
• berbanding lurus dengan kuat arus listrik yang mengalir dalam kawat,
• berbanding lurus dengan panjang kawat penghantar,
• berbanding lurus dengan sudut yang dibentuk arus dengan arah induksi magnet.

Sehingga persamaan dalam menentukan besarnya gaya magnetik pada kawat berarus adalah:

KOMPAS.com/RISYA FAUZIYYAH Persamaan besarnya gaya magnetik pada kawat berarus

Baca juga: NASA Selidik Anomali Medan Magnet Misterius di Bumi yang Makin Melemah

Gaya Magnetik di Antara Dua Kawat Sejajar Berarus

Dua buah kawat sejajar yang saling berdekatan dan dialiri arus listrik juga akan timbul gaya magnet.

Jika arah arus pada kawat adalah searah maka akan terjadi gaya tarik-menarik antara kedua kawat. Jika arah arus pada kedua kawat adalah berlawanan, maka akan terjadi gaya tolak-menolak pada kedua kawat.

Kedua gaya tersebut diakibatkan oleh adanya gaya magnet pada kedua kawat. Besarnya gaya magnet pada masing-masing kawat dapat ditentukan dengan persamaan:

KOMPAS.com/RISYA FAUZIYYAH Persamaan besarnya gaya magnet pada masing-masing kawat berarus

Lihat Foto

HowStuffWorks

Sebuah penerapan gaya magnet adalah dalam railguns.

Gaya Magnetik pada Muatan Listrik yang Bergerak

Benda bermuatan listrik yang bergerak dalam medan magnetik akan mengalami gaya magnet.Persamaan dalam menentukan besarnya gaya magnet yang dialami oleh benda tersebut adalah:

KOMPAS.com/RISYA FAUZIYYAH Persamaan besarnya gaya magnet pada muatan listrik yang bergerak

Baca juga: Bukan Cuma Andal Mengendus, Anjing Mampu Rasakan Medan Magnet Bumi

Benda yang bergerak dalam medan dengan lintasan yang berbentuk lingkaran adalah akibat dari benda tersebuut memiliki arah tegak lurus dengan medan magnet.

Besarnya jari-jari lintasan tersebut dapat dihitung dengan persamaan:

KOMPAS.com/RISYA FAUZIYYAH Persamaan besarnya jari-jari lintasan pada muatan listrik yang bergerak

Keterangan:F = gaya magnet pada kawatB = induksi magnetI = arus listrik pada kawatl = panjang kawat penghantarq = besarnya muatan listrikv = kecepatan muatan listrikR = jari-jari lintasan muatan listrik

m = massa benda bermuatan listrik

Dapatkan update berita pilihan dan breaking news setiap hari dari Kompas.com. Mari bergabung di Grup Telegram "Kompas.com News Update", caranya klik link //t.me/kompascomupdate, kemudian join. Anda harus install aplikasi Telegram terlebih dulu di ponsel.

Soal 1
Jelaskan bentuk lintasan untuk sebuah partikel bermuatan yang memasuki daerah medan magnetik untuk kasus-kasus berikut: (a) Partikel bergerak sejajar dengan medan magnetik, (b) partikel bergerak tegak lurus terhadap medan magnetik, (c) tentukan juga usaha oleh gaya magnet pada muatan tersebut untuk kasus (a) dan (b)!

Jawab:

Besar gaya magnetik yang dialami partikel bermuatan yang bergerak dalam medan magnetik adalah F = qvB sin θ dengan θ adalah sudut apit antara arah v dan B.

(a) Partikel bergerak sejajar dengan medan magnetik (v//F) berarti θ = 00, maka

F = qvB sin 00 = 0
F = 0 sehingga partikel tidak dibelokkan dalam medan magnetik. Ini menyebabkan lintasan partikel berbentuk garis lurus.

(b) Pertikel bergerak tegak lurus terhadap medan magnetik (v ⊥ B), berarti θ = 900, maka

F = qvB sin 900 = qvB
Arah gaya magnetik (FLorentz) kita tentukan dengan kaidah tangan kanan.
(Aturan tangan kanan: arahkanlah ibu jari sesuai dengan arah gerakan muatan dan arahkan keempat jari lainnya sesuai dengan arah B (keluar bidang), maka kita peroleh arah dorong telapak tangan (arah F) seperti terlihat pada gambar di bawah ini).

 

Tampak bahwa gaya Lorentz yang membelokkan partikel selalu tegak lurus  terhadap kecepatan partikel. Ini adalah ciri gaya yang selalu mengarah ke pusat lintasan dan disebu gaya sentripetal. Karena gaya Lorentz yang bekerja pada muatan q bekerja sebagai gaya sentripetal, maka jelaslah lintasan yang tempuh partikel pasti berupa lingkaran.
Karena gaya sentripetal Fs = mv2/R dan gaya Lorentz, FL = qvB, dan gaya Lorentz berperilaku sebagai gaya setripetal maka
mv2/R = qvB
R = mv/qB (jari-jari lintasan melingkar partikel). (c) usaha (kerja) yang dilakukan oleh atau pada suatu partikel adalah

W = F.Δs cos θ = ΔEK

Dengan Δs = perpindahan partikel (muatan), F = gaya yang bekerja pada muatan, θ = sudut antara perpindahan dan gaya dan ΔEK = perubahan energi kinetik muatan.

Dari penjelasan untuk kasus (a) kita peroleh bahwa gaya magnetik yang bekerja untuk partikel yang bergerak sejajar dengan medan magnetik tidak akan mengalami gaya Lorentz (gaya magnet), FL = 0. Maka usaha oleh gaya magnet untuk kasus ini adalah nol (W = 0).

Untuk kasus (b) ketika partikel bergerak tegak lurus terhadap arah medan magnetik akan muncul gaya Lorentz yang arahnya tegak lurus dengan kecepatan partikel yang menyebabkan partikel ini bergerak dalam lintasan melingkar dengan kecepatan konstan atau dengan kata lain tidak ada perubahan energi kinetik (ΔEK = 0), maka usaha oleh gaya magnetik tersebut juga sama dengan nol (W = 0).

KESIMPULAN : Gaya magnet tidak bisa bekerja  pada suatu partikel bermuatan karena selalu tegak lurus tegak lurus terhadap gerakan partikel sehingga tidak ada perpindahan terjadi sepanjang arah gaya dan dengan demikian kecepatannya tetap konstan dan energi kinetiknya tidak berubah maka gaya magnetiknya tersebut tidak melakukan usaha.

Soal 2

Sebuah partikel bermuatan positif bergerak dengan kecepatan v pada bidang XY dan membentuk sudut θ terhadap sumbu X+ (di mana θ ≠ 00). Jika partikel tersebut bergerak dalam medan magnetik B berarah ke sumbu X+, bagaimanakah bentuk lintasan yang dibentuk partikel?

Jawab:

Mula-mula kecepatan v yang miring terhadap sumbu X+ kita uraikan menghasilkan vektor komponen vx yang searah dengan vektor B (vx //B) dan vy yang tegak lurus dengan vektor B (vy ⊥ B). Kecepatan vx yang sejajar sedang B akan menghasilkan lintasan lurus ke arah sumbu X+. Kecepatan sumbu y vy yang tegak lurus dengan B akan menghasilkan yanag Lorentz FL yang terletak pada Bidang YOZ dan arah FL di O adalah ke arah sumbu (Z–) (lihat gambar).

Gaya Lorentz ini akan menghasilkan lintasan berbentuk lingkaran dengan arah putaran seperti gambar di bawah ini!

Perpaduan gerak lurus dan gerak melingkar menghasilkan lintasan spiral atau heliks dengan sumbu putar sejajar dengan sumbu X+ dan arah putaran spiral adalah berlawanan jarum jam menurut pengamat seperti gambar.