Bagaimana konsep gaya magnet pada partikel bermuatan? Hari ini, magnet banyak sekali digunakan dalam kehidupan manusia. Magnet dapat kita temui salah satu contohnya dalam motor, loudspeaker, memori komputer, dan lainlain. Pada bagian ini tentunya kita akan memfokuskan diri pada gaya yang diakibatkan oleh medan magnet, baik terhadap kawat berarus maupun terhadap partikel yang bergerak dalam medan magnet.

Salah satu alat yang memanfaatkan prinsip gaya magnetik adalah alat listrik. Alat listrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik adalah motor listrik. Motor listrik jika kita hubungkan dengan sumber tegangan akan berputar. Bagaimana prinsip motor listrik tersebut bekerja, dapatkah kalian menjelaskannya? Apabila kita perhatikan di dalam motor listrik terdapat sebuah kumparan kawat dan magnet tetap. Motor listrik tersebut dapat berputar karena timbulnya gaya Lorentz atau gaya magnetik yang terjadi pada kumparan kawat penghantar beraliran arus listrik yang berada dalam medan magnet.

Marilah sekarang kita mempelajari timbulnya gaya magnet yang dialami oleh sebuah kawat penghantar berarus listrik yang berada di dalam medan magnet.

Gaya Magnetik pada Kawat Berarus dalam Medan Magnetik

Pada kegiatan pembelajaran I, Anda telah mempelajari bahwa jika sebuah kawat penghantar dialiri arus listrik, akan timbul medan magnet disekitar kawat tersebut. bagaimana jika kawat berarus listrik listrik ditempatkan dalam medan magnet. Untuk memahami hal tersebut, perhatikan uraian materi berikut ini!

Gambar 1: Gaya Lorentz Pada Kawat

Perhatikan Gambar di atas, sebuah kawat penghantar AB yang dibentangkan melalui medan magnet yang ditimbulkan oleh magnet tetap. Apabila pada ujung kawat A kita hubungkan dengan kutub positif baterai dan ujung B kita hubungkan dengan kutub negatif baterai, maka pada kawat AB mengalir arus dari A ke B. Pada saat itu kawat AB akan bergerak ke atas. Sebaliknya jika arus listrik diputus (dihentikan), kawat kembali ke posisi semula. Sebaliknya jika ujung A dihubungkan dengan kutub negatif dan ujung B dihubungkan dengan kutub positif baterai, kembali kawat bergerak ke bawah (berlawanan dengan gerak semula). Gerakan kawat ini menunjukkan adanya suatu gaya yang bekerja pada kawat tersebut saat kawat tersebut dialiri arus listrik. Gaya yang bekerja pada tersebut disebut gaya magnetik atau gaya Lorentz.

Berdasarkan hasil percobaan yang lebih teliti menunjukkan bahwa besarnya gaya magnetik gaya Lorentz yang dialami oleh kawat yang beraliran arus lisrik:

a.   Berbanding lurus dengan kuat medan magnet atau induksi magnet (𝑩).

b.   Berbanding lurus dengan kuat arus listrik yang mengalir dalam kawat (𝒊).

c.   Berbanding lurus dengan panjang kawat penghantar (𝒍).

d.   Berbanding lurus dengan sudut (𝜽) yang dibentuk arah arus (𝒊) dengan arah induksi magnet (𝑩).

Bagaimana Anda dapat menentukan arah Gaya Lorentz yang terjadi ketika kawat berarus listrik memotong medan magnet?

Arah gaya Lorentz dapat dijelaskan dengan gambar berikut:

Gambar 2. Aturan tangan kanan Gaya Lorentz pada kawat

Gambar di atas menjelaskan bahwa ketika kita buka telapak tangan kita dengan empat jari rapat dan ibu jari terbuka, maka arah ibu jari merupakan arah arus listrik, arah empat jari merupakan arah induksi magnet dan arah telapak tangan adalah arah Gaya Lorentz. Mudah bukan? Silahkan Anda melakukan simulasi sendiri dengan menentukan arah kedua variabel untuk menentukan arah variabel satunya.

Besarnya gaya magnetik atau Gaya Lorentz dapat dinyatakan dalam persamaan :

F_L=B.i.l.sin \theta

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)

Gaya Magnetik di Antara Dua Kawat Sejajar Berarus

Gaya magnet juga dialami oleh dua buah kawat sejajar yang saling berdekatan yang beraliran arus listrik. Timbulnya gaya pada masingmasing kawat dapat dianggap bahwa kawat pertama berada dalam medan magnetik yang ditimbulkan oleh kawat kedua dan sebaliknya kawat kedua berada dalam medan magnetik yang ditimbulkan oleh kawat pertama.

Gambar 2: Gaya Magnetik dua Kawat Sejajar

Berdasarkan gambar, dapat disimpulkan bahwa pada dua penghantar lurus sejajar yang di aliri arus listrik akan terjadi gaya Tarik menarik jika arusnya memiliki arah yang sama dan gaya tolak menolak jika kedua arus yang mengalir berlawanan arah.

Bagaimana menjelaskan kesimpulan di atas?

Penjelasan untuk kawat sejajar yang dialiri arus searah adalah sebagai berikut: Ketika kawat pertama dialiri arus ke atas maka akan menimbulkan induksi magnet di kawat kedua yang arahnya masuk bidang, sehingga dikawat kedua ada variabel kuat arus ke atas dan induksi magnet masuk bidang, dengan menggunakan aturan tangan kanan Gaya Lorentz pada kawat, Gaya Lorentz pada kawat kedua akan berarah ke kiri. Ketika kawat kedua dialiri arus ke atas maka akan menimbulkan induksi magnet di kawat pertama yang arahnya keluar bidang, sehingga dikawat kedua ada variabel kuat arus ke atas dan induksi magnet masuk bidang, dengan menggunakan aturan tangan kanan Gaya Lorentz pada kawat, Gaya Lorentz pada kawat kedua akan berarah ke kanan. Silahkan Anda coba untuk menentukan arah Gaya Lorentz pada kawat sejajar yang dialiri arus yang berlawanan arah.

Besarnya gaya yang terjadi adalah :

Di kawat dua berdasarkan analisis di atas maka dapat ditulis

Ketika di kawat pertama maka Gaya Lorentznya dapat ditulis

Gaya Magnetik pada Muatan Listrik

Sebuah benda bermuatan listrik yang bergerak dalam medan magnetik juga akan mengalami gaya magnetik. Gaya magnetik disebut juga Gaya Lorentz, perhatikan gambar berikut:

Gambar 3. Gaya Lorent pada muatan

Berdasarkan gambar 3, dapat dituliskan persamaan gaya magnetik atau Gaya Lorentz sebagai berikut:

F_L=q.v.B.sina

Gambar 4. Arah Gaya Lorentz pada muatan positif

Gambar di atas menjelaskan bahwa ketika kita buka telapak tangan kita dengan empat jari rapat dan ibu jari terbuka, maka arah ibu jari merupakan arah muatan positif, arah empat jari merupakan arah induksi magnet dan arah telapak tangan adalah arah Gaya Lorentz. Bagaimana jika yang bergerak adalah muatan negatif? Penjelasannya adalah sebagai berikut: ketika kita buka telapak tangan kita dengan empat jari rapat dan ibu jari terbuka, maka arah ibu jari merupakan arah muatan negatif, arah empat jari merupakan arah induksi magnet dan arah punggung tangan adalah arah Gaya Lorentz.

Mudah bukan? Silahkan Anda melakukan simulasi sendiri dengan menentukan arah kedua variabel untuk menentukan arah variabel satunya.

Gambar 5. Fluks magnet

Penerapan Konsep Gaya Magnet dalam Kehidupan SehariHari

Beberapa penerapan konsep gaya magnet dalam kehidupan seharihari dapat kita temui pada bel listrik, saklar listrik, telepon kabel, motor listrik, galvanometer, relai, speaker, kereta Maglev, generator, dan transformator.

a. Bel Listrik

Gambar 5. Bel listrik

Bel listrik merupakan alat yang digunakan sebagai pertanda mulai atau berakhirnya suatu kegiatan. Prinsip kerjanya yaitu, ketika aliran arus listrik mengalir pada kumparan maka besi di dalamnya menjadi elektromagnet yang mampu menggerakkan lengan pemukul untuk memukul bel sehingga berbunyi.

b. Kereta Maglev

Gambar 10. Kereta Maglev

Prinsip kerja Kereta Maglev yaitu mengubah energi listrik menjadi energi gerak menggunakan induksi magnet. Kereta ini dipasangi magnet listrik di bawahnya yang bergerak pada jalur bermagnet listrik. Magnet tolakmenolak sehingga kereta api mela yang tepat di atas jalur lintasan. Gesekan kereta api dengan jalur lintasan berkurang sehingga kereta api bergerak lebih cepat.