Dalam dunia teknologi penerapan atau pemanfaatan gaya magnetik dapat

ditemui dalam galvanometer atau alat ukur analog, relai, kereta maglev dan masih

banyak lagi peralatan yang memanfaatkan gaya magnetik.

1. Penerapan Gaya Magnetik Pada Galvanometer

Galvanometer berperan sebagai komponen dasar pada beberapa alat ukur,

antara lain amperemeter, voltmeter, serta ohmmeter. Peralatan ini digunakan untuk

mendeteksi dan mengukur arus listrik lemah. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar

dibawah, galvanometer berupa kumparan bergerak, terdiri atas sebuah kumparan

terbuat dari kawat tembaga isolasi halus dan dapat berputar pada sumbunya yang

mengelilingi sebuah inti besi lunak tetap yang berada di antara kutub-kutub suatu

magnet permanen. Interaksi antara medan magnetik B permanen dengan sisi-sisi

kumparan akan dihasilkan bila arus I mengalir melaluinya, sehingga akan

mengakibatkan torka pada kumparan. Kumparan bergerak memiliki tongkat penunjuk

atau cermin yang membelokkan berkas cahaya ketika bergerak, dimana tingkat

pembelokan tersebut merupakan ukuran kekuatan arus.

Gambar Galvanometer

2. Penerapan Gaya Magnetik Pada Motor Listrik

Sebuah motor listrik merupakan alat untuk mengubah energi listrik menjadi

energi mekanik. Mesin ini tidak bising, bersih, dan memiliki efisiensi tinggi. Alat ini

bekerja dengan prinsip bahwa arus yang mengalir melalui kumparan di dalam medan

magnet akan mengalami gaya yang digunakan untuk memutar kumparan. Pada motor

induksi, arus bolak-balik diberikan pada kumparan tetap (stator), yang menimbulkan

medan magnetik sekaligus menghasilkan arus di dalam kumparan berputar (rotor)

yang mengelilinginya. Keuntungan motor jenis ini adalah arus tidak harus

diumpankan melalui komutator ke bagian mesin yang bergerak. Pada motor serempak

(synchronous motor), arus bolak-balik yang hanya diumpankan pada stator akan

menghasilkan medan magnet yang berputar dan terkunci dengan medan rotor. Dalam

hal ini magnet bebas, sehingga menyebabkan rotor berputar dengan kelajuan yang

sama dengan putaran medan stator. Rotor dapat berupa magnet permanen atau

magnet listrik yang diumpani arus searah melalui cincin geser.

Prinsip kerja motor listrik yang sesuai hukum gaya Lorentz dan kaidah tangan

kiri Flemming, yang menyatakan bahwa apabila sebatang konduktor yang dialiri arus

listrik ditempatkan di dalam medan magnet, maka konduktor tersebut akan

mengalami gaya. Arah dari gaya yang dialami oleh konduktor tersebut ditunjukkan

oleh kaidah tangan kiri Flemming. Gaya tersebut dialami oleh setiap batang

konduktor pada rotor sehingga menghasilkan putaran dengan torsi yang cukup untuk

memutarkan beban yang dikopel dengan motor.

Hal-hal penting yang perlu diketahui pada motor listrik antara lain sebagai

berikut:

1. Torsi, yaitu besarnya gaya yang dihasilkan pada konduktor yang dialiri listrik

arus dan berada dalam medan magnet yang dinyatakan dengan persamaan :

F = B . I . L

2. Gaya Gerak Listrik (GGL) lawan yaitu gaya gerak listrik yang arahnya

melawan arah dari gaya gerak listrik yang timbul akibat rotor yang berputar.

3. Daya Output Motor yaitu daya output yang diperlukan untuk menghasilkan

torsi satu putaran adalah :

P = ω . T

Berikut ini merupakan penjelasan prinsip kerja motor listrik.

1. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

Gambar Arus listrik dalam medan magnet

2. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran atau

loop maka kedua sisi loop yaitu pada sudut kanan medan magnet akan

mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.

Gambar Pembengkokan kawat berarus listrik dan gaya yang diakibatkan medan magnet.

3. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar atau torque untuk memutar

kumparan.

Gambar Torsi pada motor

4. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan

tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh

susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Untuk lebih jelasnya,

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.

Adapun kerabat dekat dari motor listrik yaitu 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.

Jenis Motor Listrik

Motor listrik berdasarkan jenis sumber tegangannya dibagi menjadi dua yaitu;

1. Motor arus bolak balik (motor AC).

2. Motor arus searah (motor DC)

Motor AC

Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya

secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian

dasar listrik yaitu stator dan rotor. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor

merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama

motor DC terhadap motor AC adalah kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan.

Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak

frekuensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan

dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena

kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah

(harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan

rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).

Motor DC

Motor arus searah sebagaimana namanya,menggunakan arus langsung yang

tidak langsung atau direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan

khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap

untuk kisaran kecepatan yang luas. Motor DC yang memiliki tiga komponen utama

yaitu;

1. Kutub medan.

Iinteraksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC.

Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan

bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub

medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi

bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau

lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik

dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.

2. Dinamo.

Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet.

Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan

beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet

yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti

lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan

selatan dinamo.

3. Commutator.

Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah

untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Commutator juga membantu

dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.

3. Penerapan Gaya Magnetik Pada Relai

Relai merupakan suatu alat dengan sebuah sakelar, untuk menutup relai

digunakan magnet listrik. Arus yang relatif kecil dalam kumparan magnet listrik

dapat digunakan untuk menghidupkan arus yang besar tanpa terjadi hubungan listrik

antara kedua rangkaian. Berikut gambaran relai yang dimaksud.

Gambar Relai

4. Penerapan Gaya Magnetik Pada Kereta “Maglev”

Maglev merupakan kereta api yang menerapkan konsep magnet listrik untuk

mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Kata “Maglev” berasal dari

magnetic levitation. Kereta api ini dipasangi magnet listrik di bawahnya yang

bergerak pada jalur bermagnet listrik. Magnet tolak-menolak sehingga kereta api

melayang tepat di atas jalur lintasan. Gesekan kereta api dengan jalur lintasan

berkurang sehingga kereta api bergerak lebih cepat.

Penerapan gaya magnetik pada kereta cepat maglev

Gaya magnetik pada kereta cepat maglev digunakan untuk menjalankan kereta

maglev sehingga tidak terjadi gesekan antara rel dan kereta cepat maglev

karena menggunakan gaya magnetik untuk mengangkat dan mejalankan kereta cepat

tersebut.

5. Penerapan Gaya Lorentz untuk Video Recorder

Pada video recorder, sinyal disimpan di dalam pita magnetik. Video recorder

sangat tergantung pada magnetisme dan listrik. Ia menggunakan dorongan magnetik

dari kawat yang membawa arus dalam motor listrik untuk memutar drum pada

kecepatan tinggi dan menggerakkan pita yang melaluinya dengan lembut. Untuk

merekam suatu program, arus yang mengalir melalui kumparan kawat di dalam drum

digunakan untuk menciptakan pola magnetik pada pipa. Jika pita tersebut diputar

ulang, alat perekam menggunakan pola magnetik ini untuk menghasilkan arus yang

dapat diubah ke dalam gambar.

6. Penerapan Gaya Magnetik pada Alat Spektrometer Massa

Inti sebuah atom mengandung seluruh massa atom. Sifat dari atom dapat

diturunkan dari pengetahuan mengenai massa atom. Untuk mengukur massa atom

dipergunakan “spektrometer massa”. Dengan disempurnakan teknik spektroskopi

massa, telah dapat diketahui besarnya massa setiap isotop yang terdapat di alam ini.

Telah diperoleh pula bahwa besarnya massa sebuah isotop merupakan bilangan

bulat. Massa atom mengacu kepada massa atom netral, artinya massa atom terdiri dari

massa elektron orbital, massa ekuivalen energi ikat inti dan massa partikel penyusun

inti atom.

Dalam pengukuran sebuah massa isotop dengan menggunakan spektrometer

massa, harus diketahui teknik dan prinsip kerjanya. Teknik menggunakan

spektrometer massa telah dilakukan oleh Aston, Demster dan Brainbridge pada tahun

1933.

Berikut akan dijelaskan prinsip kerja spektrometer massa yang diciptakan oleh

Brainbridge seperti diunjukkan dalam gambar 1-1.

Ion-ion positif dihasilkan dari dalam tabung nyala listrik tegangan tinggi. Ion-

ion positif tersebut keluar dari celah S1 membentuk berkas ion positif yang sempit.

Ion-ion ini di samping mempunyai kecepatan yang berbeda-beda, juga mempunyai

massa yang berbeda-beda pula. Selanjutnya ion-ion tersebut masuk ke dalam daerah

antara celah S2 dan

GAMBAR Prinsip kerja spektrograf massa yang diciptakan oleh

Brainbridge

Sumber ion

S3, yang dipengaruhi oleh medan magnetik (B) dan medan listrik (E) homogen,

dengan plat sejajar yaitu P1 dan P2. Arah medan magnet tersebut adalah tegak lurus

dan keluar dari halaman gambar. Jadi dalam daerah ini terdapat medan magnet dan

medan listrik yang saling tegak lurus. Dalam eksperimen diusahakan agar gaya

Coulomb yang dialami oleh ion-ion tersebut pada saat melintasi daerah antara celah

S2 dan S3 adalah sama dengan gaya Lorentz, sehingga lintasan ion–ion tersebut

berbentuk garis lurus. Oleh karena itu jika q = besarnya muatan setiap ion positip,

dapat berlaku persamaan untuk menentukan kelajuan ion ion positip (v) yang

melewati celah S3 , yaitu :

Gaya Coulomb = Gaya Lorentz

q E = B q v

v=EB

. .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. ..(1 . 1)

dengan v = kelajuan ion-ion positip (m/s), E = intensitas medan listrik

(volt/m), sedangkan B = intensistas medan magnetik (Wb/m2).

Setelah melewati celah S3, ion-ion positip melalui daerah yang hanya

dipengaruhi oleh medan magnet yang homogen, sehingga lintasannya menurut busur

setengah lingkaran yang jari-jarinya R, sehingga menumbuk lembaran plat fotografi

pada posisi yang berjarak 2R dari celah S3. Pada peristiwa ini dapat dikatakan bahwa

besarnya gaya sentripetal yang menyebabkan lintasan ion-ion positip berbentuk

busur lingkaran adalah sama dengan besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh setiap

ion positip yang bergerak di dalam medan magnet homogen tersebut.

Jika m = massa ion positip, maka :

Gaya Lorentz = Gaya Sentripetal.

Bqv=mv2

R

m= BqRv

.. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .(1. 2)

Substitusikan nilai v dalam persamaan (1.1) ke persamaan (1.2) sehingga

diperoleh :

[1 + 4A - 4 ]

...................................... (1.3)

dengan m = massa ion positip (kg), q = muatan ion positip (Coul),

sedangkan R = jari-jari lintasan ion positip.

Jika besarnya medan listrik E dan medan magnetik B selalu konstan, maka jari

- jari kelengkungan R dan posisi jatuh dari ion-ion pada plat fotografi sebanding

dengan

mq . Oleh karena ion-ion positip yang melalui celah S1 tadi mempunyai massa

yang berbeda-beda, sehingga pada plat fotografi terjadi beberapa garis. Dari posisi

masing-masing garis tersebut terhadap celah S3, maka besarnya massa dari setiap ion

positif dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1.3).

7. Penerapan Gaya Magnetik pada Akselerator Lurus Siklotron

Penggunaan radiasi dalam bidang kedokteran terus menunjukkan peningkatan

dari waktu ke waktu, meliputi tindakan-tindakan radiodiagnosa, radioterapi, dan

kedokteran nuklir, yang umumnya menggunakan sumber radiasi yang spesifikasi

fisiknya berbeda-beda, menggunakan radiasi pengion terutama sinar-X. Kini ada

berbagai jenis radiasi pengion untuk keperluan radioterapi yang dibangkitkan

menggunakan akselerator (alat pemercepat) partikel.

Akselerator adalah alat yang dipakai untuk mempercepat gerak partikel

bermuatan seperti elektron, proton, inti-inti ringan, dan inti atom lainnya.

Mempercepat gerak partikel bertujuan agar partikel tersebut bergerak sangat cepat

sehingga memiliki energi kinetik yang sangat tinggi. Untuk mempercepat partikel ini

diperlukan medan listrik ataupun medan magnet. Di lihat dari jenis gerakan partikel,

ada dua jenis akselerator, yaitu akselerator dengan gerak partikelnya lurus

(akselerator linier) dan gerak partikelnya melingkar (akselerator magnetik) dengan

jenis-jenisnya antara lain: Betatron, Siklotron, Akselerator proton, Generator Netron,

EULIMA dan HIMAC,

Akselerator partikel pertama kali dikembangkan oleh dua orang fisikawan

Inggris, J.D Cockcroft dan E.T.S walton, di laboratorium Cavendish, Universitas

Cambridge pada 1929.

Siklotron merupakan piranti untuk mempercepat gerak partikel bermuatan

listrik. Siklotron dikembangkan pada tahun 1930 oleh E. O. Lawrence (1901-1958),

dengan menggunakan sebuah medan magnetik untuk menjaga agar ion-ion bermuatan

(biasanya proton) bergerak dalam lintasan.

Diagram skematik siklotron

Partikel-pertikel bermuatan dibelokkan dalam suatu lintasan melingkar oleh medan

magnetik dan dipercepat oleh suatu medan listrik setiap partikel-partikel melintasi

celah.

Cara Kerja Siklotron

Proton-proton bergerak dalam dua bidang setengah lingkaran yang terpisah

oleh suatu celah. Setiap kali proton-proton lewat melintasi celah di antara kedua

bidang setengah lingkaran, suatu tegangan diberikan pada proton-proton yang akan

mempercepat proton-proton. Percepatan ini meningkatkan kelajuan proton-proton dan

juga jari-jari kelengkungan lintasan proton-proton.

Setelah beberapa putaran, proton-proton memperoleh energi kinetik tinggi

(dalam orde 10 atau 20 MeV per satuan muatan listrik) dan tiba pada sisi terluar

siklotron. Proton-proton kemudian dapat menumbuk suatu sasaran yang ditempatkan

di dalam siklotron atau meninggalkan siklotron dengan bantuan “magnet pembelok”

dan diarahkan ke suatu sasaran eksternal. Tegangan yang diberikan ke kedua bidang

setengah lingkaran untuk menghasilkan percepatan haruslah bolak-balik. Ketika

proton-proton sedang bergerak ke kanan melintasi celah, bidang yang kanan haruslah

negatif dan yang kiri positif (medan listrik E berarah dari polaritas + ke polaritas –

dan untuk muatan positif seperti proton, besar gaya pemercepat F = q E dan searah

dengan arah medan listrik E).Gambar diagram sebuah siklotron:

Medan magnetik, yang diberikan oleh sebuah elektromagnet besar,berarah masuk

dalam bidang kertas. A adalah sumber ion. Garis-garis gaya menunjukkan medan

listrik dalam celah.

Setengah siklus berikutnya, proton-proton bergerak ke kiri melintasi celah,

sehingga bidang kiri haruslah negatif supaya medan listrik pada celah tetap berfungsi

mempercepat proton-proton. Frekuensi f, dari tegangan bolak-balik yang diberikan

harus sama dengan frekuensi proton-proton yang bergerak melingkar. Partikel

bermuatan yang bergerak dengan kecepatan v tegak lurus terhadap medan magnetik

B menempuh lintasan melingkar dengan jari-jari r. Gaya sentripetal penyebab gerak

melingkar berasal dari gaya Lorentz, sehingga diperoleh:

F s = F L

mv2

r= qvB

v =qBrm

Waktu yang diperlukan untuk satu putaran lengkap adalah priod T, di mana:

T = jarakkelajuan

= kelilingkelajuan

= 2πrqBr /m

= 2πmqB

Frekuensi putaran adalah

f = 1T

= qB2 π m

dengan,

f = frekuensi siklotron (Hz)

q = muatan proton (1,6 x 10-19 C)

m = massa proton (1,67 x 10-27 kg)

B = induksi magnetik yang dihasilkan pasangan magnet (Wb/m2 atau T)

Frekuensi dari tegangan bolak-balik yang diberikan, tidak bergantung pada

jari-jari r. Karena itu, frekuensi tidak harus diubah ketika ion-ion mulai dari sumber

dan dipercepat untuk menempuh jari-jari yang makin lama makin besar.

Energi kinetik maksimum partikel bermuatan (proton) ketika keluar dari

siklotron, yaitu:

EK=12

m v2 =12

m (qBr /m)2

EK = 12

m v2 = q2 B2 r2

2 m

Energi kinetik yang diperlukan proton-proton sama dengan energi yang akan

diperoleh proton-proton jika proton-proton dipercepat melalui beda potensial yang

cukup besar.

Reaksi fisi merupakan reaksi pembelahan suatu inti berat ketika ditembaki

oleh partikel (proton) berenergi tinggi yang keluar dari Siklotron atau ketika

menyerap neutron lambat (terjadi dalam reaktor nuklir). Reaksi fisi ketika Li

ditembaki proton:

11 p + 7

7 Li → 44 He + 2

4 He + Q

Untuk berlangsungnya reaksi fisi di atas, diperlukan peralatan yaitu siklotron untuk

mempercepat proton.

Kesimpulan

1. Siklotron merupakan akselerator untuk mempercepat gerak partikel bermuatan

listrik.

2. Siklotron termasuk jenis akselerator magnetik dengan gerak partikelnya

melingkar.

8. Penerapan Gaya Magnetik pada Speaker

Suara atau yang lebih dikenal dengan sebutan Speaker.

Pengeras suara bekerja berdasarkan prinsip gaya lorentz. Spekaren

ini terdiriti atas omponen dasar pengeras suara terdiri yang terdiri

dari tiga bagian yaitu sebuah krucut yertas yang bersambungan

dengan sebuah kumparan suara atau silinder yang dikitari oleh

kawat tembaga dan sebuah magnet hermanen berbentuk silinder

atau kutub utara di tengah dan dikelilingi kutub selatan.

Pada saat 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. 

Gambar Speaker

Sehingga 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, sehingga dengan

kejadian atau peristiwa tersebut maka dihasilkanlah gelombang

bunyi oleh alat ini.

DAFTAR PUSTAKA

http://fisikazone.com/penerapan-gaya-magnetik/

http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/04/penerapan-aplikasi-gaya-magnetik-

gaya-magnetik-gaya-lorentz-dalam-kehidupan-sehari-hari-kegunaan-galvanometer-motor-

listrik-relai-kereta-maglev-video-recorder.html

http://prasetyomanan.blogspot.com/2013/10/pemanfaatan-gaya-lorentz-

dalam.html

http://lustyyahulfa.blogspot.com/2011/02/motor-listrik.html