Penerapan Gaya Lorentz

8/17/2019 Penerapan Gaya Lorentz

1/15


2/15

2 Penerapan Gaya Magnetik (Gaya Lorentz)

A. Gaya Lorentz pada Kawat Berbentuk Segi Empat dalam Medan Magnet

Gaya Lorentz adalah gaya yang dialami kawat berarus listrik di dalam

medan magnet, oleh karena itu Gaya Lorentz dapat timbul dengan syarat

sebagai berikut:

a. Ada kawat pengahantar yang dialiri arus listrik.

b. Penghantar berada di dalam medan magnet.

Pembahasan kali ini akan dijelaskan mengenai Gaya Lorentz pada

kawat berbentuk segi empat seperti gambar dibawah ini.

Gambar 1. Kawat berbentuk segi empat berarus listrik

dalam medan magnet

Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa suatu kawat penghantar

berbentuk segi empat yang dialiri arus listrik (dari sumber arus listrik) dengan

arah arus searah jarum jam dan diletakkan dalam medan magnet. Untuk

menentukan Gaya Lorentznya kita dapat meninjaunya dengan melihat kawat

penghantar segi empat di atas sebagai empat bagian kawat, yaitu dua kawat

yang vertikal dan dua kawat yang horizontal.

Arah medan magnet pada kawat 1 akan berinteraksi dengan arah medan

magnet pada kawat 3 yang mengakibatkan arah medan magnet pada kawat 1adalah ke arah masuk bidang kertas dan pada kawat 3 juga masuk bidang kertas.

Hal yang sama akan terjadi pada kawat 2 dan kawat 4. Sehingga sesuai dengan

kaidah tangan kanan akan dihasilkan Gaya Lorentz seperti gambar berikut:

x x x x x x x x x x x x x




x x x x x x x x x x x x xB

I

1

2


3/15


Gambar 2. Gaya Lorentz pada kawat segi empat

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa Gaya Lorentz yang terjadi di

empat bagian kawat adalah ke arah luar, sehingga akan membuat kawat

melengkung ke arah luar, akan tetapi resultan atau total Gaya Lorentz pada

kawat segi empat di atas adalah nol. Hal itu karena semua gaya Lorentz yang

ada saling meniadakan. F1 saling meniadakan dengan F3, sedangkan F2 saling

meniadakan dengan F4.

B.

Mekanisme Perputaran Kawat Segi Empat Berarus dalam Medan Magnet

Berputarnya kawat segi empat berarus dalam medan magnet terjadi

karena timbulnya torsi pada loop arus (momen magnet) pada kawat tersebut.

Saat arus listrik mengalir dalam loop kawat tertutup yang diletakkan pada

medan magnet, gaya magnet pada arus dapat menghasilkan torsi. Ini merupakan

prinsip dasar di balik motor listrik.

Gambar 3. Loop menghadap paralel ke garis-garis medan B


x x x x x x x x x x x x xx x x x x x x x x x x x x


x x x x x x x x x x x x xB

I

1

3

4

F

FF


4/15


Gambar 4. Tampak atas

Gambar 5. Loop membuat sudut terhadap B, memperkecil torsi

Karena lengan beban diperkecil

Ketika arus mengalir melalui loop pada Gambar 3, yang permukaannya

dianggap paralel dengan B dan berbentuk persegi panjang, medan magnet

memberikan gaya pada kedua bagian vertikal kawat dan dinyatakan dengan F 1

dan F 2 (lihat Gambar 4). Berdasarkan kaidah tangan kanan, arah gaya pada arus

ke atas pada bagian kiri mempunyai arah yang berlawanan dari gaya magnet

yang sama F 2 pada arus yang turun di kanan. Gaya-gaya ini menimbulkan torsi

total yang cenderung merotasi kumparan sekitar sumbu vertikalnya.

Besar torsi yang diakibatkan dalam hal ini adalah: ditinjau dari Gaya

Lorentz F = I a B, dimana a adalah panjang lengan vertikal kumparan. Lengan

beban untuk setiap gaya adalah b/2, dimana b adalah lebar kumparan dan sumbu

berada pada titik tengah. Torsi total merupakan jumlah torsi yang disebabkan

oleh masing-masing gaya, sehingga,


5/15


=

2+

2= =

Dimana A = a b adalah luas kumparan. Jika kumparan terdiri dari N loop kawat,

berarti arus adalah NI , sehingga torsi menjadi

=

Jika kumparan membentuk sudut terhadap medan magnet, seperti Gambar 5,

gaya-gaya tidak berubah, tetapi setiap lengan beban diperkecil dari ½ b menjadi

½ b sin . Sudut dipilih sebagai sudut antara B dan garis yang tegak lurus

terhadap permukaan kumparan. Jadi torsinya adalah:

= sin

Rumus ini diturunkan untuk kumparan persegi empat, berlaku untuk kumparanrata dengan bentuk apapun.

Kuantitas NIA disebut momen dipol magnet kumparan dan dianggap

merupakan vektor:

=

Dimana arah A (dengan demikian juga arah M ) tegak lurus terhadap bidang

kumparan.

Contoh soal:

1. Kumparan kawat melingkar mempunyai diameter 20, 0 cm dan terdiri dari

10 loop (lilitan). Arus pada setiap loop sebesar 3,00 A, dan kumparan

diletakkan pada medan magnet 2,00 T. tentukan torsi maksimum dan

minimum yang diberikan pada kumparan oleh magnet.

Jawab:

Diketahui: d = 20,0 cm

r =

= 10,0 cm = 0,1 m

N = 10 lilitan

I = 3,00 A

B = 2,00 T

Ditanya: a. = …?

b. = …?

Jawab:


6/15


Adapun persamaan yang berlaku untuk kumparan dengan bentuk apapun,

termasuk lingkaran yaitu:

=

a.

Untuk torsi maksimum terjadi ketika permukaan kumparan paralel

terhadap medan magnet, sehingga = 90°.

Persamaan yang digunakan yaitu:

= sin

Nilai A yaitu luas lingkaran:

=

= 3,14(0,1)

= 3,14 10−

Sehingga:

= sin

= (10)(3,00)(3,14 10− )(2,00) sin90°

= (10)(3,00)(3,14 10− )(2,00)(1)

= 188,4 10−

= 1,884

= 1,88

Jadi torsi maksimum yang terjadi yaitu = 1,88 .

b. Untuk torsi maksimum terjadi jika = 0°.

Sehingga:

= sin

= (10)(3,00)(3,14 10− )(2,00) sin0°

= (10)(3,00)(3,14 10− )(2,00)(0)

= 0

Jadi torsi maksimum yang terjadi yaitu = 0

C. Motor Listrik

Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang

mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (rotasional). Energi mekanik

ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower,

menggerakkan kompresor, mengangkat bahan, dan sebagainya.


7/15


Gambar 6. Motor listrik

Motor listrik merupakan salah satu contoh alat penerapan Gaya Lorentz.Apabila sebatang konduktor 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 kanan. Gaya

tersebut dialami oleh setiap batang konduktor pada rotor sehingga

menghasilkan putran dengan torsi yang cukup untuk memutarkan beban yang

dikopel dengan motor.

Prinsip Kerja Motor Listrik

Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar

konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada

konduktor.

Gambar 7. Medan magnet yang timbul mengelilingi konduktor

Kaidah tangan kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di

sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol

mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah


8/15


garis fluks. Gambar 8 menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar

konduktor berubah arah karena bentuk U.

Gambar 8. Medan magnet yang timbul mengelilingi konduktor.

Hal yang harus diperhatikakn bahwa medan magnet hanya terjadi di

sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada konduktor tersebut.

Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo.

Gambar 9. Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub.

Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara

kutub uatara dan selatan yang kuat medan magnet konduktor akan

berinteraksi dengan medan magnet. Lihat gambar 10.

Gambar 10. Reaksi garis fluks.


9/15


Lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang

dilengkungkan (looped conductor ). Arus mengalir masuk melalui ujung A

dan keluar melalui ujung B. Medan konduktor A yang searah jarum jam

akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di

bawah konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak ke atas untuk keluar

dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan arah jarum jam

akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di

atas konduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar

dari medan yang kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker

dinamo berputar searah jarum jam.

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum :

a. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

b.

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.

c. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar atau torque untuk memutar

kumparan.

d. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk

memberikan tenaga putaran yang lebih seragan dan medan magnetnya

dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan

medan.

Motor DC dan AC

Pada motor listrik kumparan berotasi secara kontinu dalam satu

arah. Kumparan lebih besar dan dipasang diatas silinder besar yang disebut

rotor atau jangkar. Jangkar dipasang diatas batang atau as. Medan magnet

memberikan gaya pada arus di loop.


10/15


Gambar 11. Bagian-bagian motor listrik

Bagaimanapun, jika kumparan yang berotasi searah jarum jam,

melewati posisi vertikal, gaya kemudian akan bekerja untuk

mengembalikan kumparan kembali ke vertikal jika arus tetap sama. Tetapi

jika arus dengan suatu cara dapat dibalik pada saat kritis tersebut, gaya akan

berbalik, dan kumparan akan terus berotasi dengan arah yang sama. Berarti,

perubahan arus penting agar motor terus berputar kearah yang sama. Hal

ini dapat dicapai pada motor dc dengan penggunaan komunator dan sikat.

Sikat merupakan kontak stasioner yang bergesekkan dengan komunator penghantar yang terpasang pada as motor. Pada saat setengah revolusi

sebagaimana dibutuhkan untuk rotasi yang kontinu. Kebanyakan motor

terdiri dari beberapa kumparan, yang disebut “putaran”, masing-masing

diletakkan pada tempat yang berbeda pada jangkar. Arus mengalir melalui

setiap kumparan hanya pada sebagian kecil dari revolusi, pada saat yang

sama ketika orientasinya mengakibatkan torsi maksimum. Dengan cara ini,

sebuah motor menghasilkan torsi yang jauh lebih stabil dari yang bisa di

dapat dari satu kumparan.


11/15


Gambar 12. Motor listrik DC

Adapun prinsip kerja dari motor arus searah (DC), berdasarkan pada

penghantar yang membawa arus ditempatkan dalam suatu medan magnet

maka penghantar tersebut mengalami gaya. Gaya menimbulkan torsi yang

kanan menghasilkan rotasi mekanik, sehingga motor akan berputar. Jadi

motor arus searah ini menerima sumber arus searah dari jala-jala kemudian

di ubah menjadi energy mekanik berupa perputaran yang nantinya di pakai

oleh peralatan lain. Ringkasnya prinsip kerja dari motor membutuhkan:

1.

Adanya garis-garis medan magnet (fluks), antara kutub yang berada di

stator.

2. Penghantar yang dialiri arus ditempatkan pada jangkar yang berada

dalam medan magnet tadi.

3. Pada penghantar timbul gaya yang menghasilkan torsi.

Gambar 13.a Medan yang dihasilkan oleh kutub


12/15


Gambar 13.b medan sebagai hasil

Gambar 13.c interaksi kedua medan magnet menghasilkan gaya

Keterangan gambar.

1. Garis-garis gaya medan magnet (fluks) dihasilkan oleh kutub-kutub

magnet seperti gambar 13.a

2. Penghantar yang dialiri arus maka pada penghantar timbul medan

magnet (garis-garis gaya fluks) seperti gambar 13.b

3.

Interaksi kedua medan dari gambar 13.a dan gambar 13.b di sebelah

akan menimbulkan medan yang tidak seragam seperti gambar 13.c

sehingga timbul gaya. Gaya tersebut menghasilkan torsi yang akan

memutar jangkar.

Arah dari garis-garis gaya (fluks) medan magnet yang dihasilkan oleh

kutub, arah arus yang mengalir pada penghantar dan arah dari gaya saling

tegak lurus serta menurut hukum tangan kiri fleming. Gaya yang dihasilkan

oleh arus yang mengalir pada penghantar yang ditempatkan dalam suatu

magnet tergantung dari:

1. Kekuatan dari medan magnet.

2. Harga dari arus melalui penghantar.

3.

Panjang kawat yang membawa arus.


13/15


Motor AC, dengan arus sebagai input, dapat bekerja tanpa

komunator karena arusnya sendiri sudah bolak balik. Banyak motor

menggunakan kumparan kawat untuk menghasilkan medan magnet

(elektromagnet) dan bukan magnet permanen.

Gambar 14. Motor listrik AC

Adapun prinsip kerja motor listrik arus bolak-balik (AC), yaitu seperti

gambar.

Gambar 15. Prinsip kerja motor AC

Ketika tegangan phasa U masuk ke belitan stator menjadikan kutub S garis-

garis gaya magnet mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub lainnya

adalah N untuk phasa V dan phasa W. Kompas akan saling Tarik menarik

dengan kutub S. brikutnya kutub S pindah ke phasa V, kompas berputar

120°, dilanjutkan kutub S pindah ke phasa W, sehingga pada belitan statir

timbul medan magnet putar. Buktinya kompas akan memutar lagi menjadi


14/15


15/15


pembaca), dan belitan V 1, U 2 dan W 1 bertanda titik (arus listrik menuju

pembaca). Terbentuk fluk magnet pada garis horizontal sudut ° kutub S

(south=selatan) dan kutub N (north=utara).

2.

Saat sudut °. Arus I 2 bernilai positip sedangkan arus I 1 dan arus I 3

bernilai negatip, dalam hal ini belitan W 2 , V 1 dan U 2 bertanda silang (arus

meninggalkan pembaca), dan kawat W 1 , V 2 dan U 1 bertanda titik (arus

menuju pembaca). Garis fluk magnit kutub S dan N bergeser ° dari

posisi awal.

3. Saat sudut °. Arus I3 bernilai positip dan I 1 dan I 2 bernilai negatip,

belitan U 2 , W 1 dan V 2 bertanda silang (arus meninggalkan pembaca), dan

kawat U 1 , W 2 dan V 1 bertanda titik (arus menuju pembaca). Garis fluk

magnit kutub S dan N bergeser ° dari posisi kedua.

4. Saat sudut °. posisi ini sama dengan saat sudut °. Dimana kutub S dan

N kembali keposisi awal sekali.

Dari keempat kondisi diatas saat sudut°, °, °, ° dapat dijelaskan

terbentuknya medan putar pada stator, medan magnet putar stator akan memotong

belitan rotor. Kecepatan medan putar stator ini sering disebut kecepatan sinkron,

tidak dapat diamati dengan alat ukur tetapi dapat dihitung secara teoritis besarnya:

=

.

Penerapan Gaya Lorentz

Documents

Transcript of Penerapan Gaya Lorentz