Gaya Lorentz: Pengertian, Rumus, dan Contoh Soal

Gaya lorentz ditemukan oleh Herdik Antoon Lorentz pada 1853-1928. Dia ilmuan asal Belanda yang sangat berkontribusi dalam bidang fisika. Gaya lorentz sesungguhnya merupakan gabungan antara gaya elektrik dan gaya magnetik di suatu medan elektromagnetik.

Gaya lorentz dapat timbul karena adanya muatan listrik di suatu medan magnet. Gaya lorentz memiliki nilai besar dan juga memiliki arah. Pada arah gaya Lorentz menggunakan aturan tangan kanan dan selalu tegak lurus dengan arah kuat arus listrik dan induksi magnetik yang ada.

Biografi Hendrik Antoon Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz.

Gaya Lorentz ditemukan oleh Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928). Dia adalah seorang fisikawan Belanda yang memenangkan Penghargaan Nobel Fisika bersama dengan Pieter Zeeman pada 1902. Dia dilahirkan di Arnhem, Belanda pada 18 Juli 1853. Saat menginjak dewasa, dia belajar di Universitas Leiden.

Selanjutnya, pada usia 19 tahun dia kembali ke Arnhem dan mengajar di salah satu sekolah tingkat menengah di sana. Sambil mengajar, dia menyiapkan tesis doktoral yang memperluas teori James Clerk Maxwell mengenai elektromagnet, yang meliputi rincian dari pemantulan dan pembiasan cahaya.

Pada 1878, dia menjadi guru besar fisika teoretis di Leyden yang merupakan tempat kerja pertamanya. Dia tinggal di sana selama 34 tahun, lalu pindah ke Haarlem. Lorentz meneruskan pekerjaannya untuk menyederhanakan teori Maxwell dan memperkenalkan gagasan bahwa medan elektromagnetik ditimbulkan oleh muatan listrik di tingkat atom. Dia mengemukakan bahwa pemancaran cahaya oleh atom dan berbagai gejala optik dapat dirunut ke gerak dan interaksi energi atom.

Pada 1896, salah satu mahasiswanya yang bernama Pieter Zeeman menemukan bahwa garis spektral atom dalam medan magnet akan terpecah menjadi beberapa komponen yang frekuensinya agak berbeda. Hal tersebut membenarkan pekerjaan Lorentz, sehingga mereka berdua dianugerahi Hadiah Nobel pada 1902.

Pada 1895, Lorentz mendapatkan seperangkat persamaan yang mentransformasikan kuantitas elektromagnetik dari suatu kerangka acuan ke kerangka acuan lain, yang bergerak relatif terhadap yang pertama, meskipun pentingnya penemuan itu baru disadari 10 tahun kemudian saat Albert Einstein mengemukakan teori relativitas khususnya.

Lorentz (dan fisikawan Irlandia bernama G.F. Fitzgerald secara independen) mengusulkan bahwa hasil negatif dari eksperimen Michelson-Morley bisa dipahami jika panjang dalam arah gerak relatif terhadap pengamat mengerut. Eksperimen selanjutnya memperlihatkan bahwa meski terjadi pengerutan, hal itu bukan karena penyebab yang nyata dari hasil Michelson dan Edward Morley. Penyebabnya adalah karena tiadanya “eter” yang berlaku sebagai kerangka acuan universal.

Pengertian Gaya Lorentz

Apa itu gaya Lorentz? Gaya lorentz adalah gaya yang berasal dari gabungan antara dua gaya. Kedua gaya tersebut adalah gaya magnetik dan gaya elektrik yang terdapat di sebuah medan elektromagnetik. Gaya ini berasal dari suatu muatan listrik yang bisa bergerak jika sebuah arus listrik ada di dalam medan magnet B. Hadirnya gaya elektrik tentu tidak lepas dari seorang penemu.

Orang yang berjasa menemukan gaya ini adalah Hendrik Antoon Lorentz pada 1853 hingga 1928. Dia merupakan seorang fisikawan yang berasal dari Belanda dan sudah memperoleh penghargaan Nobel dalam ilmu pengetahuan Fisika bersama dengan seorang yang bernama Pieter Zeeman pada tahun 1902.

Nama Hendrik Antoon Lorentz kemudian diabadikan sebagai sebuah gaya yang ditemukannya dan orang-orang mengenal gaya tersebut sebagai gaya lorentz hingga sekarang. Dari gaya ini juga ditemukan motor listrik yang berfungsi menggerakkan alat-alat seperti blender, kipas angin, mesin, cuci, dan lain sebagainya.

Rumus Gaya Lorentz

Ketika ada sebuah kawat yang dialiri oleh arus listrik sebesar I serta kawat tersebut diletakkan pada tengah medan magnet, maka nanti akan timbul gaya magnetik pada kawat tersebut. Dengan menggabungkan antara gaya magnetik dengan arus listrik, maka kita bisa menghitung berapa besar gaya pada kawat tersebut, sehingga kemudian muncul rumus sebagai berikut:

F_lorentz = B I l sin α

Keterangan:
F_lorentz = Gaya Lorenz
B = kuat arus medan magnet (Tesla)
I = kuat arus yang mengalir pada kawat (ampere)
I = panjang kawat (m)
α = sudut yang dibentuk dari B dan I

Menentukan Arah Gaya Lorentz

1. Gaya Lorentz di Kawat Berarus

Jika arah arus listrik tegak lurus dengan arah pada medan magnet, akan terjadi gaya magnetik yang maksimal (sin 90º = 1). Dengan kata lain, agar gaya magnetik dapat terbentuk secara maksimal, medan magnet harus dikondisikan tegak lurus dengan arus listrik yang mengalir.

Sementara itu, menentukan arah gaya lorentz dapat melalui kaidah tangan seperti gambar di bawah ini:

Untuk kaidah tangan kanan gaya lorentz yang pertama menggunakan tiga jari, yaitu:

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

Untuk kaidah tangan yang kedua menggunakan telapak tangan kanan yang terbuka serta lebih mudah digunakan, terlebih jika sudut α≠90º, yaitu:

• Ibu jari = arah arus listrik (I).
• Keempat jari lainnya = arah medan magnet (B).
• Telapak tangan = arah gaya lorentz (F).

Perlu diketahui bahwa besarnya sudut α tidak memengaruhi arah gaya magnetik. Hal ini karena arah gaya tersebut tegak lurus dengan arah arus listrik serta medan magnet.

2. Gaya Lorentz di Kawat Sejajar yang Memiliki Arus Listrik

Pada saat ada dua buah kawat yang memiliki panjang I kemudian dialiri arus listrik sebesar I dan kedua kawat tersebut diletakkan pada medan magnetik sebesar B, akan terjadi gaya magnetik. Gaya elektrik yang terjadi adalah tarik-menarik maupun tolak-menolak bergantung kepada arah arus listrik yang berasal dari masing-masing kawat.

Ketika kedua kawat tersebut mempunyai arah arus yang sama atau searah, akan terjadi gaya tarik-menarik. Sebaliknya, ketika kedua kawat tersebut mempunyai arah arus yang berlawanan, akan timbul gaya tolak-menolak atau saling berlawanan.

Mengenai besarnya gaya tarik-menarik maupun saling berlawanan atau tolak-menolak di kedua kawat tersebut dapat menggunakan rumus:

Keterangan:
F₁ = gaya tarik menarik-menarik atau tolak-menolak di kawat 1 (newton).
F₂ = gaya tarik menarik-menarik atau tolak-menolak di kawat 2 (newton).
I₁ = kuat arus yang mengalir di arus 1 (ampere).
I₂ = kuat arus yang mengalir pada arus 2 (ampere).
µ₀ = permeabilitas vakum.
I = panjang kawat (meter).
α = jarak antara kedua kawat (meter).

3. Gaya Lorentz Muatan Bergerak di dalam Medan Magnet

Pada saat tedapat muatan listrik q bergerak dengan kecepatan v pada medan magnet B, maka akan terjadi gaya magnetik dan dapat dihitung dengan rumus:

F_Lorentz = qvB x sin α

Keterangan:
q = muatan listrik (coloumb).
v = kecepatan gerak (m/s).
B = medan magnet (tesla).
α = sudut yang dibentuk B dan v.

Untuk arah pada gaya lorentz yang satu ini adalah tegak lurus dengan arah di medan magnet serta arah kecepatan benda. Arah gaya ini akan bergantung pada muatan partikelnya. Perhatikan gambar di bawah ini, sesuai dengan kaidah tangan kanan, jika muatan q memiliki nilai positif, maka arah v akan sejajar dengan I. Sementara itu, jika muatan q bernilai negatif, v akan berlawanan dengan I.

Kemudian jika arah pada medan magnet tegak lurus dengan arah kecepatan partikel yang bermuatan listrik, menyebabkan lintasannya berbentuk lingkaran, sehingga partikelnya akan mengalami gaya sentripetal yang besarnya sama dengan gaya magnetik.

F_Lorentz = Fsentripetal

qvB = mv² / R

Dengan begitu, besarnya jari-jari lintasan melingkar partikel tersebut bisa kita cari menggunakan rumus:

R = mv/qvB

Faktor yang Memengaruhi Gaya Lorentz

Perlu kalian ketahui bahwa ada beberapa faktor yang mempengaruhi gaya elektrik, di antaranya:

• Besar arus listrik (I).
• Kuat medan magnet (B).
• Panjang penghantar (I).

Penerapan dalam Kehidupan Sehari-Hari

Informasi yang tidak kalah penting adalah kira-kira apa saja manfaat yang akan kita dapatkan dari penerapan gaya lorentz? Salah satu manfaat yang paling terasa dari penerapan gaya ini adalah motor listrik. Dengan mengalirkan listrik kumparan yang ada di dalam medan magnet, akan bisa dihasilkan sebuah gaya magnetik berupa rotasi motor listrik yang digunakan untuk menggerakkan batang shaft, sehingga bisa digunakan untuk berbagai macam kebutuhan.

Selain motor listrik, penerapan gaya lorentz juga bisa kita lihat di linear motor, railguns, generator listrik, loudspeaker, linear alternatif, dan masih banyak yang lainnya.

Penerapan gaya lorentz di antaranya sebagai berikut:

• Velosimetri gaya lorentz (LFV) adalah teknik pengukuran aliran elektromagnetik non-kontak. Velosimetri gaya Lorentz sangat cocok untuk pengukuran kecepatan logam cair (seperti baja atau aluminium) dan saat ini sedang dikembangkan dalam penerapan bidang ilmu metalurgi.
• Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu motor listrik AC (arus bolak-balik) dan motor listrik DC (arus searah). Motor listrik dapat ditemukan di peralatan rumah tangga seperti kipas angin, mesin cuci, kulkas, pengering rambut, dan pompa air.
• Pendorong magnetoplasmadynamic.
• Generator listrik.

Contoh Soal dan Pembahasan

Gaya lorentz adalah gaya yang timbul akibat adanya arus listrik (muatan listrik yang bergerak) dalam suatu medan magnet. Untuk arah dari laya Lorentz selalu tegak lurus dengan arah kuat arus listrik (I) dan induksi magnetik yang ada (B).

Sebelum menuju contoh soal gaya lorentz, kamu harus kembali mempelajari rumus-rumus berikut ini.

Rumus Gaya Lorentz Kawat Bergerak dalam Medan Magnet:

Keterangan:

• l = panjang kawat (m).
• I = kuat arus yang mengalir di kawat (ampere).
• B = kuat medan magnet (tesla).
• α = sudut yang dibentuk oleh B dan I.

Rumus Gaya Lorentz Muatan Listrik yang Bergerak dalam Medan Magnet:

Keterangan:

• q = muatan listrik (coloumb).
• v = kecepatan gerak muatan listrik (m/s).
• B = kuat medan magnet (tesla).
• α = sudut yang dibentuk oleh B dan v.

Rumus Gaya Lorentz Dua Kawat Sejajar Berarus:

Keterangan:

• F₁ = gaya tarik-menarik atau tolak-menolak di kawat 1 (newton).
• F₂ = gaya tarik-menarik atau tolak-menolak di kawat 2 (newton).
• I₁ = kuat arus yang mengalir di kawat 1 (ampere).
• I₂ = kuat arus yang mengalir di kawat 2 (ampere).
• µ₀ merupakan permeabilitas vakum ().
• l = panjang kawat (m).
• α = jarak antar kedua kawat (m).

Contoh Soal 1

Perhatikan gambar berikut!

Jika arus listrik I dialirkan pada kawat AB , arah gaya magnetik yang dialami kawat AB adalah ….
A. ke arah
B. ke kiri
C. ke kanan
D. tegak lurus masuk bidang kertas
E. tegak lurus keluar bidang kertas

Pembahasan:
Menggunakan kaidah tangan kanan, kuat arus diisyaratkan sebagai ibu jari, sehingga telunjuk (medan magnet) akan keluar bidang dan berdasar sifat gaya lorentz akan tegak lurus.

Jawaban: E. tegak lurus keluar bidang kertas.

Contoh Soal 2

Sepotong kawat penghantar lurus berarus listrik yang arahnya ke timur diletakkan dalam medan magnet yang arahnya ke utara. Pada penghantar akan timbul gaya lorentz yang arahnya .…
A. Timur laut
B. Bawah
C. Atas
D. Barat
E. Selatan

Pembahasan:
Untuk menentukan arah gaya lorentz kita bisa menggunakan kaidah tangan kanan sebagai berikut.

Jawaban: D. Barat (tegak lurus dengan B dan I).

Contoh Soal 3

Sebuah kawat dengan panjang 1 m berarus listrik 10 A. Jika kawat diletakkan dalam medan magnet 0,01 T yang arahnya membentuk sudut 30° terhadap arah arus maka gaya magnet yang dialami kawat sebesar …
A. 0,05 N
B. 0,5 N
C. 2 N
D. 4 N
E. 8 N

Pembahasan:
Diketahui:
L = 1 m
I = 10 A
B = 0,01 T
α = 30°

Ditanya: F = ?
Jawab:
F = B . I . L sin α
F = 0,01 T . 10 A . 1 m . sin 30°
F = 0,05 N

Jadi, gaya magnet yang dialami kawat adalah 0,05 N.

Contoh Soal 4

Kawat lurus berarus listrik 4 A berada dalam medan magnet sebesar 1 T yang arahnya tegak lurus terhadap arus. Jika gaya Lorentz yang bekerja di kawat sebesar 4 N, maka panjang kawat adalah…

Pembahasan:
Diketahui:
L = 2 m
I = 20 A
B = 0,02 T
α = 30

Ditanya: F?
Jawab:
F = B.I.L.sin30
F = 0,02.20.2.sin30
F = 0,4 N

Jadi, gaya Lorents di kawat adalah 0,4 newton.

Contoh Soal 5

Sebuah elektron bergerak dengan kecepatan 6000 m/s memasuki medan magnet 2000 T. Jika arah kecepatan dan medan magnet membentuk sudut 30 derajat, maka gaya lorentz yang dialami elektron sebesar….

Pembahasan:
Diketahui:
q = -1,6×10^-19 C (muatan elektron)
v = 6000 m/s
B = 2000 T
α = 30 derajat

Ditanya: F?
Jawab:
F = q.v.B.sin30
F = 1,6×10^-19.6000.2000.1/2
F = 9,6 x 10^-13 N

Jadi, gaya lorentz yang dialami elektron adalah 9,6 x 10^-13 Newton.

Contoh Soal 6

Pada gambar di bawah, jika kawat PQ sejajar kawat RS dan diketahui i₁ = 6 A, jarak kedua kawat a = 20 cm, , menghasilkan gaya per satuan panjang sebesar 4,8 x 10^-5 N/m, maka besar kuat arus i₂ adalah .…

Pembahasan:
Diketahui:

 

 

 

Jawab:

 

 

 

 

Contoh Soal 7

Kawat yang panjangnya 500 cm berada di dalam medan magnet berkekuatan 20 T. Apabila arus listrik yang mengalir pada kawat itu adalah 2 A, maka berapakah gaya lorentz yang bekerja di kawat?

Pembahasan:
Diketahui:
L = 500 cm = 0,5 m
B = 20 T
I = 2 A

Ditanya: Berapa gaya lorentz yang bekerja di kawat?

Jawab:
F = BIL
= 20 T(2 A)(5 m)
= 200 N

Gaya lorentz yang bekerja di pada kawat tersebut sebesar 200 N.

Contoh Soal 8

Suatu kawat berarus listrik 20 A dengan arah ke atas berada dalam sebuah medan magnetik 0,5 T dengan membentuk sebuah sudut 30^o terhadap kawat. Apabila panjang kawat 20 meter, berapa besarnya gaya lorentz yang akan dialami kawat?

Penutup

Materi gaya lorentz adalah materi yang terkenal rumit, tetapi sebenarnya materi ini mudah untuk diselesaikan. Konsep utamanya kamu harus paham tentang arah-arah variabel yang bekerja seperti arah arus listrik arah medan magnet dan arah gaya lorentz itu sendiri.

Rekomendasi Buku & Artikel Terkait

Referensi

• “Lorentz Force | Equation, Properties, and Direction“. Encyclopedia Britannica. Diakses tanggal 10 Agustus 2022.
• “Lorentz Force | Definition, Formula, and Applications“. BYJUS. Diakses tanggal 10 Agustus 2022.
• “Electric Motor“. Encyclopedia Britannica. Diakses tanggal 10 Agustus 2022.

BACA JUGA:

• Hukum Dalton: Sejarah, Pengertian, Beserta Soal dan Pembahasannya
• Hukum Gauss dan Medan Listrik
• Hukum Kirchoff dan Hukum Ohm, Beserta Contoh Soal dan Pembahasannya
• Pengertian Gaya Tak Sentuh dan Contohnya
• Pengertian Induksi Elektromagnetik: Konsep, Penerapan, dan Contoh Soal