Upload
agnes-mambus-yusti
View
447
Download
44
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Penerapan Gaya Magnetik dalam Kehidupan Sehari-hari
Citation preview
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