Gaya Lorentz dan Produk Teknologi Kemagnetan

Kemagnetan merupakan hal yang tidak dapat terlepas dari kehidupan manusia dan makhluk lain penghuni alam semesta ini. Bumi sendiri merupakan magnet terbesar yang dapat memberi manfaat besar bagi manusia. Magnet bumi memungkinkan manusia untuk menggunakan kompas sebagai penunjuk arah dan hewan-hewan juga memanfaatkan gaya magnet bumi sebagai penunjuk arah dalam melakukan migrasi. Perkembangan teknologi selanjutnya yang terinspirasi dari prinsip kemagnetan bumi menghasilkan berbagai penerapan magnet di bidang teknologi. Hal ini banyak membantu aktivitas manusia dengan berbagai peralatan yang bermanfaat bagi kehidupan.

Gaya Lorentz adalah gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet. Nama gaya ini diambil dari nama belakang seorang ahli fisika kelahiran Arnhem Belanda bernama Hendrik Anton Lorentz. Ahli fisika yang meneliti tentang interaksi sebuah penghantar berarus yang diletakkan di dalam sebuah medan magnet. Gaya Lorentz kemudian banyak dimanfaatkan untuk menggerakkan motor listrik untuk berbagai keperluan seperti kipas angin, blender, dan sebagainya.

Arah gaya Lorentz bergantung pada arah arus listrik dan arah medan magnet.  Untuk  menentukan arah gaya  Lorentz  digunakan kaidah  atau  aturan  tangan  kanan.  Caranya  rentangkan  ketiga  jari yaitu ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah sedemikian hingga membentuk sudut 90 derajat  (saling tegak lurus). Jika ibu jari menunjukan arah arus listrik (I) dan jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B) maka arah gaya Lorentz searah jari tengah (F).

Secara matematis, besarnya Gaya Lorentz dituliskan sebagai berikut.

F = B. I. L

Keterangan:

F = gaya Lorentz (Newton)

B = medan magnet tetap (Tesla)

I = kuat arus listrik (Ampere)

L = panjang kawat berarus yang masuk ke dalam medan magnet (meter)

Sebuah kawat tembaga sepanjang 10 m dialiri arus listrik sebesar 5 mA. Jika kawat tembaga tersebut tegak lurus berada dalam medan magnet sebesar 8 Tesla, berapakah Gaya Lorentz yang timbul?

Diketahui:

L = 10 m

I = 5 mA = 0,005 A

B = 8 T

Ditanya: Gaya Lorentz (F)?

Jawab:

F = B I L = 8 . 0,005 . 10 = 0,4 N

Jadi, Gaya Lorentz yang timbul sebesar 0,4 N

Jika gaya Lorentz yang ditimbulkan oleh kawat tembaga sepanjang 2 m dan dialiri arus listrik sebesar 2 mA adalah 12 N, maka berapakah besar medan magnet yang melingkupi kawat tembaga tersebut?

Diketahui:

L = 2 m

I = 2 mA = 2 x 10^-3 A

F = 12 N

Ditanya: medan magnet (B)?

Jawab:

F = B I L

Motor listrik digunakan untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Beberapa motor listrik yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya motor listrik pada kipas angin untuk yang berfungsi untuk menggerakkan baling-baling.

Motor listrik memiliki beberapa komponen, diantaranya magnet tetap dan kumparan. Jika ada arus listrik yang mengalir pada kumparan yang terletak dalam medan magnet maka kumparan tersebut akan mengalami Gaya Lorentz sehingga kumparan akan berputar. Agar kumparannya dapat berputar dengan stabil, maka kumparan dibuat seperti Gambar 6.30 yang masing-masing ujungnya dibentuk melingkar.

Pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) merupakan pembangkit listrik yang menggunakan energi nuklir. Pada PLTN panas diperoleh dari pemecahan reaksi inti atom (fisi)  dalam suatu reaktor nuklir. Panas yang dihasilkan mampu mencapai 1,5 juta derajat celcius, hingga tidak ada satupun bahan di bumi yang mampu menahan energi panasnya. Agar partikel panas tersebut tidak menyebar ke lingkungan, digunakan botol magnet dengan medan magnet yang sangat besar.

2. Kereta Maglev

Maglev merupakan kependekan dari magnetically levitated atau kereta terbang. Kereta maglev diterbangkan kurang lebih 10 mm di atas relnya. Meskipun rel dan kereta tidak menempel, kereta maglev yang super cepat yakni mampu melaju hingga 650 km/jam, tidak akan terjatuh dan tergelincir. Hal ini disebabkan kereta maglev menerapkan prinsip gaya tolak menolak magnet serta didorong dengan menggunakan motor induksi.

Kereta maglev telah menjadi alat transportasi masal di beberapa negara maju seperti Jepang, Amerika, China, dan beberapa negara di Eropa seperti Prancis, Jerman, dan Lodon. Di Jepang, kereta yang menggunakan prinsip ini, yaitu kereta Shinkansen yang menghubungkan kota Tokyo, Nagoya, dan Osaka.

3. MRI (Magnetic Resonance Imaging)

Orang yang akan di cek kesehatannya dimasukkan ke dalam medan magnet yang memiliki kekuatan 5000 kali lipat lebih kuat dari medan magnet bumi. Medan magnet sebesar ini mengakibatkan nukleon tubuh berputar dan berbaris sejajar menjadi jarum kompas. Nukleon tersebut kemudian ditembak dengan gelombang radio untuk menginduksi arahnya.

Saat arahnya sejajar, nukleon-nukleon tersebut akan memancarkan gelombang radio yang akhirnya diterima komputer sebagai pencitraan kondisi dalam tubuh Gambar tersebut dapat menunjukkan adanya penyakit dalam tubuh manusia. Teknik ini jauh lebih aman dibanding dengan Roentgen (sinar X). Lebih dari sekedar mendeteksi ada tidaknya penyakit seperti tumor, MRI dapat digunakan untuk merekam pikiran manusia. Misalnya untuk merekam bagian otak yang menanggapi rangsang panas atau dingin. Selain itu, MRI juga dapat digunakan untuk melakukan deteksi dini terhadap gejala epilepsi.