Gaya Lorentz

Pada postingan sebelumnya telah memposting bahwa kawat berarus listrik menimbulkan medan magnet. Apakah yang terjadi jika kawat berarus listrik berada dalam medan magnet tetap?Interaksi medan magnet dari kawat berarus dengan medan magnet tetap akan menghasilkan gaya magnet. Pada peristiwa ini terdapat hubungan antara arus listrik, medan magnet tetap, dan gaya magnet. Hubungan besaran-besaran itu ditemukan oleh fisikawan Belanda, Hendrik Anton Lorentz (1853–1928).

Dalam penyelidikannya Lorentz menyimpulkan bahwa besar gaya yang ditimbulkan berbanding lurus dengan kuat arus, kuat medan magnet, panjang kawat dan sudut yang dibentuk arah arus listrik dengan arah medan magnet. Untuk menghargai jasa penemuan H.A. Lorentz, gaya tersebut disebut gaya Lorentz. Apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz dirumuskan.

F = B × I × l

Dengan:

F = gaya Lorentz satuan newton (N)

B = kuat medan magnet satuan tesla (T).

l = panjang kawat satuan meter (m)

I = kuat arus listrik satuan ampere (A)

Berdasarkan rumus di atas tampak bahwa apabila arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, besar gaya Lorentz bergantung pada panjang kawat, kuat arus listrik, dan kuat medan magnet. Gaya Lorentz yang ditimbulkan makin besar, jika panjang kawat, kuat arus listrik, dan kuat medan magnet makin besar.

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° (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).

Gaya Lorentz yang ditimbulkan kawat berarus listrik dalam medan magnet dapat dimanfaatkan untuk membuat alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak. Alat yang menerapkan gaya Lorentz adalah motor listrik dan alat-alat ukur listrik. Motor listrik banyak dijumpai pada tape recorder, pompa air listrik, dan komputer. Adapun, contoh alat ukur listrik yaitu amperemeter, voltmeter, dan ohmmeter.

malcolm-learns-physics.blogspot.com

magnet.fsu.edu

Reaksi Kimia dan Prinsip Kerja Elemen Volta

Sebelumnya Mafia Online sudah membahas tentang contoh dan jenis sumber arus litrik. Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua yaitu sumber arus listrik bolak-balik (AC) dan sumber arus listrik searah (DC). Untuk sumber arus listrik searah contohnya elemen volta, batu baterai, dan akumulator. Pada postingan kali ini Mafia Online akan mengulas tentang sumber arus listrik searah yang namanya Elemen Volta.

Penemu elemen Volta
Sumber gambar: Wikipedia

Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh Fisikawan Italia bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan sebuah bejana yang diisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan dua logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Bagian utama elemen Volta, yaitu

a. kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4).

Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai berikut.

Pada larutan elektrolit terjadi reaksi

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²-

Pada kutub positif terjadi reaksi

Cu + 2H⁺ → polarisasi H2

Pada kutub negatif terjadi reaksi

Zn + SO4 → ZnSO4+ 2e

Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen Volta karena dapat membasahi peralatan lainnya.

Rangkaian Seri dan Pararel Hambatan Listrik

Secara umum rangkaian hambatan dikelompokkan menjadi rangkaian hambatan seri, hambatan paralel, maupun gabungan keduanya. Untuk membuat rangkaian hambatan seri maupun paralel minimal diperlukan dua hambatan. Adapun, untuk membuat rangkaian hambatan kombinasi seri-paralel minimal diperlukan tiga hambatan.

Jenis-jenis rangkaian hambatan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Oleh karena itu, jenis rangkaian hambatan yang dipilih bergantung pada tujuannya.

1. Hambatan seri

Dua hambatan atau lebih yang disusun secara berurutan disebut hambatan seri. Hambatan yang disusun seri akan membentuk rangkaian listrik tak bercabang. Kuat arus yang mengalir di setiap titik besarnya sama. Tujuan rangkaian hambatan seri untuk memperbesar nilai hambatan listrik dan membagi beda potensial dari sumber tegangan. Rangkaian hambatan seri dapat diganti dengan sebuah hambatan yang disebut hambatan pengganti seri (RS).

Tiga buah lampu masing-masing hambatannya R1, R2, dan R3 disusun seri dihubungkan dengan baterai yang tegangannya V menyebabkan arus listrik yang mengalir I. Tegangan sebesar V dibagikan ke tiga hambatan masing-masing V1, V2, dan V3, sehingga berlaku:

V = V1 + V2 + V3 

Berdasarkan Hukum I Kirchoff pada rangkaian seri (tak bercabang) berlaku:

I = I1 = I2 = I3

Berdasarkan Hukum Ohm, maka beda potensial listrik pada setiap lampu yang hambatannya R1, R2, dan R3 dirumuskan:

V1 = I × R1 atau V_AB = I × R_AB

V2 = I × R2 atau V_BC = I × R_BC

V3 = I × R3 atau V_CD = I × R_CD

Beda potensial antara ujung-ujung AD berlaku:

V_AD = _VAB + V_BC + V_CD

I × R_S = I × R_AB + I × R_BC + I × R_CD

I × R_S = I × R1 + I × R2 + I × R3

Jika kedua ruas dibagi dengan I, diperoleh rumus hambatan pengganti seri (R_S):

R_S = R1 + R2 + R3

Jadi, besar hambatan pengganti seri merupakan penjumlahan besar hambatan yang dirangkai seri. Apabila ada n buah hambatan masing-masing besarnya R1, R2, R3, ...., Rn dirangkai seri, maka hambatan dirumuskan:

R_S = R1 + R2 + R3 + … + Rn

2. Hambatan Paralel

Dua hambatan atau lebih yang disusun secara berdampingan disebut hambatan paralel. Hambatan yang disusun paralel akan membentuk rangkaian listrik bercabang dan memiliki lebih dari satu jalur arus listrik. Susunan hambatan paralel dapat diganti dengan sebuah hambatan yang disebut hambatan pengganti paralel (RP).Rangkaian hambatan paralel berfungsi untuk membagi arus listrik. 

Tiga buah lampu masing masing hambatannya R1, R2, dan R3 disusun paralel dihubungkan dengan baterai yang tegangannya V menyebabkan arus listrik yang mengalir I. Besar kuat arus I1, I2, dan I3 yang mengalir pada masingmasing lampu yang hambatannya masing-masing R1, R2, dan R3 sesuai Hukum Ohm dirumuskan:

 

Ujung-ujung hambatan R1, R2, R3 dan baterai masing masing bertemu pada satu titik percabangan. Besar beda potensial (tegangan) seluruhnya sama, sehingga berlaku:

V = V1 = V2 = V3

Besar kuat arus I dihitung dengan rumus:

I = V/ R_p

Kuat arus sebesar I dibagikan ke tiga hambatan masing-masing I1, I2, dan I3. Sesuai Hukum I Kirchoff pada rangkaian paralel berlaku:

Jika kedua ruas dibagi dengan V, diperoleh rumus hambatan pengganti paralel:

Jika ada n buah hambatan masing-masing R1, R2, R3, ... Rn, hambatan pengganti paralel dari n buah hambatan secara umum dirumuskan:

Cara Membuat Agar Benda Dapat Bermuatan Listrik

Seorang anak yang tanpa sengaja mengosok-gosokan sebuah penggaris yang baru dibelinya ke kulitnya. Setelah didekatkan dengan rambut temannya, ternyata ujung rambut temannya berdiri dan mendekati penggaris. Anak itu pun terheran-heran dan berpikir kenapa ujung rambut temannya berdiri dan mendekati setelah didekatkan dengan sebuah penggaris. Jika Anda mempelajari konsep listrik statis maka Anda sudah bisa menjawab permasalahan tersebut, karena pada penggaris tersebut sudah memiliki muatan listrik.

Tidak semua benda dapat dijadikan bermuatan. Berikut benda-benda yang bisa dijadikan bermuatan dan cara membuatnya sehingga menjadi bermuatan.

Kaca dengan Kain Sutra

Jika kita menggosok-gosokan kaca dengan kain sutra maka elektron-elektron yang ada pada kaca akan berpindah menuju kain sutra, sehingga kaca menjadi kekurangan elektron dan akibatnya kaca akan bermuataan positif. Sementara itu, kain sutra akan mendapat tambahan elektron sehingga menjadi kelebihan elektron dan akibatnya kain sutra akan menjadi bermuatan negatif.

Mistar/Penggaris dengan Rambut

Jika sebuah mistar atau penggaris kita gosok-gosokan pada rambut kering maka elektron-elektron pada rambut akan berpindah ke mistar sehingga mistar akan kelebihan elektron dan akibatnya mistar akan akan bermuatan negatif, sedangkan rambut akan kehilangan elektron karena sudah berpindah ke mistar akibatnya rambut akan kekurangan elektron dan menjadi bermuatan positif.

Sisir dengan Rambut

Kasus ini hampir sama seperti pada penggaris dengan rambut. Jika kita menyisir rambut maka elektron-elektron yang ada pada rambut akan berpindah ke sisir akibatnya sisir akan kelebihan elektron dan bermuatan negatif, sedangkan rambut akan kehilangan elektron karena sudah berpindah ke sisir akibatnya rambut akan kekurangan elektron dan menjadi bermuatan positif.

Balon dengan Kain Wol

Sebuah balon jika kita gosokan dengan kain wol maka balon tersebut akan bermuatan negatif dan kain wol akan bermuatan positif karena elektron yang ada pada kain wol akan berpindah ke balon sehingga balon akan kelebihan elektron dan sebaliknya kain wol akan kekurangan elektron.

Ebonit dengan Kain Wol

Ebonit itu sebangsa karet vulkanisir yang teksturnya keras dan dibuat dari karet yang dicampur dengan belerang atau sulfur, banyak dipakai diperalatan listrik sebagai isolator atau bahan penyekat. Jika ebonit ini digosokan dengan kain wol maka ebonit akan bermuatan negatif dan kain wol akan bermuatan positif karena elektron yang ada di kain wol akan berpindah ke ebonit sehingga kain wol kelebihan elektron dan ebonit kekurangan elektron.

 

Ebonit
Sumber gambar: www.kaskus.co.id

Jika bahan-bahan di atas dibuatkan tabel maka akan tampak seprti tabel berikut di bawah ini.

Bahan	Hasil
Kaca – Sutra	Kaca (+), Sutra (–)
Mistar – Rambut	Mistar (–), Rambut (+)
Sisir – Rambut	Sisir (–), Rambut (+)
Balon –Wol	Balon (–), Wol (+)
Ebonit –Wol	Ebonit (–), Wol (+)