Contoh makalah Fisika tantang penerapan Gaya Lorentz

APLIKASI PENGGUNAAN KONSEP GAYA LORENTZ

Disusun untuk memenuhi salah satu tugas individual mata pelajaran Fisika

disusun oleh :

Laras Pusparanti

121310144

XII IPA 1

SMA Negeri 1 Cikalongwetan

2014

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh , puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas berkat rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah  yang berjudul “Aplikasi Penggunaan Konsep Gaya Lorentz” ini sesuai dengan petunjuk, kemampuan, serta ilmu pengetahuaan yang penulis miliki.

Penulis ucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan penyusunan makalah ini, semoga makalah ini bermanfaat khususnya bagi penulis, umumnya bagi siapa saja yang membacanya.

Dalam penulisan makalah ini, saya menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnan. Oleh karena itu, kritik dan saran dari teman-teman yang bersifat membangun sangat kami harapkan demi kesempurnaan makalah ini.

Cikalongwetan, 30 November 2014

Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL.............................................................................................................i

KATA PENGANTAR..........................................................................................................ii

DAFTAR ISI......................................................................................................................... iii

BAB I PENDAHULUAN.....................................................................................................1

A.    Latar Belakang ............................................................................................................1

B.     Rumusan Masalah........................................................................................................2

C.     Tujuan Penulisan ……………………………………………………………………2

BAB II PEMBAHASAN.......................................................................................................2

            Cara kerja motor listrik................................................................................................2

            Cara kerja Galvanometer ............................................................................................3

            Cara kerja kereta maglev ……………………………………………………………5

            Cara kerja pengeras suara (speaker)…………………………………………………6

BAB III PENUTUP ……………………………………………………………………… 7

A.    Kesimpulan…………………………………………………………………………..7

B.     Saran…………………………………………………………………………………7

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................... 8 

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Gaya Lorentz adalah gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet (B). Arah gaya ini akan mengikuti arah maju skrup yang diputar dari vektor arah gerak muatan listrik (v) ke arah medan magnet (B), seperti yang terlihat dalam rumus berikut:

F=q (v × B)

Keterangan:
F = gaya (Newton)
B = medan magnet (Tesla)
q = muatan listrik ( Coulomb)
v = arah kecepatan muatan (m/t)

Sebuah partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam daerah medan magnet homogen akan mendapatkan gaya. Gaya ini juga dinamakan gaya Lorentz. Gerak partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah medan magnet ( B ). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik ( I ). Untuk muatan positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah arus.

Jika besar muatan q bergerak dengan kecepatan v, dan I = q/t maka persamaan gaya adalah:
                                               FL = I . ℓ . B sin θ
                                                     = q/t . ℓ . B sin θ
                                                     = q . ℓ/t . B sin θ
                                                     = q . v . B sin θ
                        *Karena ℓ/t = v

Sehingga besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh sebuah muatan yang bergerak dalam daerah medan magnet dapat dicari dengan menggunakan rumus :

F = q . v . B sin θ

Keterangan:
F = gaya Lorentz dalam newton ( N )
q = besarnya muatan yang bergerak dalam coulomb ( C )
v = kecepatan muatan dalam meter / sekon ( m/s )
B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
θ = sudut antara arah v dan B

 B.     Rumusan Masalah

Apa saja Aplikasi Penggunaan Konsep dari Gaya Lorentz?

Bagaimana cara kerja dari motor listrik?

Bagaimana cara kerja dari Galvanometer?

Apa itu maglev? Bagaimana cara kerjanya?

Bagaimana cara kerja dari speaker?

C.    Tujuan Penulisan

Adapaun makalah ini dibuat bertujuan untuk mengetahui apa saja aplikasi dari konsep Gaya Lorentz dan bagaimana cara kerja aplikasi tersebut.

BAB II

PEMBAHASAN

·         Cara Kerja Motor Listrik

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Alat yang rfungsi sebaliknya, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik disebut generator atau dinamo. Motor listrik dapat ditemukan pada peralatan rumah tangga seperti kipas angin, mesin cuci, pompa air dan penyedot debu. Pada motor listrik tenaga listrik diubah menjadi tenaga mekanik. Perubahan ini dilakukan dengan mengubah tenaga listrik menjadi magnet yang disebut sebagai elektro magnit. Sebagaimana kita ketahui bahwa : 
kutub-kutub dari magnet yang senama akan tolak-menolak dan kutub-kutub tidak senama, tarik-menarik. Maka kita dapat memperoleh gerakan jika kita menempatkan sebuah magnet pada sebuah poros yang dapat berputar, dan magnet yang lain pada suatu kedudukan yang tetap.

Motor Listrik

Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut kuda kerjanya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.

Bagaimana sebuah motor listrik bekerja ?

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama, arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan. 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. Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/ torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok (BEE India, 2004): Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).

Motor listrik yang umum digunakan di dunia Industri adalah motor listrik asinkron, dengan dua standar global yakni IEC dan NEMA. Motor asinkron IEC berbasis metrik (milimeter), sedangkan motor listrik NEMA berbasis imperial (inch), dalam aplikasi ada satuan daya dalam horsepower (hp) maupun kiloWatt (kW).

·         Cara Kerja Galvanometer

Alat ukur utama yakni galvanometer, alat ukur penunjang sebagai dasar untuk pembuatan alat ukur amperemeter dan voltmeter.
Galvanometer adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur kuat arus dan beda potensial listrik yang relatif kecil. Galvanometer tidak dapat digunakan untuk mengukur kuat arus maupun beda potensial listrik yang relatif besar, karena komponen-komponen internalnya yang tidak mendukung . Gambar dibawah ini memperlihatkan bahwa galvanometer hanya dapat mengukur arus maupun tegangan yang relative rendah.

Galvanometer bisa digunakan untuk mengukur kuat arus maupun beda potensial listrik yang besar, jika pada galvanometer tersebut dipasang hambatan eksternal (pada voltmeter disebut hambatan depan, sedangkan pada ampermeter disebut hambatan shunt).


GALVANOMETER dengan HAMBATAN SHUNT
Galvanometer dengan hambatan shunt adalah ampermeter. Dalam pemasangannya, ampermeter ini harus dihubungkan paralel dengan sebuah hambatan shunt Rsh. Pemasangan hambatan shunt ini tidak lain bertujuan untuk meningkatkan batas ukur galvanometer agar dapat mengukur kuat arus listrik yang lebih besar dari nilai standarnya.

Pemasangan Galvanometer dengan hambatan shunt

Ketika arus mengalir melalui kumparan yang dilingkupi oleh medan magnet akan timbul gaya lorentz yang menggerakkan jarum penunjuk hingga menyimpang. Apabila arus yang melewati kumparan agak besar, maka gaya yang timbul juga akan membesar sedemikian sehingga penyimpangan jarum penunjuk juga akan lebih besar. Demikian sebaliknya, ketika kuat arus tidak ada maka jarum penunjuk akan dikembalikan ke posisi semula oleh sebuah pegas.

GALVANOMETER dengan HAMBATAN DEPAN (MULTIPLIER)
Galvanometer dengan hambatan depan adalah voltmeter. Sebuah galvanometer dan sebuah hambatan eksternal Rx yang dipasang seri. Adapun tujuan pemasangan hambatan Rx ini tidak lain adalah untuk meningkatkan batas ukur galvanometer, sehingga dapat digunakan untuk mengukur tegangan yang lebih besar dari nilai standarnya.

Pemasangan Galvanometer dengan hambatan depan (multiplier)

Fungsi multiplier adalah menahan arus agar tegangan yang terjadi pada galvanometer tidak melebihi kapasitas maksimum, sehingga sebagian tegangan akan berkumpul pada multiplier. Dengan demikian kemampuan mengukurnya menjadi lebih besar.

CARA KERJA GALVANOMETER
Galvanometer bekerja berdasarkan gaya Lorentz. Gaya dimana gerak partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah medan magnet (B). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik (I). Untuk muatan positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah arus.

Cara kerjanya galvanometer sama dengan motor listrik, tapi karena dilengkapi pegas, maka kumparannya tidak berputar. Karena muatan dalam magnet dapat berubaha karena arus listrik yang mengalir ke dalamnya. Galvanometer pada umumnya dipakai untuk arus searah, tetapi prinsipnya menggunakan konstruksi kumparan putar. 

Cara kerja galvanometer, yaitu berputarnya kumparan karena munculnya dua gaya Lorentz 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.

·         Cara Kerja Maglev, kereta tercepat di Dunia

MagLev adalah singkatan dari MAGnetically LEVitated trains yang terjemahan bebasnya adalah kereta api yang mengambang secara magnetis. Sering juga disebut kereta api magnet. Seperti namanya, prinsip dari kereta api ini adalah memanfaatkan gaya angkat magnetik pada relnya sehingga terangkat sedikit ke atas, kemudian gaya dorong dihasilkan oleh motor induksi. Kereta ini mampu melaju dengan kecepatan sampai 650 km/jam (404 mpj) jauh lebih cepat dari kereta biasa. Beberapa negara yang telah menggunakan kereta api jenis ini adalah Jepang, Perancis, Amerika, dan Jerman. Dikarenakan mahalnya pembuatan relnya, di dunia pada 2005 hanya ada dua jalur Maglev yang dibuka umum, di Shanghai dan Kota Toyota.
Teknologi

Ada tiga jenis teknologi maglev:

* Yang tergantung pada magnet superkonduktivitas (suspensi elektrodinamik)
* Yang tergantung pada elektromagnetik terkontrol (suspensi elektromagnetik)
* Yang terbaru, mungkin lebih ekonomis, menggunakan magnet permanen (Inductrack)

Jepang and Jerman merupakan dua negara yang aktif dalam pengembangan teknologi maglev menghasilkan banyak pendekatan dan desain. Dalam suatu desain, kereta dapat diangkat oleh gaya tolak magnet dan dapat melaju dengan motor linear. Pengangkatan magnetik murni menggunakan elektromagnet atau magnet permanen tidak stabil karena teori Earnshaw; Diamagnetik dan magnet superkonduktivitas dapat menopang maglev dengan stabil.

Berat dari elektromagnet besar juga merupakan isu utama dalam desain. Medan magnet yang sangat kuat dibutuhkan untuk mengangkat kereta yang berat. Efek dari medan magnetik yang kuat tidak diketahui banyak. Oleh karena itu untuk keamanan penumpang, pelindungan dibutuhkan, yang dapat menambah berat kereta. Konsepnya mudah namun teknik dan desainnya kompleks.

Sekarang ini, NASA melakukan riset penggunaan sistem Maglev untuk meluncurkan pesawat ulang alik. Untuk dapat melakukan ini, NASA harus mendapatkan peluncuran pesawat ulang alik maglev mencapai kecepatan pembebasan, suatu tugas yang membutuhkan pewaktuan pulse magnet yang rumit (lihat coilgun) atau arus listrik yang sangat cepat, sangat bertenaga
Cara kerja
Prinsip gaya dorongnya

Kereta Maglev mengambang kurang lebih 10mm di atas rel magnetiknya. Dorongan ke depan dilakukan melalui interaksi antara rel magnetik dengan mesin induksi yang juga menghasilkan medan magnetik di dalam kereta (lihat gambar).
Kelebihan dan kekurangan

Kelebihan utama dari kereta ini adalah kemampuannya yang bisa melayang di atas rel, sehingga tidak menimbulkan gesekan. Konsekuensinya, secara teoritis tidak akan ada penggantian rel atau roda kereta karena tidak akan ada yang aus (biaya perawatan dapat dihemat). Keuntungan sampingan lainnya adalah tidak ada gaya resistansi akibat gesekan. Gaya resistansi udara tentunya masih ada. Untuk itu dikembangkan lagi Kereta Maglev yang lebih aerodinamis.

·         Cara kerja pengeras suara (Speaker)

Pengeras suara bekerja berdasarkan prinsip Gaya Lorentz. Komponen dasar pengeras suara terdiri dari tiga bagian yaitu sebuah krucut yertas yang bersambungan dengan sebuah kumparan suara (silinder yang dikitari oleh kawat tembaga) dan sebuah magnet hermanen berbentuk silinder (kutub utara di tengah dan dikelilingi kutub selatan).
       Ketika arus dilewatkan pada lilitan kumparan , maka padanya akan bekerja Gaya Lorentz yang disebabkan oleh magnet permanen. Besar kecilnya gaya bergantung pada arus 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.
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 yang mengakibatkan gelombang bunyi.

Bagaimana Suara dapat dihasilkan ?

Sebelum kita membahas lebih lanjut mengenai Loadspeaker (Pengeras Suara), sebaiknya kita mengetahui bagaimana suara dapat dihasilkan. Yang dimaksud dengan “Suara” sebenarnya adalah Frekuensi yang dapat didengar oleh Telinga Manusia yaitu Frekuensi yang berkisar di antara 20Hz – 20.000Hz. Timbulnya suara dikarenakan adanya fluktuasi tekanan udara yang disebabkan oleh gerakan atau getaran suatu obyek tertentu. Ketika Obyek tersebut bergerak atau bergetar, Obyek tersebut akan mengirimkan Energi Kinetik untuk partikel udara disekitarnya. Hal ini dapat di-anologi-kan seperti terjadinya gelombang pada air. Sedangkan yang dimaksud dengan Frekuensi adalah jumlah getaran yang terjadi dalam kurun waktu satu detik. Frekuensi dipengaruhi oleh kecepatan getaran pada obyek yang menimbulkan suara, semakin cepat getarannya makin tinggi pula frekuensinya.

 

Pada gambar diatas, dapat kita lihat bahwa pada dasarnya Speaker terdiri dari beberapa komponen utama yaitu Cone, Suspension, Magnet Permanen, Voice Coil dan juga Kerangka Speaker.

Dalam rangka menterjemahkan sinyal listrik menjadi suara yang dapat didengar, Speaker memiliki komponen Elektromagnetik yang terdiri dari Kumparan yang disebut dengan Voice Coil untuk membangkitkan medan magnet dan berinteraksi dengan Magnet Permanen sehingga menggerakan Cone Speaker maju dan mundur. Voice Coil adalah bagian yang bergerak sedangkan Magnet Permanen adalah bagian Speaker yang tetap pada posisinya. Sinyal listrik yang melewati Voice Coil akan menyebabkan arah medan magnet berubah secara cepat sehingga terjadi gerakan “tarik” dan “tolak” dengan Magnet Permanen. Dengan demikian, terjadilah getaran yang maju dan mundur pada Cone Speaker.

Cone adalah komponen utama Speaker yang bergerak. Pada prinsipnya, semakin besarnya Cone semakin besar pula permukaan yang dapat menggerakan udara sehingga suara yang dihasilkan Speaker juga akan semakin besar.

Suspension yang terdapat dalam Speaker berfungsi untuk menarik Cone ke posisi semulanya setelah bergerak maju dan mundur. Suspension juga berfungsi sebagai pemegang Cone dan Voice Coil. Kekakuan (rigidity), komposisi dan desain Suspension sangat mempengaruhi kualitas suara Speaker itu sendiri.

BAB III

PENUTUP

A.    Kesimpulan

Dari pembahasan diatas kita tahu bahwa alat-alat yang mungkin biasa kita pakai adalah salah satunya dari penerapan Gaya Lorentz, yakni gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet. Salah satu contohnya alat yang sering kita pakai adalah mixer, kipas angina, motor listrik, speaker dan alat-alat lain yang masih banyak lagi kita punya yang berdasarkan prinsip dari Gaya Lorentz.

B.     Saran

Demikian yang dapat penulis paparkan mengenai Aplikasi Penggunaan Konsep Gaya Lorentz yang menjadi pokok bahasan dalam makalah ini, tentunya masih banyak kekurangan dan kelemahannya, kerena terbatasnya pengetahuan dan kurangnya rujukan atau referensi yang ada hubungannya dengan judul makalah ini. Penulis banyak berharap para pembaca yang budiman sudi memberikan kritik dan saran yang membangun kepada penulis demi sempurnanya makalah ini dan dan penulisan makalah di kesempatan kesempatan berikutnya. Semoga makalah ini berguna bagi penulis pada khususnya juga para pembaca yang budiman pada umumnya

DAFTAR PUSTAKA

http://as-satrahblogummat.blogspot.com/2011/11/galvanometer.html

http://fellyonova.blogspot.com/2012/10/gaya-lorentz-gaya-lorentz-merupakan.html

http://husni-88.blogspot.com/2012/05/prinsip-kerja-motor-listrik.html

http://mobelos.blogspot.com/2013/11/kumpulan-contoh-kata-pengantar-makalah.html

http://nanokomara.blogspot.com/2014/03/makalah-fisika-tentang-alat-ukur.html

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://rahmatromdana.blogspot.com/2012/05/blender-dan-fisikawan-belanda-hendrik.html

http://rohmatullahh.blogspot.com/2013/11/kumpulan-contoh-kata-pengantar.html

http://rzayusworo.blogspot.com/2013/11/gaya-lorentz-aplikasinya.html

http://teknikelektronika.com/fungsi-pengertian-speaker-prinsip-kerja-speaker/

 http://unitedscience.wordpress.com/ipa-3/bab-12-kemagnetan/

http://www.carapintarku.blogspot.com/2014/01/bagaimanakah-prinsip-kerja-maglev.html