tirto.id - Contoh soal gaya lorentz di artikel ini tersaji untuk bahan belajar siswa kelas 9 dan 12. Di sini, hadir sejumlah contoh soal gaya lorentz beserta jawabannya yang dilengkapi dengan pembahasan.
Kumpulan soal gaya lorentz kelas 9 dipaparkan lebih awal. Kemudian disusul oleh daftar soal gaya lorentz kelas 12. Dengan begitu, pembaca akan melihat perbedaan kedua jenis soal gaya lorentz tersebut.
Materi gaya Lorentz kelas 9 dan kelas 12 jauh berbeda. Perbedaannya terlihat dari tingkat kerumitan pertanyaan maupun isi materinya. Untuk lebih jelanya simak daftar contoh soal gaya lorentz dan ulasan singkat materinya berikut.
Contoh Soal Gaya Lorentz Kelas 9 dan Pembahasan
Gaya Lorentz merupakan gaya yang terjadi di pengantar berarus listrik dan berada dalam medan magnet. Penerapan gaya Lorentz dalam kehidupan sehari-hari dapat ditemukan di sejumlah peranti elektronik seperti speaker, blender, bor listrik, dan mesin cuci.
Menghitung gaya lorentz menjadi bagian dari ilmu fisika yang di SMP masuk di pelajaran IPA. Rumus gaya Lorentz yang dipelajari di IPA SMP kelas 9 terbilang masih sederhana.
Secara umum, rumus gaya Lorentz adalah F = B x I x L. Sebagai 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).
Adapun untuk mencari nilai medan magnet (B) dengan diketahui nilai kecepatan putaran partikel, rumusnya adalah F = q (v x B). Keterangan untuk simbol rumus tersebut ialah F: gaya; q: muatan; v:kecepatan partikel bermuatan; B: medan magnet.
Berikut contoh soal gaya Lorentz kelas 9 beserta pembahasannya.
1. Soal I: Pak Budi dan Sutris sedang melakukan percobaan Fisika di laboratorium. Pak Budi mengukur kuat arus yang melalui sebuah komponen elektronik dengan hambatan 25 Ω. Komponen tersebut diberi tegangan 5 volt. Ternyata, kuat arus listrik yang terukur sama dengan kuat arus listrik yang melalui kawat berarus milik Sutris. Jika kawat berarus tersebut memiliki panjang 2 m dan berada dalam medan magnet 4 Tesla, tentukan besar gaya Lorentz yang dihasilkan!
Pembahasan:
Kita dapat menghitung arus listrik yang melalui komponen elektronik dengan menggunakan hukum Ohm, yang menyatakan bahwa arus (I) yang melalui konduktor antara dua titik berbanding lurus dengan tegangan (V) di kedua titik tersebut dan berbanding terbalik dengan resistansi (R) konduktor.
I = V / R = 5 V / 25 Ω = 0,2 A
Gaya Lorentz dapat dihitung dengan menggunakan rumus F = I x L x B, dengan F adalah gaya Lorentz, I adalah arus pada kawat, L adalah panjang kawat, dan B adalah medan magnet.
Jika diketahui I = 0,2 A, L = 2 m, dan B = 4 T, maka gaya Lorentz-nya adalah:
F = I x L x B = 0,2 A x 2 m x 4 T = 1,6 N
Jadi, besarnya gaya Lorentz yang dihasilkan adalah 1,6 N.
2. Soal II: Kawat MN panjangnya 40 cm dan digerakkan dalam medan magnet homogen B = 10-2 T dengan kecepatan 20 m/s. Bila hambatan dalam rangkaian R = 7 ohm, tentukanlah besar dan arah gaya lorentz yang bekerja pada kawat MN.
Pembahasan:
Kita bisa pakai rumus F = I x (L x B), dengan F adalah gaya Lorentz, I adalah arus pada kawat, L adalah panjang kawat, dan B adalah medan magnet.
Apabila diketahui L = 0,4 m, I = V/R = V/(7 ohm) = 20 V/7 = 2,857 A, B = 10-2 T, dan v = 20 m/s, kita dapat menghitung gaya Lorentz sebagai berikut:
F = I x (L x B) = I x L x B = 2,857 A x 0,4 m x 10-2 T = 1,143 N
Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan. Jika kawat mengarah ke arah ibu jari dan arus mengalir ke arah jari-jari, maka gaya Lorentz bekerja pada arah yang tegak lurus terhadap kawat dan medan magnet, yang berada di luar bidang kertas.
Jadi, besarnya gaya Lorentz kira-kira 1,143 N dan bekerja pada arah yang tegak lurus terhadap kawat dan medan magnet.
3. Soal III: Sebuah kawat berarus listrik 2A berada dalam medan magnet homogen 10 pangkat -4 Wb per m persegi. Bila panjang kawat 7m dan arah arus berlawanan dengan arah medan magnetiknya. Maka, berapa gaya lorentz yang mempengaruhi gaya tersebut?
Pembahasan:
Rumus yang kita gunakan yakni F = I x L x B.
Apabila diketahui besaran I = 2 A, L = 7 m, dan B = 10-4 T, kita dapat menghitung gaya Lorentz sebagai berikut:
F = I x L x B = I x L x B = 2 A x 7 m x 10-4 T = 0,014 N
Karena arah arus berlawanan dengan arah medan magnet, gaya Lorentz akan bekerja pada arah yang tegak lurus dengan kawat dan medan magnet, tetapi berlawanan arah.
Jadi, besarnya gaya Lorentz yang memengaruhi kawat adalah sekitar 0,014 N dan bekerja pada arah yang berlawanan dengan arah tegak lurus kawat dan medan magnet.
4. Soal IV: Satu besi berarus listrik 10 A masuk ke dalam medan magnet yang besarnya 6 T. Medan magnet tersebut, arahnya tegak lurus terhadap arus listrik. Jika gaya Lorentz yang bekerja pada kawat adalah 8 N, maka panjang besi tersebut adalah…
Pembahasan:
Kita bisa menggunakan rumus gaya Lorentz untuk menghitung panjang kawat besi. Rumusnya adalah F = I x L x B, di mana F adalah gaya Lorentz, I adalah arus dalam kawat, L adalah panjang kawat, dan B adalah medan magnet.
Dengan I = 10 A, B = 6 T, dan F = 8 N, kita dapat menyelesaikan L:
L = F / (I x B) = 8 N / (10 A x 6 T) = 0,133 m
Jadi, panjang kawat besi kira-kira 0,133 m.
5. Soal V: Sebuah kawat berarus listrik sepanjang 300 cm berada dalam medan magnet yang membentuk sudut 30° dengan arah medan magnet. Besar medan magnet adalah 500 T dan besar gaya Lorentz adalah 150 N. Berapakah besar arus listrik yang mengaliri kawat?
Pembahasan:
Gaya Lorentz dapat dihitung dengan menggunakan rumus F = I x L x B x sin(θ), di mana F adalah gaya Lorentz, I adalah arus dalam kawat, L adalah panjang kawat, B adalah medan magnet, dan θ adalah sudut antara medan magnet dan arus.
Dengan L = 300 cm = 3 m, B = 500 T, θ = 30°, dan F = 150 N, kita dapat menyelesaikan I:
I = F / (L x B x sin(θ)) = 150 N / (3 m x 500 T x sin(30°)) = 0,12 A
Jadi, besarnya arus listrik yang mengalir melalui kawat kira-kira 0,12 A.
Soal Gaya Lorentz Kelas 12 dan Pembahasan
Gaya Lorentz yang dipelajari di fisika SMA kelas 12 lebih rumit. Di dalamnya, membahas gaya Lorentz yang terjadi di beberapa kondisi. Misalnya gaya Lorentz dua konduktor lurus panjang dan berarus, serta gaya Lorentz pada muatan yang bergerak.
Partikel bermuatan q yang bergerak dengan kecepatan v dan memasuki medan magnetik B juga merasakan gaya Lorentz. Rumusnya adalah: F = q v B sin ө. Sebagai catatan, ө adalah sudut antara arah v dengan arah B.
Ketika muatannya adalah positif (+), arah F sesuai dengan kaidah tangan kanan. Namun, apabila muatannya negatif (-), arah F berlawanan arah dengan yg diperoleh dari kaidah tangan kanan. Bila q = 90º (v ^ B), maka F = q v B.
Rumus itu diperoleh karena F selalu tegak lurus terhadap v. Maka, lintasan partikel bermuatan merupakan lingkaran dengan jari-jari R sebesar: R = mv/q.B. Sebagai catatan, v = w R ® w = 2pf = 2p / T.
Di bawah ini, tersaji sejumlah contoh soal gaya lorentz kelas 12 dan pembahasannya:
1. Soal I: Sebuah kawat sepanjang 700 cm berada dalam medan magnet berkekuatan 80 T. Jika arus listrik yang mengalir pada kawat adalah 2 A, berapakah gaya Lorentz yang bekerja pada kawat?
Pembahasan:
Gaya Lorentz dapat dihitung dengan menggunakan rumus F = I x L x B.
Jika L = 700 cm = 7 m, I = 2 A, dan B = 80 T, kita dapat menghitung gaya Lorentz dengan cara begini:
F = I x L x B = 2 A x 7 m x 80 T = 976 N
Jadi, gaya Lorentz yang bekerja pada kawat adalah sekitar 976 N.
2. Soal II: Suatu elektron yang bergerak dengan kecepatan 6000 m/s memasuki medan magnet 2000 T. Arah kecepatan dan medan magnet membentuk sudut 30 derajat. Maka itu, gaya Lorentz yang dialami elektron adalah ....
Pembahasan:
Gaya Lorentz pada partikel bermuatan yang bergerak di dalam medan magnet dapat dihitung dengan menggunakan rumus F = q x (v x B).
Jika diketahui q = -1,6 x 10-19 C (muatan elektron), v = 6000 m/s, dan B = 2000 T, kita dapat menghitung gaya Lorentz sebagai berikut:
F = q x (v x B) = -1,6 x 10-19 C x (6000 m/s x 2000 T)
Karena arah kecepatan dan medan magnet membentuk sudut 30 derajat, kita dapat menggunakan hasil perkalian silang untuk menentukan arah gaya Lorentz. Arah gaya tegak lurus terhadap kecepatan dan medan magnet, dan dapat ditemukan dengan menggunakan aturan tangan kanan. Jika ibu jari menunjuk ke arah v dan jari-jari melengkung ke arah B, maka gaya Lorentz bekerja pada arah telapak tangan.
Jadi, besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh elektron kira-kira -1,92 x 10-13 N, dan gaya ini bekerja pada arah yang tegak lurus terhadap kecepatan elektron dan medan magnet, seperti yang ditentukan oleh aturan tangan kanan.
3. Soal III: Suatu kawat yang panjangnya 250 cm dialiri arus 2A yang arahnya ke barat. Kawat itu diletakkan di dalam medan magnet 0,8 tesla yang arahnya ke selatan. Berapa besar gaya Lorentz yang dialami kawat dan ke mana arahnya?
Pembahasan:
Gaya Lorentz pada kawat lurus dengan arus listrik bisa diketahui dengan rumus: F = I . L . B . Sin θ. Adapun dari isi pertanyaan di atas, bisa diketahui bahwa:
- F = gaya Lorentz (Newton) = ?
- I = kuat arus listrik (ampere) = 2 A
- L = panjang kawat dalam medan magnet = 250 cm atau 2,5 m
- B = Medan magnet = 0,8 T (tesla)
- θ = Sudut antara kawat dan medan magnet, yakni 90ᵒ sehingga Sin θ = 1.
- F = I . L . B . Sin θ
- F = 2 . 2,5 . 0,8 . 1
- F = 4 N.
Kemudian, arah gaya lorentz bisa ditentukan dengan kaidah tangan kanan, yaitu:
- Ibu jari menunjukkan arah arus (ke barat),
- Jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (ke selatan),
- Jari tengah (tegak lurus terhadap ibu jari dan telunjuk) menunjukkan arah gaya Lorentz.
4. Soal IV: Sebuah kawat sepanjang 300 mm dialiri arus 1,2 ampere yang arahnya ke kanan. Kawat diletakkan di medan magnet sebesar 2 tesla yang arahnya ke atas. Berapa besar dan bagaimana arah gaya Lorentz yang dialami kawat tadi!
Pembahasan:
Penyelesaian soal di atas bisa memakai rumus hukum gaya lorentz, yakni F = I . L. B . Sin θ. Sementara itu dari isi soal, bisa diketahui bahwa:
- L = panjang kawat = 300 mm atau 0,3 m
- I = Kuat arus = 1,2 A
- B = Medan magnet = 2 T
- Sin θ = Sudut arah arus dan medan magnet adalah 90ᵒ. Ini sebab arus ke kanan dan medan magnet ke atas. Adapun sin 90ᵒ = 1.
- F = I . L. B . Sin 0
- F = 1,2 . 0,3 . 2 . 1
- F = 0,72 N
Adapun untuk mencari arah gaya lorentz bisa memakai kaidah tangan kanan, yaitu:
- Ibu jari menunjuk ke arah arus (I): ke kanan
- Jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet (B): ke atas
- Jeri tengah (tegak lurus keduanya) menunjukkan arah gaya lorentz (F): ke depan atau menjauhi pengamat.
Pembahasan:
Gaya lorentz di kawat berarus yang berada dalam medan magnet bisa dirumuskan dalam persamaan: F = I . L . B . Sin θ. Dari soal di atas, bisa diketahui bahwa:
- F = gaya Lorentz (Newton) = 0,8 N
- I = kuat arus listrik (ampere) = ?
- L = panjang kawat dalam medan magnet = 40 cm atau 0,4 m
- B = Medan magnet = 1 T (tesla)
- θ = Sudut antara kawat dan medan magnet, yakni 90ᵒ sehingga Sin θ = 1.
- F = I . L . B . Sin θ
- 0,8 = I . 0,4 . 1 . 1
- I = 0,8 / (0,4 . 1 . 1)
- I = 0,8 / 0,4
- I = 2 A
- Gaya lorentz mengarah ke sumbu Y
- Medan magnet B mengarah ke sumbu -Z
- Sesuai kaidah tangan kanan, arus listrik mengarah ke sumbu X untuk menghasilkan gaya lorentz.
Penulis: Ega Krisnawati
Editor: Fadli Nasrudin
Penyelaras: Addi M Idhom
