Aplikasi Kemagnetan: Motor, Galvanometer & Spektrometer — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menjelaskan prinsip kerja motor listrik, galvanometer, dan spektrometer dari gaya Lorentz $F = B I L$ pada kumparan dalam medan magnet.

Putar kunci kontak mobil, mesin diesel raksasa hidup. Tempel stetoskop galvanometer, jarumnya bergerak tiap detak jantung. Lepaskan setetes sampel ke spektrometer massa, ion-ion berjajar rapi sesuai massanya. Tiga alat ini tampak jauh berbeda, tetapi semuanya bekerja dari satu fakta yang sama: kawat berarus dalam medan magnet merasakan gaya. Seret arah arus pada kumparan di bawah, dan lihat kumparan mulai berputar.

Seret titik pada kumparan untuk membalik arah arus, lalu amati arah putaran yang berbalik sesuai kaidah tangan kiri.

Motor listrik: kumparan yang dipaksa berputar

Motor listrik adalah aplikasi paling langsung dari gaya Lorentz pada kawat berarus. Sebuah kumparan persegi panjang diletakkan di antara dua kutub magnet, lalu dialiri arus. Karena dua sisi kawat yang berhadapan dialiri arus berlawanan arah dalam medan yang sama, gaya Lorentz pada keduanya saling berlawanan — tidak saling meniadakan, melainkan membentuk pasangan gaya (couple) yang menghasilkan momen putar. Kumparan pun mulai berputar.

Momen putar pada kumparan dengan $N$ lilitan, luas $A$ , arus $I$ , dalam medan $B$ (kumparan sejajar medan) besarnya $\tau = N\,B\,I\,A$ . Momen ini maksimum saat bidang kumparan sejajar medan dan nol saat tegak lurus.

Peran komutator: membalik arus setiap setengah putaran

Tanpa komutator, kumparan akan berhenti tepat di posisi tegak lurus medan — gaya pada dua sisi saling menarik, bukan memutar. Komutator adalah cincin belah dua yang membalik arah arus setiap kumparan melewati posisi tegak. Akibatnya, momen putar selalu mendorong kumparan ke arah putaran yang sama, sehingga motor berputar terus. Inilah temuan Michael Faraday dan William Sturgeon pada awal abad ke-19 yang membuat motor praktis.

Bayangkan kamu mendorong ayunan anak di taman. Kalau mendorong terus ke arah yang sama, ayunan akan berhenti di puncak lalu balik. Yang kamu lakukan adalah membalik dorongan tepat saat ayunan sampai di puncak — agar dorongan selalu searah gerak. Komutator melakukan hal itu pada arus di kumparan motor, 50 kali per sekon pada motor rumah tangga.

Momen putar vs arus dan lilitan

Dua cara memperkuat momen putar motor: perbesar arus $I$ atau perbanyak lilitan $N$ . Keduanya bersifat linier — arus dua kali membuat momen dua kali, lilitan dua kali juga membuat momen dua kali. Inilah sebabnya motor kecil punya ratusan lilitan tipis, dan motor industri besar punya lilitan tebal yang mampu mengangkut arus puluhan ampere.

$\tau = N \, B \, I \, A$

Arti tiap simbol: $\tau$ = momen putar (newton-meter, N·m), $N$ = jumlah lilitan, $B$ = kuat medan magnet (tesla), $I$ = arus (ampere), $A$ = luas kumparan (m²). Momen maksimum saat bidang kumparan sejajar medan.

Pada grafik di bawah, geser slider medan dan luas kumparan untuk mengubah kemiringan garis momen terhadap arus.

Sekarang lihat dari sisi lilitan. Dengan arus dan medan tetap, momen tumbuh linier terhadap jumlah lilitan — alasan mengapa motor berlilitan rapat punya torsi besar walau kecil secara fisik.

Galvanometer: motor yang menolak berputar

Galvanometer adalah saudara motor yang sengaja dirancang agar tidak berputar penuh. Kumparannya dihubungkan ke pegas spiral yang menahan putaran; bila arus mengalir, kumparan berputar sampai momen gaya Lorentz seimbang dengan momen pegas. Sudut putar sebanding dengan arus, sehingga jarum yang melekat pada kumparan menunjuk langsung nilai arus di skala. Amperemeter dan voltmeter analog pada dasarnya adalah galvanometer yang dimodifikasi (dengan hambatan shunt atau seri).

Spektrometer massa: lintasan melingkar ion

Spektrometer massa memakai gaya Lorentz pada muatan yang bergerak (bukan kawat). Ion ditembakkan dengan kecepatan $v$ ke daerah medan magnet homogen yang tegak lurus gerak; gaya magnet menjadi gaya sentripetal yang melengkungkan lintasan menjadi lingkaran berjari-jari $r = mv/(qB)$ . Karena ion dengan massa berbeda punya jari-jari berbeda, mereka terpisah di detektor — itulah cara spektrometer memisahkan isotop atau mengidentifikasi unsur.

$r = \frac{m\,v}{q\,B}$

Arti tiap simbol: $r$ = jari-jari lintasan (m), $m$ = massa ion (kg), $v$ = kecepatan ion (m/s), $q$ = muatan ion (coulomb), $B$ = kuat medan magnet (tesla). Ion berat (m besar) berbelok longgar; ion ringan berbelok tajam.

Pada grafik di bawah, geser slider medan dan muatan untuk melihat bagaimana jari-jari lintasan tumbuh linier terhadap kecepatan ion.

Alat	Yang dimanfaatkan	Besaran terbaca
Motor listrik	Pasangan gaya Lorentz → momen putar	Putaran mekanik (kerja)
Galvanometer	Momen putar vs pegas (seimbang)	Arus (skala sudut)
Spektrometer massa	Gaya Lorentz = sentripetal	Massa ion (dari jari-jari)

Aplikasi kemagnetan tidak masuk cakupan resmi TKA Fisika (elemen kelistrikan terbatas statis + arus searah, dan kemagnetan tak bertag TKA-P). Namun motor dan galvanometer sering diuji di sekolah dan olimpiade, serta menjadi jembatan menuju induksi elektromagnetik (generator, transformator). Tipe soal lazim: (1) hitung momen $\tau = NBIA$ ; (2) jelaskan peran komutator; (3) tentukan jari-jari lintasan ion $r = mv/(qB)$ .

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah kumparan motor dengan $N = 200$ lilitan, luas $A = 0{,}02$ m², berada dalam medan magnet $B = 0{,}10$ T. Kumparan dialiri arus $I = 3$ A saat bidang kumparan sejajar medan. (a) Berapa momen putar maksimum? (b) Jika arus dibalik (komutator bekerja), apa yang terjadi pada arah putaran?

$N = 200$ , $A = 0{,}02$ m², $B = 0{,}10$ T, $I = 3$ A. Bidang kumparan sejajar medan → momen maksimum.

$\tau = N\,B\,I\,A = 200 \times 0{,}10 \times 3 \times 0{,}02 = 200 \times 0{,}006 = 1{,}2$ N·m. Momen 1,2 newton-meter — cukup untuk memutar kipas kecil.

Saat komutator membalik arus, gaya Lorentz pada dua sisi kumparan juga terbalik. Momen putar tetap sebesar 1,2 N·m dan tetap searah putaran semula — bukan berbalik. Inilah fungsi komutator: memastikan motor berputar terus ke satu arah.

Jebakan: mengira komutator memperbesar arus atau memperkuat momen. Yang benar: komutator membalik arah arus tiap setengah putaran agar momen putar selalu searah putaran; besar momen tidak diubah, hanya arahnya dijaga konsisten.

Jebakan: menyamakan posisi momen maksimum dengan momen nol. Yang benar: momen $\tau = NBIA\sin\theta$ (dengan $\theta$ = sudut antara bidang kumparan dan medan) maksimum saat $\theta = 90°$ (bidang sejajar medan) dan nol saat $\theta = 0°$ (bidang tegak lurus medan). Komutator bekerja tepat di posisi nol ini.

Jebakan: mengira spektrometer memisahkan ion berdasarkan muatan saja. Yang benar: jari-jari $r = mv/(qB)$ bergantung pada rasio massa-muatan $m/q$ — ion dengan rasio berbeda (meski muatannya sama) punya lintasan berbeda. Itulah mengapa isotop (muatan sama, massa berbeda) bisa dipisahkan.

Motor listrik: pasangan gaya Lorentz pada kumparan → momen putar $\tau = NBIA$ .
Komutator membalik arus tiap setengah putaran agar momen tetap searah putaran.
Galvanometer = motor yang dibatasi pegas; sudut putar sebanding arus.
Spektrometer: gaya Lorentz jadi sentripetal → lintasan melingkar $r = mv/(qB)$ .
Momen motor linier terhadap $I$ dan $N$ ; ion dipisahkan dari rasio $m/q$ .