Homopolar Motor

Kolokium 2012

Pendidikan Fisika Reguler 2008

HOMOPOLAR, SI BATERE AJAIB

Oleh : Fathur Rozy (083184034)

Pendidikan Fisika Reguler 2008

ABSTRAK

Artikel dengan judul “Homopolar, Si Batere Ajaib” bertujuan untuk menganalisis gerak rotasi pada motor

homopolar, dan menentukan persamaan gerak motor homopolar model ayun yang terdiri dari kawat temabaga,

batere, magnet silinder, dan sekrup, serta menentukan parameter-parameter yang mempengaruhi gerak motor

homopolar. Metode yang dilakukan yaitu dengan menempelkan salah satu sisi magnet silinder dengan sekrup,

dan ujung sekrup ditempelkan pada salah satu kutub batere. Kemudian ujung kawat tembaga ditempelkan pada

kutub batere yang lain dan ujung yang lain disentuhkan pada magnet. Setelah itu mengamati gerakan perputaran

magnet silider. Dari hasil pengamatan dan analisa kajian literatur, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: Magnet

berputar disebabkan karena adanya gaya lorentz yang dihasilkan oleh interaksi antara medan magnet dan arus

listrik. Persamaan gerak perputaran magnet adalah (

). Magnet silinder akan mencapai

kecepatan terminal. Kecepatan anguler motor meningkat seiring dengan bertambahnya waktu sampai mencapai

kecepatan anguler terminalnya.

Kata kunci : gaya, magnte silinder, motor homopolar

I. PENDAHULUAN

Sebuah motor sederhana dapat dibuat

hanya dengan menggunakan 4 buah

komponen, yaitu magnet silinder,

paku/sekrup, baterei (1,5 V), dan kabel. Motor

ini dibuat dengan konsep elektromagnetik.

Motor ini dapat berputar sangat cepat secara

kontinu tanpa memerlukan komutator pada

motor listrik dc pada umumnya. Motor ini

beroperasi menggunakan arus searah dengan

polaritas yang sama sehingga disebut motor

homopolar.

Pada sebuah motor listrik dc, terdapat

komponen rotor yang dihubungkan dengan

sebuah cincin belah yang disebut komutator.

Ujung-ujung dari komutator ini disambugkan

pada sebuah sumber tegangan sehingga

dihasilkan arus. Rotor ini akan berputar jika

diletakkan pada medan magnet.

Pada kesempatan ini penulis akan

membahas bagaiman gerak rotasi pada motor

homopolar tersebut dan juaga akan

menentukan persamaan gerak dari motor

homopolar tersebut. Setelah itu kemudian

menentukan parameter yang mempengaruhi

gerakannya.

II. TEORI Gaya Lorentz

Gaya Lorentz merupakan gaya magnetik pada

muatan yang bergerak dengan kecepatan dalam

medan magnetik .

…..(1)

Untuk muatan yang mengalir pada kawat

konduktor dengan panjang l, gaya Lorentz

diberikan :

……(2)

Untuk menentukan arah gaya Lorentz mengikuti

kaidah tangan kanan seperti pada gambar di bawah

ini,

a.

b

Gambar 1. (a) Aturan tangan kanan untuk

menentukan arah gaya magnetik yang

bekerja pada sebuah muatan yang bergerak

dengan kecepatan v pada medan magnetik B,

(b) Gaya magnet pada segmen kawat yang

membawa arus pada medan magnetik B.

Homopolar Motor

Kolokium 2012

Pendidikan Fisika Reguler 2008

Gaya dan Torka Pada Simpal (Loop) Arus

Jika terdapat simpal arus segi empat siku-

siku dalam medan magnetik homogen,

seperti gambar 2 di bawah, maka, gaya total

pada simpal arus tersebut sama dengan nol.

Tetapi torka netto tidak sama dengan nol,

yaitu τ = IAB, dengan A = ab.

Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi

Tegangan GGL Induksi untuk sebuah

konduktor untuk sebarang bentuk yang

bergerak dalam medan magnetik

(homogen ataupun tidak) secara umum

diberikan,

( ) ……(3)

Untuk sebarang simpal konduktor yang

tertutup, tegangan GGL diberikan,

∮( ) ……..(4)

III. PEMBAHASAN Gerak Rotasi Motor Homopolar

Michael Faraday (1792 – 1867), fisikawan

asal Inggris yang pertama kali menemukan

motor homopolar. Motor homopolar pada

dasarnya merupakan sebuah piringan

konduktor berputar secara bebas pada daerah

medan magnetik yang dihasilkan oleh sebuah

magnet permanen. Perputaran ini diakibatkan

torka yang dihasilkan oleh gaya magnet yang

bekerja pada piringan tersebut.

Pada motor homopolar, piringan

konduktor diganti dengan piringan konduktor

yang menghasilkan medan mgnet itu senndiri,

atau menggunakan magnet silinder.

Untuk menghasilkan putaran yang cepat

harus menggunakan magnet dengan medan

magnet yang kuat seperti magnet Neodymium

(NeFeB).

Terdapat dua model rangkaian homopolar,

yaitu model “ayun/gantung” dan model

“menggelinding”. Pada model ayun/gantung

salah satu sisi dari magnet ditempelkan pada

pangkal sebuah skrup, dengan demikian

sekrup akan mempunyai sifat magnet. Ujung

sekrup ditempelkan pada bagian bawah

sebuah batere. Kemudian ujung kawat

tembaga ditempelkan pada bagian atas batere

menggunakan jari, dan ujung yang bawah

disentuhkan pada magnet silinder sehingga

akan terbentuk rangkaian tertutup yang akan

menghasilkan arus dan menyebabkan magnet

berputar (lihat gambar 3).

Perputaran magnet dapat dijelaskan

dengan aturan tangan kanan untuk

menentukan arah gaya magnet pada sebuah

kunduktor penghantar arus yang berada pada

pengaruh medan magnet, seperti terlihat pada

gambar 4.

Magnet silinder menjadi penghantar arus,

dimana arus mengalir secara radial ke pusat.

Berdasarkan aturan tangan kanan dihasilkan

gaya Lorentz dalam komponen arah radial.

Gambar 2. a) Sebuah simpal arus yang

berada pada medan magnetik yang

homogen. Gaya mabnet hanya

terdapat pada kawat 2 dan kawat 4. b)

Torka yang dihasilkan oleh F2 dan F4

dengan arah searah jarum jam.

Gambar 3. Rangkaian motor

homopolar model “ayun/gantung”.

Gambar 4. Arah arus, medan magnet

dan gaya Lorentz. Torsi yang

dihasilkan menyebabkan magnet

berputar berlawan arah jarum jam

jika dilihat dari atas.

Homopolar Motor

Kolokium 2012

Pendidikan Fisika Reguler 2008

Pada model menggelinding, magnet

silinder di tempelkan pada kedua kutub batere.

Kemudian membuat kabel tembaga mebentuk

huruf U dan menghubungkannnya ujung-

ujungnya pada magnet sehingga mebentuk

rangkaian tertutup seperti pada gambar 5 di

bawah ini. Arus akan mengalir melalui magnet

silinder dan mengahsilkan gaya magnet pada

pada magnet yang nantinya akan berfungsi

sebagai roda. Resultan dari torsi yang

dihasilkan pada kedua roda tersebut

menyebabkan magnet dan batere

mengelinding bersama kawat U.

a.

b.

Persamaan Gerak Motor Homopolar

Untuk menganalisis persamaan gerak yang

dihasilkan pada magnet silinder kita membuat

anggapan bahwa torsi total pada motor

didominasi oleh arus yang mengalir pada

permukaan magnet yang mengalir secara

radial ke pusat. Sehingga rangkaian dapat

dibuat seperti pada gambar dibawah ini.

Gaya Lorentz yang dihasilkan adalah,

…….(5) Dengan adanya gaya Lorentz ini

menyebabkan magnet silinder berputar dengan

paku sekrup sebaga poros perputarannya.

Seperti pada gambar di bawah ini,

Torka yang dihasilkan adalah,

∫

…..(6)

Dengan memasukkan nilai F pada

persamaan (5) pada persamaan (6), maka

∫

∫

∫

..…(6)

Ketika magnet silinder berputar, maka

pembawa arus juga akan ikut berputar

sehingga akan menyebabkan perubahan fluks

magnetik yang menyebabkan adanya ggl

induksi. Besar ggl induksi yang dihasilkan

oleh konduktor yang berputar dengan

kecepatan sudut ω pada pengaruh medan

magnetik yang konstan adalah

| |

……..(7)

Sehingga arus yang mengalir dalam

rangkaian tersebut adalah,

| |

……….. (8)

dengan R adalah hambatan total pada

rangkaian.

Berdasarkan hukum II Newton untuk

gerak rotasi,

………(9)

Dengan Is merupakan inersia torsi motor

dan k adalah koefisien gesek torsional. Dengan mensubtitusikan persamaan (8) ke

persamaan (9), maka

(

)

(

) (

)

(

)

………..(10)

Gambar 5. a)Rangkaian motor

Homopolar model menggelinding.

b)arah arus, medan magnetik, dan

gaya magnetz. Torka menyebabkan

rangkaian menggelinding ke depan.

Gambar 6. Arah gaya Lorentz dan

perputaran magnet. Torsi yang

dihasilkan menyebabkan magnet

berputar berlawan arah jarum jam

jika dilihat dari atas.

Homopolar Motor

Kolokium 2012

Pendidikan Fisika Reguler 2008

Dengan (

) dan

.

Dengan menganggap mula-mula magnet

diam, solusi persamaan (10) diperoleh,

(

) ………(11)

Dari persamaan (11) terlihat

bahwa kecepatan anguler meningkat

seiring bertambahnya waktu sampai

mencapai kecepatan anguler terminal.

Parameter Yang Mempengaruhi Gerak

Motor

Dari persamaan (11) kita dapat melihat

parameter yang mempengaruhi gerak rotasi

motor adalah,

Kecepatan terminal

Dari persamaan (10), kecepatan terminal

dapat dituliskan

(

)

Motor akan bergerak jika ωt > 0. Sehingga

kita dapat memperoleh,

……….. (12)

Dari persamaan di atas, diperoleh bahwa

kecepatan anguler berbanding lurus dengan

tegangan batere. Kecepatan anguler

berbanding terbalik dengan koefisien gesek

torsional dan hambatan rangkaian. Akan tetapi

pengaruh medan magnet dan jari-jari magnet

belum dapat ditentukan pengaruhnya. Waktu hidup

Yang dimaksud waktu hidup dalam hal ini

adalah waktu yang dibutuhkan untuk

mencapai kecepatan terminal.

Waktu hidup dari kecepatan anguler

adalah

Dari persamaan diatas, motor akan

mencapai kecepatan anguler lebih cepat

(waktu hidup kecil) jika momen inersia motor

kecil. Resistansi yang kecil dan medan magnet

yang besar juga dapat mempercepat motor

mencapai kecepatan terminal.

Andaikan magnet yang digunakan

mempunyai jari-jari sebesar 10-2

m dan

massanya sebesar 2,3 x 10-2

kg, batere yang

digunakan adlah batere alkaline dengan

tegangan sebesar 1,5 V, besar medan

magnetik yang mengalir pada bagian

permukaannya sebesar 1 T, dan hambatan

total yang mengalir sebesar 150,2 Ω. Maka

kita dapat menentukan besar inersia total Is =

1,15 x 10-6

kgm2. Gaya gesek torsional yang

terjadi τf ~ 5 x 10-7

Nm dan γ ~ 7 x 104 s. Jika

kita mengabaikan gaya gesek torsional, maka

kecepatan terminalnya ωt ~ 160 rpm.

Berdasarkan dari percobaan sederhana

yang telah dilakukan, motor akan berputar jika

menggunakan magnet permanen yang kuat

(seperti NeFeB). Ukuran sekrup tidak

mempengaruhi dari perputaran motor. Kabel,

magnet, dan sekrup cepat panas karena arus

yang mengalir cukup besar (terhubung

singkat) sehingga menyebabkan tegangan

batere cepat habis.

IV. SIMPULAN DAN SARAN

A. Simpulan

Gerak rotasi pada motor homopolar

disebabkan karena adanya gaya lorentz

yang dihasilkan oleh interaksi antara

medan magnet dan arus listrik

Persamaan gerak motor homopolar

adalah (

)

Kecepatan anguler motor meningkat

seiring dengan bertambahnya waktu

sampai mencapai kecepatan anguler

terminalnya

Parameter yang mempengaruhi gerakan

motor adalah kecepatan terminal yang

dipengaruhi oleh tegangan batere, gaya

gesek torsional, jari-jari magnet, medan

magnet, hambatan dari rangkaian, dan

waktu hidup yang dipengaruhi oleh

momen inersia motor, medan magnet,

jari-jari magnet, hambatan dari

rangkaian

B. Saran

Pengukuran secara kuntitaif belum

dapat dilakukan, sehingga sangat

dibutuhkan untuk mengkonfirmasi

analisis yang dibangun.

Untuk melakukan percobaan sebaiknya

menggunakan magnet permanent yang

kuat seperti NeFeB (Neodymium

magnet)

V. DAFTAR PUSTAKA

H.D. Young and R.A. Freedman. 2004

University Physics, 11th

ed. Addison

Wesley, San Francisco

How to make the simplest electric motor.

http://evilmadscientist.com/article.php/Homop

olarMotor, 14 Oktober 2011

Stewart SM. 2006. A Simple Rolling

Homopolar Motor. The Petroleum

Institute. Abu Dhabi : United Arab

Emirates

Stewat SM. 2006. Some simple demonstration

experiments involving homopolar

Homopolar Motor

Kolokium 2012

Pendidikan Fisika Reguler 2008

motors. The Petroleum Institute. Abu

Dhabi : United Arab Emirates

Stewart SM. Some simple demonstration

experiments involving homopolar

motors. Rev. Brasileira de Ensino de

Fis., 29, 2, 275-281 (2007)