Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Mesin-Mesin Magnet

Dengan sedikit ide dan kreativitas (dan banyak modal), umat manusia telah menemukan macam-macam cara memanfaatkan medan magnet untuk melakukan berbagai hal yang mendukung kehidupan sehari-harinya. Motor listrik, generator, speaker, tempelan lemari es adalah contoh yang umum ditemukan di rumah-rumah. Dalam tulisan ini, kita akan membahas dua macam mesin penggerak yang bekerja dengan menggunakan medan magnet, yang sering luput dari perhatian kita.

Motor Linier

Jika motor listrik biasanya berputar, motor linier justru bergerak lurus. Motor linier, seperti yang terdapat pada kereta Maglev dan beberapa roller coaster, memiliki prinsip kerja yang sederhana. Ukuran kesederhanaan di antaranya adalah pendeknya tulisan ini. :)

Skema motor linier.

Skema motor linier.

Perhatikan ilustrasi motor linier. Di sepanjang jalur rel terdapat susunan magnet yang kutubnya bergantian arah. Ada pula dua kumparan yang terdapat pada kereta yang bergerak. Sekarang, jika kumparan yang bawah dialiri arus sehingga menimbulkan medan magnet, kumparan akan tertarik ke atas. Ketika kereta sudah maju, kumparan sebelah atas dialiri arus sehingga magnet-magnet menariknya maju. Selanjutnya, kumparan bawah dialiri arus lagi dengan arah yang tepat sehingga bergerak maju. Demikian seterusnya.

Banyak cara bisa dilakukan untuk mengatur arus, misalnya dengan sensor cahaya, sensor magnet, dan kontak geser. Serahkan pada fisikawan. Hal yang penting adalah bahwa arus harus mengalir ke kumparan yang tepat, pada saat yang tepat, ke arah yang tepat. Ada cara lain untuk mengatur arus tersebut yang sedikit lebih rumit. Untuk menjelaskannya, ambil sebuah magnet tetap dan pelat aluminium. Baiklah, kalau tidak punya, cukup bayangkan saja.

Mari kita mulai berimajinasi. Apungkan pelat di atas air, atau apapun yang memiliki gesekan sangat kecil. Sekarang, gerakkan magnet secara mendatar di atas pelat, seperti jika kita ingin menariknya dengan magnet. Di sinilah keajaibannya. Meskipun aluminium biasanya tidak tertarik magnet, kali ini pelat akan bergeser. Ini bisa dilakukan dengan bahan-bahan lain yang menghantar listrik tapi tidak bersifat magnet.

Menurut fisika, medan magnet yang berubah akan menyebabkan medan listrik yang berputar (hukum Faraday). Dalam konduktor, misalnya pelat aluminium, akan timbul arus listrik yang berputar (arus Eddy). Selanjutnya, arus listrik yang berputar akan menimbulkan medan magnet yang tegak lurus bidang (hukum Ampere). Arah medan magnet ini berlawanan arah dengan medan magnet yang mula-mula (hukum Lenz) sehingga timbul gaya yang akan menggerakkan pelat searah gerakan magnet (gaya Lorentz). Ya, semua sudah ditemukan dan disebutkan.

Arus Eddy, yaitu arus listrik yang berputar, dihasilkan oleh medan magnet yang berubah.

Arus Eddy, yaitu arus listrik yang berputar, dihasilkan oleh medan magnet yang berubah.

Sekarang perhatikan pelat. Apa yang dirasakan olehnya? Tidak lain dan tidak bukan, medan magnet yang posisinya berubah. Padahal, medan magnet seperti ini bisa juga dihasilkan dengan mengalirkan arus secara bergantian pada kumparan-kumparan yang berdekatan.

Pengaturan aliran arus pada kumparan dapat menghasilkan gaya gerak yang sama seperti pada magnet.

Pengaturan aliran arus pada kumparan dapat menghasilkan gaya gerak yang sama seperti pada magnet.

Jadi, dengan mengatur arus yang mengalir pada beberapa kumparan, gaya gerak yang sama dapat dihasilkan. Pelat aluminium tidak tahu sumber medan magnet berpindah ini, yang penting dia ada. Penerapannya pada kereta listrik yaitu dengan memasang kumparan-kumparan pada kereta dan pelat logam pada rel. Jika arus mengalir, timbul gaya yang mendorong pelat logam, rel, dan seluruh Bumi. Sebagai reaksinya, kereta terdorong ke arah sebaliknya. Ini konsekuensi dari hukum ke-3 Newton (bapak yang satu ini selalu saja disebut).

Senapan Magnet

Ini termasuk motor linier juga, tetapi dirancang untuk menembakkan peluru. Dalam berbagai cerita fiksi ilmiah dan game, sering dijumpai istilah-istilah seperti railgun, gauss gun, dan mass driver. Umumnya nama-nama ini berhubungan dengan peluncur proyektil berkecepatan super. Di dunia nyata sebenarnya ini sudah bisa dibuat. Ada dua jenis peluncur magnet, yaitu railgun dan coilgun.

Railgun milik angkatan laut Amerika Serikat. Sumber gambar: Wikipedia.

Railgun milik angkatan laut Amerika Serikat.
Sumber gambar: Wikipedia.

Railgun, atau senapan rel, tersusun atas dua rel, satu peluru, dan satu sumber listrik yang besar sekali. Jika peluru ditaruh di antara kedua rel dan listrik dialirkan dari rel satu ke rel lainnya, kedua rel akan menimbulkan medan magnet. Karena arus listrik pada peluru dan gaya magnet dari rel, peluru akan mengalami gaya Lorentz sehingga bergerak sepanjang rel. Kecepatan akhir yang bisa dihasilkan mungkin cukup untuk melempar peluru kecil ke orbit sekitar bumi, kalau tidak dihalangi gesekan udara.

Skema prinsip kerja railgun. Sumber: Wikipedia.

Skema prinsip kerja railgun. Sumber: Wikipedia.

Salah satu hal yang menyebabkan sistem ini belum bisa diproduksi massal adalah gesekan yang timbul antara peluru dan rel, yang cukup untuk menghabiskan rel sekali tembak. Selain itu, sumber arus ribuan ampere sulit didapat.

Coilgun sedikit lebih sederhana. Prinsipnya hanyalah menarik suatu peluru besi (bahan feromagnetik) ke dalam suatu kumparan berarus listrik. Ketika peluru mencapai tengah-tengah kumparan pada kecepatan maksimum, arus dimatikan. Hasilnya, peluru memiliki kecepatan akhir tertentu. Jika diinginkan kecepatan akhir yang sangat besar, bisa dialirkan arus sebesar-besarnya. Atau, dipasang kumparan berikutnya untuk menarik peluru lebih cepat dan seterusnya.

Coilgun sungguhan (kiri) dan ilustrasi kumparan pemercepatnya (kanan). Sumber: Wikipedia.

Coilgun sungguhan (kiri) dan ilustrasi kumparan pemercepatnya (kanan). Sumber: Wikipedia.

Senapan bertenaga magnet ini memiliki keunggulan dibandingkan senapan biasa yang dibatasi kecepatan suara gas panas hasil ledakan mesiu. Batasan kecepatan senjata magnet adalah kecepatan cahaya (mungkin saja) atau kecepatan arus listrik (ini lebih realistis). Kelemahannya, diperlukan penyimpanan energi listrik yang besar dan dapat dikeluarkan dalam sekejap.

Jadi, siap untuk membuat praktikum-praktikum tentang mesin-mesin magnet? Kami tunggu hasilnya. Hahaha…

Bahan bacaan:

  • http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Railgun
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Coilgun

Penulis:
Eko Widiatmoko, peneliti di Laboratorium Fisika Instrumentasi, Departemen Fisika ITB, serta pengajar fisika di SMA Aloysius, Bandung. Kontak:e_ko_w(at)yahoo(dot)com.