Kaidah Tangan Kiri dan Kanan untuk Listrik dan Magnet: Mana yang Dipakai untuk Motor?

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 04: Kemagnetan (artikel 2 dari 7)

Ada dua kaidah tangan kiri di modul ini, dan keduanya memakai patokan yang sama: ibu jari selalu menunjuk arah gerak muatan negatif. Aturan pertama mencari arah medan magnet di sekitar muatan yang bergerak. Aturan kedua mencari arah gaya pada muatan yang bergerak di dalam medan, dan aturan yang sama ini dipakai terbalik untuk mencari arah arus pada generator. Buku di Indonesia menulis hal yang sama dengan tangan kanan dan kaidah Fleming, karena patokannya arus konvensional. Hasilnya identik asal konvensinya tidak tertukar di tengah jalan.

Ibu jari mengikuti arah gerak muatan, jari yang melingkar menunjukkan arah medannya.

Tiga Besaran, Selalu Siku-Siku

Sebelum menghafal tangan mana yang dipakai, ada baiknya memahami dulu apa sebenarnya yang sedang dicari, karena orang yang paham tujuannya jarang tertukar memilih aturan.

Ada tiga besaran yang selalu muncul bersama: arah gerak muatan, arah medan magnet, dan arah gaya. Ketiganya tegak lurus satu sama lain, seperti tiga sisi sudut kotak ruangan yang bertemu di satu titik.

Kalau dua di antaranya sudah diketahui, yang ketiga pasti bisa ditentukan. Itulah seluruh guna kaidah tangan: ia alat bantu untuk membaca arah yang ketiga, bukan hukum fisika yang berdiri sendiri.

Dua patokan modul yang berlaku di kedua aturan dan pantas dihafal lebih dulu:

• Ibu jari tangan kiri selalu menunjuk arah gerak muatan negatif, yaitu elektron.
• Keempat jari tangan kiri berurusan dengan medan magnet, melingkarinya pada aturan pertama dan menunjuk arahnya pada aturan kedua.

Karena tiga besaran ini tegak lurus, tangan manusia kebetulan cocok dipakai sebagai alat peraga. Ibu jari, telunjuk, dan jari tengah bisa dibuka saling tegak lurus dengan mudah.

Aturan Pertama: Arah Medan di Sekitar Muatan Bergerak

Ini aturan untuk mencari medan yang timbul di sekeliling muatan yang bergerak, dan inilah aturan pertama yang perlu dikuasai karena aturan kedua dibangun di atasnya.

Cara memakainya. Genggam kawat dengan tangan kiri. Acungkan ibu jari searah gerak elektron. Keempat jari yang melingkari kawat menunjukkan arah medan magnetnya.

Perhatikan bentuk medannya. Ia tidak lurus dan tidak menyebar ke segala arah, melainkan melingkar mengelilingi jalur yang dilewati elektron. Jadi kalau Anda berdiri menghadap ujung kawat dan melihat ke dalamnya, medan itu tampak sebagai lingkaran-lingkaran sepusat.

Satu hal yang jarang ditekankan: aturan ini tidak terbatas pada kawat. Yang menimbulkan medan adalah muatan yang bergerak, jadi aturan yang sama berlaku pada berkas elektron di ruang hampa maupun ion yang bergerak di dalam cairan.

Kalau yang bergerak muatan positif. Arah medannya berlawanan dengan arah medan dari muatan negatif pada gerakan yang sama. Jadi ibu jari tidak lagi diarahkan searah gerak muatannya, melainkan berlawanan arah dengan gerak muatan positif itu, lalu jari-jarinya dibaca seperti biasa.

Versi buku Indonesia. Genggam kawat dengan tangan kanan, ibu jari searah arus konvensional dari positif ke negatif, dan keempat jari menunjukkan arah medan.

Kenapa dua-duanya benar? Karena ada dua pembalikan yang saling meniadakan. Aliran elektron berlawanan arah dengan arus konvensional, jadi ibu jarinya menunjuk ke arah yang berlawanan. Lalu tangan kiri dan tangan kanan melingkar ke arah yang berlawanan pula. Dua pembalikan menghasilkan arah medan yang sama.

Soal kenapa ada dua konvensi arah arus sejak awal, sudah dibahas lengkap di artikel arah arus listrik.

Aturan Kedua: Arah Gaya pada Muatan Bergerak

Ini aturan yang membuat motor berputar. Tanpa aturan ini tidak ada torsi sama sekali.

Situasinya begini. Ada medan magnet yang datang dari luar, bisa dari magnet permanen atau dari perangkat lain, lalu ada muatan yang bergerak di dalam medan itu. Muatan tersebut akan mendapat gaya ke satu arah tertentu yang bisa ditentukan sebelum percobaannya dijalankan.

Posisi tangannya berbeda dari aturan pertama. Kalau aturan pertama tangannya menggenggam, aturan kedua tangannya dibuka rata. Rentangkan telapak tangan kiri lurus, lalu buka ibu jari ke samping sampai tegak lurus terhadap keempat jari.

Setelah posisi tangan benar, tiga hal dibaca sekaligus:

• Keempat jari diarahkan searah medan magnet, yaitu dari kutub utara menuju kutub selatan.
• Ibu jari diarahkan searah gerak elektron.
• Telapak tangan mendorong ke arah gaya magnet yang bekerja. Ke mana telapak Anda mendorong, ke situ muatan itu terdorong.

Bagian telapak itu yang sering terlewat. Orang biasanya hanya menghafal dua jari lalu lupa bahwa jawaban yang dicari justru ada di arah dorongan telapaknya, bukan di jari mana pun.

Kalau yang bergerak muatan positif. Sama seperti aturan pertama, arah gayanya berlawanan. Jadi ibu jari diarahkan berlawanan dengan arah gerak muatan positif, lalu arah dorongan telapak dibaca seperti biasa.

Versi Fleming. Buka tangan kiri dengan ibu jari, telunjuk, dan jari tengah saling tegak lurus. Telunjuk searah medan, jari tengah searah arus konvensional, dan ibu jari menunjukkan arah gaya. Kaidah ini yang di Indonesia dikenal sebagai kaidah tangan kiri Fleming untuk motor.

Aturan Kedua Dipakai Terbalik: Arus pada Generator

Bagian ini sering dilewati orang. Padahal inilah yang membuat aturan kedua jadi dua kali lebih berguna.

Pada motor, yang diketahui arus dan medan, lalu yang dicari gaya. Pada generator urutannya dibalik. Yang terjadi di generator adalah konduktor digerakkan menembus medan magnet, dan hasilnya arus mengalir di dalam konduktor itu.

Jadi sekarang yang diketahui adalah medan dan arah gerakan, sedangkan yang dicari arah arusnya. Aturan tangan kirinya tetap sama, cuma dibaca dari sisi yang berbeda:

• Keempat jari tetap diarahkan searah medan magnet.
• Telapak tangan kali ini mendorong searah gaya yang diberikan kepada konduktor, yaitu arah konduktor itu digerakkan.
• Ibu jari sekarang menjadi jawabannya, karena ia menunjukkan arah aliran elektron di dalam kawat.

Bandingkan dengan pemakaian pada motor. Di motor telapak yang menjawab, di generator ibu jari yang menjawab, sementara keempat jari tetap bertugas menunjuk medan pada kedua kasus tanpa pernah berubah peran.

Dalam konvensi arus konvensional, pasangan ini dikenal sebagai kaidah Fleming tangan kanan untuk generator. Jadi buku Indonesia memakai dua tangan berbeda untuk motor dan generator, sementara modul ini memakai satu tangan yang sama dan cuma mengubah mana yang dibaca sebagai jawaban.

Cara mengingatnya singkat. Motor menerima arus lalu mengeluarkan gerak, generator menerima gerak lalu mengeluarkan arus.

Tabel Konversi Aturan

Yang dicari	Versi modul (aliran elektron)	Versi konvensional (buku Indonesia)	Dipakai untuk
Arah medan di sekitar muatan bergerak	Aturan 1: genggam tangan kiri, ibu jari searah elektron, jari melingkar menunjuk medan	Genggam tangan kanan, ibu jari searah arus konvensional	Membaca arah medan kawat dan kumparan
Arah gaya pada muatan di dalam medan	Aturan 2: telapak kiri rata, jari searah medan, ibu jari searah elektron, telapak mendorong ke arah gaya	Fleming tangan kiri: telunjuk medan, jari tengah arus, ibu jari gaya	Motor, kawat yang terdorong
Arah arus yang timbul dari gerakan	Aturan 2 dibaca terbalik: jari searah medan, telapak mendorong searah gerak konduktor, ibu jari menunjuk aliran elektron	Fleming tangan kanan: telunjuk medan, ibu jari gerak, jari tengah arus	Generator, alternator

Perhatikan kolom kedua. Modul hanya butuh dua aturan untuk tiga pekerjaan.

Cara Menentukan Arah Gaya pada Kawat Berarus

Langkahnya begini, dan berlaku untuk versi konvensi mana pun asal dipakai konsisten.

1. Tentukan konvensi arahnya lebih dulu. Putuskan Anda memakai arah aliran elektron atau arah arus konvensional, lalu tulis keputusan itu di sudut gambar kerja supaya tidak tertukar di tengah jalan.
2. Tentukan arah medan magnetnya. Medan selalu dibaca keluar dari kutub utara menuju kutub selatan di ruang antara kedua kutub.
3. Tentukan arah gerak muatannya. Ikuti konvensi yang sudah dipilih di langkah pertama, dan kalau yang bergerak muatan positif, balik arah ibu jarinya.
4. Pasang tangan sesuai aturan yang dipilih. Untuk versi modul, rentangkan telapak tangan kiri rata dengan ibu jari terbuka ke samping, jari searah medan, ibu jari searah gerak elektron. Untuk Fleming, buka tangan kiri dengan telunjuk searah medan dan jari tengah searah arus konvensional.
5. Baca arah gayanya. Pada versi modul, gaya searah dorongan telapak tangan. Pada Fleming, gaya searah ibu jari.
6. Periksa dengan membalik arus. Balik arah arusnya di atas kertas, ulangi langkah empat dan lima, dan pastikan arah gayanya ikut berbalik. Kalau tidak berbalik, ada konvensi yang tertukar.

Satu menggenggam, dua membuka telapak. Yang membedakan panel tengah dan kanan cuma mana yang jadi jawabannya.

Penerapan: Dua Konduktor Sejajar

Modul menutup bagian ini dengan satu contoh yang memakai kedua aturan sekaligus. Contohnya dekat sekali dengan panel listrik.

Syaratnya disebut lebih dulu, dan syarat ini penting. Dua konduktor itu dianggap tidak terikat dan bebas bergerak, karena kalau keduanya dijepit mati, gaya tetap ada tetapi tidak ada gerakan yang bisa diamati.

Yang perlu dipahami berikutnya adalah bahwa ini bukan satu gaya melainkan dua gaya yang bekerja pada dua benda berbeda. Jadi pengerjaannya dua kali, satu untuk tiap konduktor.

Pengerjaan pertama. Pakai aturan pertama pada konduktor kanan untuk mendapatkan arah medan yang dihasilkannya di posisi konduktor kiri. Lalu pakai aturan kedua pada konduktor kiri, dan terbaca bahwa konduktor kiri terdorong menjauh.

Pengerjaan kedua. Tukar perannya, pakai aturan pertama pada konduktor kiri untuk mendapatkan medannya di posisi konduktor kanan, lalu aturan kedua pada konduktor kanan, dan hasilnya konduktor kanan juga terdorong menjauh dengan besar gaya yang sama.

Kesimpulan modul: pada dua konduktor yang arusnya berlawanan arah, gaya pada tiap konduktor mengarah saling menjauh.

Lalu muncul satu pertanyaan yang wajar untuk suplai bolak-balik. Kalau arahnya berbalik lima puluh kali per detik, apakah gayanya ikut berbalik secepat itu juga?

Modul menjawabnya dengan menunjuk dua pembalikan yang terjadi bersamaan. Saat arus berbalik, aliran elektron di setiap konduktor berbalik, dan arah medan magnet di sekitar konduktor juga ikut berbalik. Karena arus dan medan sama-sama berbalik, arah gayanya tidak berubah. Yang berdenyut hanyalah besarnya.

Besar gaya ini, angkanya saat hubung singkat, dan artinya untuk penjepit kabel di panel dibahas tersendiri di artikel gaya antar dua kabel berarus.

Contoh: Kenapa Putaran Motor Bisa Terbalik

Bagian ini perluasan di luar modul, tetapi inilah pemakaian paling nyata dari aturan tadi.

Gaya pada kawat bergantung pada dua hal, yaitu arah arus dan arah medan. Balik salah satunya, gayanya berbalik. Balik dua-duanya, gayanya kembali ke arah semula.

Pada motor searah, membalik polaritas suplai berarti membalik arah arus di semua bagian sekaligus, termasuk di medan dan di jangkar. Karena dua-duanya berbalik, putarannya tidak berubah. Untuk membalik putaran motor searah, yang ditukar hanya salah satu, biasanya sambungan jangkarnya saja.

Pada motor tiga fasa ceritanya berbeda. Yang menentukan arah putaran bukan polaritas melainkan urutan fasa, karena urutan itulah yang menentukan ke arah mana medan putar bergerak mengelilingi stator. Menukar dua dari tiga kabel fasa membalik urutan tersebut, dan motor berputar ke arah sebaliknya.

Sudut Pandang Workshop

Saya jarang benar-benar memakai kaidah tangan untuk menghitung arah di lapangan. Yang sering terjadi justru sebaliknya: kaidah ini dipakai untuk menjelaskan kenapa sesuatu terjadi, setelah kejadiannya ada di depan mata.

Contoh yang paling sering. Motor baru dipasang, ditekan tombol start, dan putarannya terbalik. Teknisi muda biasanya langsung curiga ke motornya. Padahal pada motor tiga fasa, arah putaran ditentukan urutan fasa di terminal, jadi yang salah hampir selalu urutan penyambungan di panel atau di kotak terminal, bukan motornya.

Aturan di tempat saya untuk itu sederhana dan tidak pernah saya tawar. Arah putaran diperiksa dengan kopling masih terlepas, dan hanya dengan sentakan singkat. Sekali saja pompa atau kipas berputar terbalik dalam keadaan tersambung, yang rusak bukan motornya melainkan impeler, pasak, atau bahkan baut pengikat yang arah ulirnya memang dirancang untuk satu arah putaran saja.

Pemakaian kedua yang benar-benar menolong adalah soal generator. Pada mesin yang memakai motor sekaligus bisa bekerja sebagai generator saat pengereman, teknisi sering bingung kenapa arus bisa mengalir balik ke sisi suplai. Begitu dia paham bahwa aturan tangan yang sama dibaca terbalik, hal itu berhenti terasa aneh. Konduktor yang digerakkan oleh beban yang masih berputar menghasilkan arus, dan arah arusnya bisa ditentukan dengan tangan yang sama.

Soal kaidah tangan itu sendiri, kegunaan terbesarnya buat saya ada di ruang kelas, bukan di lantai bengkel. Teknisi yang paham bahwa gaya berbalik kalau arus berbalik akan mengerti kenapa menukar dua fasa membalik putaran, dan dia tidak akan mencoba menukar ketiganya sekaligus. Menukar tiga kabel sekaligus mengembalikan urutan yang sama, jadi motor tetap berputar ke arah yang sama dan orangnya bingung kenapa tidak ada yang berubah.

Satu catatan terakhir soal dua konvensi tadi. Kalau Anda mengajar atau membuat catatan kerja, pilih satu konvensi lalu pakai terus di seluruh dokumen. Campuran dua konvensi dalam satu lembar gambar adalah sumber kesalahan yang jauh lebih sering daripada salah menghafal tangan mana.

Cek Pemahaman

1. Pada kedua aturan tangan kiri di modul, ibu jari menunjuk arah apa?
   Jawaban: arah gerak muatan negatif, yaitu elektron.
2. Bagaimana bentuk medan magnet di sekitar muatan yang bergerak?
   Jawaban: melingkar mengelilingi jalur yang dilewati muatan itu.
3. Pada aturan kedua, bagian tangan mana yang menunjukkan arah gaya?
   Jawaban: arah dorongan telapak tangan.
4. Pada generator, bagian tangan mana yang menjadi jawabannya?
   Jawaban: ibu jari, yang menunjukkan arah aliran elektron di dalam kawat.
5. Apa yang harus diubah kalau yang bergerak muatan positif?
   Jawaban: arah ibu jari dibalik, karena hasilnya berlawanan dengan muatan negatif.
6. Kenapa gaya antar dua konduktor tidak berbalik pada arus bolak-balik?
   Jawaban: karena aliran elektron dan arah medan sama-sama berbalik, sehingga dua pembalikan itu saling meniadakan.

Baca Juga

• Arah Arus Listrik: Elektron vs Konvensional
• Elektromagnet: Lilitan, Inti Besi, dan Kuat Medan
• Gaya Antar Dua Kabel Berarus Saat Hubung Singkat
• Elektromagnetisme: Kenapa Arus Bisa Memutar Motor
• Pengertian Magnet: Kutub dan Hukum Tarik-Tolak

Ringkasan

• Kaidah tangan adalah alat bantu membaca arah, bukan hukum fisika tersendiri.
• Tiga besaran yang terlibat selalu tegak lurus: gerak muatan, medan, dan gaya.
• Pada kedua aturan modul, ibu jari tangan kiri selalu menunjuk arah gerak muatan negatif.
• Aturan pertama memakai tangan menggenggam dan menghasilkan medan yang melingkari jalur muatan.
• Aturan kedua memakai telapak tangan rata dengan ibu jari terbuka ke samping.
• Pada aturan kedua, jari menunjuk medan, ibu jari menunjuk elektron, dan telapak mendorong ke arah gaya.
• Aturan kedua dibaca terbalik untuk generator, dan di situ ibu jari yang menjadi jawabannya.
• Untuk muatan positif, arah ibu jari dibalik pada kedua aturan.
• Buku Indonesia menulis hal yang sama dengan tangan kanan, Fleming kiri untuk motor, dan Fleming kanan untuk generator.
• Pada dua konduktor berarus berlawanan yang bebas bergerak, gaya pada keduanya saling menjauh.
• Arus bolak-balik membalik elektron dan medan sekaligus, sehingga arah gayanya tetap.
• Arah putaran motor tiga fasa ditentukan urutan fasa, bukan polaritas.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Apa itu kaidah tangan kiri dan kanan?

Kaidah tangan adalah cara memakai jari untuk membaca hubungan arah antara gerak muatan, medan magnet, dan gaya, karena ketiga besaran itu selalu saling tegak lurus. Disebut kiri atau kanan tergantung konvensi arah arus yang dipakai, dan modul pelatihan ini memakai tangan kiri karena patokannya aliran elektron sedangkan buku di Indonesia umumnya memakai tangan kanan karena patokannya arus konvensional.

Apa beda aturan tangan kiri pertama dan kedua?

Aturan pertama memakai tangan yang menggenggam dan dipakai mencari arah medan magnet yang timbul di sekeliling muatan yang bergerak, dengan ibu jari searah gerak elektron dan keempat jari melingkar menunjukkan arah medannya. Aturan kedua memakai telapak tangan yang dibuka rata dengan ibu jari terbuka ke samping, dipakai saat medan sudah ada dari luar, dan di situ jari menunjuk arah medan, ibu jari menunjuk arah gerak elektron, serta telapak mendorong ke arah gaya yang bekerja.

Bagaimana menentukan arah arus pada generator?

Pakai aturan tangan kiri kedua tetapi dibaca terbalik, karena pada generator yang diketahui adalah medan dan arah gerakan sedangkan yang dicari arusnya. Arahkan keempat jari searah medan magnet, dorong telapak tangan searah gaya yang menggerakkan konduktor, lalu ibu jari akan menunjukkan arah aliran elektron di dalam kawat, dan dalam konvensi arus konvensional hal yang sama dikenal sebagai kaidah Fleming tangan kanan.

Apa yang berubah kalau muatannya positif?

Arah hasilnya berlawanan dengan muatan negatif, baik pada aturan pertama maupun aturan kedua, sehingga yang perlu diubah adalah arah ibu jarinya. Untuk muatan positif, ibu jari diarahkan berlawanan dengan arah gerak muatan tersebut, lalu arah medan atau arah gaya dibaca seperti biasa, dan inilah alasan versi arus konvensional memakai tangan yang berbeda.

Kenapa dua kabel berarus berlawanan saling menjauh?

Karena pengerjaannya dua kali pada dua benda berbeda, dan hasilnya sama di kedua sisi. Medan dari konduktor pertama bekerja pada konduktor kedua lalu mendorongnya keluar, kemudian medan dari konduktor kedua bekerja pada konduktor pertama dan mendorongnya keluar juga, sehingga keduanya terdorong saling menjauh selama konduktor itu tidak terikat dan bebas bergerak.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 4, bagian Left-Hand Rules dan Using the Left-Hand Rules (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul nomor 6: pada kedua aturan tangan kiri, ibu jari menunjuk arah gerak muatan negatif.
• Kaidah Fleming tangan kiri untuk motor dan tangan kanan untuk generator adalah konvensi umum di luar modul, dicantumkan sebagai pembanding.
• Praktik pemeriksaan arah putaran motor tiga fasa di bengkel servis motor listrik.