Elektromagnetisme: Pengantar-

Listrik dan magnet dianggap sebagai fenomena yang berbeda untuk beberapa waktu. Namun, ketika para ilmuwan mulai mempelajari elektrodinamika (fisika muatan bergerak), beberapa fenomena menarik muncul.

Mereka memperhatikan bahwa kabel pembawa arus dapat dipengaruhi oleh magnet, dan juga medan magnet dapat dihasilkan dengan arus. Entah bagaimana listrik dan magnet terhubung.

Apa itu Elektromagnetisme?

Secara formal, elektromagnetisme adalah bidang fisika yang berkaitan dengan fenomena di mana medan listrik dan medan magnet berinteraksi satu sama lain.

Bidang studi ini melihat bagaimana medan magnet dapat mempengaruhi muatan listrik yang bergerak dan bagaimana perubahan medan magnet dapat menginduksi arus listrik. Ini juga melihat bagaimana medan magnet dapat dihasilkan oleh medan listrik atau arus listrik. Bahkan menjelaskan asal-usul radiasi elektromagnetik.

Pada akhirnya, elektromagnetisme menggambarkan listrik dan magnetisme dalam satu kerangka tunggal sebagai dua manifestasi dari gaya elektromagnetik fundamental yang sama.

Apa itu Lapangan?

Saat belajar tentang kelistrikan dan kemagnetan, Anda mungkin sering mendengar istilah medan. Tapi apa itu medan listrik atau medan magnet?

Medan adalah cara untuk mendeskripsikan efek atau pengaruh yang dimiliki oleh jenis gaya tertentu dengan cara yang tidak bergantung pada apa yang mungkin ditindaklanjuti oleh gaya tersebut. Misalnya, efek gaya gravitasi yang diberikan Bumi pada benda-benda di sekitarnya dapat diwakili oleh vektor di setiap titik di ruang angkasa di sekitar Bumi.

Setiap vektor tersebut mengarah ke pusat Bumi dan memiliki besaran yang bergantung pada massa Bumi dan jarak dari Bumi. Setiap vektor memberi Anda informasi tentang ukuran relatif gaya yang akan dirasakan massa lain jika ditempatkan di lokasi itu. Rumus vektor medan ditulis sedemikian rupa sehingga gaya yang dirasakan massa m di lokasi tertentu sama dengan hasil kali m dan vektor medan di lokasi tersebut.

Gagasan bidang berguna karena memungkinkan para ilmuwan untuk menggambarkan efek dari suatu objek terlepas dari apa yang dilakukannya. Ini juga memungkinkan deskripsi yang lebih mudah tentang gaya tertentu yang tampaknya bekerja pada jarak jauh tanpa kontak, seperti gravitasi, gaya listrik, dan gaya magnet. Alih-alih memperlakukan objek seolah-olah mereka mengerahkan gaya satu sama lain dari jarak jauh, mereka dapat diperlakukan seolah-olah sebuah medan secara langsung mengerahkan gaya pada mereka di lokasi tertentu.

Secara matematis, medan listrik pada jarak r dari muatan Q diberikan oleh:

vec{E} = frac{kQ}{r^2}hat{r}

Dimana r dengan topi di atas adalah vektor satuan yang menjauhi muatan.

Perhatikan bahwa rumus ini terlihat hampir sama dengan persamaan gaya coulomb (yang memberikan gaya antara dua muatan titik), kecuali persamaan ini tidak memuat muatan kedua. Satuan medan listrik adalah newton per coulomb. Untuk mencari gaya yang dirasakan oleh muatan q yang ditempatkan di medan listrik, Anda hanya perlu mengalikan nilai medan dengan q :

vec{F_{elec}} = qvec{E}

Bagaimana Medan Listrik Dapat Menciptakan Medan Magnet

Jika arus dialirkan melalui kawat lurus yang panjang, pada akhirnya menghasilkan medan magnet dalam arah yang melingkari kawat. Hal ini dapat diamati dengan menempatkan kompas di dekat kawat dan mencatat defleksi jarum kompas. (Kompas akan menyesuaikan diri dengan medan magnet).

Pengamatan ini dapat digunakan untuk membuat elektromagnet. Ini dilakukan dengan menggulung kawat. Ketika kawat digulung, dan arus dilewatkan, itu menciptakan medan magnet yang terlihat sangat mirip dengan magnet batang, dengan kutub magnet utara di satu ujung dan kutub magnet selatan di ujung lainnya.

Anda dapat memperkuat elektromagnet dengan menempatkan bahan seperti besi di tengahnya. Anda mungkin pernah melihat elektromagnet dibuat dengan melilitkan kawat di sekitar paku besi dan menghubungkannya ke baterai. Besi di paku bertindak untuk memperkuat medan magnet.

Tapi bagaimana dengan magnet batang? Mereka tampaknya tidak dihasilkan oleh arus, setidaknya tidak dengan cara yang jelas. Tetapi asal mula medan magnet magnet batang sebenarnya juga berasal dari muatan yang bergerak – hanya dalam skala yang jauh lebih kecil.

Setiap atom di dalam magnet batang memiliki awan elektron, yang pada dasarnya adalah muatan bergerak. Akibatnya, setiap atom memiliki medan magnet kecil yang sangat mirip dengan medan yang dibuat oleh elektromagnet. Di sebagian besar material, medan magnet kecil ini berbaris dalam arah yang berbeda, dan efek bersihnya adalah pembatalan.

Namun pada material tertentu, seperti besi, semua medan bisa menjadi sejajar. Inilah yang terjadi pada magnet batang. Alasan mengapa kutub magnet selalu berpasangan (kutub utara dan kutub selatan) adalah karena medan magnet dihasilkan.

Asal usul medan magnet Bumi juga merupakan muatan yang bergerak. Dalam hal ini, itu adalah hasil dari sesuatu yang disebut efek dinamo, di mana besi cair di dekat pusat bumi berputar dalam pola yang menghasilkan medan dipol.

Listrik statis (muatan yang tidak bergerak), bagaimanapun, tidak dapat menciptakan medan magnet. Untuk menciptakan medan magnet, muatan harus bergerak.

Bagaimana Medan Magnet Dapat Menciptakan Medan Listrik

Fisikawan Michael Faraday mengeksplorasi elektromagnetisme lebih jauh dengan melihat apakah segala sesuatunya dapat bekerja sebaliknya – dengan kata lain, jika medan listrik dapat menciptakan medan magnet, dapatkah medan magnet menciptakan medan listrik?

Dia membuat sepasang sirkuit, yang pertama memiliki koil dan terhubung ke baterai dan sakelar. Saat dihidupkan, medan magnet akan dihasilkan di dalam koil. Rangkaian kedua memiliki kumparan serupa yang disejajarkan dengan kumparan rangkaian pertama sehingga medan magnet akan meluas ke kumparan rangkaian kedua.

Namun, sirkuit kedua tidak terhubung ke catu daya; hanya ke galvanometer yang akan mengukur jika ada arus yang mengalir. Apa yang dia temukan adalah bahwa hal itu mungkin untuk menghasilkan arus di sirkuit kedua, tetapi hanya ketika sakelar dinyalakan dan dimatikan. Dengan kata lain, medan magnet konstan tidak akan melakukannya, tetapi medan magnet yang berubah melakukannya.

Kemudian baik hukum Faraday maupun hukum Lenz membantu menjelaskan secara lebih rinci bagaimana arus ini diinduksi, dan dengan besar dan arah apa. Fenomena yang dijelaskan disebut induksi elektromagnetik.

Fenomena lain yang menunjukkan interaksi antara listrik dan magnet terjadi dengan gaya Lorentz. Jika arus dilewatkan melalui kawat di hadapan medan magnet luar, kawat itu akan merasakan gaya karena medan dan didorong ke satu arah. Arah dorongan ini bergantung pada arah medan dan arah aliran muatan.

Persamaan Maxwell

James Clerk Maxwell meringkas semua pengamatan tentang interaksi antara gaya listrik dan magnet dalam persamaan Maxwell yang terkenal.

Ini adalah satu set dari empat persamaan yang pada dasarnya menyatakan sebagai berikut:

• Muatan titik menghasilkan medan listrik.
• Tidak ada monopole magnetik.
• Medan listrik dihasilkan dengan mengubah medan magnet.
• Medan magnet dihasilkan dengan mengubah medan listrik atau arus.

Dari empat persamaan ini, Maxwell dapat menemukan solusi yang menggambarkan gelombang elektromagnetik yang merambat sendiri. Berdasarkan perhitungannya, gelombang seperti itu pasti berjalan dengan kecepatan cahaya. Beginilah cara ditentukan bahwa fenomena cahaya sebenarnya adalah radiasi elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah hasil dari osilasi simultan dan tegak lurus dalam medan listrik dan magnet. Dalam hal elektromagnetisme, ini adalah contoh utama bagaimana listrik dan magnet saling terkait.

Sementara semua gelombang ini bergerak dengan kecepatan yang sama, mereka dapat bervariasi dalam panjang gelombang dan frekuensi dan diklasifikasikan berdasarkan nilai yang terkait dari besaran tersebut. Jenis radiasi elektromagnetik term
asuk (dari panjang gelombang terpanjang ke panjang gelombang terpendek):

• Gelombang radio
• Gelombang mikro
• Radiasi infra merah
• Cahaya tampak
• Radiasi ultraviolet
• sinar X
• Sinar gamma

Bagaimana Unit Cocok Bersama

Muatan diukur dalam coulomb, arus dalam ampere, kerapatan fluks magnet dalam tesla dan seterusnya. Tetapi di bidang elektromagnetisme, unit-unit ini entah bagaimana harus berhubungan satu sama lain karena listrik dan magnet adalah dua sisi dari fenomena yang sama.

Satuan dasar, dari mana semua satuan lain dapat dibangun adalah kilogram (kg), detik (s), kelvin (K), ampere (A), mol (mol), candela (cd) dan meter (m). Berikut ini adalah bagaimana unit elektromagnetisme berhubungan dengan berbagai kombinasi dari unit dasar ini:

Aplikasi Elektromagnetisme

Elektromagnetisme memiliki banyak aplikasi, rangkaian terbesar terkait dengan pembangkitan, distribusi, dan penerapan energi listrik.

Sebagian besar pembangkit tenaga listrik menggunakan induksi elektromagnetik. Karena medan magnet yang berubah dapat menginduksi medan listrik (dan menyebabkan arus mengalir melalui kawat), jika Anda dapat secara fisik memutar magnet besar di dalam kumparan kawat, atau memutar kumparan kawat dengan adanya medan magnet, ini akan menginduksi arus.

Untuk membuat magnet atau kumparan berputar, beberapa bentuk energi lain harus digunakan. Dalam generator angin, ini dilakukan dengan membiarkan angin memutar turbin raksasa. Dalam pembangkit listrik tenaga air, turbin diputar oleh aliran air. Pembangkit batu bara membakar batu bara untuk menghasilkan uap, yang dapat memutar turbin.

Generator tenaga listrik ini mengambil energi mekanik dan mengubahnya menjadi energi listrik. Karena cara kerjanya, arus yang mereka hasilkan adalah arus bolak-balik. Artinya, arus mengalir dalam satu arah dan kemudian ke arah lain dalam siklus yang berkelanjutan.

Motor listrik adalah aplikasi lain dari elektromagnetisme. Ini bekerja di kebalikan dari generator. Alih-alih mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, mereka mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.