Elektromagnetisme adalah studi tentang muatan dan interaksi antara listrik dan magnet. Listrik dan magnet adalah aspek dari fenomena fisik tunggal yang terkait erat oleh gerakan dan gaya tarik muatan dalam materi.
Cabang fisika yang mempelajari interaksi antara fenomena listrik dan magnet juga dikenal sebagai elektromagnetisme.
Kata “listrik” dikemukakan oleh orang Inggris William Gilbert (1544-1603) dari bahasa Yunani elektron (sejenis amber yang menarik benda ketika digosok dengan berbagai zat). Di sisi lain, “magnetisme” mungkin muncul dari wilayah Turki dengan deposit magnetit magnet (Magnesia), tempat tinggal suku Yunani kuno yang dikenal sebagai Magnetes.
Namun, baru pada tahun 1820 Hans Christian Oersted (1777-1851) berhasil menunjukkan pengaruh arus listrik terhadap perilaku kompas, sehingga lahirlah studi elektromagnetisme.
Dasar-dasar elektromagnetisme
Magnet dan listrik telah lama menjadi subjek daya tarik manusia. Pendekatan awalnya mengambil jalan berbeda yang mencapai titik pertemuan pada akhir abad ke-19. Untuk memahami apa itu elektromagnetisme, mari kita tinjau beberapa konsep dasar.
Muatan listrik.
Muatan listrik adalah sifat fundamental dari partikel penyusun materi. Dasar dari semua muatan listrik berada pada struktur atom. Atom memusatkan proton positif di dalam inti, dan elektron negatif bergerak di sekitar inti. Ketika jumlah elektron dan proton sama, kita memiliki atom bermuatan netral. Ketika atom memperoleh elektron, atom ditinggalkan dengan muatan negatif (anion), dan ketika kehilangan elektron ditinggalkan dengan muatan positif (kation).
Kemudian muatan elektron dianggap sebagai satuan dasar atau kuanta muatan listrik. Ini setara dengan 1,60 x 10 -19 coulomb (C), yang merupakan satuan pengukuran muatan, untuk menghormati fisikawan Prancis Charles Augustin de Coulomb.
Medan listrik dan medan magnet.
Medan listrik adalah medan gaya yang mengelilingi muatan atau partikel bermuatan. Artinya, partikel bermuatan mempengaruhi atau memberikan gaya pada partikel bermuatan lain yang ada di sekitarnya. Medan listrik adalah besaran vektor yang dilambangkan dengan huruf E yang satuannya volt per meter (V / m) atau newton per coulomb (N / C).
Di sisi lain, medan magnet dihasilkan ketika ada aliran atau pergerakan muatan (arus listrik). Kita dapat mengatakan bahwa itu adalah wilayah di mana gaya magnet bekerja. Jadi, medan listrik mengelilingi setiap partikel bermuatan, dan pergerakan partikel bermuatan tersebut menciptakan medan magnet.
Setiap elektron yang bergerak menghasilkan medan magnet kecil di atom. Untuk sebagian besar material, elektron bergerak ke arah yang berbeda sehingga medan magnet meniadakan. Dalam beberapa elemen, seperti besi, nikel, dan kobalt, elektron bergerak ke arah preferensial, menghasilkan medan magnet bersih. Bahan jenis ini disebut feromagnetik.
Magnet dan elektromagnet.
Magnet adalah hasil dari keselarasan permanen medan magnet atom dalam sepotong besi. Dalam sepotong besi biasa (atau bahan feromagnetik lainnya) medan magnet diorientasikan secara acak, sehingga tidak bertindak seperti magnet. Fitur utama magnet adalah mereka memiliki dua kutub: utara dan selatan.
Elektromagnet terdiri dari sepotong besi di dalam kumparan kawat yang melaluinya arus dapat dilewatkan. Ketika arus menyala, medan magnet dari setiap atom yang menyusun sepotong besi sejajar dengan medan magnet yang dihasilkan oleh arus dalam gulungan kawat, sehingga meningkatkan gaya magnet.
Induksi elektromagnetik.
Induksi elektromagnetik, ditemukan oleh Joseph Henry (1797-1878) dan Michael Faraday (1791-1867), adalah produksi listrik melalui medan magnet yang bergerak. Dengan melewatkan medan magnet melalui kumparan kawat atau bahan konduktif lainnya, aliran muatan atau arus terjadi saat rangkaian ditutup.
Induksi elektromagnetik adalah dasar dari generator dan praktis dari semua tenaga listrik yang dihasilkan di dunia.
Penarapan elektromagnetisme
Elektromagnetisme adalah dasar dari pengoperasian perangkat listrik dan elektronik yang kita gunakan sehari-hari.
Mikrofon.
Mikrofon memiliki selaput tipis yang bergetar sebagai respons terhadap suara. Melekat pada membran adalah gulungan kawat yang merupakan bagian dari magnet dan bergerak di sepanjang membran. Pergerakan kumparan melalui medan magnet mengubah gelombang suara menjadi arus listrik yang ditransfer ke speaker dan diperkuat.
Generator.
Generator menggunakan energi mekanik untuk menghasilkan energi listrik. Energi mekanik dapat berasal dari uap air, yang dibuat dengan membakar bahan bakar fosil, atau dari air yang jatuh di pembangkit listrik tenaga air.
Motor listrik.
Motor menggunakan energi listrik untuk menghasilkan energi mekanik. Motor induksi menggunakan arus bolak-balik untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Ini adalah motor yang biasanya digunakan pada peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, pengering, mesin cuci, dan blender.
Motor induksi terdiri dari bagian yang berputar (rotor) dan bagian yang tidak bergerak (stator). Rotor adalah silinder besi dengan lekukan di mana sirip atau palang tembaga dipasang. Rotor dibungkus dalam wadah kumparan atau lilitan kawat konduktif yang dilalui arus bolak-balik, menjadi elektromagnet.
Aliran arus bolak-balik melalui kumparan menghasilkan medan magnet yang pada gilirannya menginduksi arus dan medan magnet pada rotor. Interaksi medan magnet pada stator dan rotor menyebabkan torsi pada rotor sehingga pekerjaan dapat dilakukan.
Maglev: melatih melayang
Kereta yang digerakkan secara magnetis menggunakan elektromagnetisme untuk mengangkat, mengarahkan, dan mendorong diri mereka di sepanjang jalur khusus. Jepang dan Jerman adalah pelopor dalam penggunaan kereta ini sebagai alat transportasi. Ada dua teknologi: suspensi elektromagnetik dan suspensi elektrodinamik.
Suspensi elektromagnetik didasarkan pada gaya tarik antara elektromagnet kuat di dasar kereta dan rel kereta api. Gaya magnet diatur agar kereta tetap tertahan di lintasan, sementara itu didorong oleh medan magnet yang bergerak maju melalui interaksi magnet lateral di kereta.
Suspensi elektrodinamik didasarkan pada gaya tolak antara magnet di kereta dan medan magnet yang diinduksi di rel. Kereta jenis ini membutuhkan roda untuk mencapai kecepatan kritis, serupa dengan pesawat saat akan lepas landas.
Diagnosis medis.
Pencitraan resonansi magnetik adalah salah satu teknologi dengan dampak terbesar dalam pengobatan modern. Ini didasarkan pada efek medan magnet yang kuat pada inti hidrogen air tubuh.
Fenomena elektromagnetik
Banyak fenomena elektromagnetik yang kita ketahui adalah konsekuensi dari medan magnet bumi. Medan ini dibangkitkan oleh arus listrik di dalam planet. Bumi kemudian menyerupai batang magnet besar di dalamnya, di mana kutub utara magnet berada di kutub selatan geografis dan kutub selatan magnet sesuai dengan kutub utara geografis.
Orientasi Spasial.
Kompas adalah alat yang berasal dari sekitar 200 tahun sebelum Masehi. Ini didasarkan pada orientasi jarum logam yang dimagnetisasi ke arah utara geografis.
Beberapa hewan dan makhluk hidup lainnya dapat mendeteksi medan magnet bumi dan dengan demikian mengorientasikan diri di luar angkasa. Salah satu strategi penargetan adalah melalui sel atau organ khusus yang mengandung kristal magnetit, mineral oksida besi yang mempertahankan medan magnet permanen.
Aurora utara dan selatan.
Medan magnet bumi berfungsi sebagai penghalang pelindung terhadap pemboman partikel terionisasi berenergi tinggi yang berasal dari Matahari (lebih dikenal sebagai angin matahari). Ini dialihkan ke daerah kutub, menarik atom dan molekul di atmosfer. Cahaya karakteristik aurora (boreal di belahan bumi utara dan selatan di belahan bumi selatan) adalah produk pancaran energi ketika elektron yang tereksitasi kembali ke keadaan basalnya.
Maxwell dan teori elektromagnetisme
James Clerk Maxwell menyimpulkan antara tahun 1864 dan 1873 persamaan matematika yang menjelaskan sifat medan magnet dan listrik. Dengan cara ini, persamaan Maxwell memberikan penjelasan tentang sifat-sifat listrik dan magnet. Secara khusus, persamaan ini menunjukkan:
- bagaimana muatan listrik menghasilkan medan listrik,
- bagaimana arus menghasilkan medan magnet, dan
- bagaimana mengubah medan magnet menghasilkan medan listrik.
Persamaan gelombang Maxwell juga berfungsi untuk menunjukkan bahwa perubahan medan listrik menciptakan gelombang elektromagnetik yang merambat sendiri dengan komponen listrik dan magnet. Pekerjaan Maxwell menyatukan bidang fisika listrik, magnet, dan cahaya yang tampaknya terpisah.