Elektromagnetisme adalah studi tentang muatan dan interaksi antara listrik dan magnet . Listrik dan magnet adalah aspek dari fenomena fisik tunggal yang terkait erat dengan pergerakan dan daya tarik muatan dalam materi.
Cabang fisika yang mempelajari interaksi antara fenomena listrik dan magnetik juga dikenal sebagai elektromagnetisme.
Kata “listrik” diusulkan oleh orang Inggris William Gilbert (1544-1603) dari elektron Yunani (sejenis amber yang menarik benda ketika digosok dengan berbagai zat). Di sisi lain, “magnetisme” mungkin muncul dari wilayah Turki dengan deposit magnetit bermagnet (Magnesia), tempat suku Yunani kuno yang dikenal sebagai Magnet hidup.
Namun, hingga tahun 1820 Hans Christian Oersted (1777-1851) berhasil menunjukkan efek arus listrik pada perilaku kompas, sehingga menciptakan studi elektromagnetisme.
Dasar-dasar elektromagnetisme
Magnet dan listrik telah menjadi daya tarik bagi umat manusia selamanya. Pendekatan awalnya mengambil kursus yang 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 properti fundamental dari partikel yang membentuk materi. Dasar dari semua muatan listrik berada di dalam struktur atom. Atom memusatkan proton positif dalam nukleus, dan elektron negatif bergerak di sekitar nukleus. Ketika jumlah elektron dan proton sama, kita memiliki atom dengan muatan netral. Ketika atom memperoleh elektron, ia ditinggalkan dengan muatan negatif (anion), dan ketika kehilangan elektron, ia tetap dengan muatan positif (kation).
Kemudian muatan elektron dianggap sebagai unit dasar atau kuanta dari muatan listrik . Ini setara dengan 1,60 x 10 -19 coulomb (C), yang merupakan satuan ukuran tuduhan, untuk menghormati fisikawan Perancis Charles Augustin de Coulomb.
Medan listrik dan medan magnet
Medan listrik adalah medan gaya yang mengelilingi muatan atau partikel bermuatan. Yaitu, partikel bermuatan mempengaruhi atau memberikan gaya pada partikel bermuatan lain yang ada di sekitarnya. Medan listrik adalah besaran vektor yang diwakili oleh huruf E yang unitnya 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 magnetis bertindak. Dengan demikian, medan listrik mengelilingi setiap partikel bermuatan, dan pergerakan partikel bermuatan menciptakan medan magnet.
Setiap elektron yang bergerak menghasilkan medan magnet kecil dalam atom. Untuk sebagian besar material, elektron bergerak ke arah yang berbeda sehingga medan magnet membatalkan. Dalam beberapa elemen, seperti besi, nikel dan kobalt, elektron bergerak dalam arah preferensial, menghasilkan medan magnet bersih. Bahan jenis ini disebut feromagnetik .
Magnet dan elektromagnet
Magnet adalah hasil dari penyelarasan permanen medan magnet atom dalam sepotong besi. Dalam sepotong besi biasa (atau bahan feromagnetik lainnya) medan magnet berorientasi secara acak, sehingga tidak bertindak seperti magnet. Fitur utama dari magnet adalah bahwa mereka memiliki dua kutub: utara dan selatan.
Sebuah elektromagnet terdiri dari sepotong besi di dalam gulungan kawat yang melaluinya arus dapat dilewati. Ketika arus aktif, medan magnet dari masing-masing atom yang membentuk potongan besi sejajar dengan medan magnet yang dihasilkan oleh arus di kumparan kawat, 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 gulungan kawat atau bahan konduktif lainnya, aliran muatan atau arus disebabkan ketika sirkuit ditutup.
Induksi elektromagnetik adalah dasar dari generator dan hampir semua daya listrik yang dihasilkan di dunia.
Aplikasi Elektromagnetisme
Elektromagnetisme adalah dasar dari pengoperasian perangkat listrik dan elektronik yang kita gunakan sehari-hari.
Mikrofon
Mikrofon memiliki membran tipis yang bergetar sebagai respons terhadap suara. Melekat pada membran adalah gulungan kawat yang merupakan bagian dari magnet dan bergerak di sepanjang membran. Pergerakan koil 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 mekanis dapat berasal dari uap air, diciptakan oleh pembakaran bahan bakar fosil, atau dari jatuhnya air 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 mesin yang biasanya digunakan pada peralatan rumah tangga, seperti kipas, pengering, mesin cuci dan blender.
Motor induksi terdiri dari bagian yang berputar (rotor) dan bagian yang diam (stator). Rotor adalah silinder besi dengan lekuk sepanjang sirip atau batang tembaga dipasang. Rotor tertutup dalam wadah gulungan atau belokan kawat konduktif yang melaluinya arus bolak-balik dilewatkan, menjadi elektromagnet.
Bagian arus bolak-balik melalui kumparan menghasilkan medan magnet yang pada gilirannya menginduksi arus dan medan magnet di rotor. Interaksi medan magnet di stator dan rotor menyebabkan puntir di rotor memungkinkan pekerjaan dilakukan.
Maglev: kereta yang melayang
Kereta yang diangkat secara magnetis menggunakan elektromagnetisme untuk bangun, dibimbing, dan didorong oleh rute khusus. Jepang dan Jerman adalah pelopor dalam penggunaan kereta api ini sebagai alat transportasi. Ada dua teknologi: suspensi elektromagnetik dan suspensi elektrodinamik.
Suspensi elektromagnetik didasarkan pada gaya tarik menarik antara elektromagnet kuat di dasar kereta dan jalur feromagnetik. Gaya magnet disesuaikan sehingga kereta tetap tergantung di trek, sementara itu digerakkan oleh medan magnet yang bergerak maju dengan interaksi magnet lateral di kereta.
Suspensi elektrodinamik didasarkan pada gaya tolak antara magnet di kereta dan medan magnet yang diinduksi di rel. Jenis kereta ini membutuhkan roda untuk dapat mencapai kecepatan kritis, mirip dengan pesawat ketika mereka akan lepas landas.
Diagnosis medis
Pencitraan resonansi magnetik adalah salah satu teknologi dengan dampak terbesar pada kedokteran modern. Ini didasarkan pada efek medan magnet yang kuat pada inti hidrogen air tubuh.
Fenomena elektromagnetik
Banyak fenomena elektromagnetik yang kita tahu adalah konsekuensi dari medan magnet bumi. Medan ini dihasilkan oleh arus listrik di dalam planet ini. Bumi kemudian menyerupai sebuah bar magnet besar di dalamnya, di mana kutub utara magnetik berada di kutub selatan geografis dan kutub selatan magnetis berhubungan dengan kutub utara geografis.
Orientasi spasial
Kompas adalah alat yang berasal dari sekitar 200 tahun sebelum Masehi. Hal ini didasarkan pada orientasi jarum logam magnet menuju utara geografis.
Beberapa hewan dan makhluk hidup lainnya dapat mendeteksi medan magnet Bumi dan dengan demikian mengarahkan dirinya di ruang angkasa. Salah satu strategi orientasi 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 pengeboman partikel berenergi berenergi tinggi yang berasal dari Matahari (lebih dikenal sebagai angin matahari). Ini dialihkan ke daerah kutub, atom dan molekul menarik di atmosfer. Lampu karakteristik aurora (boreal di belahan bumi utara dan selatan di belahan bumi selatan) adalah produk dari pancaran energi ketika elektron tereksitasi kembali ke keadaan basalnya.
Maxwell dan teori elektromagnetisme
James Clerk Maxwell menyimpulkan antara 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 listrik menghasilkan medan listrik.
Persamaan gelombang Maxwell juga menunjukkan bahwa mengubah medan listrik menciptakan gelombang elektromagnetik yang merambat sendiri dengan komponen listrik dan magnetik. Karya Maxwell menyatukan bidang-bidang fisika yang tampaknya terpisah dari listrik, magnet, dan cahaya.
