Gaya listrik dan magnet adalah dua gaya yang ditemukan di alam. Meskipun sekilas mungkin tampak berbeda, keduanya berasal dari medan yang terkait dengan partikel bermuatan. Kedua kekuatan ini memiliki tiga kesamaan utama, dan Anda harus belajar lebih banyak tentang bagaimana fenomena ini muncul.
1 – Mereka Datang dalam Dua Varietas yang Berlawanan
Muatan datang dalam varietas positif (+) dan negatif (-). Pembawa muatan positif yang mendasar adalah proton dan pembawa muatan negatif adalah elektron. Keduanya memiliki muatan yang besarnya e = 1,602 × 10-19 Coulomb.
Lawan menarik, dan suka menolak; dua muatan positif yang diletakkan saling berdekatan akanmengusir, atau mengalami kekuatan yang mendorong mereka terpisah. Hal yang sama berlaku untuk dua muatan negatif. Akan tetapi, muatan positif dan negatif akanmenariksatu sama lain.
Daya tarik antara muatan positif dan negatif inilah yang cenderung membuat sebagian besar barang netral secara elektrik. Karena ada jumlah muatan positif dan negatif yang sama di alam semesta, dan gaya tarik menarik dan tolak menolak, muatan cenderung
menetralkan, atau saling membatalkan.Magnet, demikian pula, memiliki kutub utara dan selatan. Dua kutub utara magnet akan saling tolak menolak seperti halnya dua kutub selatan magnet, tetapi kutub utara dan kutub selatan akan saling tarik menarik.
Perhatikan bahwa fenomena lain yang mungkin Anda kenal, gravitasi, tidak seperti ini. Gravitasi adalah gaya tarik menarik antara dua massa. Hanya ada satu "jenis" massa. Itu tidak datang dalam varietas positif dan negatif seperti listrik dan magnet. Dan jenis massa yang satu ini selalu menarik dan tidak menolak.
Ada perbedaan yang jelas antara magnet dan muatan, bagaimanapun, magnet selalu muncul sebagai dipol. Artinya, setiap magnet yang diberikan akan selalu memiliki kutub utara dan selatan. Kedua kutub tidak dapat dipisahkan.
Dipol listrik juga dapat dibuat dengan menempatkan muatan positif dan negatif pada jarak tertentu, tetapi muatan ini selalu dapat dipisahkan lagi. Jika Anda membayangkan magnet batang dengan kutub utara dan selatannya, dan Anda mencoba memotongnya menjadi dua untuk membuat a pisahkan utara dan selatan, sebagai gantinya hasilnya akan menjadi dua magnet yang lebih kecil, keduanya dengan utara dan selatannya sendiri tiang.
2 – Kekuatan Relatif Mereka Dibandingkan dengan Kekuatan Lain
Jika kita membandingkan listrik dan magnet dengan gaya lain, kita melihat beberapa perbedaan yang jelas. Empat gaya fundamental alam semesta adalah gaya kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi. (Perhatikan bahwa gaya listrik dan magnet dijelaskan dengan satu kata yang sama – lebih lanjut tentang ini sebentar lagi.)
Jika kita menganggap gaya kuat – gaya yang menyatukan nukleon-nukleon di dalam atom – memiliki magnitudo 1, maka listrik dan magnet memiliki magnitudo relatif 1/137. Gaya lemah – yang bertanggung jawab atas peluruhan beta – memiliki magnitudo relatif 10-6, dan gaya gravitasi memiliki besar relatif 6 × 10-39.
Anda membacanya dengan benar. Itu bukan salah ketik. Gaya gravitasi sangat lemah dibandingkan dengan yang lainnya. Ini mungkin tampak berlawanan dengan intuisi – bagaimanapun juga, gravitasi adalah gaya yang membuat planet-planet terus bergerak dan membuat kaki kita tetap di tanah! Tetapi pertimbangkan apa yang terjadi ketika Anda mengambil penjepit kertas dengan magnet atau tisu dengan listrik statis.
Gaya menarik satu magnet kecil atau benda bermuatan statis dapat melawan gaya gravitasi seluruh Bumi yang menarik penjepit kertas atau tisu! Kami menganggap gravitasi jauh lebih kuat bukan karena itu, tetapi karena kami memiliki gaya gravitasi seluruh bola dunia bekerja pada kita setiap saat sedangkan, karena sifat binernya, muatan dan magnet sering mengatur diri mereka sendiri sehingga dinetralisir.
3 – Listrik dan Magnet adalah Dua Sisi dari Fenomena yang Sama
Jika kita melihat lebih dekat dan benar-benar membandingkan listrik dan magnet, kita melihat bahwa pada tingkat fundamental mereka adalah dua aspek dari fenomena yang sama yang disebutelektromagnetik. Sebelum kita sepenuhnya menggambarkan fenomena ini, mari kita memahami lebih dalam tentang konsep-konsep yang terlibat.
Medan Listrik dan Magnetik
Apa itu bidang? Terkadang sangat membantu untuk memikirkan sesuatu yang tampaknya lebih akrab. Gravitasi, seperti listrik dan magnet, juga merupakan gaya yang menciptakan medan. Bayangkan wilayah ruang di sekitar Bumi.
Setiap massa tertentu di ruang angkasa akan merasakan gaya yang bergantung pada besarnya massa dan jaraknya dari Bumi. Jadi kita bayangkan bahwa ruang di sekitar Bumi mengandungbidang, yaitu, nilai yang ditetapkan untuk setiap titik dalam ruang yang memberikan indikasi tentang seberapa besar, dan ke arah mana, gaya yang sesuai akan terjadi. Besarnya medan gravitasi suatu jarakrdari massasaya, misalnya, diberikan oleh rumus:
E= {GM\di atas{1pt} r^2}
DimanaGadalah konstanta gravitasi universal 6,67408 × 10-11 saya3/(kgs2). Arah yang terkait dengan bidang ini pada titik tertentu akan menjadi vektor satuan yang mengarah ke pusat Bumi.
Medan listrik bekerja dengan cara yang sama. Besarnya medan listrik suatu jarakrdari muatan titikqdiberikan oleh rumus:
E= {kq\di atas{1pt} r^2}
Dimanakadalah konstanta Coulomb 8,99 × 109 Nm2/C2. Arah medan ini pada suatu titik tertentu adalah menuju muatanqjikaqnegatif, dan jauh dari muatanqjikaqadalah positif.
Perhatikan bahwa bidang-bidang ini mematuhi hukum kuadrat terbalik, jadi jika Anda bergerak dua kali lebih jauh, bidang tersebut menjadi seperempat lebih kuat. Untuk menemukan medan listrik yang dihasilkan oleh beberapa muatan titik, atau distribusi muatan yang kontinu, kita cukup mencari superposisi atau melakukan integrasi distribusi.
Medan magnet sedikit lebih rumit karena magnet selalu datang sebagai dipol. Besarnya medan magnet sering dilambangkan dengan hurufB, dan rumus yang tepat untuk itu tergantung pada situasinya.
Jadi Di Mana Magnetisme?BetulkahBerasal dari?
Hubungan antara listrik dan magnetisme tidak terlihat oleh para ilmuwan sampai beberapa abad setelah penemuan awal masing-masing. Beberapa eksperimen kunci yang mengeksplorasi interaksi antara dua fenomena akhirnya mengarah pada pemahaman yang kita miliki saat ini.
Kabel Pembawa Arus Menciptakan Medan Magnet
Pada awal 1800-an para ilmuwan pertama kali menemukan bahwa jarum kompas magnetik dapat dibelokkan ketika dipegang di dekat kawat yang membawa arus. Ternyata kawat pembawa arus menciptakan medan magnet. Medan magnet ini berjarakrdari kawat pembawa arus yang panjangnya tak terhinggasayadiberikan oleh rumus:
B= {\mu_0 Saya\di atas{1pt} 2\pi r}
Dimanaμ0 adalah permeabilitas vakum 4π × 10-7 T/A2. Arah medan ini diberikan olehaturan tangan kanan– arahkan ibu jari tangan kanan Anda ke arah arus, lalu jari-jari Anda melingkari kawat dalam lingkaran yang menunjukkan arah medan magnet.
Penemuan ini mengarah pada penciptaan elektromagnet. Bayangkan mengambil kawat pembawa arus dan membungkusnya menjadi sebuah kumparan. Arah medan magnet yang dihasilkan akan terlihat seperti medan dipol magnet batang!
•••pixabay
Tapi Bagaimana Dengan Magnet Batang? Dari Mana Magnetisme Mereka Berasal?
Magnetisme dalam magnet batang dihasilkan oleh gerakan elektron dalam atom yang menyusunnya. Muatan yang bergerak di setiap atom menciptakan medan magnet kecil. Pada sebagian besar material, medan ini diorientasikan ke segala arah, sehingga tidak menghasilkan magnetisme bersih yang signifikan. Namun pada material tertentu, seperti besi, komposisi material memungkinkan bidang-bidang tersebut menjadi selaras.
Jadi magnet benar-benar merupakan manifestasi dari listrik!
Tapi Tunggu, Masih Ada Lagi!
Ternyata magnet tidak hanya dihasilkan dari listrik, tetapi listrik juga dapat dihasilkan dari magnet. Penemuan ini dibuat oleh Michael Faraday. Tak lama setelah penemuan bahwa listrik dan magnet terkait, Faraday menemukan cara untuk menghasilkan arus dalam gulungan kawat dengan memvariasikan medan magnet yang melewati pusat kumparan.
hukum Faradaymenyatakan bahwa arus induksi dalam kumparan akan mengalir dalam arah yang menentang perubahan yang menyebabkannya. Yang dimaksud dengan arus induksi ini akan mengalir ke arah yang menghasilkan medan magnet yang melawan perubahan medan magnet yang menyebabkannya. Intinya, arus induksi hanya mencoba untuk melawan perubahan medan apa pun.
Jadi jika medan magnet luar mengarah ke kumparan dan kemudian bertambah besar, arus akan mengalir ke arah seperti itu untuk menciptakan medan magnet yang mengarah keluar dari loop untuk melawan ini perubahan. Jika medan magnet luar mengarah ke kumparan dan besarnya berkurang, maka arus akan mengalir sedemikian rupa untuk menciptakan medan magnet yang juga mengarah ke kumparan untuk melawan perubahan.
Penemuan Faraday mengarah pada teknologi di balik pembangkit listrik saat ini. Untuk menghasilkan listrik, perlu ada cara untuk memvariasikan medan magnet yang melewati kumparan kawat. Anda dapat membayangkan memutar kumparan kawat di hadapan medan magnet yang kuat untuk memberlakukan perubahan ini. Hal ini sering dilakukan dengan cara mekanis, seperti turbin yang digerakkan oleh angin atau air yang mengalir.
•••pixabay
Persamaan Antara Gaya Magnet dan Gaya Listrik
Persamaan antara gaya magnet dan gaya listrik sangat banyak. Kedua gaya bekerja dengan muatan dan berasal dari fenomena yang sama. Kedua kekuatan memiliki kekuatan yang sebanding, seperti dijelaskan di atas.
Gaya listrik pada muatanqkarena medanEdiberikan oleh:
\vec{F}=q\vec{E}
Gaya magnet pada muatanqbergerak dengan kecepatanvkarena medanBdiberikan oleh hukum gaya Lorentz:
vec{F}=q\vec{v}\times\vec{B}
Rumusan lain dari hubungan ini adalah:
vec{F}= \vec{I} L\times\vec{B}
Dimanasayaadalah arus danLpanjang kawat atau jalur konduktif di lapangan.
Selain banyak persamaan antara gaya magnet dan gaya listrik, ada juga beberapa perbedaan yang jelas. Perhatikan bahwa gaya magnet tidak akan mempengaruhi muatan stasioner (jika v = 0, maka F = 0) atau muatan yang bergerak sejajar dengan arah medan (yang menghasilkan perkalian silang 0) dan pada kenyataannya sejauh mana gaya magnet bekerja bervariasi dengan sudut antara kecepatan dan bidang.
Hubungan Antara Listrik dan Magnetisme
James Clerk Maxwell menurunkan satu set empat persamaan yang merangkum hubungan antara listrik dan magnet secara matematis. Persamaan tersebut adalah sebagai berikut:
\triangledown \cdot\vec{E}=\dfrac{\rho}{\epsilon_0}\\ \text{ }\\ \triangledown \cdot\vec{B}=0\\ \text{ }\\ \triangledown \times\vec{E}=-\dfrac{\partial\vec{B}}{\partial t}\\ \text{ }\\ \triangledown \times\vec{B}=\mu_0\vec{J}+\mu_0\epsilon_0\dfrac{\partial\vec{E}}{\partial t}
Semua fenomena yang dibahas sebelumnya dapat dijelaskan dengan empat persamaan ini. Tetapi yang lebih menarik adalah bahwa setelah diturunkan, solusi untuk persamaan ini ditemukan yang tampaknya tidak konsisten dengan apa yang diketahui sebelumnya. Solusi ini menggambarkan gelombang elektromagnetik yang merambat sendiri. Tetapi ketika kecepatan gelombang ini diturunkan, itu ditentukan menjadi:
\dfrac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}=299.792.485 m/s
Ini adalah kecepatan cahaya!
Apa pentingnya ini? Nah, ternyata cahaya, sebuah fenomena yang telah dieksplorasi oleh para ilmuwan selama beberapa waktu, sebenarnya adalah fenomena elektromagnetik. Inilah sebabnya mengapa hari ini Anda melihatnya disebut sebagairadiasi elektromagnetik.
•••pixabay