Gelombang Elektromagnetik

Saat ini hampir semua orang memiliki peralatan yang satu ini. Dia begitu kecil yang bisa dengan nyaman diletakkan di dalam saku, namun dianggap memiliki fungsi yang sangat besar terutama untuk berkomunikasi. Ya, benda itu adalah sebuah ponsel (telepon seluler). Saat ini ponsel tidak hanya digunakan untuk menelpon saja tetapi juga untuk fungsi lain seperti mengirim dan menerima pesan singkat (sms), mendengarkan musik, atau mengambil foto. Bagaimana perangkat ponsel dapat terhubung dengan perangkat ponsel yang lain padahal mereka saling berjauhan?

Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan, konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang bisa sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar-x.

Dua hukum dasarnya adalah yang menghubungkan gejala kelistrikan dan kemagnetan.

Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.

Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik

Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry.

Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.


James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik

Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell.

Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.
Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.

Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik

Ramalan Maxwell tentang gelombang elektromagnetik ternyata benar-benar terbukti. Adalah Heinrich Hertz yang membuktikan adanya gelombang elektromagnetik melalui eksperimennya. Eksperimen Hertz sendiri berupa pembangkitan gelombang elektromagnetik dari sebuah dipol listrik (dua kutub bermuatan listrik dengan muatan yang berbeda, positif dan negatif yang berdekatan) sebagai pemancar dan dipol listrik lain sebagai penerima. Antena pemancar dan penerima yang ada saat ini menggunakan prinsip seperti ini.

Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian penerimanya. Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang elektromagnetik.

diagram skematik eksperimen Hertz

Induktansi

Sebelum kita membahas tentang induktansi, ada baiknya kita mempelajari tentang konsep fluks. Sebuah toroida dengan N lilitan dialiri arus I sehingga menimbulkan fluks total ϕ. Fluks total linkage didefinisikan sebagai jumlah perkalian dari lilitan dan fluks ϕ yang bertautan dengan masing-masing lilitan.

Sekarang kita definisikan induktansi atau induktansi diri sebagai hasil bagi fluks total dengan arus I. Arus total I yang mengalir dalam kumparan N menimbulkan ϕ dan pertautan fluks Nϕ, disini kita anggap fluks bertautan dengan masing-masing lilitan. Induktansi dilambangkan dengan L dengan satuan Henry.

L = Nϕ / I ................................. (1)

Dimana:

ϕ = Jumlah fluks yang menembus setiap permukaan yang kelilingnya ialah setiap lintasan yang berimpit dengan salah satu lintasan N.

Persamaan (1) dapat dipakai untuk menghitung induktansi parameter sebuah kabel sesumbu y yang berjari-jari dalam a dan jejari luar b. Sehingga akan kita dapatkan persamaan sebagai berikut:

Dan kita peroleh induktansi untuk panjang d:

1. Induktansi Diri

Merupakan induktansi dimana GGL induksi diri yang terjadi di dalam suatu penghantar bila kuat arusnya berubah-ubah dengan satuan kuat arus tiap detik. Arus induktansi diri yang timbul pada sebuah trafo atau kumparan yang dapat menimbulkan GGL induksi yang besarnya berbanding lurus dengan cepat perubahan kuat arusnya. Hubungan dengan GGL induksi diri dengan laju perubahan kuat arus dirumuskan Joseph Henry sebagai berikut:

Gaya Gerak Listrik ialah energi permuatan yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus dalam loop kawat. Dari rumus diatas dapat didefinisikan sebagai berikut: suatu kumparan mempunyai induktansi diri sebesar 1 H bila perubahan arus listrik sebesar 1 A dalam 1 detik pada kumparan tersebut menimbulkan GGL induksi sendiri sebesar 1 volt. (Buku Fisika SMU kelas 2, hal 90)

2. Induksi Diri Sebuah Kumparan

Perubahan arus dalam kumparan ditentukan oleh perubahan fluks magnetik 0 dalam kumparan. Besarnya induksi diri dari suatu kumparan ialah:

3. Induktansi diri Solenoida dan Toroida

Besarnya induktansi solenoida dan toroida dapat kita ketahui dengan menggunakan persamaan berikut:

4. Induktansi Bersama

Satuan SI dari induktansi bersama dapat dinamakan henry (H), untuk menghormati fisikawan Amerika Joseph Henry (1797-1878), salah seorang dari penemu induksi elektromagnetik. Satu henry (1 H) sama dengan satu weber per ampere (1 Wb/A).

Induktansi bersama dapat merupakan sebuah gangguan dalam rangkaian listrik karena perubahan arus dalam satu rangkaian dapat menginduksi tge yang tidak diingikan oleh rangkaian lainnya yang berada didekatnya. Untuk meminimalkan efek ini, maka sistem rangkaian ganda harus dirancang dengan M adalah sekecil-kecilnya; misalnya, dua koil akan ditempatkan jauh terpisah terhadap satu sama lain atau dengan menempatkan bidang-bidang kedua koil itu tegak lurus satu sama lain. Induktansi bersama juga mempunyai banyak pemakaian, contohnya transformator, yang dapat digunakan dalam rangkaian arus bolak-balik untuk menaikan atau menurunkan tegangan. Sebuah arus bolak-balik yang berubah terhadap waktu dalam satu koil pada transformator itu menghasilkan arus bolak-balik dalam koil lainnya; nilai M, yang tergantung pada geometri koil-koil, menentukan amplitudo dari tge induksi dalam koil kedua dan karena itu maka akan menginduksi amplitudo tegangan keluaran tersebut.

Definisi induktansi bersama dapat dilihat dari persamaan berikut:

N₂ϕ₂ ialah banyaknya tautan fluksi dengan kumparan 2. Jika bahan feromagnetik tidak ada, maka fluks ϕ₂ berbanding langsung dengan arus I dan induktansi mutualnya konstan, tak bergantung pada I₁. (Buku Rangkaian Listrik, hal 178)

Jika arus tersebut berubah terhadap waktu, maka:

Ruas kiri persamaan ini adalah harga negatif GGL induksi ε₂ dalam kumparan 2, sehingga:

Berdasarkan sudut pandang ini, induktansi mutual dapat dianggap ggl induksi dalam kumparan 2.