Sifat-sifat listrik dan magnet, serta persamaan maxwell tentang gelombang elektromagnetik

A. Sifat- Sifat Listrik dan Magnet

Sifat-sifat listrik dan magnet merupakan sifat yang dimiliki oleh listrik dan magnet yang masing-masing berbeda. Sifat listrik hanya dimiliki oleh listrik yang dilihat dari gejala kelistrikan. Listrik dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Listrik statis mempelajari sifat kelistrikan suatu benda tanpa memperhatikan gerak atau aliran muatan listrik. Ilmu yang mempelajari tentang listrik statis adalah elektrostatiska. Sedangkan listrik dinamis mempelajari sifat kelistrikan dengan memperhatikan muatan yang bergerak mengalir. Ilmu yang mempelajari tentang listrik dinamis adalah elektrodinamika. Untuk menerangkan pengertian adanya sifat kelistrikan pada suatu benda, perlu dipahami adanya konsep atom yang dimunculkan oleh para ahli diantaranya teori atom Dalton, Thompson, Rutherford dan Bohr. Yang secara umum menjelaskan bahwa:

1. benda terdiri atas atom-atom sejenis.

2. Setiap atom terdiri atas sebuah inti yang dikelilingi oleh satu atau lebih electron.

3. Inti atom bermuatan positif, sedangkan electron bermuatan negative.

4. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral(tidak bermuatan listrik).

Benda atau materi pada umumnya mempunyai jumlah proton yang sama dengan jumlah electron disebut benda dalam keadaan netral. Jika keseimbangan antara jumlah proton dan jumlah electron diganggu yaitu adanya pengurangan dan penambahan muatan electron, maka benda tersebut bermuatan listrik. Benda akan bermuatan listrik positif jika kekurangan electron dan akan bermuatan negative jika kelebihan neutron.

Magnet adalah sebuah benda yang mampu menarik atau menolak benda lain. Biasanya benda yang mampu ditarik magnet merupakan logam. Berikut ini adalah sifat-sifat yang dimiliki oelh magnet:

1. Magnet dapat  menarik benda-benda tertentu. Magnet tidak dapat menarik semua benda tetapi hanya benda-benda tertentu saja. Misalnya benda-benda yang terbuat dari besi dan baja.

2. Gaya magnet dapat menembus permukaan benda. Semakin  kuat gaya yang dimiliki magnet maka semakin tebal permukaan yang dapat ditembus oleh magnet tersebut.

3. Gaya yang terdapat disekeliling magnet disebut medan magnet. Semaki n kuat gaya magnet maka semakin luas medan magnetnya.

4. Magnet memiliki dua kutup, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Kutub-kutub magnet merupakan bagian magnet yang memilikin gaya paling besar.

5. Dua buah magnet jika saling didekatkan, kutub senama akan tolak menolak sedangkan yang tak senama akan tarik menarik.

6. Semakin dekat terhadap magnet maka medan magnetnya akan semakin rapat sehingga gaya magnetnya semakin kuat.

7. Magnet akan kehilangan sifat kemagnetannya jika sering jatuh, dipukul, dipanaskan atau dibakar.

B. GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK MENURUT HIPOTESIS MAXWELL

Teori mengenai gelombang elektromagnetik pertama kali perkenalkan oleh James Clerk Maxwell (1831-1879). Dengan melihat aturan dasar kelistrikan dan kemagnetan, Maxwell mengemukakan suatu hipotesis sebagai berikut.

Gambar 1. James Clerk Maxwell

“Karena perubahan medan magnetic dapat menimbulkan medan listrik maka sebaliknya perubahan medan listrik akan dapat menimbulkan medan magnetik’’.  

Percobaannya diakukan dengan dua buah bola lampu isolator yang dikaitkan pada ujung pegas, kemudian diberi muata listrik berbeda, satu bola diberi muatan positif, sedangkan bola yang lain diberi muatan negative. Selanjutnya, kedua bola digetarkan sehingga jarak kedua bola berubah-ubah terhadap waktu dan kedua muatan menimbulkan medan listrik di sekitarnya yang berubah terhadap waktu pula. Menurut Maxwell perubahan medan listrik ini akan mnimbulkan perubahan medan magnetic yang berubah terhadap waktu. Dengan adanya perubahan medan magnetic maka akan timbul kembali medan listrik yang besarnya juga berubah-ubah. Demikian seterusnya, sehingga didapatkan proses berantai dari perubahan medan listrik dan mean magnetic yang menjalar ke segala arah. 

Apabila penjalaran medan listrik dan medan magnetik tersebut ditinjau pada satu arah tertentu maka dapat dilukiskan seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar 2. Gelombang Elektromagnetik

Keterangan gambar:

B = Medan Magnet

E = Medan Listrik   

Z = Arah Perambatan

Vektor medan listrik dan magnetic pada gelombang elektromagnetik memilih ke yang sama dan tegak lurus satu sama lain terhadap arah perambatan gelombangnya.

Menurut perhitugan Maxwell, kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik hanya tergantung pada dua besaran, yaitu:

1.  Permitivitas listrik (Ɛ₀), dan

2.  Permeabilitas magnetic (µ₀).

Sehingga dirumukan dengan: 

 Apabila nilai permitivitas listrik Ɛ₀ =8,85 x ^10-12C/Nm² dan nilai permeabilitas magnetic µ₀ =12,60 x 10^-4Wb/Am, diperoleh nilai kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik c =3 x 10⁸m/s. karena cepat rambat gelombang elektromagnetik ini tepat sama dengan cepat rambat cahaya di ruang hampa maka dapat disimpulkan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik.

Maxwell jugammenunjukan bahwa gelombang elektromagnetik adalah konsekuensi alami dari hokum dasar yang dinyatakan dalam empat persamaan berikut.

Persamaan diatas adalah hokum gauss. Fluks total melalui permukaan tertutup sama dengan muatan total didalam permukaan yang dibagi dengan eksilon nol. Hukum ini menyiratkan bahwa medan listrik akibat muatan titik berubah berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak dari muatan tersebut.

Persamaan diatas menyatakan bahwa fluks magnetic yang melewati permukaan tertutup adalah nol. Jumlah garis-garis medan magnet yang masuk volume tertutup harus sama dengan jumlah yang meninggalkan volume tersebut.

Persamaan diatas menyatakan bahwa perubahan medan listrik berbanding lurus dengan perubahan medan listrik terhadap waktu.

Persamaan diatas menyatakan bahwa besarnya perubahan medan listrik sebanding dengan perubahan kuat arus dan perubahan medan magnet terhadap waktu.