I. Dasar Interaksi Listrik dan Magnet
Elektromagnetisme didasarkan pada dua prinsip inti:
1. Medan Magnet Dihasilkan oleh Listrik (Oersted & Hukum Ampere)
- Fenomena: Arus listrik (muatan yang bergerak) menghasilkan medan magnet di sekitarnya. Ini disebut Elektromagnet.
- Kaidah Tangan Kanan: Untuk kawat lurus, ibu jari menunjukkan arah arus listrik ($\mathbf{I}$), dan empat jari yang melingkar menunjukkan arah medan magnet ($\mathbf{B}$).
- Aplikasi: Prinsip ini adalah dasar untuk membuat magnet yang kekuatannya dapat diatur, digunakan pada speaker, relai, dan motor listrik.
2. Medan Listrik Dihasilkan oleh Perubahan Magnet (Induksi Faraday)
- Fenomena: Perubahan fluks magnetik ($\mathbf{\Phi_B}$) melalui suatu kumparan kawat akan menginduksi Gaya Gerak Listrik (GGL), yang kemudian menghasilkan arus listrik terinduksi.
- Fluks Magnetik ($\mathbf{\Phi_B}$): Ukuran total garis medan magnet yang menembus suatu permukaan. Perubahan fluks dapat terjadi karena magnet bergerak, kawat bergerak, atau medan magnet berubah kekuatannya.
- Hukum Faraday: Secara matematis, $\mathcal{E} = -N \frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t}$. Tanda negatif ($\mathbf{-}$) dijelaskan oleh Hukum Lenz.
- Aplikasi: Prinsip ini adalah inti dari Generator listrik (mengubah energi gerak menjadi listrik) dan Transformator (mengubah tegangan AC).
Hukum Fundamental (Persamaan Maxwell)
Fisikawan James Clerk Maxwell menyatukan semua penemuan ini menjadi empat persamaan diferensial fundamental, yang dikenal sebagai Persamaan Maxwell. Persamaan ini adalah fondasi lengkap dari elektrodinamika klasik:
1. Hukum Gauss untuk Listrik
- Konsep: Medan listrik ($\mathbf{E}$) berawal dan berakhir pada muatan listrik.
- Inti: Total fluks listrik yang melewati permukaan tertutup berbanding lurus dengan muatan listrik total yang ada di dalamnya.
- Implikasi: Muatan listrik adalah sumber dari medan listrik.
2. Hukum Gauss untuk Magnetisme
- Konsep: Medan magnet ($\mathbf{B}$) selalu membentuk lingkaran tertutup.
- Inti: Total fluks magnetik yang melewati permukaan tertutup selalu nol.
- Implikasi: Ini membuktikan bahwa Monopole Magnetik (kutub Utara atau Selatan yang berdiri sendiri) tidak ada. Magnet selalu memiliki dua kutub (dipole).
3. Hukum Induksi Faraday (Persamaan Maxwell-Faraday)
- Konsep: Perubahan medan magnet menghasilkan medan listrik.
- Inti: Medan listrik ($\mathbf{E}$) dapat diinduksi oleh medan magnet ($\mathbf{B}$) yang berubah terhadap waktu.
4. Hukum Ampere-Maxwell
- Konsep: Medan magnet dihasilkan oleh arus listrik atau oleh perubahan medan listrik.
- Inti: Hukum Ampere yang asli dimodifikasi oleh Maxwell dengan menambahkan suku arus pergeseran ($\mathbf{I_D}$), yang menyatakan bahwa perubahan fluks listrik (atau medan listrik) juga menciptakan medan magnet.
- Pentingnya Koreksi Maxwell: Tanpa koreksi ini, teori elektromagnetisme tidak akan lengkap dan tidak dapat menjelaskan perambatan gelombang.
Konsekuensi Tertinggi: Gelombang Elektromagnetik (GEM)
Gabungan dari Hukum Faraday (perubahan $\mathbf{B}$ menghasilkan $\mathbf{E}$) dan Hukum Ampere-Maxwell (perubahan $\mathbf{E}$ menghasilkan $\mathbf{B}$) menghasilkan prediksi tentang adanya gelombang yang dapat merambat tanpa medium: Gelombang Elektromagnetik.
Karakteristik GEM:
- Saling Tegak Lurus: Medan listrik ($\mathbf{E}$) dan medan magnet ($\mathbf{B}$) selalu bergetar tegak lurus satu sama lain, dan keduanya tegak lurus terhadap arah perambatan.
- Kecepatan Cahaya: Kecepatan perambatan GEM di ruang hampa adalah konstan, dihitung dari Persamaan Maxwell, dan nilainya tepat sama dengan kecepatan cahaya ($c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}} \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}$).
- Cahaya Adalah GEM: Penemuan ini menyatukan listrik, magnet, dan optika, membuktikan bahwa cahaya adalah salah satu bentuk Gelombang Elektromagnetik.