7
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1
Skema Teori Listrik dan Magnetik
Untuk
mempelajari tentang
ilmu
kelistrikan
dan
ilmu
kemagnetikan
diperlukan dasar dari kelistrikan dan kemagnetikan yang ditunjukkan oleh gambar
skema di bawah ini.
Gambar 2.1 Skema tentang teori listrik dan magnetik
Dari 
skema 
di 
atas 
akan  dibahas 
lebih 
lanjut 
mengenai 
teori-teori 
yang
berhubungan erat dengan gelombang elektromagnetik.
  
8
2.1.1
Listrik dan Magnetik
2.1.1.1
Magnetik
Di
dalam
cabang
ilmu
fisika,
magnetik
adalah
salah
satu
fenomena di
mana
material mengeluarkan gaya menarik atau menolak pada
material lainnya. Gaya
magnet
adalah 
gaya 
dasar  yang 
terjadi 
karena  gerakan 
muatan 
listrik. 
Oleh 
karena 
itu,
megnetisme
terlihat
ketika pertikel
bermuatan dalam
gerak.
Ini
dapat terjadi baik
dari
gerakan elektron dalam sebuah arus listrik, menghasilkan “elektromagnetisme”, atau dari
gerakan
orbital
mekanika-kuantum
(tidak
ada
gerakan orbital
elektron
sekitar
nukleus
seperti
planet
sekitar
matahari,
tetapi
ada
“kecepatan elektron
efektif”)
dan spin
dari
elektron, menghasilkan apa yang dikenal sebagai “magnet permanan”.
2.1.1.2
Listrik
Kelistrikan adalah
sifat
benda
yang
muncul
dari adanya
muatan
listrik.
Listrik
dapat juga diartikan sebagai berikut :
¾
Listrik adalah kondisi dari partikel subatomik tertentu, seperti elektron dan
proton, yang menyebabkan penarikan dan penolakan gaya di antaranya.
¾
Listrik
adalah sumber
energi
yang disalurkan
melalui
kabel.
Arus
listrik
timbul
karena
muatan
listrik
mengalir dari
saluran
positif
ke
saluran
negatif.
  
9
Bersama dengan magnetik, listrik membentuk interaksi fundamental yang dikenal
sebagai
elektromagnetisme. Listrik
memungkinkan
terjadinya
banyak
fenomena
fisika
yang
dikenal
luas,
seperti
petir,
medan
listrik, dan arus
listrik.
Listrik dapat
digunakan
dengan luas di dalam aplikasi-aplikasi industri seperti elektronik dan tenaga listrik.
2.2
Medan Listrik
Medan  listrik  adalah  efek  yang  ditimbulkan  oleh  keberadaan  muatan
listrik, seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang disekitarnya. Suatu
benda
yang
dialirkan
oleh
aliran
listrik akan
menghasilkan medan
listrik
yang
berada sekitar aliran tersebut. Medan listrik digambarkan dengan garis gaya yang
keluar dari muatan listrik positif menuju muatan listrik negatif.
Kuat 
medan 
listrik  jika 
dihubungkan  dengan 
muatan 
listrik  adalah
besarnya gaya Coulomb untuk tiap satu satuan muatan positif. Medan listrik dapat
menimbulkan
medan
magnet.
Sehingga
memungkinkan timbulnya
gelombang
elektromagnetik. Di dalam
studi kasus tentang medan listrik
yang
menghasilkan
medan magnet,medan listrik dapat dihubungkan dengan besarnya tegangan listrik
untuk tiap satu satuan panjang aliran listrik.
Medan
listrik adalah
besaran
vektor
dengan
satuan
SI
adalah
volt/meter
atau eqivalen dengan newton/coulomb.
  
10
2.3
Medan Magnetik
Dalam cabang ilmu fisika, medan magnet adalah suatu medan yang dapat
dihasilkan oleh
bahan
magnet atau
muatan
yang
bergerak
(arus
listrik). Muatan
listrik
(arus
listrik)
yang
berada
dalam
medan
magnet
akan
mengalami gaya
magnet. Bila di samping medan magnet juga terdapat medan listrik maka muatan
akan juga akan mengalami gaya listrik, kedua gaya tersebut dikenal dengan gaya
Lorentz.
Putaran
pada
mekanika
kuantum
dari
satu
partikel
membentuk
medan
magnet dan putaran itu dipengaruhi oleh dirinya sendiri seperti arus
listrik, inilah
yang
menyebabkan medan magnet oleh
ferromagnet
“permanen”. Sebuah medan
magnet adalah
medan
vektor
yaitu berhubungan dengan setiap
titik dalam ruang
vektor yang dapat berubah menurut waktu.
Medan magnet adalah besaran vektor dengan satuan SI nya ampere/meter.
2.4
Gaya Lorentz
Seperti
yang
diuraikan di
atas
bahwa
medan
listrik dan
medan
magnet
membentuk
gelombang elektromagnetik dan
memiliki suatu
gaya
yang
di
kenal
dengan 
nama  gaya  gelombang  elektromagnetik.  Gaya  elektromagnetik  juga
dikenal
dengan
gaya
Lorentz.
Persamaan
Lorentz
dikemukakan oleh
Hendrik
Lorentz
yang
menjelaskan
tentang
besarnya
gaya
yang
ditimbulkan oleh
gelombang elektromagnetik
.
  
11
Persamaan Gaya Lorentz sebagai berikut :
di mana :
F adalah gaya yang dihasilkan oleh gelombang elektromagnetik (satuan
SI : Newton)
q adalah muatan listrik dalam partikel (satuan SI : coulomb)
v adalah kecepatan sesaat partikel (satuan SI : meter per sekon)
Jika di hubungkan dengan kerapatan arus listrik yang bebas yaitu :
J
=
qv
maka persamaan lorentz dapat dijabarkan :
F
=
q(E + vxB)
F
=
(qxE) + (qxvxB)
F
=
(qxE) + (
JxB)
di mana J adalah kerapatan arus listrik yang bebas (satuan SI :
ampere/meter kuadrat)
2.5
Fluks Magnetik
Fluks  magnetik  dilambangkan  dengan  huruf  Yunani  F  yang  dikenal
dengan phi , adalah ukuran dari jumlah garis gaya magnetik yang melewati suatu
luasan permukaan, yang merupakan kekuatan dan tingkat medan magnet. Ukuran
fluks  magnetik
dalam
SI  adalah
weber
dan
ukuran
kerapatan
fluks  magnetik
adalah weber per meter kuadat atau tesla, 1 testa = 10
4
gauss.
  
12
Fluks
yang
melewati sebuah elemen dari area tegak
lurus ke
arah
medan
magnet  diberikan
oleh  hasil  dari  kerapatan
medan  magnet  dan  elemen  area.
Secara
umumnya fluks
magnetik
diartikan produk
skalar
dari
kerapatan medan
magnetik dan area vektor elemen.
Fluks magnetik dapat dicari dengan integral dari medan magnetik terhadap
sebuah area :
di mana
adalah fluks magnetik dan B adalah kerapatan medan magnet.
2.6
Gelombang Elektromagnetik dan Persamaan Maxwell
Perubahan medan
magnet menghasilkan medan listrik, medan listrik yang
dihasilkan
itu
juga
akan
berubah-ubah, perubahan
medan
listrik
ini
akan
menghasilkan medan magnet yang akan berubah-ubah dan kembali menghasilkan
medan
listrik
yang
berubah-ubah dan seterusnya. Perubahan
medan-medan yang
saling
berinteraksi ini
dapat
menghasilkan
gelombang
medan
listrik
dan
gelombang
medan
magnet
dikenal
sebagai
gelombang elektromagnetik.
Keberadaan
gelombang
elektromagnetik didasarkan
pada
hipotesis
Maxwell
“James
Clerk Maxwell” dengan
mengacu pada
3
fakta
relasi
antara
listrik
dan
magnet yang sudah ditemukan :
a.
Percobaan
Oersted
yang
berhasil
membuktikan :
arus
listrik
dalam
konduktor menghasilkan medan magnet disekitarnya (jarum kompas menyimpang
bila di dekatkan pada kawat yanng dialiri arus listrik).
  
13
b. Percobaan Faraday yang berhasil membuktikan batang konduktor yang
menghasilkan GGL
(gaya
gerak
listrik)
induksi
pada
kedua
ujungnya
bila
memotong medan magnet.
c. Percobaan Faraday yang menunjukkan perubahan fluks magnetik pada
kumparan menghasilkan arus induksi dalam kumparan tersebut.
Didasarkan pada
penemuan
Faraday
“Perubahan Fluks
magnetik
dapat
menimbulkan medan
listrik”
dan
arus
pergeseran
yang
sudah
dihipotesakan
Maxwell
sebelumnya, maka
Maxwell
mengajukan suatu
hipotesa
baru
:
“Jika
perubahan fluks
magnet dapat menimbulkan medan listrik maka perubahan fluks
listrik  juga  harus  dapat  menimbulkan  medan  magnet”.  Hipotesa  ini  dikenal
dengan sifat simetri medan listrik dengan medan magnet.
Bila
hipotesa
Maxwell
benar,
konsekuensinya perubahan medan
listrik
akan
mengakibatkan medan
magnet
yang
juga
berubah
serta
sebaliknya
dan
keadaan ini akan
terus berulang. Medan
magnet atau
medan listrik
yang
muncul
akibat
perubahan medan
listrik atau
medan
magnet sebelumnya akan
bergerak
(merambat) menjauhi tempat awal kejadian. Perambatan medan listrik dan medan
magnet inilah yang disebut sebagai gelombang elektromagnetik.
Arah rambatan
E
E
E
E
B
B
B
B
Ilustrasi perambatan gelombang
Gambar 2.2 Perambatan Gelombang
  
14
Gambar
2.3
Propagasi
dari
gelombang
elektromagnetik (magnetic
field
adalah
medan
magnet, electric
field
adalah
medan
listrik,
dan
elektromagnetic
wave adalah gelombang elektromagnetik)
Sifat-sifat
gelombang
elektromagnetik adalah
dapat
merambat di
dalam
ruang
hampa;
merupakan gelombang
transversal; dapat
mengalami
pemantulan
(refleksi),
pembiasan
(refraksi),
perpaduan
(interferensi), pelenturan
(difraksi),
pengutuban (polarisasi); perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi secara
bersamaan,
sehingga
medan
listrik
dan
medan
magnet
sefase
dan
berbanding
lurus.
Spektrum panjang gelombang dan frekuensi gelombang elektromagnetik
mencakup daerah yang cukup lebar,seperti yang ditunjuk pada gambar 2.4.
  
15
Gambar 2.4 Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Penggunaan 
tiap  spektrum  gelombang  berbeda-beda.  Sebagai  contoh
untuk gelombang radio (radio waves)
adalah gelombang
radio,
gelombang teve,
gelombang sinyal telepon genggam. Contoh dari gelombang mikro (microwaves)
adalah gelombang mikrowave, gelombang hasil pemetaan dari satelit. Contoh dari
inframerah (infrared)
adalah
gelombang
alat
kendali
teve
(remote
control),
gelombang
inframerah yang ada di
dalam
telepon
genggam. Contoh gelombang
dari cahaya tampak (visible) adalah gelombang cahaya yang kita tampak, pelangi.
Contoh gelombang ultraviolet adalah ultraviolet yang dipancarkan oleh matahari.
Contoh gelombang sinar X (X-ray) adalah sinar ronsen.
  
16
Dalam ilmu elektromagnetik, persamaan Maxwell adalah kumpulan
persamaan-persamaan yang ditemukan akhir setengah abad ke-19 oleh James Clerk
Maxwell. Persamaan tersebut menerangkan tentang hubungan antara medan listrik,
medan magnet, muatan listrik dan aliran listrik. Maxwell mengembang lebih lanjut
dari teori-teori/hukum Ampere sebelumnya, dimana keempat persamaan Maxwell
tersebut menjelaskan semuanya tentang medan listrik dan medan magnet dari
gelombang elektromagnetik.
Keempat persamaan Maxwell ditunjukkan di tabel berikut :
Tabel 2.1 Persamaan Maxwell
  
17
Tabel 2.2 akan menjelaskan simbol-simbol yang ada di tabel 2.1 beserta satuan SI nya :
Tabel 2.2 Simbol Persamaan Maxwell
  
0
18
e
2.7
Daya Medan Elektromagnetik
Untuk
mengetahui daya
pada
gelombang
datar
serbasama,
perlu
mengembangkan 
teorema  daya  untuk  medan  elektromagnetik  yang  dikenal
sebagai teorema Poynting. Teorema ini mula-mula dikemukakan sebagai postulat
dalam tahun 1884 oleh seorang fisikawan Inggris, John H.Poynting.
Teorema
Poynting
ini
menafsirkan sebagai
kerapatan
daya
sesaat
yang
diukur
dalam watt
per
meter
kuadrat.
Dalam
percobaan, penulis
menggunakan
jarak
speaker ke
komputer untuk
menghitung radius
sumber
gelombang dengan
menggunakan pendekatan titik
tengah speaker sebagai suatu titik dan
jarak titik
tersebut
ke
speaker
sebagai
jari-jari
lingkaran.
Titik
pusat
dan
jari-jari tersebut
membentuk suatu
bentuk
bola
sebagai
perwujudan dari
radius
gelombang
elektromagnetik  tersebut.  Sedangkan  daya  dari  speaker sebagai  daya  yang
menghasilkan gelombang. Berdasarkan teorema poynting maka :
daya spea ker(P)
P
2
P
=
=
Luas
permukaan Bola
4
p
r
2
watt/m
Jika dikaitkan dengan medan listrik (E) dan fluks kerapatan magnetik (B) maka :
1
E
2
P=
2
.
?
sehingga E
=
2P?
0 
volt/m
1
2
P=
.
B
?
2
sehingga 
B
=
2P
weber/m²
?
0
?
=
µ
0
0
0
  
19
Akar
kudrat rasio
permeabilitas terhadap
permitivitas
disebut
impedansi
instrinstik ?
(eta). ?
0
adalah  impedansi  intrinsik  ruang  hampa. ?
0
=  377  atau
120
p
O
.
2.8
Persamaan Gelombang Elektromagnetik
Persamaan gelombang elektromagnerik terdari dua gelombang yang saling
tegak lurus yaitu gelombang medan magnet
dan gelombang medan litrik.
Persamaan gelombang masing-masing adalah :
E
x 
=
E
x
0
cos(?
t -
ß
z)
H
y 
=
B
x
0
cos(
?
t
-
ß
z
)
E
x
0 
=
amplitudo medan listrik.
B
=
E
x
0
x
0
?
= amplitudo medan magnet.
0
?
=
²
p
f
ß
=
2
p
?
z
=
arah rambatan gelombang.
t
=
selang waktu gelombang.