Penemu hukum amper

André-Marie Ampère
André-Marie Ampère (lahir 20 Januari 1775 – meninggal 10 Juni 1836 pada umur 61 tahun) adalah fisikawan dan ilmuwan Perancis yang serba bisa yang juga merupakan salah satu pelopor di bidang listrik dinamis (elektrodinamika). Ia lahir di Polèmièux-au-Mont-d’Or dekat dengan kota Lyon. Ampere merupakan ilmuwan pertama yang mengembangkan alat untuk mengamati bahwa dua batang konduktor yang diletakkan berdampingan dan keduanya mengalirkan listrik searah akan saling tarik menarik dan jika berlawanan arah akan saling tolak menolak

Ampere

Arus listrik (dalam ampere atau mili-ampere) dapat diukur dengan alat yang disebut amper-meter/galvanometer
Dalam fisika, ampere dilambangkan dengan A, adalah satuan SI untuk arus listrik. Satu ampere adalah suatu arus listrik yang mengalir, sedemikian sehingga di antara dua penghantar lurus dengan panjang tak terhingga, dengan penampang yang dapat diabaikan, dan ditempatkan terpisah dengan jarak satu meter dalam vakum, menghasilkan gaya sebesar 2 × 10-7 newton per meter.
Satuan ini diambil dari nama André-Marie Ampère, salah satu penemu elektromagnetisme.

1. HUKUM AMPERE untuk MEDAN MAGNET
Pertama kita anggap suatu arus lurus tak tentu I (lihat gambar)
Gambar 1.a Medan magnet di sekitar kawat lurus berarus I
Medan magnet B di titik A adalah tegak lurus terhadap OA, yang dinyatakan
dengan persamaan
B=µ0I2πru0
Marilah kita hitung perputaran dari B sekeliling lintasan melingkar yang berjari-jari r. Medan magnet B merupakan garis singgung terhadap lintasan, sehingga = B.dl = Bdl dan besarnya konstan. Oleh karena itu perputaran magnetik (magnetic circulation / gaya magnetomotif) yang didistribusikan dengan AB adalah:
AB=LB.dl=LB.dl=BLdl
dl=L=2πr
AB=BL=μ0I2πr2πr
AB=B.dl=μ0I
(1)
Dan persamaan (1) disebut Hukum Ampere
Berdasarkan persamaan (1) Nampak bahwa perputaran magnet adalah sebanding dengan kuat arus I dan tidak bergantung dari jari-jari lintasan. Oleh karena itu, pada sekitar arus I digambarkan ada beberapa lingkaran L1, L2, L3, (lihat gambar) maka perputaran magnetik diseluruh sekitar dari kawat adalah sama yaitu µ0I.
Gambar 1.b Lintasan-lintasan medan magnet mengelilingi arus
Lintasan tertutup sembarang (L) mengelilingi arus I (gambar 1.c).
Gambar 1.c Perputaran magnetik sepanjang lintasan L
Perputaran magnetik sepanjang L adalah:
AB=LB.dl=μ0I2πu0.dlr
Sedangkan u0.dl adalah komponen dl dalam arah vector satuan u0 dan
besarnya rdθ.
Karena itu:
AB=μ0I2πLdθ=μ0I2π2π=μ0I
Sebab total sudut sekitar titik adalah 2π.
Hasil tersebut sesuai dengan yang ditunjukkan pada persamaan (1), hal itu menunjukkan bahwa persamaan (1) sesuai untuk lintasanj tertutup yang mengelilingi arus lurus, dengan tak mengandalkan posisi arus relatif terhadap lintasan.
Persamaan (1) dapat digunakan untuk berbagai bentuk arus, artinya tidak hanya khusus untuk arus lurus saja. Misalnya, ada beberapa arus I1, I2, I3, ….membentuk mata rantai dengan menutup lintasan L (lihat gambar 1.d).
Gambar 1.d Beberapa mata rantai arus
Masing-masing arus memberikan sumbangan kepada perputaran dari medan magnet sepanjang L. berdasarkan ketentuan Hukum Ampere, maka perputaran dari medan magnet sepanjang garis tertutup yang dilingkupi arus (merupakan mata rantai), I1, I2, I3 adalah
AB=B.dl=μ0I
(2)
Dimana I = I1 + I2 + I3 +….
Catatan untuk persamaan (2). Arus positif bila arus tersebut menembus L dalam keadaan sama dengan putaran sekrup ke keadaan mengikuti arah lintasan L, arus negatif bila arahnya berlawanan dengan keadaan tersebut.

Catatan:

•Arus positif, bila arah arus yang lewat (melingkupi) lintasan L sama dengan arah putaran sekrup ke kanan yang mengikuti arah lintasan tersebut.
• Arus negatif, bila arah arus berlawanan dengan keadaan tersebut.
• Dalam gambar tersebut I1 dan I3, adalah positif dan I2 adalah negatif.

Hukum Ampere LB.dl=μ0I dapat dinyatakan dalam bentuk diferensial, yaitu
dengan menggunakan teorema Stokes sebagai berikut:
LB.dl=μ0I
S∇×B.da=μ0Sj.da
Sedangkan I=Sj.da, maka
∇×B=μ0j
(3)
Persamaan (3) merupakan persamaan hukumAmpere dalam bentuk diverensial. Berdasarkan persamaan tersebut dapat dilihat bahwa curl B tidak nol ∇×B≠0. Sebaliknya divergensi ∇×B=0 yang pembuktiannya sebagai berikut;
Berdasarkan persamaan Biot Savart dapat dinyatakan bahwa medan listrik
disekitar kawat besarnya adalah
B=μ04πLIut×urr2dl
(4)
∇×B=μ04πL∇∙Iutdl×urr2
∇.B=μ04πL∇.Idl×urr2
∇.B=μ0I4πL∇.dl×urr2
Sementara itu berdasarkan sifat identitas vektor dapat dinyatakan bahwa
∇.dl×urr2=urr2.∇.dl-dl.∇×urr2
Mengingat dl tidak mengandung (x, y, z), maka ∇×dl=0, disamping itu
∇×urr2=0 maka
∇∙B=0
(5)

Hukum-Hukum Dasar Listrik
Dalam dunia listrik dikenal beberapa hukum-hukum dasar listrik, yaitu:
1. Hukum Faraday
2. Hukum Ampere-Biot-Savart
3. Hukum Lenz
4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik

Kesemua hukum diatas, bersama dengan hukum kekekalan energi akan menjelaskan mengenai prinsip kerja dasar dari suatu mesin listrik dinamis.

Artikel kali ini akan menjelaskan secara sederhana hubungan kesemua hukum tersebut. Selamat membaca dan semoga bermanfaat.

Hukum Faraday

Michael faraday (1791-1867), seorang ilmuwan jenius dari inggris menyatakan bahwa:

1. Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi.
2. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.

Kedua pernyataan beliau diatas menjadi hukum dasar listrik yang menjelaskan mengenai fenomena induksi elektromagnetik dan hubungan antara perubahan flux dengan tegangan induksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian, aplikasi dari hukum ini adalah pada generator. Gambar 1 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.


Gambar 1. Hukum Faraday, Induksi Elektromagnetik.

Hukum Ampere-Biot-Savart

3 orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:

“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik”

Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.


Gambar 2. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik.

Hukum Lenz

Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa:

“arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)”

Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan.

Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor.


Gambar 3. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.

Konversi Energi Elektromekanik

Ketiga hukum dasar listrik diatas terjadi pada proses kerja dari suatu mesin listrik dan hal ini merupakan prinsip dasar dari konversi energi. Secara garis besar, elektromekanik dari mesin listrik dinamis dinyatakan:

“Semua energi listrik dan energi mekanik mengalir kedalam mesin, dan hanya sebagian kecil saja dari energi listrik dan energi mekanik yang mengalir keluar mesin (terbuang) ataupun disimpan didalam mesin itu sendiri, sedangkan energi yang terbuang tersebut dalam bentuk panas”

Sedangkan hukum kekelan energi pertama menyatakan bahwa:

“energi tidak dapat diciptakan, namun dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya”

Aplikasi dari 4 dasar prinsip kerja mesin listrik dinamis dan hukum kekalan energi digambarkan sebagai berikut:


Gambar 4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik.

Tanda positif (+) menunjukkan energi masuk, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan energi keluar. Panas yang dihasilkan dari suatu mesin yang sedang melakukan proses selalu dalam tanda negatif (-).

Sedangkan untuk energi yang tersimpan, tanda positif (+) menujukkan peningkatan energi yang tersimpan, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan pengurangan energi yang tersimpan.

Keseimbangan dari bentuk-bentuk energi diatas tergantung dari nilai efisiensi mesin dan sistem pendinginannya.