Listrik dan magnet

Gaya-gaya tak terlihat yang menjalankan ponsel, mobil, dan bahkan sistem saraf Anda.

​

Tempat semuanya dimulai: muatan

Segala sesuatu terbuat dari atom. Atom memiliki:

• Proton — muatan positif (+)
• Elektron — muatan negatif (−)
• Neutron — tidak bermuatan (netral)

Muatan yang berlawanan saling menarik. Muatan yang sama saling menolak. Itulah dasar dari seluruh listrik dan magnet.

Ketika Anda menggosok balon di rambut dan balon itu menempel di dinding, Anda mentransfer beberapa elektron dari rambut Anda ke balon. Balon menjadi sedikit negatif, dindingnya menjadi sedikit lebih positif sebagai responsnya — dan keduanya saling tarik-menarik. Begitu saja. Itulah listrik statis.

​

Arus: muatan yang bergerak

Arus listrik adalah aliran elektron melalui sebuah kawat.

Diukur dalam ampere (A) — satu ampere = sejumlah besar elektron (sekitar 6 × 10¹⁸) yang melewati suatu titik setiap detik.

Pikirkan kawat seperti selang:

• Arus (A) = berapa banyak air yang mengalir per detik.
• Tegangan (V) = tekanan yang mendorong air.
• Hambatan (Ω, ohm) = seberapa sempit atau tersumbatnya selang.

Analogi air ini kasar tetapi kuat. Sebagian besar intuisi kelistrikan berasal darinya.

​

Hukum Ohm: satu-satunya persamaan yang Anda butuhkan

$V = IR$

Tegangan = Arus × Hambatan.

Bacalah dalam tiga cara:

• Tegangan lebih besar → arus lebih besar (dorongan lebih kuat, aliran lebih besar).
• Hambatan lebih besar → arus lebih kecil (selang tersumbat, aliran lebih kecil).
• Ingin tahu tegangan? Kalikan arus dengan hambatan.

Dengan satu persamaan ini, Anda dapat menganalisis 90% rangkaian dasar.

​

Contoh

Sebuah bola lampu memiliki hambatan 240 Ω dan Anda menghubungkannya ke 120 V.

$I = \frac{V}{R} = \frac{120}{240} = 0,5 \text{ A}$

Setengah ampere arus. Dari satu persamaan kecil.

​

Daya: seberapa cepat energi digunakan

Untuk rangkaian listrik, daya bahkan lebih sederhana:

$P = V \cdot I$

Bola lampu 120 V pada 0,5 A:

$P = 120 \times 0,5 = 60 \text{ W}$

Bola lampu 60 watt. Angka pada kemasan cocok dengan perhitungannya. Indah.

Inilah sebabnya tegangan tinggi digunakan untuk mentransmisikan listrik jarak jauh — Anda dapat memindahkan daya yang sama dengan arus yang jauh lebih kecil, yang berarti kalor yang terbuang jauh lebih sedikit dalam kawat.

​

Rangkaian: dua tata letak yang menjelaskan segalanya

Seri

Komponen-komponen dalam satu baris. Arus yang sama melalui setiap komponen. Jumlahkan hambatannya.

Satu bola lampu mati dan seluruh rangkaian mati. (Lampu Natal lama.)

Paralel

Komponen-komponen pada cabang terpisah. Masing-masing mendapatkan tegangan penuh. Arus dijumlahkan.

Satu bola lampu mati, sisanya tetap menyala. (Kabel rumah Anda.)

Setiap rangkaian di Bumi adalah kombinasi dari dua pola ini. Begitu saja.

​

Magnetisme: hal yang sama, dalam penyamaran

Inilah rahasia liar yang membutuhkan waktu 200 tahun untuk diketahui: listrik dan magnet adalah gaya yang sama, dilihat dari sudut pandang yang berbeda.

Aturannya:

1. Muatan yang bergerak menciptakan medan magnet

   Arus yang mengalir melalui kawat menciptakan medan magnet di sekitarnya. Lilitkan kawat menjadi kumparan dan medannya menjadi kuat — itulah elektromagnet. Inilah cara motor, mesin MRI, dan kunci pintu listrik bekerja.

2. Medan magnet yang berubah menciptakan arus listrik

   Gerakkan magnet di dekat kumparan kawat dan listrik mengalir di dalam kawat. Tanpa menyentuh apa pun. Ini disebut induksi elektromagnetik, dan itulah cara setiap generator di planet ini menghasilkan listrik — angin, air, batu bara, nuklir, semuanya memutar magnet di dekat kumparan.

3. Bolak-balik ini menghasilkan cahaya

   Medan listrik yang bergetar menghasilkan medan magnet yang bergetar, yang menghasilkan medan listrik yang bergetar, dan seterusnya — gelombang yang mandiri yang merambat dengan kecepatan cahaya. Itulah cahaya. Cahaya adalah gelombang yang dihasilkan listrik dan magnet bersama-sama.

Inilah sebabnya ponsel Anda berfungsi. Gelombang radio, Wi-Fi, Bluetooth, 5G — semuanya adalah jenis gelombang yang sama, hanya pada frekuensi yang berbeda. Frekuensi lebih tinggi: cahaya tampak. Lebih tinggi lagi: sinar-X. Lebih rendah dari radio: tidak ada yang berguna, tetapi semuanya fenomena yang sama.

​

Sebuah motor dalam satu paragraf

Letakkan kumparan kawat di antara dua magnet. Alirkan arus melalui kumparan. Arus menciptakan medan magnetnya sendiri, yang melawan medan magnet. Untuk menyelesaikan pertarungan itu, kumparan berputar. Kumparan berputar = motor. Setiap kipas, bor, mobil listrik, dan mesin cuci adalah versi dari trik ini.

Balikkan: putar kumparan dengan gaya eksternal (angin, air, uap) alih-alih memberinya arus. Kumparan yang berputar di dalam medan magnet menghasilkan arus. Kumparan berputar = generator. Setiap pembangkit listrik di Bumi.

Motor dan generator adalah mesin yang sama, dijalankan dalam arah yang berlawanan. Simetri itu adalah salah satu hal terindah dalam rekayasa.

​

AC vs. DC: dua jenis listrik

Arus searah (DC)

Elektron mengalir mantap dalam satu arah. Baterai, USB, elektronik.

Arus bolak-balik (AC)

Elektron bergerak bolak-balik 50 atau 60 kali per detik. Stopkontak dinding, jaringan listrik.

Kami menggunakan AC untuk jaringan karena sangat mudah menaikkan dan menurunkan tegangan dengan transformator — yang memungkinkan kami mengirim daya jarak jauh secara efisien. Pengisi daya ponsel Anda kemudian mengubah AC tersebut kembali menjadi DC untuk baterai.

​

Mengapa ini penting bagi insinyur mekanik

Listrik dan magnet adalah cara gaya mekanik menjadi sinyal listrik (sensor), dan cara sinyal listrik menjadi gerakan mekanik (motor, solenoida, aktuator). Hampir setiap mesin modern sebagian mekanik, sebagian elektromagnetik. Jika Anda memahami kedua sisi, Anda dapat membangun hampir apa saja.

Selanjutnya: Toolkit pemecahan masalah

Bagaimana seorang insinyur sebenarnya menyerang soal fisika dari nol.