Elektrolisis Elektrokimia

Pengertian Elektrokimia. Elektrokimia mempelajari reaksi- reaksi yang disertai dengan perpindahan elektron atau reaksi redoks. Pada proses elektrokimia, energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik atau sebaliknya.

Reaksi reduksi oksidasi tertentu dapat menghasilkan arus listrik. Adapun pada kondisi sebaliknya, arus listrik dialirkan ke dalam larutan atau cairan zat akan terjadi perpindahan elektron yang menghasilkan reaksi kimia.

Sel elektrokimia merupakan suatu sistem yang terdiri atas dua elektrode, yaitu katode dan anode, serta larutan elektrolit sebagai penghantar elektron. Pada katode terjadi reaksi reduksi dan pada anode terjadi reaksi oksidasi.

Jenis Sel Elektrokimia

Ada dua macam sel elektrokimia, yaitu sebagai berikut.

  1. Sel Volta (Sel Galvani)

Penemu sel ini adalah ahli kimia Italia yang bernama Alessandro Volta dan Luigi Galvani. Pada sel volta atau galvani, energi kimia diubah menjadi energi listrik. Reaksi dalam sel volta yatu reaksi reduksi dan oksidasinya akan  menghasilkan arus listrik. Pada sel volta reaksi redoks terjadi secara spontan.

Contoh Sel Volta pada kehidupan sekarang adalah batu baterai dan aki. Batu baterai dan aki merupakan rangkaian tertutup dan di dalamnya dapat terjadi reaksi redoks yang spontan sehingga terjadi perpindahan atau aliran elektron (arus listrik).

Cara Kerja Sel Volta/ Galvani Sistem Zn-Cu

Diagram rangkaian lengkap dari sebuah sel Volta atau Sel Galvani ditunjukkan pada gambar berikut:

Reaksi Katodik Anodik Elektrokimia Sel Galvani Sistem Zn Cu
Reaksi Katodik Anodik Elektrokimia Sel Galvani Sistem Zn Cu

Pada sel Volta digunakan dua elektoda yaitu anoda dan katoda. Anode adalah Elektroda negative terbuat dari batang zink (atau seng) yang dicelupkan dalam larutan ZnSO4. Sedangkan katoda adalah elektrode positif yang terbuat dari batang cuprum (atau tembaga) yang dicelupkan dalam larutan CuSO4. Kedua larutan dihubungkan dengan menggunakan jembatan garam atau dapat juga dipisahkan oleh dinding berpori.

Logam seng dan tembaga yang menjadi kutub- kutub pada rangkaian sel elektrokimia disebut elektrode. Elektrode tempat terjadinya oksidasi disebut anode, sedangkan elektrode tempat terjadinya reduksi disebut katode.

Oksidasi berarti pelepasan elektron, maka anode adalah kutub negatif, sedangkan katode merupakan kutub positif. Dalam sel  volta tersebut, anodenya adalah logam seng dan katodenya adalah logam tembaga.

Fungsi Jembatan Garam.

Jembatan garam terdiri atas pipa berbentuk U yang berisi agar agar yang mengandung garam kalium atau natrium klorida. Fungsi jembatan garam adalah untuk mempertahankan kenetralan medium elektrolit tempat batang elektrode berada.

Tahap Proses Kerja Sel Volta atau Sel Galvani

a). Elektrode seng (anode) teroksidasi berubah menjadi Zn2+, kemudian ion Zn2+ ini masuk ke larutan ZnSO4. Reaksi oksidasinya adalah sebagai berikut:

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e

b). Elektron yang dibebaskan di anode akan mengalir melalui kawat penghantar menuju ke elektrode Cu.

c). Pada elektrode Cu (katoda) elektron- elektron dari elektroda seng akan mereduksi ion Cu2+ dari larutan menjadi Cu yang kemudian Cu ini mengendap atau menempel pada batang Cu. Reaksi reduksinya adalah sebagai berikut:

Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

d). Zn teroksidasi dan Cu2+ tereduksi, pada anode ion Zn2+ lebih banyak dari ion SO42–, sedangkan pada katode ion SO42 lebih banyak dari ion Cu2+. Oleh sebab itu, ion SO42–  berpindah dari elektrode Cu ke elektrode Zn melalui jembatan garam.

e). Pada akhir reaksi sel, berat elektrode Zn akan berkurang, sedangkan berat elektrode Cu akan bertambah. Larutan CuSO4 semakin encer, sedangkan larutan ZnSO4 semakin pekat.

Reaksi pada Sel Volta

Reaksi reduksi oksidasi secara keseluruhan pada sel Volta adalah sebagai berikut:

Zn(s) + CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)

Rekasi Pada Anode

Reaksi yang terjadi pada anode adalah reaksi oksidasi seperti berikut

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e

Reaksi Pada Katode

Reaksi yang terjadi pada katode adalah reaksi reduksi seperti berikut:

Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

Potensial Elektroda Standar

Potensial elektrode standar adalah gaya dorong (atau gaya gerak listrik) dari reaksi redoks yang diukur pada keadaan standar (kemolaran 1 M pada tekanan 1 atm dan temperatur 250 C). Potensial sel standar disimbolkan dengan E°sel.

Notasi Sel Volta

Rangkaian sel volta dapat ditulis dalam bentuk notasi atau diagram sel. Dalam menuliskan diagram sel, anoda ditulis di sebelah kiri dan katoda di sebelah kanan yang dipisahkan oleh jembatan garam. Jembatan garam dilambangkan dengan dua garis sejajar vertikal (||).

Secara umum, notasi sel volta dapat dituliskan sebagai berikut:

Anoda || Katoda

Dengan demikian sel volta di atas dinyatakan dalam bentuk notasi sel seperti berikut :

Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu

Potensial Sel

Perbedaan potensial dari kedua elektroda (katoda dan anoda) disebut beda potensial atau potensial sel standar yang diberi lambar Esel.

Esel = E°katoda – E°anoda

Esel = E°reduksi – E°oksidasi

Esel = E°besar – E°kecil

Esel = E°(+) – E°(-)

Katoda merupakan tempat terjadi reaksi reduksi sehingga mempunyai E° lebih besar, sedangkan anoda merupakan tempat terjadi reaksi oksidasi sehingga mempunyai harga E° lebih kecil.

Contoh Soal Beda Potensial Sel Elektrokimia

Suatu sel volta tersusun dari elektroda magnesium dan tembaga. Bila diketahui:

Mg2+ (aq) + 2e → Mg(s) E° = -2,37 volt

Cu2+ (aq) + 2e → Cu(s) E° = + 0,34 volt

Tentukan

a). katoda dan anodanya,

b). reaksi yang terjadi pada elektroda dan reaksi selnya,

c). notasi sel, dan

d). potensial sel.

Jawab:

a). Katoda Anoda Sel Volta Mg-Cu

Katoda harus memiliki E° lebih besar yaitu tembaga (Cu), dan

Anoda harus memiliki E° lebih kecil, yaitu magnesium (Mg)

b). Reaksi Elektroda dan Sel  

Reaksi katoda (reduksi) : Cu2+ (aq) + 2e → Cu(s)

Reaksi anoda (oksidasi) : Mg(s) →Mg2+ (aq) + 2e

Reaksi sel (redoks) : Cu2+ (aq) + Mg(s) → Cu(s) + Mg2+ (aq)

  1. Notasi Sel

Anoda || Katoda

Mg | Mg2+ || Cu2+ | Cu

  1. Potensial Sel Sistem Mg-Cu

Esel = E° katoda – E°anoda

Esel = 0,34 – (-2,37)

Esel = 2,71 volt

Potensial sel dapat digunakan untuk memperkirakan spontan tidaknya suatu reaksi redoks. Reaksi redoks berlangsung spontan bila Esel > 0 (positif) dan tidak spontan bila Esel < 0 (negatif).

  1. Sel Elektrolisis

Elektrolisis merupakan peristiwa penguraian zat elektrolit oleh arus listrik searah. Dalam sel elektrolisis energi listrik akan menghasilkan reaksi kimia.

Pada sel elektrolisis, reaksi redoksnya tidak terjadi secara spontan. Sehingga untuk terjadi reaksi redoksnya harus diberi arus listrik.

Pada sel elektrolisis, energi listrik diubah menjadi energi kimia. Pada Sel Elektrolisis Arus listrik menghasilkan reaksi reduksi dan oksidasi.

Tempat berlangsungnya reaksi reduksi dan oksidasi dalam sel elektrolisis sama seperti pada sel volta, yaitu anode (reaksi oksidasi) dan katode (reaksi reduksi). Perbedaan sel elektrolisis dan sel volta terletak pada kutub elektrode.

Pada sel volta, anode (–) dan katode (+), sedangkan pada sel elektrolisis sebaliknya, anode (+) dan katode (–).

Pada sel elektrolisis anode dihubungkan dengan kutub positif sumber energi listrik, sedangkan katode dihubungkan dengan kutub negatif. Oleh karena itu pada sel elektrolisis di anode akan terjadi reaksi oksidasi dan dikatode akan terjadi reaksi reduksi.

Sel elektrolisis berfungsi sebagai pompa untuk menjalankan perpindahan elektron yang mengalir dari anode ke katode. Elektron dialirkan melalui electrode yang tidak bereaksi (inert).

Biasanya digunakan batang karbon atau platina. Dalam elektrolisis, pada anode terjadi oksidasi (melepaskan elektron) sedangkan pada katode terjadi reduksi.

Pada  sel elektrolisis reaksi mulai terjadi pada katode, yaitu tempat arus masuk (pada sel Volta reaksi dimulai pada anode, yaitu tempat arus keluar).

pemurnian-logam-tembaga-cara-elektrowinning
sel elektrolisis pada pemurnian-logam-tembaga-cara-elektrowinning

Reaksi pada Katode

Pada katode terjadi reaksi ion- ion positif (kation) mengikat electron electron yang berasal dari sumber arus. Zat yang terbentuk dari hasil reaksi ini akan nempel pada batang katode, kecuali jika zat yang dihasilkan berbentuk gas.

Apabila zat hasil reaksi berfase gas maka akan keluar sebagai gelembung- gelembung gas di sekitar batang katode yang selanjutnya akan bergerak ke permukaan sel elektrolisis. Dalam larutan, ion positif menuju ke katode dan ion negatif ke anode.

1). Ion Hidrogen (H+)

Ion hidrogen direduksi menjadi molekul gas hidrogen. Reaksi reduksi seperti berikut:

Reaksi: 2 H+(aq) + 2 e→ H2(g)

2). Ion- Ion Logam

a). Ion-ion logam alkali/alkali tanah, seperti Li+, K+, Na+, Ba2+, Sr2+, dan Ca2+ tidak akan mengalami reduksi karena E° logam < E° air. Maka sebagai penggantinya air yang akan mengalami reaksi reduksi sebagai berikut:

Reaksi: H2O(l) + 2 e → H2(g) + 2 OH(aq)

b). Ion- Ion Logam seperti Ni2+, Cu2+, dan Zn2+ akan mengalami reduksi menjadi logam. Reaksi oksidasinya adalah seperti berikut:

Mn+ + n e→ M

Contoh: Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

Ni2+(aq) + 2 e → Ni(s)

Jika Leburan garam yang dielektrolisis, maka ion logam penyusun garam tersebut yang akan direduksi menjadi logam. Contohnya adalah garam NaCl(l), dimana Na+ akan direduksi menjadi Na.

Reaksi: Na+(aq) + e → Na(s)

Reaksi pada Anode

Pada anode terjadi reaksi oksidasi, ion- ion negatif akan ditarik oleh anode. Reaksi yang terjadi pada anode sangat dipengaruhi oleh jenis anion dan jenis elektrode yang digunakan.

Jika anode terbuat dari elektrode inert (elektrode yang tidak ikut bereaksi), seperti Pt, C, dan Au maka ion negative atau air akan teroksidasi.

1). Ion Hidroksida (OH) akan teroksidasi menjadi H2O dan O2.

Reaksinya: 4 OH(aq) → 2 H2O(l) + O2(g) + 4 e

2). Ion Sisa Asam

a). Ion Sisa Asam yang tidak mengandung oksigen, seperti Cl, Br, I akan teroksidasi menjadi gas Cl2, Br2, I2.

Contoh: 2 Cl(aq) → Cl2(g) + 2 e

2 X → X2 + 2 e

b). Ion Sisa Asam yang yang mengandung oksigen, seperti SO42–, NO3–, PO43– tidak teroksidasi. Sebagai gantinya air yang teroksidasi.

Reaksi: 2 H2O(l) → 4 H+(aq) + O2(g) + 4 e

Jika anodenya terbuat dari logam lain (bukan Pt, C, atau Au) maka anode akan mengalami oksidasi menjadi ionnya.

Contohnya, jika anode terbuat dari Ni atau Cu, maka Ni atau Cu akan teroksidasi menjadi ion Ni2+ atau ion Cu2+. Reaksi oksidasinya seperti berikut:

Reaksi: Ni(s) → Ni2+(aq) + 2 e

Reaksi: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e

Logam Cu pada anode akan terlarut dan mengendap pada katode. Anode makin lama makin berkurang atau habis,  sedangkan katode makin tebal. Prinsip ini banyak digunakan pada pemurnian logam Cu.

Hukum Faraday Eletrokimia

Dalam elektrokimia baik sel volta maupun sel elektrolisis terdapat hubungan kuantitatif antara jumlah zat yang bereaksi dan muatan listrik yang terlibat dalam reaksi redoks. Pernyataan ini merupakan prinsip dasar Hukum Faraday.

Aliran listrik tiada lain adalah aliran elektron. Oleh karena itu, muatan listrik yang terlibat dalam sel elektrokimia dapat ditentukan berdasarkan muatan elektron yang terlibat dalam reaksi redoks pada sel elektrokimia.

Hukum Faraday I berbunyi:

“Massa zat yang dilepaskan selama elektrolisis berbanding lurus dengan jumlah listrik yang digunakan”

Hukum Faraday I dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

w = e.F

Dengan Keterangan:

w = massa zat hasil elektrolisis (gram)

e = massa ekuivalen zat hasil elektrolisis,

e = Ar/Valensi

F = jumlah arus listrik (Faraday)

Diketahui bahwa 1 Faraday setara dengan 96.500 coulomb, sedangkan 1 coulomb = 1 ampere detik. Dengan demikian Hukum Faraday dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

w = (e.i.t)/96.500

Dengan keterangan

i = kuat arus listrik (ampere)

t = lama elektrolisis atau waktu (detik)

Hukum Faraday II berbunyi:

“Massa zat yang dilepaskan pada elektrolisis berbanding lurus dengan massa ekuivalen zat itu”

Hukum Faraday II dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

w1 : w2 : … = e1 : e2 : … atau

w1/w2 = e1/e2

dengan keterangan

w1= massa zat terendap 1

w2= massa zat terendap 2

e1 = massa ekuivalen zat 1

e2 = massa ekuivalen zat 2

Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukuk Faraday Sel Elektrolisis

Larutan AgNO3 (Ar Ag = 108) dialiri listrik 10 ampere selama 1 jam. Berapa gram logam perak yang dapat diendapkan?

Diketahui

Ar Ag = 108

e Ag = 108/1

i = 10 ampere

t = 1 x60x60 =3600 detik

Jawab:

w = (e.i.t)/96.500

w = (108x10x3.600)/96.500

w = 40,3

Contoh Soal Perhitugan Rumus Hukum Faraday II Sel Elektrolisis

Sejumlah arus listrik dialirkan melalui larutan AgNO3 dan larutan CuSO4. Bila logam perak yang diendapkan sebanyak 21,6 gram, berapa gram logam tembaga yang diendapkan?

Diketahui:

Ar Ag = 108, Cu = 63,5)

Jawab:

w Ag : w Cu = e Ag : e Cu

21,6 : w Cu = (108/1) : (63,5/2)

21,6 : w Cu = (108) : (31,75)

w Cu = (21,6 x31,75)/108

w Cu = 6,35 gram

Contoh Soal Hukum Faraday I Sel ELektrolisis

Berapakah massa tembaga yang diendapkan di katode pada elektrolisis larutan CuSO4 dengan menggunakan arus 2 A selama 20 menit. (Ar Cu = 63,5 g/mol)

Jawab

Di katode, terjadi reaksi reduksi Cu2+ menjadi Cu:

Cu2+(aq) + 2 e → Cu(s)

t = 20 menit = 1.200 s

e = 63,5/2

e = 31,75 g/mol

w = (e.i.t)/96.500

w = (31,75x2x1.200)/96.500

w = 0,789 gram

Jadi, massa tembaga yang diendapkan pada katode adalah 0,789 gram.

Daftar Pustaka:

  1. Sunarya, Yayan, 2014, “Kimia Dasar 1, Berdasarkan Prinsip Prinsip Kimia Terkini”, Cetakan Ketiga, Yrama Widya, Bandung.
  2. Sunarya, Yayan, 2013, “Kimia Dasar 2, Berdasarkan Prinsip Prinsip Kimia Terkini”, Cetakan Kedua, Yrama Widya, Bandung.
  3. Syukri, S., 1999, “Kimia Dasar 2”, Jillid 2, Penerbit ITB, Bandung
  4. Chang, Raymond, 2004, “Kimia Dasar, Konsep -konsep Inti”, Edisi Ketiga, Jilid Satu, Penerbit, Erlangga, Jakarta.
  5. Brady, James, E,1999, “Kimia Universitas Asas dan Struktur”, Edisi Kelima, Jilid Satu, Binarupa Aksara, Jakarta,
  6. Brady, James, E., 1999, “Kimia Universitas Asas dan Struktur”, Edisi Kelima, Jilid Dua, Binarupa Aksara, Jakarta.
  7. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Elektrokimia, Pengertian ELektrolisis, Reaksi reduksi oksidasi Elektrokimia, Jenis Sel Elektrokimia, Sel Volta (Sel Galvani), Contoh Sel Volta, cara kerja sel volta, reaksi pada sel volta,
  8. Ardra.Biz, 2019, “energi sel volta, Jenis elektroda pada sel volta, Reaksi Sel Volta Spontan, Cara Kerja Sel Volta/ Galvani Sistem Zn-Cu, Gambar rangkaian sel volta, anoda dan katoda sel volta, Contoh Elektroda Negative sel Galvani, Contoh Elektroda Positif,
  9. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian elektroda negative positif, Reaksi reduksi katoda, reaksi okidasi anode, kutub positif katoda, kutub negative anoda, electrode oksidasi, elektrode reduksi, Fungsi Jembatan Garam, Pengertian dan contoh jembatan garam,
  10. Ardra.Biz, 2019, “Tahap Proses Kerja Sel Volta atau Sel Galvani, Reaksi pada Sel Volta Sel Galvani, Rekasi Pada Anode Sel Gavani, Contoh Reaksi Pada Katode, Pengertian Potensial Elektroda Standar, rumus potensial elektroda standar, contoh soal potensial sel, Notasi Sel Volta,
  11. Ardra.Biz, 2019, “Rumus Perhitungan Potensial Sel, Contoh Soal Beda Potensial Sel Elektrokimia, Katoda Anoda Sel Volta Mg-Cu,  Reaksi Elektroda dan Sel, Reaksi katoda (reduksi),  Reaksi anoda (oksidasi),  Reaksi sel (redoks),  Contoh Notasi Sel,
  12. Ardra.Biz, 2019, “Potensial Sel Sistem Mg-Cu, Reaksi redoks spontan Esel positf, Reaksi redoks tidak spontan Esel negative, Sel Elektrolisis, Pengertian Elektrolisis,  Contoh sel elektrolisis, reaksi redoks sel elektrolisis tidak spontan, reaksi redoks sel galvani spontan,
  13. Ardra.Biz, 2019, “kutub elektrode sel elektrolisis, anode katoda sel elektrolisis, reaksi katoda anoda sel eletrolisis, contoh elektroda sel elektrolisis, contoh anode katode sel elektrolisis, Reaksi pada Katode sel elektrolisis, reaksi berfase gas pada electrode, contoh reaksi pada Katode sel elektrolisis, Reaksi pada Anode, contoh reaksi anode sel elektrolisis,
  14. Ardra.Biz, 2019, “contoh electrode inert sel elektrolisis, pengertian electrode inert, Ion Sisa Asam sel selektrolisis, Hukum Faraday Eletrokimia, Bunyi pernyataan hukum Faraday, Rumus Hukum Faraday Eletrokimia, Contoh soal perhitungan rumus Hukum Faraday Eletrokimia, Satuan 1 Faraday setara 96.500 coulomb,
  15. Ardra.Biz, 2019, “satuan massa ekuivalen, rumus cara hitung massa reaksi sel elektrolisis, Bunyi Pernyataan Hukum Faraday II, Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukuk Faraday Sel Elektrolisis, Contoh Soal Perhitugan Rumus Hukum Faraday II Sel Elektrolisis, Contoh Soal Hukum Faraday I Sel Elektrolisis,

Induksi Medan Magnet.

Pengertian Medan Magnetik. Di sekitar benda magnet selalu ada daerah atau ruang atau tempa yang dinamai medan magnet. Pada daerah ini, magnet lain dan benda yang bersifat magnet akan dipengaruhi oleh gaya magnet.

Sumber Medan Magnet

Sumber medan magnetic dibedakan menjadi dua jenis, yaitu magnet permanen dan magnet induksi.

Garis Gaya Magnet

Di sekitar magnet permanen terdapat medan megnetik yang digambarkan dengan garis garis gaya magnetic. Garis garis gaya megnetik selalu keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet. Sedangan di dalam magnet, arah garis garis gaya magnetic digambarkan dari selatan ke utara.

Garis garis gaya magnet dapat menunjukkan kekuatan dari medan maget. Daerah yang memiliki medan magnet kuat digambarkan dengan garis garis gaya yang rapat. Sedangkan daerah yang medan magnetiknya lemah digambarkan dengan garis garis gaya yang renggang..

Daerah medan magnet yang memiliki kuat medan magnetic terbesar disebut kutub magnet. Setiap magne memiliki dua kutub yaitu kutub utara dan kutub selatan.

Induksi Medan Magnetik

Medan Magnet yang dihasilkan oleh arus listrik disebut medan magnet induksi. Garis garis gaya magnet oleh arus listrik selalu melingkari kawat. Dalam hal ini Kawat sebagai sumbu lingkaran.

Arah Medan Magnet

Orientasi arah garis garis gaya megnet mengikuti aturan tangan kanan atau aturan putaran sektup. Arah medan magnet di suatu titik searah dengan orientasi garis garis gaya dan selalu menyinggung lingkaran garis garis gaya.

Aturan Tangan Kanan Arah Medan Magnet Kawat Berarus
Aturan Tangan Kanan Arah Medan Magnet Kawat Berarus

Aturan Tangan Kanan

Apabila arah ibu jari menyatakan arah aliran arus listrik, maka arah lipatan jari-jari yang lainnya menyatakan arah medan magnet.

Hukum Bio Savart

Hukum Biot–Savart menyatakan bahwa besarnya induksi magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus listrik adalah:

– Berbanding lurus dengan kuat arus yang mengalir pada kawat tersebut.

– Berbanding lurus dengan panjang kawat penghantarnya.

– Berbanding lurus dengan sinus sudut yang dibentuk oleh arah arus dengan garis hubung dari suatu titik ke kawat penghantar.

– Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari titik itu ke kawat penghantar.

Kuat Medan Magnet

Kuat  medan magnetic menunjukkan besarnya induksi magnetic yang ditimbulkan oleh sebuah kawat yang berarus listrik.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Kawat Lurus

Besarnya kuat medan magnet di sekitar kawat lurus panjang beraliran arus listrik dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

BP =(μ0. I)/(2.π.a)

Dengan Keterangan

BP = induksi magnetik di suatu titik (P)  (Wb/m2 atau Tesla)

μ0 = permeabilitas ruang hampa (4 ×10-7 Wb.A-1m-1)

I = kuat arus yang mengalir dalam kawat (A)

a = jarak suatu titik (P) ke kawat penghantar (m)

Contoh Soal Ujian Kuat Medan Magnet Kawat Lurus

Sebuah kawat lurus panjang yang dialiri arus listik sebesar 10 A dari arah timur ke barat, tentukan besar dan arah induksi magnetik di titik P tepat di bawah kawat tersebut pada jarak 10 cm..

Penyelesaian :

Diketahui :

I = 10 A

a = 10 cm = 0,1 m

μ0 = 4 π×10-7 Wb A-1 m-1

Ditanyakan :

BP = …?

Jawab

BP =(μ0.I)/(2.π.a)

BP = (4 x 3,14 x10-7x10)/(2 x 3,14 x 0,1)

Bp = 2 x 10-5 Tesla  yang arahnya ke selatan.

Jadi, besarnya induksi magnet di titik P adalah: 2 x 10-5 Tesla dan arahnya ke selatan.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Kawat Lingkaran

Besarnya induksi magnetic di pusat kawat berbentuk lingkaran dapat dinyatakan sebagai berikut:

BP =(μ0 I)/(2a)

Jika keliling lingkaran tidak penuh atau tidak membentuk  3600, misalkan θ derajat, maka besar induksi magnetic di pusat lingkaran dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

BP = (θ/360)x(μ0 I)/(2a)

Jika terdapat terdapat N lilitan kawat yang membentuk lingkaran, maka induksi magnetiknya adalah:

BP = N (μ0 I)/(2a)

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida

Solenoida adalah kumparan yang memanjang yang memiliki diameter lebih kecil dibandingkan dengan Panjang kumparannya. Jarak antara lilitan yang satu dengan yang lainnya sangat rapat dan biasanya terdiri atas satu lapisan atau lebih.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida
Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida

Besarnya induksi magnetic di tengah atau pusat solenoida dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

BP = N (μ0 I)/(l)

Sedangkan besar induksi magnetic di ujung solenoida dapat dinyatakan dengan mebggunakan persamaan rumus berikut:

BP = N (μ0 I)/(2l)

Dengan Keterangan:

N = jumlah lilitan kawat

l = Panjang solenoida

Contoh Soal Perhitungan Rumus Kuat Medan Magnet Solenoida

Suatu solenoida memiliki panjang 2 m dan 800 lilitan dengan jari- jari 2 cm. Jika solenoida dialiri arus 0,5 A, tentukan induksi magnetic di pusat solenoida,

Penyelesaian:

Diketahui

l = 2 m

N = 800

I = 0,5 A

Ditanyakan Bp di pusat solenoida = ..?

Jawab

BP = N (μ0 I)/(l)

BP = 800 (4 π×10-7 Wb.A-1m-1 x 0,5A)/(2m)

BP = 2,5 x 10-4 T

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida

Toroida  adalah sebuah solenoida yang dilengkungkan sehingga membentuk sebuah lingkaran.

Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida
Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida

Besar induksi magnetic pada toroida dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

BP = N (μ0 I)/(2πr) atau

BP = N (μ0 I)/(l)

Dengan keterangan:

r = jari jari toroida, m

Gaya Lorentz

Gaya magnetik atau gaya lorentz adalah gaya yang timbul pada penghantar berarus atau muatan yang bergerak dalam medan magnetik.

Jika kawat sepanjang l dialiri arus listrik sebesar I dan berada dalam medan magnet B, maka kawat tersebut akan mengalami gaya Lorentz atau gaya magnet.

Besarnya gaya magnetik gaya Lorentz yang dialami oleh kawat yang beraliran arus lisrik :

– Berbanding lurus dengan kuat medan magnet/induksi magnet (B).

– Berbanding lurus dengan kuat arus listrik yang mengalir dalam kawat (I).

– Berbanding lurus dengan panjang kawat penghantar ( l ).

– Berbanding lurus dengan sudut (θ) yang dibentuk arah arus (I) dengan arah induksi magnet (B).

Arah Gaya Lorentz

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan seperti yang ditunjukkan dalam gambar berikut  (Gambar en.wikipedia)

Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Kawat Berarus
Gaya Lorenzt Gaya Magnet Kawat Berarus

Aturan Tangan Kanan Gaya Lorentz

Apabila tangan kanan dalam keadaan terbuka, semua jari- jari dan ibu jari diluruskan. Arah dari pergelangan tangan menuju jari- jari menyatakan arah induksi magnet B dan arah ibu jari menyatakan arah arus listrik I, maka arah gaya magnetiknya F dinyatakan dengan arah telapak tangan menghadap (arah F ke atas).

Gaya Lorentz  Gaya Magnet Kawat Berarus

Gaya Lorentz yang terjadi pada kawat berarus dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

F = B. I. l sin θ

Contoh Soal Perhitungan Rumus Gaya Lorentz  Gaya Magnet Kawat Berarus

Sebuah kawat  berarus 3 A berada dalam medan magnet 0,5 tesla yang membentuk sudut 300. Berapakah besar gaya Lorentz yang dialami kawat tersebut sepanjang 5 cm?

Penyelesaian

Diketahui

I = 3 A

B = 0,5 tesla (1 tesla = 1 wb/m2)

θ = 300

l = 5 cm = 5.10-2 m

Ditanyakan F = …

Gaya Lorentz memenuhi :

F = B I l sin 300

F = 0,5 . 3 . 5.10-2 . 1/2

F = 3,75 . 10-2 N

Gaya Lorentz  Gaya Magnet Muatan Bergerak

Jika sebuah muatan listrik bergerak dalam medan magnet, maka muatan tersebut akan mengalami gaya Lorentz atau gaya magnet. Besar gaya Lorentz yang terjadi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

F = B. q. v sin θ

Gaya Lorentz  Gaya Magnet Dua Kawat Sejajar

Besarnya gaya Lorentz baik Tarik menarik atau tolak menolak pada dua kawat sejajar yang berarus listrik dapat ditentukan dengan menggunkan formulasi persamaan berikut:

F1= F2 = l. (μ0 I1 I2)/(2πa)

Jika arah arus pada kedua kawat tersebut searah, maka kedua kawat akan saling Tarik menarik. Dan jika arah arus pada kedua kawat saling berlawanan, maka kawat akan saling tolak menolak.

Fluks Magnet

Michael Faraday menggambarkan medan magnetic sebagai garis garis gaya. Garis gaya semakin rapat menunjukkan medan magnetic yang semakin kuat. Kuat medan magnetic menunjukkan besarnya induksi magnetic.

Fluks magnetik menyatakan banyaknya jumlah garis gaya yang menembus permukaan bidang secara tegak lurus.  Jadi kalau garis gaya tidak tegak lurus, maka ada koreksi terhadap arah datangnya dengan menggunakan sudut datang θ.

Fluks Magnetik Induksi
Fluks Magnetik Induksi

Fluks magnetic φ adalah banyaknya garis medan magnetic yang dilingkupi oleh suatu luas daerah tertentu A dalam arah tegak lurus. Fluks magnetik dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

φ = B. A cos q

Dengan Keterangan:

φ = Fluks magnet (Wb)

A = Luas Penampang m2

B = Induksi magnet (T)

θ = sudut antara B dengan garis normal bidang A

Hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahwa “Jika fluks magnet yang memesuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung – ujung kumparan akan timbul gaya geral listrik induksi dan besarnya bergantung pada laju perubahan fluks magnet yang dilingkupi oleh kumparan”.

Jika kumparan yang memiliki N buah lilitan, maka gaya gerak listrik induksinya dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

εinduksi = – N (Δf/Δt)

εinduksi = GGL induksi (volt)

N = jumlah lilitan

Δf/Δt = laju perubahan fluks magnet (Wb/detik)

Selain itu, gaya gerak listrik induksi dapat pula terbentuk akibat terjadinya perubahan medan magnet atau perubahan luas kumparan.

Gaya gerak listrik induksi yang terbentuk akibat adanya perubahan medan magnet atau induksi magnet dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:

εinduksi = – N. A (ΔB/Δt)

Ketika yang berubah adalah luas kumparan, maka besarnya gaya gerak listrik induksi yang terjadi dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:

εinduksi = – N. B (ΔA/Δt)

Dengan keterangan:

N = jumlah lilitan

A = luas kumparan

B = kuat medan magnet (T)

Daftar Pustaka:

  1. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,  Jakarta.
  2. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  3. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  4. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Gelombang, Jenis Gelombang, Sifat-sifat Gelombang, Contoh Gelombang, Manfaat fungsi gelombang,
  5. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  6. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  7. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  8. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  9. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Induksi Medan Magnet, Pengertian Medan Magnetik, Contoh Sumber Medan Magnet, magnet permanen dan magnet induksi, Garis Gaya Magnet, Arah Garis Gaya Magnet, Contoh Garis garis gaya magnet, kutub utara dan kutub selatan magnet,
  10. Ardra.Biz, 2019,”Contoh Induksi Medan Magnetik, medan magnet induksi, Arah Medan Magnet, Orientasi arah garis garis gaya megnet, Gambar Arah Medan Magnet, Bunyi Pernyataan Aturan Tangan Kanan,  Kaidah Tangan Kanan arah medan magnet, Bunyi Penrnyataan Hukum Bio Savart,
  11. Ardra.Biz, 2019,”Rumus Persamaan Hukum Biot–Savart, Contoh Soal Rumus Persamaan Hukum Biot–Savart, Rumus Persamaan Kuat Medan Magnet, Kuat Induksi Magnet Kawat Lurus,  Rumus kuat medan magnet, Satuan  induksi magnetic,
  12. Ardra.Biz, 2019, “Nilai satuan permeabilitas ruang hampa, satuan kuat arus, Contoh Soal Ujian Kuat Medan Magnet Kawat Lurus, Pengertian satuan Tesla, Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Kawat Lingkaran, Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Solenoida,  Pengertian Solenoida,
  13. Ardra.Biz, 2019, “Contoh  kumparan solenoida, Rumus induksi magnetic di tengah dan ujung solenoida, Contoh Soal Perhitungan Rumus Kuat Medan Magnet Solenoida, Kuat Medan Magnet – Induksi Magnet Toroida, Pengertian Contoh Toroida, Rumus induksi magnetic toroida,
  14. Ardra.Biz, 2019, “Gaya Lorentz, Bunyi Pernyataan Hukum Lorentz, gaya Lorentz atau gaya magnet, Arah Gaya Lorenzt Aturan tangan kanan Arah gaya Lorenzt, Aturan Tangan Kanan Gaya Lorenzt, Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Kawat Berarus,
  15. Ardra.Biz, 2019, “Satuan Gaya Lorenzt, Persamaan rumus Hukum Lorenzt, Contoh Soal Perhitungan Rumus Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Kawat Berarus,
  16. Ardra.Biz, 2019, “Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Muatan Bergerak, Rumus Gaya Lorenzt  Gaya Magnet Dua Kawat Sejajar, Pengertian Fluks Magnet, Rumus  Fluks magnetic, Pengaruh Kuat medan magnetic terhadap besarnya induksi magnetic, Gambar Fluks magnetic, Satuan  Fluks magnet (Wb),
  17. Ardra.Biz, 2019, “Satuan Induksi magnet (T), Bunyi Pernyataan Hukum Faraday, Rumus Hukum Faraday, Satuan GGL induksi (volt), Rumus gaya gerak listrik induksi, Satuan kuat medan magnet (T).