Penemuan Gauss mengenai relasi penyebaran muatan listrik dan medan listrik memungkinkan produk-produk berbasis sensor dapat memudahkan aktifitas dan pekerjaan kita. Terciptanya perangkat elektronik seperti audio, video, bahkan hingga komponen-komponen kendaraan berbasis listrik  membuat Hukum Gauss menjadi salah satu pengarah inovasi teknologi saat ini. Disamping itu, Hukum Gauss juga berkontribusi pada pengembangan material-material pintar (smart materials) sehingga responsive terhadap rangsangan eksternal seperti tekanan, suhu, atau medan magnet.

Desain Casing Pelindung Perangkat Elektronika

Prinsip Hukum Gauss dimanfaatkan dalam desain pelindung perangkat elektronik dari interferensi elektromagnetik, seperti smartphone, laptop, dan peralatan medis. Kemampuan permukaan Gauss (Gauss Surface) dalam menjaga medan listrik eksternal agar tidak mempengaruhi medan listrik yang berada di dalam permukaan Gauss. Kemampuan permukaan Gauss ini diadopsi oleh Faraday dan menciptakan Faraday Cage. 

Gambar 1 Perangkat MRI yang menggunakan prinsip Faraday Cage sehingga aman untuk digunakan manusia.
Sumber: https://www.vecteezy.com/vector-art/293188-mri-scan-with-and-without-patient

Desain Layar Sentuh dengan Layar Kapasitif

Layar sentuh  yang digunakan smartphone atau Touchpad pada laptop  mengaplikasikan layar kapasitif berdasarkan (Gambar 2). Hukum gauss untuk mendeteksi perubahan medan listrik saat jari pengguna menyentuh layar. Cara kerja sensor ini berbasis pada fakta bahwa distribusi fluks istrik dan perubahannya merupakan akibat dari interaksi tubuh manusia yang bersifat konduktif dengan layar kapasitif.

Gambar 2 Layar Sentuh
Sumber: https://www.vecteezy.com/vector-art/331677-touch-screen-glyph-black-icon

Desain sistem pengisian daya listrik nirkabel

Pengisian daya nirkabel juga mengaplikasikan Hukum Gauss dalam mengisi smartphone dengan fiture nirkabel (wireless charger). Pengisian daya secara nirkabel menjalankan fungsinya melalui prinsip induksi eletromagnetik dan kapasitansi yang bergantung dari distribusi medan lstrik di sekitar perangkat pengisi dan penerima daya. Medan listrik dan magnetic yang dihasilkan tersebut harus mampu menghasilkan arus listrik dan juga mengarahkan transfer daya ke penerima daya.

Gambar 4 Wireless Charging
Sumber: https://www.vecteezy.com/vector-art/964170-smartphone-on-wireless-charger

 

Konsep Hukum Gauss

 

Carl Friedrich Gauss mempublikasikan Hukum Gauss pada 1867, menyatakan bahwa “the net flux of an electric field through a closed surface (a Gaussian surface) to the net charge  that is enclosed by that surface” (Halliday, Resnick & Walker, 2013) dengan kata lain total fluks listrik yang melewati permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang berada di dalamanya. Secara matematis, hukum ini dirumuskan sebagai berikut:

Dengan, E adalah medan listrik, dA adalah luas permukaan, Qnet adalah muatan total yang terjadi di dalam permukaan tertutup, dan sebagai permitivitas vakum. Permitivitas vakum merupakan ukuran kemampuan medan listrik terjadi akibat adanya perpindahan muatan positif dari permukaan  bermuatan proton ke permukaan permukaan bermuatan electron (Gambar 3). Timbulnya medan magnet tersebut menyebabkan terjadinya gaya sehingga menyebabkan terjadinya Energi Listrik.

 

Gambar 3. Vektor medan listrik  dan garis hayal arah gerakan muatan listrik pada permukaan Gausian tertutup dengan muatan +Q
Sumber: Halliday, Resnick & Walker (2013) hal. 660

Tidak heran, Gauss Law dan Faraday Law, menjadi hukum yang saling berhubungan dalam memahami hubungan antara listrik dan medan listrik, serta menjadi fondasi ilmu klasik elektrodinamika.

 

References

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2013). Fundamentals of physics. John Wiley & Sons.
Feature Image: Photo by Jakub Żerdzicki on Unsplash