Hukum Faraday: Pengertian, Prinsip, dan Contoh Soal

Hukum Faraday – Hukum Faraday menjadi salah satu hukum fisika yang memiliki sumbangan besar terhadap kemajuan listrik. Hukum ini menjadikan listrik sebagai hal sangat penting bagi kehidupan manusia modern. Michael Faraday saat itu berhasill menciptakan generator listrik pertama yang digunakan memenuhi kebutuhan manusia hingga penemuan induksi elektromagnetik.

Dijelaskan adanya penemuan mengenai aspek kuantitatif yang terdapat pada elektrolisis dan hasilnya berupa dua hukum elektrolisis Faraday. Beberapa jenis aspek kuantitatif yang disebutkan seperti massa zat hasil, volume gas, jumlah mol elektron kuat arus dan waktu elektrolisis yang dibutuhkan dalam proses.

Biografi Penemu Hukum Faraday

Potret Michael Faraday.

Hukum Faraday dirumuskan oleh ahli kimia dan fisika asal Inggris, Michael Faraday. Pada 1833, Faraday menjelaskan penemuan tentang aspek kuantitatif dari elektrolisis yang akhirnya menghasilkan dua hukum elektrolisis Faraday.

Dikutip dari Modul Kimia XII yang disusun oleh Arni Wiyati (2020) dalam hal ini elektrolisis adalah sebuah sel elektrokimia dimana energi listrik digunakan untuk menjalankan reaksi redoks tidak spontan. Aspek kuantitatif yang dimaksud dalam sel elektrolisis berupa massa zat hasil, volume gas hasil, jumlah mol elektron kuat arus, dan waktu elektrolisis. Kedua hukum yang diperoleh dibagi menjadi hukum Faraday 1 dan 2.

Michael Faraday (22 September 1791–25 Agustus 1867) sendiri adalah seorang ilmuwan Inggris yang mendapat julukan “bapak listrik”, karena berkat usahanya listrik menjadi teknologi yang banyak gunanya. Dia mempelajari berbagai bidang ilmu pengetahuan, termasuk elektromagnetisme dan elektrokimia. Dia juga menemukan alat yang nantinya menjadi pembakar Bunsen, yang digunakan hampir di seluruh laboratorium sains sebagai sumber panas yang praktis.

Efek magnetisme menuntunnya menemukan ide-ide yang menjadi dasar teori medan magnet. Dia banyak memberi ceramah untuk memopulerkan ilmu pengetahuan kepada masyarakat umum. Pendekatan rasionalnya dalam mengembangkan teori dan menganalisis hasilnya sangat mengagumkan.

1. Masa Kecil Michael Faraday

Michael Faraday dilahirkan di Newington Butts, London, Britania Raya. Keluarganya pindah ke London pada musim dingin tahun 1790. Dan pada musim semi tahun itu Faraday dilahirkan. Faraday adalah anak ketiga dari empat bersaudara yang hanya sedikit mengenyam pendidikan formal. Pada usia 14 tahun, dia magang sebagai penjual dan penjilid buku. Selama tujuh tahun bekerja sebagai penjual dan penjilid buku memberikan dia banyak kesempatan untuk membaca banyak buku dan pada masa inilahd ia mengembangkan rasa keingintahuannya terhadap sains.

Pada usia 20 tahun, dia berhenti magang dan menghadiri kuliah yang disampaikan oleh Humphry Davy. Dari situlah dia kemudian berhubungan dengan Davy dan akhirnya menjadi asisten Davy saat ilmuwan itu mengalami gangguan pada penglihatannya akibat dari nitrogen trichloride. Dan dari sinilah dia memulai kisah hidupnya yang luar biasa.

2. Pencapaian Ilmiah Michael Faraday

a. Kimia

Faraday memulai kerjanya pada bidang Kimia adalah saat sebagai asisten Humphry Davy. Dia berhasil menemukan zat Klorin dan Karbon. Dia juga berhasil mencairkan beberapa gas, menyelidiki campuran baja, dan membuat beberapa jenis kaca baru yang dimaksudkan untuk tujuan optika. Faraday adalah orang yang pertama menemukan Bunsen Burner. Yang kini telah digunakan secara luas di seluruh dunia.

Faraday secara ektensif bekerja pada bidang kimia. Menemukan zat kimia lainnya, yaitu Benzena dan mencairkan gas klorin. Pencairan gas klorin bertujuan untuk menetapkan bahwa gas adalah uap dari cairan yang memiliki titik didih rendah dan memberikan konsep dasar yang lebih pasti tentang pengumpulan molekul.

Dia juga telah menentukan komposisi dari klorin klatrat hidrat. Faraday adalah penemu Hukum Elektrolisis dan mempopulerkan istilah anode, katode, elektrode, serta ion. Dia juga adalah orang pertama yang mempelajari tentang logam nanopartikel.

b. Kelistrikan dan Magnet

Faraday menjadi terkenal berkat karyanya mengenai kelistrikan dan magnet. Eksperimen pertamanya ialah membuat konstruksi tumpukan volta dengan 7 uang setengah sen, ditumpuk bersama dengan 7 lembaran seng serta 6 lembar kertas basahan air garam. Dengan konstruksi ini dia berhasil menguraikan magnesium sulfat.

Pada 1821, Hans Christian Ørsted mempublikasikan fenomena elektromagnetisme. Dari sinilah Faraday kemudian memulai penelitian yang bertujuan untuk membuat alat yang dapat menghasilkan “rotasi elektromagnetik”. Salah satu alat yang berhasil dia ciptakan adalah homopolar motor.

Pada alat ini terjadi gerakan melingkar terus-menerus yang ditimbulkan oleh gaya lingakaran magnet mengelilingi kabel yang diperpanjang hingga ke dalam genangan merkuri di mana sebelumnya sudah diletakan sebuah magnet pada genangan tersebut, maka kabel akan berputar mengelilingi magnet apabila dialiri arus listrik dari baterai. Penemuan inilah yang menjadi dasar dari teknologi elektromagnetik saat ini.

Faraday membuat terobosan baru ketika dia melilitkan dua kumparan kabel yang terpisah dan menemukan bahwa kumparan pertama akan dilalui oleh arus, sedangkan kumparan kedua dimasukan dimasukan arus. Inilah yang saat ini dikenal sebagai induksi timbal-balik. Hasil percobaan ini menghasilkan bahwa “perubahan pada medan magnet dapat menghasilkan medan listrik” yang kemudian dibuat model matematikanya oleh James Clerk Maxwell dan dikenal sebagai Hukum Faraday.

c. Diagmatisme

Pada 1845, Faraday menemukan bahwa banyak materi menunjukan penolakan yang lemah dari sebuah medan listrik. Peristiwa inilah yang diberi nama diagmatisme. Faraday juga menemukan bahwa bidang polarisasi dari cahaya terpolarisasi linier dapat diputar dengan penerapan dari sebuah bidang magnet eksternal searah dengan arah gerak cahaya. Inilah yang disebut dengan Efek Faraday.

Kemudian pada 1862, Faraday menggunakan sebuah spektroskop untuk mencari perbedaan perubahan cahaya, perubahan dari garis-garis spektrum dengan menerapkan medan magnetik. Namun, peralatan yang dia gunakan pada saat itu belum memadai, sehingga tak cukup untuk menentukan perubahan spektrum yang terjadi. Penelitian ini kemudian dilanjutkan oleh Peter Zeeman kemudian dia mempublikasikan hasilnya pada 1897 dan menerima nobel fisika pada 1902 berkat referensi dari Faraday.

Prinsip Kerja Hukum Faraday

Sebelum mengetahui lebih lanjut mengenai Hukum Faraday dan apa saja pengaplikasian di dalamnya. Perlu memahami lebih dulu mengenai prinsip kerja hukum ini, dimulai dari pengertiannya. Hukum Faraday adalah aturan yang isinya berupa penjelasan tentang hubungan antara massa zat terdapat pada elektrode bermuatan listrik yang dihasilkan suplai elektrolisis.

Michael Faraday melihat setiap atom yang diperoleh dibawa oleh satu mol elektron, hal ini diamatinya selama proses elektrolisis. Hasilnya ditemukan konstanta yang bermanfaat untuk menghitung besaran muatan yang terdapat di dalam satu mol elektron. Mempermudah dalam menghitung stoikiometri menjadi salah satu manfaat yang didapat.

Terdapat konstanta Faraday yang dipakai untuk menghitung besarnya muatan yang terdapat di dalam satu mol elektron. Konstanta Faraday memudahkan proses perhitungan stoikiometri elektrolisis dan dampaknya membuat konstanta Faraday memungkinkan dalam melakukan perhitungan stoikiometri tanpa harus memperhitungkan muatan elektron di setiap saat.

Konstanta Faraday disimbolkan dengan F dan memiliki nilai seperti berikut, F adalah L/Mol x muatan elektron atau elektron, F adalah (6,02214 x 10^23 elektron/mol) x (1,6022 x 10^-19 C/elektron) dan F adalah 96.500 C. Setelah itu pemahaman selanjutnya terkait Faraday adalah pembagian hukum ini yang dibedakan menjadi dua jenis.

Pada dasarnya hukum Faraday dipakai dalam melakukan hipotesis atau prediksi terkait bagaimana suatu medan magnet mampu berinteraksi dengan rangkaian listrik. Berguna memunculkan gaya gerak listrik atau disebut dengan induksi elektromagnetik. Hukum Faraday dibagi menjadi dua jenis, yakni Hukum Faraday I dan Faraday II.

1. Hukum Faraday I

Hukum Faraday I menyatakan jika suatu massa zat yang dilarutkan atau diendapkan akan berbanding lurus dengan muatan yang dilewati dalam sel dan massa ekivalen dari zat tersebut. Hukum Faraday I berbunyi sebagai berikut, massa zat yang didapat pada elektroda ketika proses elektrolisis sebanding dengan jumlah muatan listrik yang mengalir.

Dari bunyi hukum di atas dapat dilihat bahwa massa produk yang disimbolkan dengan W, diendapkan atau dilarutkan pada elektroda akan semakin banyak. Bertambah banyaknya jumlah massa itu beriringan dengan peningkatan pada muatan listrik yang disimbolkan dengan Q yang digunakan, sehingga dapat disimpulkan bahwa W = Q, rumus hukum Faraday I adalah W = e . i . t/F.

W adalah massa zat yang dihasilkan dengan ketentuan gram.
e adalah ekuivalen.
i adalah kuat arus dengan ketentuan ampere.
t adalah waktu dengan ketentuan sekon.
F adalah tetapan Faraday yakni 96.500 Coulomb/mol.

2. Hukum Faraday II

Hukum Faraday II memiliki poin yang sangat menarik, di mana hukum ini berlaku pada dua sel elektrolisis dengan kepemilikan zat berbeda. Adanya jumlah zet produk elektrolisis yang berbeda sehingga memunculkan berbanding lurus dengan massa ekuivalen dari zat-zat yang ada tersebut, dalam memahami hal ini sesuai dengan bunyi hukum Faraday II.

Bunyi hukum Faraday II adalah massa zat yang dihasilkan dalam suatu elektroda yang muncul selama elektrolisis (W) berbanding lurus dengan massa ekuivalen (e) dari zat tersebut. Jika sebagian sel elektrolisis disusun berdasarkan seri atau arus listrik dalam jumlah yang sama termasuk jumlah muatan listrik yang sama juga.

Sehingga akan memunculkan perbandingan massa zat-zat yang diperoleh menjadi sama dengan perbandingan massa ekuivalen masing-masing zat. Rumus hukum Faraday II adalah W1 / W2 = e1 / e3, W1 adalah massa zat 1 (gram), W2 adalah massa zat 2 (gram), ei adalah ekuivalen zat 1 dan e2 adalah ekuivalen zat 2.

Penjelasan ini menegaskan jika memang adanya penerapan hukum ini dipakai untuk memperhitungkan aspek kuantitatif zat-zat yang terlibat dalam reaksi di dalam sel elektrolisis. Selain itu faraday juga merupakan suatu hukum mengenai induksi elektromagnetik setelah dilakukannya percobaan mengenai bagaimana medan magnet melakukan induksi terhadap suatu arus listrik.

Penemuan Induksi Elektromagnetik

Michael Faraday menjadi kepala laboratorium di Royal Institute menggantikan posisi Sir Humphry Davy yang saat itu mengalami sakit parah. Enam tahun setelahnya Faraday menemukan induksi elektromagnetik dengan menggunakan cincin induksi sebagai trafo elektronika pertama yang ada di dunia pada saat itu.

Dalam percobaan kedua yang dilakukan pada September 1831, Faraday menemukan induksi magnet-listrik berupa produksi arus listrik yang stabil. Penemuan itu kemudian menjadi prinsip di balik lahirnya motor listrik modern, transformator dan adanya generator listrik. Begitu pula dengan penemuan Hukum Faraday yang sudah dijelaskan secara detail di atas.

Sebelum tahun 1839, Michael Faraday mengalami masalah yang membuat kesehatannya menurun secara drastis yakni gangguan saraf. Kesehatan sang ilmuwan yang terus memburuk membuat penelitiannya berkurang, meskipun tanggung jawab sebagai dosen pada saat itu masih diembannya hingga tahun 1861.

Tepat di usianya yang ke-75 tahun, sang penemu listrik akhirnya meninggal dunia di kediamannya yang berada di Hampton Court. Pada tanggal 25 Agustus 1867, menurut kabar yang beredar Faraday meninggal dunia saat duduk di ruang kerjanya. Jenazahnya kemudian dimakamkan di Pemakaman Highgate yang terletak di London Utara dan kemudian dibuatkan monumen sebagai peringatan.

Contoh Soal Hukum Faraday

1. Soal 1

Sumber dari gaya gerak listrik adalah ….

a. magnet yang bergerak di sekitar kumparan.
b. muatan listrik yang bergerak di sekitar kumparan.
c. magnet yang diam di sekitar kumparan.
d. dua buah magnet diam di sekitar kumparan.
e. interaksi kutub-kutub magnet di sekitar kumparan.

Pembahasan:
Gaya gerak listrik bersumber dari magnet yang bergerak di sekitar kumparan.

Jawaban: A.

2. Soal 2

Ketika Faraday melakukan percobaan untuk membuktikan apakah medan magnet dapat menimbulkan arus listrik, terjadi fenomena di mana arus listrik muncul ketika magnet dalam kondisi ….

a. bergerak.
b. jauh dari kumparan.
c. diam.
d. statis.
e. dekat dengan kumparan.

Pembahasan:
Ketika Faraday melakukan percobaan untuk membuktikan apakah medan magnet dapat menimbulkan arus listrik, terjadi fenomena di mana arus listrik muncul ketika magnet dalam kondisi bergerak.

Jawaban: A.

3. Soal 3

Pernyataan yang tepat tentang besar dari GGL induksi adalah ….

a. Sebanding dengan besar medan magnet.
b. Serbanding terbalik dengan besar medan magnet.
c. Sebanding dengan perubahan fluks magnet dan berbanding terbalik dengan banyak lilitan kumparan.
d. Berbanding terbalik dengan perubahan fluks magnet dan banyak lilitan kumparan.
e. Sebanding dengan perubahan fluks magnet dan banyak lilitan kumparan.

Pembahasan:
Besarnya GGL induksi sebanding dengan laju perubahan fluks magnet dan banyak lilitan kumparan.

Jawaban: E.

4. Soal 4

Berapakah massa ekuivalen untuk sebuah reaksi berikut Cu2+ (aq) + 2e – Cu (s) jika memiliki, tembaga (Cu) Ar = 63,5 ?

Dilihat dari reaksi di atas maka terlihat adanya perubahan bilangan oksidasi yakni pada +2, sehingga massa ekuivalen dari Cu adalah ME = Ar/biloks = 63,5/2 = 31,75. Apabila jumlah listrik yang sama dialirkan ke dalam dua atau lebih sel elektrolisis dengan elektrolit berbeda, maka perbandingan zat yang dibebaskan berbanding lurus dengan perbandingan massa ekuivalen zat.

5. Soal 5

Apabila dalam rangkaian di atas membentuk endapan Cu sebesar 5 gram, maka berapa Ag yang mengendap pada elektrode? (Cu = 63,5, Ag= 108).

Jawab:

Untuk menghitung massa Ag, wag menggunakan rumus yang sudah disediakan pada gambar di atas di mana ME = Ar / biloks. Sementara diketahui bahwa Cu, wcu = 5 gram. Untuk menghitung MEcu dan MEag harus menuliskan dulu reaksi reduksi Cu dan Ag seperti gambar di bawah ini.

Jika hukum Faraday I dan Faraday II digabungkan maka diperoleh w = I x t x ME, selanjutnya perbandingan ini menjadi persamaan dengan menambahkan faktor 1/96.500 dan diperoleh rumus hukum Faraday w= 1/96.500 x I x t x ME.

6. Soal 6

Sebuah kumparan terdiri dari 50 lilitan, fluks magnet dalam kumparan berubah sebesar 5 x 10^-3 weber dalam selang waktu 10ms (milidetik). Hitunglah Gaya Gerak Listrik atau GGL induksi pada kumparan tersebut!

Penyelesaian:

Jumlah Lilitan (N) = 50
Selang waktu (Δt) = 10ms = 10 x 10^-3 second
ΔΦ = 5 x 10^-3 weber
GGL induksi (ɛ ) = ???

Jawaban :

ɛ = -N (ΔΦ/∆t)
ɛ = -50 (5 x 10^-3 wb / 10 x 10^-3)
ɛ = -50 (0,5)
ɛ = -25V

Jadi, Gaya Gerak Listrik Induksinya adalah -25V.

—

Demikian penjelasan dan pembahasan mengenai prinsip hukum Faraday, mulai dari pengertian dan contoh soal yang mudah untuk dikerjakan. Gramedia menjadikan para siswa gemar memahami ilmu pengetahuan yang berkaitan dengan alam, termasuk hal-hal mendasar seperti terjadinya proses arus listrik dan hukum ini di dalamnya.

Hukum Faraday: Pengertian, Prinsip, dan Contoh Soal