Fisika Dasar -10-listrik statik.ppt

Muatan dan MateriMuatan dan Materi

Listrik Statik (Electrostatic)Konsep Dasar : Setiap materi tersusun atas partikel-partikel

elementer yang dapat dipandang sebagai titik materi. Partikel elementer adalah partikel penyusun inti atom: elektron, proton, dan netronJika dua atau lebih titik materi (partikel elementer) ini terpisah pada jarak tertentu di dalam ruang hampa, apakah kelakuannya sama dengan titik materi menurut konsep Newton ?

Konsep Konsep DasarDasar

Muatan ListrikMuatan Listrik

(600 SM) Orang yunani menggosok (600 SM) Orang yunani menggosok batu amber dengan wol dan batu amber dengan wol dan menyebabkan batu tersebut dapat menyebabkan batu tersebut dapat menarik benda-benda lainmenarik benda-benda lain

Listrik (electric) diturunkan dari amber Listrik (electric) diturunkan dari amber (electron, dalam bahasa yunani)(electron, dalam bahasa yunani)

Benjamin Franklin (1706 - 1790) Benjamin Franklin (1706 - 1790) menamakan dua jenis muatan : positif menamakan dua jenis muatan : positif dan negatif.dan negatif.

Muatan Listrik dan Muatan Listrik dan Struktur MateriStruktur Materi

Struktur atom terdiri dari :Struktur atom terdiri dari : Elektron yang bermuatan negatifElektron yang bermuatan negatif Proton yang bermuatan positifProton yang bermuatan positif Neutron yang tak bermuatanNeutron yang tak bermuatan


Struktur atom terdiri dari :Struktur atom terdiri dari : Elektron yang bermuatan negatifElektron yang bermuatan negatif Proton yang bermuatan positifProton yang bermuatan positif Neutron yang tak bermuatanNeutron yang tak bermuatan

Proton dan neutron membentuk teras Proton dan neutron membentuk teras (core) yang sangat padat dan (core) yang sangat padat dan dinamakan sebagai inti atom (nucleus)dinamakan sebagai inti atom (nucleus)


Struktur atom terdiri dari :Struktur atom terdiri dari : nomor atom nomor atom adalah jumlah proton adalah jumlah proton

atau elektron dalam suatu atom netralatau elektron dalam suatu atom netral ion positif ion positif yaitu atom yang kehilangan yaitu atom yang kehilangan

satu atau lebih elektronsatu atau lebih elektron ion negatif ion negatif yaitu atom yang kelebihan yaitu atom yang kelebihan

satu atau lebih elektronsatu atau lebih elektron ionisasi ionisasi adalah proses perolehan dan adalah proses perolehan dan

kehilangan elektronkehilangan elektron


Prinsip Kekekalan Muatan:Prinsip Kekekalan Muatan:

““Jumlah aljabar dari semua muatan Jumlah aljabar dari semua muatan listrik dalam setiap sistem listrik dalam setiap sistem tertutup adalah konstan”tertutup adalah konstan”

KonduktorKonduktorJika suatu bahan dapat Jika suatu bahan dapat memindahkan muatan memindahkan muatan listrik maka bahan listrik maka bahan tersebut dinamakan tersebut dinamakan sebagai sebagai konduktorkonduktor..

IsolatorIsolatorJika suatu bahan tidak Jika suatu bahan tidak dapat memindahkan dapat memindahkan muatan listrik maka bahan muatan listrik maka bahan tersebut dinamakan tersebut dinamakan sebagai sebagai isolatorisolator..

Hukum Hukum CoulombCoulomb

Hukum Coulomb

1 212 2

14 o

q qF

r

Secara ringkas dapat disimpulkan bahwa :Muatan yang sejenis saling tolak menolak, muatan yang

berlawanan saling tarik menarik

Gaya yang timbul bekerja di sepanjang garis lurus yang menghubungkan kedua partikel

Gaya yang timbul sebanding dengan besarnya tiap-tiap muatan partikel

Gaya yang timbul berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar partikel

= 8,85 x 1012 C2/N.m2o

Dicetuskan oleh Charles Coulomb (1736 – 1806), seorang ilmuwan Perancis pada tahun 1780, tentang gaya listrik antar muatan

Yes or noYes or no

Q1 Q2

F12

F21

Q1 Q2

F12

F21

InduksiInduksi

Jika muatan suatu bahan dipengaruhi Jika muatan suatu bahan dipengaruhi oleh benda lain yang bermuatan dan oleh benda lain yang bermuatan dan terjadi perubahan tanda muatan pada terjadi perubahan tanda muatan pada bahan tersebut tanpa kehilangan bahan tersebut tanpa kehilangan muatan dalamnya maka hal ini muatan dalamnya maka hal ini dinamakan sebagai dinamakan sebagai induksiinduksi..

Hukum CoulombHukum Coulomb

““Besarnya gaya listrik diantara dua muatan titik Besarnya gaya listrik diantara dua muatan titik berbanding langsung dengan hasil kali muatan-berbanding langsung dengan hasil kali muatan-muatan itu dan berbanding terbalik dengan muatan itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya”kuadrat jarak antara keduanya”

22

0

22120

221

0

221

/1094

1

/10854,8

4

1

CNmk

NmC

r

qqF

r

qqkF


Contoh 1. Dua muatan titik qContoh 1. Dua muatan titik q11=+25nC dan q=+25nC dan q22=-=-

75nC terpisah sejauh 3cm.Tentukan besar dan arah 75nC terpisah sejauh 3cm.Tentukan besar dan arah dari : (a) gaya listrik yang dikerahkan oleh qdari : (a) gaya listrik yang dikerahkan oleh q11 pada pada

qq22 dan (b) gaya listrik yang dikerahkan oleh q dan (b) gaya listrik yang dikerahkan oleh q22

pada qpada q11


(a)(a) F qF q11 pada q pada q22 = q = q11qq22/(r/(r224400))

= = (+25x10(+25x10-9-9)(-75x10)(-75x10-9-9))

(0,03)(0,03)22(9,0x10(9,0x1099))

= 0,019 N= 0,019 N

+ -q1 q2

r


(b) F q(b) F q22 pada q pada q11

FF2 pada 12 pada 1 = F = F1 pada 21 pada 2

= 0,019 N= 0,019 N

+ -q1 q2

r

Hukum Hukum CoulombCoulomb

Coulomb

( 1736 - 1806 )

Perumusan Hukum Perumusan Hukum CoulombCoulomb

Besarnya gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua muatan listrik

sebanding dengan besar masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan

kuadrat jarak kedua muatan.

+

q1

q2

r

F F

221

r

xqqkF

K = 9 x 10-9 Nm2c-2

Alat Uji Gaya Coulomb

(Neraca Puntir)

ElektroskopElektroskop

Elektroskop adalah alat untuk mengetahui Elektroskop adalah alat untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau apakah suatu benda bermuatan listrik atau

tidak.tidak.

Prinsip kerja elektroskopPrinsip kerja elektroskop

Apabila sebuah benda bermuatan listrik didekatkan pada

elektroskop, maka elektron pada bola konduktor akan bereaksi

sesuai dengan jenis muatan yang didekatkan.

Pada contoh, jika muatan negatif yang didekatkan, maka elektron

akan bergerak dari ujung bola ke keping, sehingga kedua keping

menjadi bermuatan negatif.Akibatnya terjadi gaya tolak menolak pada kedua keping

sehingga kedua keping terbuka.

Memberi muatan dengan Memberi muatan dengan menyentuhkan benda bermuatan menyentuhkan benda bermuatan

listrik.listrik.a) Benda (konduktor) bermuatan negatif didekatkan pada elektroskop

(netral ).

b) Terjadi perpindahan elektron dari benda ke elektroskop.

c) elektroskop bermuatan listrik negatif.

Benda yang diberi muatan listrik dengan

menyentuhkan, jenis muatannya sama dengan benda yang disentuhkan.

Memberi muatan listrik dengan induksiMemberi muatan listrik dengan induksiInduksi elektrostatik adalah pemisahan muatan -muatan pada sebuah benda Induksi elektrostatik adalah pemisahan muatan -muatan pada sebuah benda

oleh adanya benda lain yang bermuatan.oleh adanya benda lain yang bermuatan.

Pada saat benda bermuatan listrik didekatkan pada sebuah benda netral, terjadi pemisahan muatan pada benda netral itu. Ujung benda

netral yang berdekatan dengan benda penginduksi, bermuatan sama dengan benda

yang penginduksi.

Bila benda tersebut dihubungkan ke bumi (misalnya dengan sentuhan), terjadinya

pemindahan elektron dari atau ke bumi melalui tubuh.

Setelah benda bermuatan dijauhkan, benda menjadi kekurangan atau kelebihan elektron sehingga benda netral menjadi bermuatan

listrik.

Benda yang dimuati listrik secara induksi, jenis

muatannya berlawanan dengan jenis muatan benda

yang menginduksi.

Keseimbangan Torsi Keseimbangan Torsi Coulomb Coulomb

Perputaran ini untuk

mencocokan dan mengukur torsi dalam serat dan sekaligus gaya yang menahan

muatan

Skala dipergunakan untuk membaca besarnya pemisahan muatan

Percobaan CoulombPercobaan Coulomb

F

r

Garis Fr-2


Penentuan CoulombPenentuan Coulomb Gaya tarik menarik jika muatan berbeda tandaGaya tarik menarik jika muatan berbeda tanda

Gaya sebanding dengan perkalian muatan qGaya sebanding dengan perkalian muatan q11 dan qdan q22 sepanjang garis lurus yang sepanjang garis lurus yang menghubungkannyamenghubungkannya

Gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarakGaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak I.e.I.e.

|F|F1212| | |Q|Q11| |Q| |Q22| / r| / r121222

atauatau

|F|F1212|= k |Q|= k |Q11| |Q| |Q22| / r| / r121222


Satuan untuk konstanta ditentukan dari Satuan untuk konstanta ditentukan dari hukum Coulombhukum Coulomb

Coulomb telah menentukan konstanta ini Coulomb telah menentukan konstanta ini dalam satuan SI dalam satuan SI k = 8.987.5x10k = 8.987.5x1099 Nm Nm22CC-2-2

k secara normal dinyatakan sebagai k = k secara normal dinyatakan sebagai k = 1/41/400

Bentuk vektor hukum Bentuk vektor hukum CoulombCoulomb

+

+

Q1

Q2r12

12r̂

21F

12F

12F

+

21F

-

KuisKuis

A:A: F FABAB=-3=-3FFBABA

B:B: F FABAB=-=-FFBABA

C:C: 3F 3FABAB=-=-FFBABA

D:D: F FABAB=12=12FFBABA

Objek A bermuatan +2 C dan Objek B bermuatan +6 C. Pernyataan manakah yang

benar ?

B+6 C

A+2 C

FAB?

FBA?

Gaya dari banyak Gaya dari banyak muatanmuatan

SuperposisiSuperposisi

Gaya dari banyak Gaya dari banyak muatanmuatan

+

41F

31F

21F

Q1

-Q2

+Q4

- Q3

4131211 FFFF

Gaya pada muatan adalah jumlah vektor

gaya dari semua muatanPrinsip

superposisi

Gaya dari muatan Gaya dari muatan kontinu :kontinu :

QR - r

Rr

dq

3

04

1

rR

rRdqQFQ

Gaya dari muatan kontinu :Gaya dari muatan kontinu :Simetri BolaSimetri Bola

dddssdVdq sin2Q

dq

RR - r

r

x

y

z

kjisrsr

kLR

ˆcosˆsinsinˆcossinˆ

ˆ

3

04

1

rR

rRdqQFQ

Gaya dari muatan kontinu :Gaya dari muatan kontinu :muatan batang (4 SKS)muatan batang (4 SKS)

R

r

R - r

dqx

ydxxdLxdq )()(

ixr

jhR

ˆ

ˆ

3

04

1

rR

rRdqQFQ

Gaya dari muatan kontinu :Gaya dari muatan kontinu :muatan cakram (4 SKS)muatan cakram (4 SKS)

x

y

dq

Q

R r

R - r

ddsssdAdq ),( jisrsr

jhR

ˆsinˆcosˆ

ˆ

3

04

1

rR

rRdqQFQ

Coulomb vs Coulomb vs NewtonNewton

Selalu tarik menarikSelalu tarik menarik 1/r1/r22

Sangat lemah Sangat lemah Skala besar, planet, Skala besar, planet,

alam semestaalam semesta

Hukum CoulombHukum Coulombvs Hukum Gravitasi vs Hukum Gravitasi

NewtonNewton

Tarik menarik atau Tarik menarik atau tolak menolaktolak menolak

1/r1/r22

Sangat kuatSangat kuat Skala lokalSkala lokal

12212

2112 ˆ

||r

rF

mmG122

12

21

012 ˆ

||4

1r

rF

QQ

2

0

2

4Gm

e

RingkasanRingkasan

Hukum CoulombHukum Coulomb Gaya elektrostatik diantara muatanGaya elektrostatik diantara muatan

Bentuk vektor hukum CoulombBentuk vektor hukum Coulomb

Gaya Coulomb vs GravitasiGaya Coulomb vs Gravitasi Gaya Elektrostatik lebih kuatGaya Elektrostatik lebih kuat

SuperposisiSuperposisi

4131211 FFFF

Gerakan awan di udara menyebabkan awan bermuatan listrik. Awan yang berdekatan dengan bumi (bola muatan raksasa) akan menimbulkan induksi listrik. Akibatnya akan terjadi

loncatan muatan listrik yang sangat besar yang menimbulkan bunga api. Loncatan bunga api inilah yang disebut dengan petirpetir.

Petir yang sampai ke bumi disebut kilat.kilat.

MEDAN LISTRIK

Medan Listrik

Medan Listrik (E)Konsep

Dasar:Antara dua muatan listrik statis yang terpisah pada jarak tertentu dapat timbul sebuah gaya elektrostatis “action at a distance”

Sebuah muatan listrik dapat melakukan gaya pada muatan lain meskipun keduanya tidak bersentuhan

atau….atau….

Michael Faraday (1791 – 1867), ilmuwan Inggris, mencetuskan gagasan tentang MedanMedan (Field)Medan:Medan:

Medan Listrik

• Bukan merupakan suatu jenis materi, seperti halnya fluida, gas atau padatan

• Merupakan konsep tentang ruang (field)• Ditimbulkan oleh muatan, baik muatan positip

maupun negatif. • Nilai atau kuantitas medan listrik (E) tidak bergantung

pada besarnya nilai muatan uji.

Deskripsi dan Konvensi

Medan digambarkan dengan garis-garis gaya,bersumber dari muatan positip dan menuju/masuk ke muatan negatip.

Rapat garis gaya disekitar muatan sumber menunjukkan besar/kuantitas medan tersebut.

Visualisasi Medan Listrik di sekitar muatan (charges)

Muatan (+) Muatan (-)

Muatan (+) dan (+)Muatan (+) dan (-) /dipole

Medan listrik di sekitar plat logam bermuatan positip

E = 1/q F

2 21 1 1

4 4o o

qQ QE

qr r

Medan ListrikMedan Listrik

q = muatan uji

Q = muatan sumber (source)

Contoh Soal Medan Contoh Soal Medan Listrik Listrik

Contoh soal 1

q1

q2

q3

Tentukan gaya yang dialami oleh muatan 1akibat adanya muatan 2 dan 3!

Tentukan gaya elektrostatis yang timbul pada muatan 3 akibat adanya muatan 1 dan 2!

q1 q2 q3

Contoh soal 2

Pada percobaan Rutherford, yaitu penembakan partikel alfa ke inti atom emas, diketahui partikel alfa bermuatan +2e dan inti atom emas membawa muatan +79e. Tentukan gaya elektrostatis yang timbul pada percobaan Rutherford tersebut bila diketahui jarak antara partikel alfa dan inti atom emas adalah 2 x 1014m.

Mukhtar Effendi Ilmu FisikaIlmu Fisika 54

the electric potential created by a point charge at any distance rfrom the charge is

the potential energy of the system

Obtaining the Value of the Electric Field from the Electric Potential


capacitor

Mukhtar Effendi Ilmu FisikaIlmu Fisika

56

A parallel-plate capacitor with air between the plates has anarea A = 2.00 x 104 m2 and a plate separation d = 1.00 mm.

Find its capacitance.


Combinations of Capacitors


Capacitors with Dielectrics

A charged capacitor (a) before and (b) after insertion of a dielectric between the plates. The charge on the plates remains unchanged, but the potential difference

decreases from V0 to V= V0/. Thus, the capacitance increases from C0 to C0.

Mukhtar Effendi Ilmu FisikaIlmu Fisika

59

A parallel-plate capacitor has plates of dimensions 2.0 cm by3.0 cm separated by a 1.0-mm thickness of paper (= 3.7).

Potensial Potensial ListrikListrik

Tinjau sebuah benda/materi bermassa Tinjau sebuah benda/materi bermassa mm bermuatan q, bermuatan q, ditempatkan dekat benda bermuatan tetap Qditempatkan dekat benda bermuatan tetap Q11. Jika kedua . Jika kedua

buah benda mempunyai muatan yang sama, misalnya buah benda mempunyai muatan yang sama, misalnya bermuatan positip, maka benda bermassa bermuatan positip, maka benda bermassa mm tersebut akan tersebut akan

mengalami gaya Coulomb, berupa gaya tolak sebesar.mengalami gaya Coulomb, berupa gaya tolak sebesar.

12

1

4

q QF

roA

B

q

Q1

Teorema Energi-Kerja Teorema Energi-Kerja Jika benda (Jika benda (qq) pada mulanya berada dalam keadaan diam di ) pada mulanya berada dalam keadaan diam di

titik A, ia akan dilontarkan (dipercepat) menjauhi titik A, ia akan dilontarkan (dipercepat) menjauhi QQ11 sepanjang sepanjang garis gaya. Pada titik B, benda akan mempunyai kecepatan garis gaya. Pada titik B, benda akan mempunyai kecepatan vvBB

dan energi kinetik dan energi kinetik EEkk-B-B = ½ = ½ m vm vBB22. .

Menurut teorama kerja-energi, kerja Menurut teorama kerja-energi, kerja WWABAB yang dilakukan oleh yang dilakukan oleh benda benda qq dengan gaya dengan gaya FF dalam menggerakkan benda dari posisi dalam menggerakkan benda dari posisi

AA ke ke BB sama dengan perubahan energi kinetik benda, yaitu sama dengan perubahan energi kinetik benda, yaitu : :

WWABAB = = EEkk-B-B EEkk-A-A

JikaJika qq pada mulanya diam, maka nilai pada mulanya diam, maka nilai EEkk-A-A sama dengan nol. sama dengan nol. Kerja yang dilakukan oleh gaya listrik, seperti halnya kerja yang Kerja yang dilakukan oleh gaya listrik, seperti halnya kerja yang

dilakukan oleh gaya gravitasi, dapat dituliskan dalam bentuk dilakukan oleh gaya gravitasi, dapat dituliskan dalam bentuk selisih energi potensial selisih energi potensial UU benda dari posisi benda dari posisi AA ke ke BB, yaitu, yaitu : :

WWABAB = = UUAA UUBB Dari Dari kedua kedua persamaanpersamaan, , kita dapatkankita dapatkan : :

UUA A UUBB = = EEkk-B-B EEk-k-AA atauatau

UUAA + + EEk-k-AA = = UUBB + + EEk-k-BB

Konsep Kerja dalam Konsep Kerja dalam

Mekanika dan ElektrostatikMekanika dan Elektrostatik

Energi Potensial ListrikEnergi Potensial Listrik EEnergi potensial benda bermuatan nergi potensial benda bermuatan qq akibat akibat

pengaruh muatan titik pengaruh muatan titik QQ11 adalah adalah : :

11

4

o

q QU

r

Jika q dan Q1 bertanda sama, keduanya akan saling tolak menolak dan U bernilai positif. Jika q dan Q1

berbeda tanda, keduanya akan saling tarik menarik dan U bernilai negatif. Energi potensial pada di atas tidak akan pernah bernilai nol, namun nilainya akan menjadi kecil dengan semakin bertambah besarnya

jarak r.

Fisika Dasar -10-listrik statik.ppt

Documents