Fisika Dasar Muatan Dan Medan Listrik

Bab 1Muatan dan Medan Listrik

Abdillah, S.Si, MIT

Tujuan Hari ini

Memahami o teori muatan dan atomo hukum Coulombo medan listrik o dipol listrik

Muatan (charge)

Dalam ilmu listrik, konsep dasarnya adalah muatan.

Ilmu listrik hanya menjelaskan bagaimana muatan bertingkah laku, bukan muatan itu apa.

Teori Muatan

o Ada dua jenis muatan: positif dan negatif

o Dua muatan positif atau dua muatan negatif saling tolak-menolak

o Sebuah muatan positif dan sebuah muatan negatif saling tarik-menarik

o Muatan dinyatakan dengan q atau Q, satuannya adalah coulomb, disingkat C

Teori Atom

Muatan elektron e = 1,602 X 10-19 C

Massa elektron me = 9,1 X 10-

31 kg

Massa proton mp = 1,67 X 10-27

kg

Perhatian

o Muatan sejenis tidak berarti kedua muatan tersebut identik, hanya bahwa kedua muatan memiliki tanda aljabar yang sama (keduanya positif atau keduanya negatif)

o Muatan berlawanan berarti kedua muatan memiliki tanda yang berlawanan

Hukum Coulomb

Untuk muatan q1 dan q2 yang terpisah sejauh r, besarnya gaya listrik pada masing-masing muatan adalah

F = 1 |q1 q2|

4o r2

1 = k = 9,0 X 109 N . m2/C2

4o

Strategi Penyelesaian SoalHukum Coulombo Jarak harus dinyatakan satuan dalam m, muatan dalam C dan gaya dalam N

o Gaya listrik adalah sebuah vektor, sehingga gaya total pada muatan adalah jumlah vektor dari gaya-gaya individu

o Dalam kasus distribusi kontinu dari muatan, jumlah vektor dapat dihitung dengan cara integral

Contoh Soal

Gaya listrik versus gaya gravitasi

Sebuah partikel alpha mempunyai masa m=6,64 X 10-27 kg dan muatan q=+2e. Bandingkanlah gaya tolak listrik antara dua partikel alpha dengan gaya tarik gravitasi di antaranya.

Penyelesaian

Diketahui : m = 6,64 X 10-27 kg

q = +2e = 3,2 X 10-19 C

Ditanya : Fe /Fg = ? Jawab : Fe = 1 q2 Fg = G m2

4o r2 r2

Medan Listrik

Medan listrik E adalah gaya listrik per satuan muatan qo yang dikerahkan pada muatan tsb. E = Fo / qo

qo Fo

E Fo qo

Perhatian

o Gaya listrik pada sebuah benda yang bermuatan dikerahkan oleh medan listrik yang diciptakan oleh benda bermuatan lainnya.

o Persamaan Fo = qo E dapat digunakan hanya untuk mencari gaya listrik pada sebuah muatan titik.

Vektor Medan Listrik

E = 1 |q| ( besarnya medan listrik 4o r2 dari sebuah muatan titik )

E = 1 q r (medan listrik dari sebuah 4o r2 muatan titik)

Strategi Penyelesaian SoalPenghitungan Medan Listriko Satuan harus konsisten, jika diberi cm atau nC, jangan lupa mengkonversikannya

o Medan listrik adalah sebuah vektor, sehingga medan total adalah jumlah vektor dari medan individu

o Ingat bahwa vektor E yang dihasilkan oleh muatan titik positif arahnya menjauhi muatan tersebut dan begitu juga sebaliknya

Contoh Soal

Elektron dalam sebuah Medan HomogenSebuah medan listrik di antara dua pelat konduktor sejajar adalah E=1,00 X 10-4 N/C dengan arah ke atas. a) Jika sebuah elektron dilepaskan dari keadaan diam di pelat sebelah atas, berapakah percepatannya? b) Berapa laju dan energi kinetik yang diperoleh elektron waktu berjalan 1,0 cm ke plat sebelah bawah. c) Berapa waktu yang dibutuhkan elektron untuk menempuh jarak ini?

B

Penyelesaian

Diketahui : me = 9,11 X 10-31 kg -e = -1,60 X 10-19 C

E = 1,00 X 10-4 N/C

Ditanya : a) ay = ?

b) vy , K = ?

c) t = ?

Jawab :

Penyelesaianb) v0y

= 0, y0 = 0 dan y = -1,0 X 10-2 m

vy2 = v0y

2 + 2ay (y –y0) = 2ay y

Penyelesaian

c) vy = v0y + ay t

Kita dapat juga mencari waktu itu dengan memecahkan persamaan untuk t.

y = y0 + v0y t + ½ ay t2

Garis Medan Listrik

Garis Medan Listrik

Perhatian

o Jika sebuah partikel bermuatan bergerak dalam sebuah medan listrik, maka lintasan partikel tersebut tidak sama seperti garis medan, kecuali garis-garis medan tersebut adalah garis lurus dan partikel dilepas dalam keadaan diam

Dipol Listrik

Sebuah dipol listrik adalah sepasang muatan listrik yang besarnya sama, tetapi tandanya berlawanan dan terpisah sejauh d.

p F+= q E

d E

F- = -q E d sin

Gaya pada Dipol ListrikGaya F+ dan F- pada kedua muatan itu mempunyai besar qE yang sama, tetapi arahnya berlawanan, dan jumlah kedua gaya itu sama dengan nol.

p F+= q E

d E

F- = -q E d sin

Torsi pada Dipol ListrikTorsi dihitung terhadap pusat dipol. Jika adalah sudut antara medan listrik dan sumbu dipol, maka lengan tuas untuk kedua F+ dan F- adalah (d /2) sin . Torsi dari F+ dan F- mempunyai besar yang sama, (qE)(d /2) sin , dan kedua torsi merotasikan dipol itu dalam arah perputaran jam. Maka besar torsi netto sama dengan dua kali besar torsi individu: = (qE) (d sin )

Momen Dipol Listrik

Hasil kali muatan q dan jarak d dinyatakan sebagai momen dipol listrik p mempunyai besar p = qd Arah vektor p adalah dari muatan negatif menuju muatan positif. Torsi vektor = p X E dan besarnya = pE sin

Energi Potensial Dipol ListrikKerja dW yang dilakukan oleh sebuah torsi selama pergeseran d yang sangat kecil diberikan oleh persamaan:

dW = d

Karena torsi tsb adalah dalam arah yang semakin berkurang, = -pE sin sehingga

dW = -pE sin d

Energi Potensial Dipol Listrik

Dalam suatu pergeseran berhingga, kerja total yang dilakukan pada dipol tsb adalah

Karena W = U1 – U2, maka U() = - pE cos

Perkalian skalar p . E = pE cos

sehingga U() = - p . E

1

2

12 cos pE -cos pEd ) sin (-pE W

φ

φφφφφ

Saran

o Kerjakan latihan bab 22 dari soal-soal nomor ganjil

o Mulailah dengan apa yang diketahui dan apa yang ditanyakan

o Tulis di buku khusus latihan