Bahan Ajar

Standar Kompetensi

              2.    Menerapkan konsep kelistrikan dan kemagnetan dalam berbagai penyelesaian masalah dan produk teknologi.

Kompetensi Dasar

              2.1  Memformulasikan gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, potensial listrik,  dan energi potensial listrik serta penerapannya pada keping sejajar.

Indikator Pencapaian Kompetensi

-         Mendeskripsikan gaya elektrostatik (hukum Coulomb) pada muatan titik.

-         Mengaplikasikan hukum Coulomb dan hukum Gauss untuk mencari medan listrik bagi distribusi muatan kontinyu.

-         Memformulasikan energi potensial listrik dan kaitannya dengan gaya, medan listrik,  dan potensial listrik.

-    Memformulasikan Prinsip Kerja Kapasitor keping sejajar

5.4.MEDAN LISTRIK STATIS

 A.MUATAN LISTRIK.

Suatu pengamatan dapat memperlihatkan bahwa bila sebatang gelas digosok dengan kain wool atau bulu domba; batang gelas tersebut mampu menarik sobekan-sobekan kertas. Ini menunjukkan bahwa gelas timbul muatan listrik.

Salah satu sifat muatan listrik adalah adanya dua macam muatan yang menurut konvensi disebut muatan positif  dan negatif. Interaksi antara muatan-muatan dapat dinyatakan sebagai berikut :

“ Dua muatan yang sejenis ( kedua-duanya positif atau kedua-duanya negatif ) saling tolak menolak; sedangkan  dua muatan yang tidak sejenis (yang satu positif dan yang lain  negatif) akan saling tarik menarik ”.

Pengamatan lain yaitu : benda yang bermuatan listrik; muatannya tersebar pada permukaan luar dari benda dan menyebarnya muatan listrik pada permukaan luar benda tidak sama rata. Pada permukaan yang runcing makin rapat muatannya. Selain dengan cara menggosok kain wool pada batang kaca tersebut, maka salah satu cara untuk membuat benda dapat dijadikan listrik adalah dengan cara INDUKSI.

B.HUKUM COULOMB.

Bila dua buah muatan listrik dengan harga q₁ dan q₂, saling didekatkan, dengan jarak   pisah r, maka keduanya akan saling tarik-menarik atau tolak-menolak. Besar gaya tarik atau gaya tolak tersebut menurut hukum Coulomb adalah:“Berbanding lurus dengan besar muatan-muatannya  dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan”.

                         F = k q_1.q_2/r²       

Konstanta pembanding (“k”) harganya tergantung pada tempat dimana muatan tersebut berada.

Bila pengamatan dilakukan diruang hampa/udara; besar “k” dalam sistem SI adalah:
k= 9 x 10 ⁹ Nm²/Coulomb²             

eo = permitivitas udara atau ruang hampa. dalam satuan cgs ; k=1 dyne cm²/statcoulomb²

	F	r	q	k
MKS - SI	newton	meter	coulomb	9.109
c g s	dyne	centimeter	statcoulomb	1

Catatan :

-        Untuk medium selain udara, maka harga k berbeda-beda yang tergantung dari permitivitas medium.

-        1 Coulomb = 3.10⁹ statcoulomb.

-        Karena F adalah vektor, maka bila gaya resultan yang disebabkan oleh 3 titik muatan, penjumlahannya juga memenuhi aturan vektor.

-        e₀ = 8,85 x 10^-12 Coulomb² / newton m²

C. MEDAN LISTRIK.

Medan listrik adalah daerah dimana pengaruh dari muatan listrik ada. Besarnya kuat medan listrik (“E”) pada suatu titik di sekitar muatan listrik (Q) adalah :

Hasil bagi antara gaya yang dialami oleh muatan uji “q” dengan besarnya muatan uji tersebut.

Antara +Q dan -Q ada gaya tarik menarik sebesar :

sehingga besarnya kuat medan listrik di titik p adalah

Kuat medan listrik (E) adalah suatu besaran vector. Satuan dari kuat medan listrik adalah Newton/Coulomb atau dyne/statcoulomb.

Bila medan di sebuah titik disebabkan oleh beberapa sumber; maka besarnya kuat medan total dapat dijumlahkan dengan mempergunakan aturan vektor. Arah dari kuat medan listrik; bila muatan sumbernya positif maka meninggalkan dan bila negatif arahnya menuju.

Gambar                                                           

 Contoh kuat medan listrik.

1. Kuat medan listrik yang disebabkan oleh bola berongga bermuatan.

- dititik R; yang berada didalam bola ER=0. Sebab di dalam bola tidak ada muatan.

- dititik S; yang berada pada kulit bola;

     Q = muatan bola  ; R = jari-jari bola

- dititik P; yang berada sejauh r terhadap pusat bola.

Bila digambarkan secara diagram diperoleh.

      * E_R = 0

      *         

      *

2.      Bila Bola pejal dan muatan tersebar merata di dalamnya dan dipermukaannya                  ( Muatan total Q ).

-        Besarnya kuat medan listrik di titik P dan S sama seperti halnya bola berongga bermuatan; tetapi untuk titik R kuat medan listriknya tidak sama dengan nol. E_R = 0

-        Bila titik R berjarak r terhadap titik pusat bola, maka besarnya kuat medan listriknya :

           

r = jarak titik R terhadap pusat bola

R = jari-jari bola.

3. Kuat medan disekitar pelat bermuatan.

 - muatan-muatan persatuan luas pelat ()

Bila 2 pelat sejajar; dengan muatan sama besar; tetapi berlawanan tanda.

      

 

Untuk titik P yang tidak di antara kedua pelat.  E = 0

GARIS GAYA.

Suatu garis gaya (dalam suatu medan listrik) ialah:

Garis khayal yang ditarik sedemikian rupa sehingga arahnya pada setiap detik (yaitu arah garis singgungnya) sama dengan arah medan pada titik tersebut.

Beberapa sifat dari garis gaya adalah :

-        Garis gaya berasal dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif.

-        Garis gaya tidak mungkin perpotongan satu sama lain.

-        Banyaknya garis gaya persatuan luas yang menembus suatu permukaan (yang tegak lurus arah medan) pada tiap-tiap titik, sebanding dengan kuat medan listriknya.

DN = Jumlah garis gaya.

DA_n = Luas permukaan tegak lurus arah medan yang ditembus oleh garis gaya.

e₀ = Konstanta pembanding.

E = Kuaat medan listrik.

-        Pembanding garis gaya yang timbul dari suatu muatan q, tepat sama dengan q itu sendiri.

N = e₀ En A = q

N = jumlah garis gaya yang keluar dari muatan q.

q = banyaknya muatan.

HUKUM GAUSS.

Jumlah garis gaya total/flux listrik (yang masuk dan keluar) dalam suatu permukaan bola sebanding dengan jumlah muatan total yang terdapat didalam bola tadi.

e₀  å( E . DA_n ) = åq

e₀ = permitivitas listrik.

å( E . DA_n ) =  jumlah total garis gaya (flux listrik).

åq = jumlah total muatan yang ada dalam bola.