TOPIK 1 Hukum Coulomb Fisika Dasar II TIP, TP, UGM 2009 Ikhsan Setiawan, M.Si. ikhsan_s@ugm.ac.id http://setiawan.synthasite.com
Outline Sifat-sifat muatan listrik Klasifikasi Material berdasarkan kemampuan elektron bergerak di dalamnya Pemberian muatan dengan cara induksi Hukum Coulomb
Eksperimen Sederhana Sisir menarik potongan potongan kecil kertas terdapat gaya listrik Batang kaca digosok dengan kain sutra Karet digosok dengan bulu Sebuah balon digosok dengan wol Bahan / Materi dikatakan bermuatan listrik.
Terdapat dua jenis muatan listrik Benjamin Franklin (1706 1790) menamakannya sebagai muatan positif dan muatan negatif. Muatan-muatan sejenis saling menolak. Muatan-muatan berbeda jenis saling menarik. B. Franklin: Muatan pada gelas bermuatan adalah positif. Muatan pada karet bermuatan adalah negatif.
Contoh Aplikasi Plastik dalam lensa kontak, etafilcon, terbuat dari molekul-molekul yang secara listrik menarik molekul-molekul protein air mata. Molekul-molekul protein ini diserap dan dipertahankan oleh plastik tersebut sehingga tepi lensa sebagian besar terbuat dari air mata pemakai. Dengan demikian, lensa ini bukan menjadi benda asing bagi mata dan nyaman digunakan.
Muatan Listrik adalah Kekal dalam Sistem Terisolasi Batang gelas tak bermuatan (netral) mengandung muatan positif dan muatan negatif dalam jumlah yang sama. Batang gelas digosok dengan kain sutra: Gelas menjadi bermuatan positif. Tidak terjadi penciptaan muatan, melainkan terjadi transfer muatan: Elektron ditransfer dari gelas ke kain sutra Jumlah elektron pada gelas berkurang, sehingga gelas menjadi bermuatan positif.
Muatan Listrik bersifat Terkuantisasi Robert Milikan (1909): besar muatan listrik adalah kelipatan bulat dari suatu nilai dasar e, sehingga besar muatan suatu obyek dapat dituliskan q = Ne dengan N adalah bilangan bulat. Elektron bermuatan e. Proton bermuatan +e. Neutron bermuatan 0 (tidak bermuatan / netral) Materi tersusun oleh atom-atom. Atom terdiri dari elektron, proton, dan neutron (kecuali 1 H tidak memiliki neutron).
Muatan Terkecil Satuan muatan adalah coulomb (C) Muatan terkecil yang dikenal di alam ( yang dapat hadir dalam keadaan bebas) adalah muatan elektron ( e) atau muatan proton (+e), dengan
Contoh 1 Hitunglah banyaknya elektron di dalam sebuah jarum kecil yang terbuat dari perak (Ag) dan bermassa 10 g. Perak memiliki nomor atom 47 dan massa molar 107,9 g/mol. Jawaban: Jumlah mol 10 gram Ag = (massa) / (massa molar) = (10 g) / (107,9 g/mol) = 0,0927 mol. Jumlah atom Ag 10 gram = (bil. Avogadro) x (jumlah mol) 1 atom Ag memiliki 47 elektron = (6,02 x 10 23 atom/mol) x (0,0927 mol) = 5,58 x 10 22 atom 10 gr Ag memiliki elektron sebanyak = (5,58 x 10 22 atom) x (47 elektron / atom) = 2,62 x 10 24 elektron
Klasifikasi Material berdasarkan Kemampuan Elektron Bergerak di Dalamnya Konduktor sebagian elektron-elektron dapat bergerak relatif bebas di dalamnya. Contoh: tembaga, aluminium, perak Insulator semua elektron tidak dapat bergerak bebas di dalamnya karena terikat pada atomnya. Contoh: gelas, karet, kayu Semikonduktor sifat kelistrikannya berada di antara konduktor dan isolator. Contoh: silikon, germanium
Memberi Muatan pada Konduktor secara Induksi Bola konduktor netral. Batang karet bermuatan negatif didekatkan pada bola konduktor netral. Muatan negatif bola terdorong ke kanan. Bola konduktor dihubungkan dengan ground. Sebagian muatan negatif meninggalkan bola konduktor Ground dihilangkan. Kemudian batang karet di jauhkan. Bola konduktor menjadi bermuatan positif.
Muatan Terinduksi pada Insulator Pada sebagian besar molekul, pusat muatan positif berimpit dengan pusat muatan negatif. Di dekat obyek bermuatan, pusat muatan positif dan pusat muatan negatif tersebut dapat sedikit bergeser dalam arah yang saling berlawanan. Hal ini akan menghasilkan lapisan muatan pada permukaan insulator, dan memberikan penjelasan mengapa potongan-potongan kecil kertas dapat ditarik oleh sisir bermuatan.
Hukum Coulomb Charles Coulomb (1736-1806) telah mengukur besar gaya antara obyek-obyek bermuatan dengan menggunakan neraca torsi. Hasil umum: gaya listrik (gaya Coulomb) 1. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan (r 2 ). 2. sebanding dengan perkalian besar kedua muatan (q 1 dan q 2 ). 3. memiliki arah sepanjang garis penghubung kedua muatan. 4. merupakan gaya tarik jika kedua muatan berbeda jenis, dan merupakan gaya tolak jika kedua muatan sejenis. 5. merupakan gaya konservatif.
Hukum Coulomb (Lanjutan) Hukum Coulomb: dengan tetapan ke dalam satuan SI : dan sering juga dituliskan sebagai : dengan adalah permitivitas ruang bebas (hampa / udara).
Contoh 2 Elektron dan proton pada atom hidrogen terpisah oleh jarak rerata sekitar 5,3 x 10 11 m. Hitunglah gaya Coulomb dan gaya gravitasi antara elektron dan proton tersebut. Jawaban: Gaya Coulomb: Gaya gravitasi: Perbandingan: Gaya gravitasi dapat diabaikan bila dibandingkan dengan gaya Coulomb.
Hukum Coulomb dalam Bentuk Vektor Gaya yang dikerahkan oleh muatan q 1 pada muatan q 2 : ˆr dengan adalah vektor satuan dengan arah dari q 1 ke q 2 (lihat gambar). Gaya Coulomb mematuhi hukum III Newton: Gaya pada masing-masing muatan adalah sama besar dan berlawanan arah. Jika q 1 q 2 positif gaya tolak Jika q 1 q 2 negatif gaya tarik
Gaya Resultan Jika terdapat lebih dari satu gaya yang bekerja pada muatan, maka gaya total (gaya resultan)-nya adalah jumlahan vektor dari gaya-gaya tersebut. Misalnya terdapat 4 buah muatan, maka gaya Coulomb resultan pada muatan 1 adalah Secara umum, hal ini dapat ditulis secara ringkas sebagai: F i = j i F ji
Contoh 3 Tiga buah muatan terletak pada pojok-pojok segitiga seperti pada gambar di samping dengan a = 0,1 m. Muatan q 1 = q 3 = 5 µc dan q 2 = 2 µc. Tentukan gaya resultan pada muatan q 3.
Contoh 4 Dua buah bola kecil bermuatan masing-masing bermassa 30 g, tergantung dalam keadaan setimbang seperti pada gambar di samping. Panjang benang adalah 15 cm, dan sudut θ adalah 5. Tentukan besar muatan masing-masing bola.