PETA KONSEP ELEKTROSTATIS ELEKTROSTATIS KUAT MEDAN LISTRIK HUKUM GAUSS ENERGI POTENSIAL LISTRIK POTENSIAL LISTRIK KEPING SEJAJAR KAPASITOR MEDAN LISTRIK DUA KEPING SEJAJAR POTENSIAL LISTRIK DUA KEPING SEJAJAR
ELEKTROSTATIS A. Petunjuk Belajar Sebelum membaca buku ini berdoa terlebih dahulu Review daftar isi, lihat materi apa yang akan dipalajari terletak dihalaman berapa Baca buku dengan seksama Pahami materi pelajaran dengan baik Buat catatan kecil untuk inti materi yang telah dibaca Kerjakan contoh soal-soal latihan serta pembahansannya dengan baik dan benar. B. Kompetensi Inti KI. 1 Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya. KI. 2 Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia. KI. 3 Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait 1 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
KI. 4 C. Kompetensi Dasar KD 1.1 KD 2.1 KD 3.3 penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah. Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan dan mengatur alam jagad raya melalui pengamatan fenomena alam fisis dan pengukurannya Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan, melaporkan, dan berdiskusi Menganalisa gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, potensial listrik, energi potensial listrik serta penerapannya pada berbagai kasus. D. Indikator Pencapaian Kompetensi*) 3.3.1 Menjelaskan pengertian listrik statis 3.3.2 Mengidentifikasi peristiwa kelistrikan statis dalam kehidupan sehari-hari 3.3.3 Menjelaskan bunyi hokum coulomb 3.3.4 Menjelaskankan tentang Gaya Listrik 3.3.5 Menerapkan hokum coulomb pada berbagai kasus 3.3.6 Menjelaskan pengertian medan listrik 3.3.7 Menjelaskan energy potensial dan potensial listrik 3.3.8 Menjelaskan bunyi hukum gauss 3.3.9 Menyelidiki hubungan fluks listrik dan kuat medan listrik 3.3.10 Menerapkan hukum gauss pada bola bermuatan 3.3.11 Menganalisis hokum gauss pada inductor dan kapasitor keeping sejajar. 2 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
A. KUAT MEDAN LISTRIK Sebuah muatan listrik dikatakan memiliki medan listrik di sekitarnya. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Arah medan listrik dari suatu benda bermuatan listrik dapat digambarkan menggunakan garis-garis gaya listrik. Sebuah muatan positif memiliki garis gaya listrik dengan arah keluar dari muatan tersebut sedangkan sebuah muatan negatif memiliki garis gaya listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut. Gambar 3. Arah medan listrik : (a) sejenis, (b) berlawanan jenis Besar medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik dinamakan kuat medan listrik. Jika sebuah muatan uji q diletakkan di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan, kuat medan listrik E benda tersebut adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya dibagi besar muatan uji. Jadi, dituliskan Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut: Ket : E = Kuat medan listrik (N/C) 3 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
B. HUKUM GAUSS Kita dapat menyatakan Hukum Coulomb di dalam bentuk lain, yang dinamakan Hukum Gauss, yang dapat digunakan untuk menghitung kuat medan listrik pada kasus-kasus tertentu yang bersifat simetri. Hukum Gauss menyatakan bahwa jumlah aljabar garis-garis gaya magnet (fluks) listrik yang menembus permukaan tertutup sebanding dengan jumlah aljabar muatan listrik di dalam permukaan tersebut. Pernyataan di atas itulah yang dikenal sebagai hukum Gauss dan dapat dirumuskan sebagai berikut : SEKILAS INFO! Dalam bidang astronomi, Gauss menemukan cara untuk menentukan lintasan planet. Faktor pembanding yang sesuai adalah dirumuskan sebagai berikut. Sehingga dapat atau Fluks Medan Listrik Fluks medan listrik yang disimbolkan, dapat dinyatakan oleh jumlah garis yang melalui suatu penampang tegak lurus. Kerapatan fluks listrik pada titik tersebut adalah jumlah per satuan luas pada titik itu. Untuk permukaan tertutup di dalam sebuah medan listrik maka kita akan melihat bahwa adalah positif jika garis-garis gaya mengarah ke luar, dan adalah negative jika garis-garis gaya menuju ke dalam, seperti yang diperlihatkan Gambar 3. Sehingga, negative untuk S2. nol. adalah positif untuk permukaan S1 dan untuk permukaan S3 adalah Gambar 4. Dua muatan sama besar dan berlawanan arah. Garis putus-putus menyatakan perpotongan diantara permukaan tertutup hipotetik dengan bidang gambar. 4 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
atau Ket : = fluks listrik (weber) = kuat medan listrik (N/C) = luas bidang yang terbatas garis-garis gaya (m 2 ) = sudut antara E dengan normal bidang C. ENERGI POTENSIAL LISTRIK Suatu muatan listrik dapat memberikan gaya listrik yang bergantung pada jenis muatannya. Gaya listrik itu ditimbulkan karena adanya energi potensial pada muatan tersebut dengan energi potensial listrik adalah : Ket: = energy potensial listrik (Joule) 5 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
D. POTENSIAL LISTRIK Jika suatu benda bermuatan positif (a) ditempatkan dalam suatu medan listrik dari muatan lain yang lebih besar (b), maka benda (a) tersebut akan akan mendapatkan gaya listrik. Jika muatannya sejenis, maka gaya yang bekerja akan menjauhkan benda tersebut (a) dari satu titik ke titik lain. Karena gaya tersebut dapat memindahkan muatan lain, maka gaya tersebut dapat dikatakan telah melakukan suat u usaha. Karena adanya usaha tersebut, maka dapat kita katakan bahwa kedua muatan tersebut memiliki beda potensial. Dapat disimpulkan bahwa potensial listrik atau tegangan adalah besarnya usaha yang harus dilakukan untuk menggerakkan suatu muatan listrik sebesar 1 Coloumb. Potensial listrik tersebut dapat dirumuskan : Ket : V = Potensial Listrik (Volt) W = Usaha yang dilakukan (Joule) q = Muatan Listrik (Coloumb) E. KEPING SEJAJAR 1. Medan Listrik di antara Dua Keping Sejajar Pada dua keping sejajar yang mempunyai muatan listrik sama, tetapi berlawanan jenisnya, antara kedua keping tersebut terdapat medan listrik homogen. Di luar kedua keping juga terdapat medan listrik yang sangat kecil jika dibandingkan dengan medan listrik di antara kedua keping, sehingga dapat diabaikan, seperti pada Gambar 4. Jika luas keping A, masing-masing keping bermuatan +q dan -q, medan listrik dinyatakan oleh banyaknya garisgaris gaya, sedangkan garis-garis gaya dinyatakan sebagai jumlah muatan yang menimbulkan garis gaya tersebut (Hukum Gauss). Muatan listrik tiap satu satuan luas keping penghantar didefinisikan sebagai rapat muatan permukaan diberi lambang Gambar 5. Medan Listrik antara dua keeping sejajar. 6 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
(sigma), yang diukur dalam C/m 2. Karena, Maka: Sehingga kuat medan listrik antara dua keeping sejajar adalah : 2. Potensial Listrik Dua Keping Sejajar muatan listrik Dua keping sejajar seluas A terpisah dengan jarak d masing-masing diberi muatan +q dan -q. Rapat Potensial listrik : a. Di antara dua keping b. Di luar keping 7 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
F. KAPASITOR Kapasitor adalah piranti untuk menyimpan muatan dan energi. Ia terdiri dari dua konduktor, yang berdekatan namun terpisah satu sama lain, yang membawa muatan yang sama besar namun berlawanan. Kapasitansi adalah rasio antara besar muatan Q pada masing-masing konduktor dengan beda potensial V di antara konduktor-konduktor tersebut Kapasitansi bergantung semata-mata pada susunan geometris konduktor dan bukan pada muatan atau beda potensialnya. Dua plat sejajar yang bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan listrik timbul di antara dua plat tersebut. Kapasitansi suatu kapasitor keping-paralel berbanding lurus dengan luas keping dan berbanding terbalik terhadap jarak pemisah : Ket : C = kapasitansi kapasitor = permitivitas ruang hampa ) = luas permukaan r= jarak antar keeping (m) Apabila dua buah kapasitor atau lebih dihubungkan secara paralel, kapasitansi ekivalen kombinasinya adalah jumlah kapasitansi tunggal 8 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
Apabila dua buah kapasitor atau lebih dihubungkan secara seri, kebalikan kapasitansi ekivalen diperoleh dengan menjumlahkan kebalikan muatan-muatan kapasitor tunggalnya : SEKILAS INFO! Dua kapasitor yang disusun seri, beda potensial yang lebih besar terdapat pada kapasitor yang kapasitansinya lebih kecil. 9 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
Latihan 1. Dua titik A dan B berjarak 5 meter, masing-masing bermuatan listrik +5x10-4 C dan -2x10-4 C. Titik C terletak di antara A dan B berjarak 3 m dari A dan bermuatan listrik +4x10-5 C. Hitung besar gaya elektrostatis dari C! (key : 38 N ke kanan) 2. Diketahui segitiga ABC sama sisi dengan panjang sisi 3 dm. Pada titik sudut A dan B masing-masing terdapat muatan +4 μc dan -1,5 μc, pada puncak C terdapat muatan +2 10-5 C. Hitunglah gaya elektrostatis total di puncak C! (key : F C=7 N) 3. Bola konduktor dengan jari-jari 10 cm bermuatan listrik 500 μc. Titik A, B, dan C terletak segaris terhadap pusat bola dengan jarak masing-masing 12 cm, 10 cm, dan 8 cm terhadap pusat bola. Hitunglah kuat medan listrik di titik A, B, dan C! (key :,, ) 4. Titik P, Q, dan R terletak pada satu garis dengan PQ = 2 m dan QR = 3 m. Pada masing-masing titik terdapat muatan 2 μc, 3 μc, dan -5 μc. Tentukan besarnya energi potensial muatan di Q! (key : ) 5. Bola kecil bermuatan +2 μc, -2 μc, 3 μc, dan -6 μc diletakkan di titik-titik sudut sebuah persegi yang mempunyai panjang diagonal 0,2 m. Hitung potensial listrik di titik pusat persegi! 10 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I
(key : ) 6. Jika muatan dan kapasitas kapasitor diketahui berturut-turut sebesar 5 μc dan 20 μf, tentukan beda potensial kapasitor tersebut! (key : V=0,25 volt) 7. Sebuah kapasitor mempunyai luas bidang 4 cm2 dan jarak kedua bidang 0,4 cm. Apabila muatan masingmasing bidang 4,425 μc dan permitivitas listrik udara, tentukan: a. kapasitas kapasitor, b. kapasitas kapasitor apabila diberi bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik 5, c. beda potensial antara kedua bidang kapasitor! (key : (a) C=0,885 pf ; (b) C=4,435 pf ; (c) V=1 MV) 11 FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER I