Nama : Adinda Dwi Putri Kelas : XII MIA 2 Rangkuman Listrik Statis (Hukum Coulomb, Medan Listrik dan Potensial Listrik) Hukum Coulomb Pada tahun 1785, seorang ahli fisika Prancis bernama Charles Augustin de Coulomb melakukan penelitian mengenai gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bermuatan listrik. Coulomb menyatakan bahwa besar gaya listrik berbanding lurus dengan perkalian besar kedua muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda. Teori ini disebut Hukum Coulomb. Hukum Coulomb, gaya antara dua muatan titik, q 1 dan q 2 berjarak r. Gaya tarik dan gaya tolak antara dua muatan listrik dinamakan gaya Coulomb, yang besarnya dapat ditentukan dalam persamaan: dengan k adalah konstanta pembanding, yaitu: Satuan gaya listrik menurut SI adalah newton (N). Satu newton (1 N) adalah sebanding dengan muatan yang dipindahkan oleh arus satu ampere dalam satu detik. 1. Muatan-Muatan yang Segaris Besarnya gaya Coulomb pada suatu muatan yang dipengaruhi oleh beberapa muatan yang sejenis langsung dijumlahkan secara vektor.
Gaya elektrostatis tiga muatan. Pada Gambar diatas, gaya Coulomb pada muatan q 1 dipengaruhi oleh muatan q 2 dan q 3 adalah F = F 12 +F 13. Apabila arah ke kanan dianggap positif dan arah ke kiri negatif, besar gaya Coulomb pada muatan: F 1 = F 12 + F 13 Secara umum, gaya Coulomb dapat dirumuskan: F = F 1 + F 2 + F 3 +... 2. Muatan-muatan yang Tidak Segaris Tiga buah muatan q 1, q 2, q 3 ditunjukkan seperti pada gambar berikut. Gaya elektrostatis pada tiga muatan yang tidak segaris. Untuk menentukan gaya Coulomb pada muatan q 1 dapat dicari dengan menggunakan rumus kosinus sebagai berikut. Θ
Contoh Soal 1. Dua titik A dan B berjarak 5 meter, masing-masing bermuatan listrik +5 10-4 C dan -2 10-4 C. Titik C terletak di antara A dan B berjarak 3 m dari A dan bermuatan listrik +4 10-5 C. Hitung besar gaya elektrostatis dari C! Penyelesaian: Diketahui: q A = +5 10-4 C q B = -2 10-4 C q C = +4 10-5 C Ditanya: F C =...? Muatan q C ditolak q A ke kanan karena sejenis, misal, F AC = F 1 dan ditarik muatan q B ke kanan karena berlawanan F CB = F 2 Jadi, gaya elektrostatis total di C adalah: = 20 + 18 = 34 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 μ C dan -1,5 μ C, pada puncak C terdapat muatan +2 10-5 C. Hitunglah gaya elektrostatis total di puncak C! Penyelesaian:
Diketahui: q A = 4 μ C = 4 10-6 C q B = -1,5 μ C = -1,5 10-6 C q C = 2 10-5 C a = 3 dm = 3 10-1 m Ditanya: F C =...? q A dan q C tolak-menolak dengan gaya F 1 q B dan q C tarik-menarik dengan gaya F 2 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. Jika muatan lain berada di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik, muatan tersebut akan mengalami gaya listrik berupa gaya tarik atau gaya tolak. 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. Adapun, sebuah muatan negatif memiliki garis gaya listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut. 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 dan F = E q Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Di sini kuat medan listrik dituliskan dalam satuan N/C. Kuat medan listrik juga merupakan besaran vektor karena memiliki arah, maka penjumlahan antara dua medan listrik atau lebih harus menggunakan penjumlahan vektor. Arah medan listrik dari sebuah muatan positif di suatu titik adalah keluar atau meninggalkan muatan tersebut. Adapun, arah medan listrik dari sebuah muatan negatif di suatu titik adalah masuk atau menuju ke muatan tersebut. Dua plat sejajar yang bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan listrik timbul di antara dua plat tersebut. Kuat medan listrik di dalam dua plat sejajar yang bermuatan listrik adalah Dimana σ = rapat muatan dari plat yang memiliki satuan C/m2 ε0 = permitivitas ruang hampa Kita juga dapat menghitung kuat medan listrik dari sebuah bola konduktor berongga yang bermuatan listrik, yaitu sebagai berikut. Di dalam bola : (r < R), E = 0 Di kulit atau di luar rongga : (r > R), Contoh Soal Sebuah muatan 200 coulumb berada pada jarak 10 m terhadap muatan 20 coulumb yang lain. Hitunglah medan listrik pada muatan 200 coulumb tersebut! Penyelesaian Diketahui: Q1 = 200 C r = 10 m Q2 = 20 C Ditanya: E =?
Energi Potensial Listrik Dua buah benda bermuatan listrik yang terletak berdekatan akan mengalami gaya listrik di antara keduanya. Suatu usaha diperlukan untuk memindahkan (atau menggeser) salah satu muatan dari posisinya semula. Karena usaha merupakan perubahan energi, maka besar usaha yang diperlukan sama dengan besar energi yang dikeluarkan. energi dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W) atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan uji q yang dipindahkan dari posisi r1 ke posisi r2 adalah Dengan demikian, usaha atau energi potensial untuk memindahkan sebuah muatan uji q yang berjarak r dari sebuah muatan lain q ke jarak tak berhingga dapat dituliskan sebagai berikut Dimana tanda minus berarti usaha yang dilakukan selalu melawan gaya tarik yang ada (biasanya usaha yang dilakukan adalah usaha untuk melawan gaya tarik antara dua muatan). Potensial Listrik Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda potensial. Beda
potensial dari sebuah muatan uji q yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah Dimana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V). Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarakr dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu V = E r Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik, potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut. Catatan: tanda (+) dan ( ) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik. Contoh Soal Untuk memindahkan muatan sebesar 10 C dari A ke B diperlukan usaha sebesar 200 Joule hitunglah potensial AB tersebut! Penyelesaian Diketahui: q = 10C W = 100 Joule Ditanya: V =? V = W/q = 200 Joule/10C = 20 J/C = 20 volt