3 Listrik Statis (materi).pdf

1. MUATAN LISTRIK Bagian terkecil penyusun suatu benda dan tidak dapat dibagi lagi disebut atom. Atom terdiri atas inti atom yang teridiri dari proton dan neutron dan dikelilingi oleh sejumlah elektron.  Benda bermuatan positif = kekurangan elektron  Benda bermuatan negatif = kelebihan elektron  Benda tidak bermuatan = jumlah proton sama dengan jumlah elektron 2. HUKUM COULOMB a) Gaya Coulomb Antara Dua Muatan Titik Augustin de coulomb pertama kalinya menyelidiki hubungan antarmuatan listrik menggunakan neraca puntir.

Gaya interaksi elektrostatis antar muatan sejenis tolak menolak

Gaya interaksi elektrostatis antar muatan tidak sejenis tarik menarik

Bunyi Hukum Coulomb (1786) : “gaya interaksi antata dua buah benda titik bermuatan listrik, berbanding lurus dengan hasil kali masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut.” k = konstanta pembanding = 9 x 109 N/m2C2 = = permitivitas ruang hampa = 8,85 x 10-12 C2/Nm-2 b) Resultan Gaya Coulomb  Resultan gaya-gaya sejajar

=

∓

=

+

 Resultan gaya-gaya membentuk sudut +

.

yang

=

3. KUAT MEDAN LISTRIK Medan adalah ruang disekitar benda dimana setiap titik di dalam ruang tersebut akan terpengaruh oleh gaya yang ditimbulkan oleh benda. Benda bermuatan  gaya listrik  medan listrik

Kuat medan listrik (E) dirumuskan :

=

a) Kuat Medan Listrik akibat Sebuah Muatan Titik Muatan uji adalah sebuah muatan yang menghasilkan medan listrik yang jauh lebih kecil daripada muatan yang akan dihitung kuat mendannya (q’ < q). Arah kuat medan listrik di suatu titik selalu searah dengan gaya yang dialami oleh muatan uji positif di suatu titik tersebut. Muatan uji positif, gaya coulomb F searah dengan kuat medan listrik E (E menjauh q) Muatan uji negatif, gaya coulomb F berlawanan arah dengan kuat medan E (E mendekat) Kuat medan listrik di suatu titik hanya ditentukan oleh besar dan jenis muatan sumber (q), serta jarak titik tersebut ke muatan sumber (r).

=

=

b) Kuat Medan Listrik akibat Dua Buah Muatan Titik  Sejajar = ∓ 

Medannya satu arah (ditambah)

Membentuk sudut

=

+

+

.

Perhatikan gambar disamping, sebuah partikel bermuatan +5 dan bermassa 1 mg terapung bebas dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh dua pelat bermuatan. Tentukanlah kuat medan listrik yang mempengaruhi partikel tersebut Pada titik sudut B dan D sebuah persegi ABCD masing-masing diletakkan sebuah partikel bermuatan +Q. Agar kuat medan listrik di titik A nol, maka di titik C harus diletakkan sebuah partikel bermuatan sebesar ....

4. HUKUM GAUSS a) Fluks Listrik Fluks listrik merupakan garis-garis gaya listrik dari suatu medan listrik homogen yang menembus tegak lurus suatu bidang seluas A. ф= .

dengan ф = fluks listrik (Nm/C-2 atau Weber (Wb)

ф=

.

E = kuat medan listrik (N/C A = luas bidang yang ditembus medan listrik (m2) = sudut antara E dan garis normal Hukum Gauss “jumlah garis-garis gaya listrik yang menembus suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup tersebut” .

=

Misalkan sebuah muatan Q memiliki medan listrik ke segala arah sehingga kita misalkan batas medan listriknya (berbentuk lingkaran karena ke segala arah).

=

5. POTENSIAL LISTRIK

=

=

 Muatan listrik oleh sebuah muatan titik =

 Muatan titik oleh beberapa muatan titik Misalkan ada sebuah titik P yang dipengaruhi oleh 3 muatan yaitu Q1, Q2, Q3 dengan jaraknya masing-masing. Maka potensial listrik pada titik P tersebut sebagai berikut. ∑ ∑

6. ENERGI POTENSIAL LISTRIK

=

= −

+

 Teori usaha energi Oleh karena itu kita tentukan dulu beda potensial antara kedua titik A dan B tersebut. ∆ = −  Hubungan dengan gaya coulomb Misalkan ada muatan Qc yang ingin dipindahkan dari titik A ke titik B. Nah dibutuhkan usaha. Besarnya energi potensial listrik sebanding dengan usaha yang diperlukan untuk melawan gaya Coulomb (Fc). Secara matematis perubahan Ep dari keadaan 1 ke keadaan kedua adalah =

=−

.

Apabila arah gaya F terhadap arah perpindahan muatan bersudut , maka =

=−

∆ =

−

Menurut teorema usaha – energi, besarnya usaha sama dengan perubahan energi. =∆ dengan Ep = Q.V =

= .

=

.∆ 1

−

1

−

Dengan : ∆Ep = Energi potensial listrik antara kedudukan akhir rA dan kedudukan awal rB W = Usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan Qc dari kedudukan A ke B Q = muatan uji Qc = muatan sumber dan = jarak antara muatan uji Q pada kedudukan awal dan kedudukan akhir

7. HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK DALAM MEDAN LISTRIK a) Sebuah Partikel Dipengaruhi Oleh Potensial Listrik Apabila Partikel tidak mengalami gaya luar selain gaya coulomb, maka = + + = + +

=

+

b) Sebuah Partikel Diantara Dua Pelat Sejajar  Usaha yang diperlukan memindahkan sebuah muatan Q daei pelat bermuatan negatif ke pelat bermuatan positif adalah = .∆ = ( − )  Usaha untuk memindahkan muatan Q sejauh d dengan gaya F adalah W = Fd  Dengan F = QE sehingga W = Qed

Dari persamaan usaha tersebut, diperoleh ( − (

−

)=

( − )= ) ini dapat ditulis sebagai beda potensial V antara kedua pelat. Jadi

Kecepatan muatan untuk berpindah :

=

=

=

dengan ∆

=

∆

8. DUA KEPING SEJAJAR a) Medan listrik =

=

b) Potensial listrik diantara dua keping = . c) Potensial listrik di luar keping = . 9. BOLA BERONGGA a) Medan listrik  E di dalam bola (r < R) Karena di dalam bola (ruang rongga) tidak memiliki muatan, maka : =  E di permukaan kulit (r = R) Gambar bola berongga. Dengan muatan listrik berada pada permukaan kulit bola. R jari-jari permukaan kulit bola, r jari-jari rongga di dalam kulit, dan rp jarak pusat bola ke titik P yang terletak di luar bola.

=

 E di luar bola (rp > R) =

b) Potensial listrik  V di dalam bola (r < R) dan V di permukaan kulit (r = R) adalah “SAMA” =

 V di luar bola (rp > R) =

Grafik hubungan medan listrik E dan jarak r

Grafik hubungan potensial listrik V dengan jarak r

10. KAPASITOR a) Kapasitas kapasitor Kapasitor merupakan komponen listrik yang memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik. Pada prinsipnya kapasitor teridiri dari dua permukaan konduktor (pelat) yang dipisahkan oleh suatu bahan isolator (dielektrik). Pada saat saklar ditutup akan timbul beda potensial baterai yang akan menarik elektron dari pelat kiri dan dipindahkan kekanan sehingga pelat kiri bermuatan positif dan pelat kanan bermuatan negatif. Proses ini berlangsung terus sampai beda potensial pelat sama dengan benda potensial kutub beterai dan pemindahan muatanpun berhenti (kapasitor penuh). Kapasitas kapasitor sendiri merupakan kemampuan kapasitor untuk memperoleh dan menyimpan muatan listrik. Kapasitas kapasitor didefinisikan sebagai perbandingan tetap antara muatan Q yang tersimpan dalam kapasitor dan beda potensial antara kedua pelat konduktor. C = kapasitas kapasitor (Farad) = Q = muatan yang tersimpan dalam kapasitor (Coulomb) V = beda potensial antara kedua pelat konduktor (Volt) b) Kapasitas kapasitor keping sejajar dan dielektrik Efisiensi relatif suatu bahan sebagai dielektrik ditunjukkan oleh konstanta dielektrik (K) dan permitivitas bahan. Misalkan ruang diantara Misalkan ruang diantara pelat diisikan bahan kedua pelat kosong (berisi dielektrik (plastik, dll) maka udara), maka : ′ = =

=

Sehingga kapasitas kapasitornya menjadi Dengan : K =

=

= permitivitas relatif bahan

C’= kapasitas kapasitor dengan dielektrik bahan tertentu C = kapasitas kapasitor dengan dielektrik udara c) Kapasitas bola konduktor =

dan = =

Dengan k = 9 x 109

=

maka

=

d) Rangkaian kapasitor  Rangkaian seri kapasitor

=

 Kapasitor pengganti

+

 Muatan yang tersimpan sama  Pembagi tegangan

=

+

+

+

=

=

 Tegangan berbanding terbalik dengan kapasitor :

 Rangkaian paralel kapasitor  Kapasitor pengganti  Pembagi muatan  Tegangan sama

:

= =

+

=

: +

:

+

+

=

 Muatan berbanding lurus dengan kapasitor : : = : :

e) Energi yang tersimpan dalam kapasitor Pemberian muatan pada kapasitor dimulai dari nol yaitu saat belum ada muatan diantara pelat sejajar (W = 0) hingga mencapai q Coulomb. =

=

=

=

=