Tuga Fisika.docx

Nama Nim Prodi Tugas

: Celvin J Betoky : 2015 69 024 : S1 Teknik Geologi : Fisika

1.Hukum Coulomb Charles Coulomb (1736-1806) pernah mengeluarkan sebuah pernyataan terkait masalah kelistrikan yang telah lama menjadi bahan kajiannya. Bunyi dari pernyataan itu adalah “Gaya yang dilakukan oleh satu muatan titik pada muatan titik lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Besarnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan dan berbanding lurus dengan hasil kali muatan. Muatan sejenis akan bersifat tolak menolak dan muatan yang tidak sejenis akan saling tarik menarik”. Pernyataan ini selanjutnya diambil sebagai salah satu hukum dasar masalah kelistrikan dengan nama Hukum Coulomb (Coulomb’s Law).

Gambar: Gaya Coulomb

Dengan menggunakan timbangan puntir hasil penemuannya (mirip percobaan Cavendish), dia meneyelidiki besarnya gaya tarik-menarik atau gaya tolak elektrostatis bola bermuatan yang diakibatkan oleh hasil gesekan, jauh lebih besar dibanding gaya tarik gravitasinya. Pada percobaan Coulomb, jari-jari bola bermuatan tersebut jauh lebih kecil dibandingkan jarak antara keduanya sehingga bola bermuatan tersebut dapat dianggap sebagai muatan titik. Untuk memperoleh muatan dan menvariasikan besarnya muatan, Coulomb menggunakan cara induksi. Sebagai contoh, mula-mula muatan bola sebesar q dapat dikurangi menjadi setengahnya dengan cara membumikan salah satu bola tersebut agar muatannya terlepas. Hasil dari percobaan itulah yang menuntunnya dalam merumuskan hukum temuannya.

Gambar: Neraca puntir Coulomb

Dengan menggunakan hukum ini, kita dapat menghitung besar gaya interaksi antara dua atau lebih muatan titik . Rumus dasar untuk melakukan perhitungan tersebut adalah:

Dengan k adalah konstatanta kesebandingan yang mempunyai nilai sebesar 8,988 x 10^9 N.m^2/C^2, q1 dan q2 adalah besar masing-masing muatan, dan r adalah jarak yang memisahkan kedua muatan titik tersebut. Tetapi satu hal yang perlu diperhatikan adalah Hukum Coulomb seharusnya hanya digunakan untuk muatan-muatan titik dalam ruang hampa. Jika materi berada dalam ruang diantara muatan-muatan itu, gaya netto yang beraksi pada setiap muatan diubah karena muatan-muatan diinduksi dalam molekul bahan yang menyelangi muatan-muatan tersebut. Namun demikian demi kepraktisan, kita dapat menggunakan Hukum Coulomb yang tidak diubah untuk muatan-muatan titik dalam udara. Pada tekanan atmosfer normal, kehadiran udara mengubah gaya listrik dari nilainya dalam ruang hampa menjadi hanya kira-kira 1 per 2000. Referensi: 1. Sears dan Zemansky. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 2 2. Tripler. Fisika, Untuk Sains dan Teknik Edisi

2.Hukum Gaus Hukum Gauss adalah hukum yang menentukan besarnya sebuah fluks listrik yangmelalui sebuah bidang. Hukum gauss menyatakan bahwa besar dari fluks listrik yang melalu sebuah bidang akan berbanding lurus dngan kuat medan listrik yang menembus bidang, berbanding lurus dengan area bidang dan berbanding lurus dengan cosinus sudut yang dibentuk fluks listrik terhadap garis normal.

Hukum Gauss berbunyi “bahwa fluks listrik total yang melalui sembarang permukaan tertutup (sebuah permukaan yang mencakup volume tertentu) sebanding dengan muatan listrik total di dalam permukaan itu”. Hukum Gauss dapat digunakan untuk menghitung medan listrik dari system yang mempunyai kesimetrian yang tinggi (misalnya simetri bola,silinder, atau kotak). Untuk menggunakan hukum gauss perlu dipilih suatu permukaan khayal yang tertutup (permukaan gauss). Bentuk permukaan tertutup tersebut dapat sembarang. Pada hukum gauss medan listrik berpangkal dimuatan positif dan berakhir dimuatan negative. Apabila satu atau sejumlah muatan positif dikurung oleh suatu permukaan tertutup tentulah garis – garis medan benar – benar menembus ke luar dari permukaan tertutup tersebut, secara kuantitatif hasilnya bilangan positif. Sebaliknya jika yang dikurung (dilingkupi) muatan negative, tentulah garis – garis medan akan masuk menuju permukaan tertutup tersebut, maka jumlah garis medan ini bilangan negative. Banyaknya sebanding dengan besarnya (harga mutlak) muatan tersebut. Bila tidak ada muatan yang dikurung teentulah setiap garis medan yang masuk akan keluar pula dari permukaan tertutup ini dan menghasilkan jumlah garis medan nol, yang masuk (-) sama dengan yang keluar (+).

Jumlah garis yang keluar dari suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup.

Hukum Gauss terutama digunakan untuk menghitung medan listrik oleh benda bermuatan yang bentuknya mempunyai simetri, misalnya bidang datar, bola atau silinder. Tetapi sebaliknya bila kuat medan dalam

ruang diketahiu tentulah Hukum Gauss dapat pula digunakan untuk menentukan banyaknya muatan yang dikurung oleh suatu permukaan tertutup. Karena kuat medan listrik dapat pula di tentukan dengan menggunakan Hukum Coulomb tentulah hasil kedua cara ini harus sesuai, artinya kita dapat mededuksikan Hukum Coulomb dari penerapan Hukum Gauss.

3.Potensial Listrik. Potensial listrik didefinisikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan listrik. Misalkan ketika berada pada titik a, muatan q mempunyai energi potensial listrik sebesar EPa , maka potensial listrik pada titik a dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan : V = potensial listrik, EP = energi potensial listrik, q = muatan listrik.

Potensial listrik tidak hanya ada di titik a tetapi juga pada semua titik dalam medan listrik. Titik a digunakan sebagai contoh. Sebagaimana akan dijelaskan kemudian, potensial listrik tidak bergantung pada muatan q. Energi potensial listrik dan muatan listrik merupakan besaran skalar sehingga potensial listrik juga termasuk besaran skalar. Satuan sistem internasional energi potensial listrik adalah Joule dan satuan sistem internasional muatan listrik adalah Coulomb, sehingga satuan sistem internasional potensial listrik adalah Joule per Coulomb (J/C). Nama lain J/C adalah Volt, berasal dari nama ilmuwan Italia dan penemu baterai listrik, Alessandro Volta (1745-1827). Beda potensial listrik. Potensial listrik di suatu titik misalnya potensial listrik di titik a yakni V a, tidak dapat diketahui nilainya karena yang bermakna adalah perubahan potensial listrik. Perubahan potensial listrik dapat diketahui nilainya baik melalui perhitungan maupun pengukuran. Potensial listrik berubah ketika muatan q bergerak dari satu titik ke titik lainnya. Misalkan muatan q bergerak dari titik a ke titik b maka perubahan potensial listrik adalah :

Vab adalah beda potensial listrik antara dua titik dalam medan listrik, misalnya titik a dan b. Beda potensial listrik antara titik a dan b (Vab) sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan listrik ketika bergerak dari titik a ke titik b, per satuan muatan (Wab/q). Perlu diketahui bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan q ketika bergerak dari titik a ke titik b (Wab) sama dengan perubahan energi potensial listrik muatan q (ΔEP). Karenanya pada persamaan di atas ΔEP bisa diganti dengan Wab. Ketika suatu benda berada pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah maka benda itu mempunyai energi potensial gravitasi, di mana permukaan tanah digunakan sebagai titik acuan. Dalam hal ini ketinggian

permukaan tanah dan energi potensial gravitasi tepat di permukaan tanah ditetapkan bernilai nol. Serupa dengan energi potensial gravitasi, ketika kita menyatakan suatu titik mempunyai potensial listrik tertentu maka harus adalah titik lain yang digunakan sebagai titik acuan, mengingat hanya perbedaan potensial listrik yang dapat dihitung nilainya. Biasanya tanah (ground) atau konduktor listrik yang dihubungkan ke tanah dipilih sebagai titik acuan, di mana potensial listrik pada konduktor itu atau potensial listrik di dalam tanah, ditetapkan bernilai nol. Jadi apabila suatu titik mempunyai potensial listrik senilai 12 Volt maka beda potensial listrik antara titik tersebut dengan tanah adalah 12 Volt. Pada baterai 6 Volt, beda potensial listrik antara terminal positif dengan terminal negatif adalah 6 Volt. Karena satuan beda potensial listrik adalah Volt maka beda potensial listrik di antara dua titik biasanya disebut sebagai tegangan listrik (voltage).

Persamaan beda potensial listrik di atas dapat ditulis lagi seperti di bawah ini :

Apabila muatan q melewati beda potensial listrik Vab maka energi potensialnya berubah sebesar ΔEP. Misalnya muatan 2 Coulomb melewati beda potensial listrik sebesar 12 Volt maka energi potensial listriknya berubah sebesar (2 C)(12 V) = 24 Joule. Demikian juga bila muatan 4 Coulomb melewati beda potensial listrik sebesar 24 Volt maka energi potensial listriknya berubah sebesar (4 C)(24 V) = 96 Joule. Jadi perubahan energi potensial listrik (ΔEP) sebanding dengan muatan (q) dan tegangan listrik (Vab). Semakin besar muatan listrik dan/atau tegangan listrik, semakin besar perubahan energi potensial listrik. Energi potensial berkaitan dengan kemampuan melakukan usaha sehingga jika perubahan energi potensial listrik besar maka kemampuan melakukan usaha juga besar. Persamaan beda potensial listrik di atas masih bersifat umum. Untuk mendapatkan persamaan potensial listrik yang lebih detail maka tinjau beda potensial listrik di dalam medan listrik homogen dan beda potensial listrik yang ditimbulkan oleh sebuah muatan tunggal. Potensial listrik dalam medan listrik homogen Beda potensial listrik antara dua titik di dalam medan listrik homogen, misalnya titik a dan titik b, dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah :

Keterangan : Vab = beda potensial listrik antara dua titik, E = medan listrik dan s = jarak antara dua titik.

Potensial listrik yang ditimbulkan oleh muatan tunggal Potensial listrik pada suatu titik akibat adanya muatan tunggal yang menghasilkan medan listrik, dapat dihitung menggunakan persamaan :

Keterangan : Vab = beda potensial listrik antara dua titik, k = konstanta Coulomb, Q = muatan tunggal yang menimbulkan medan listrik, r = jarak antara muatan Q dan titik di mana potensial listrik dihitung. Hubungan antara medan listrik dan potensial listrik

Medan listrik merupakan besaran vektor sedangkan potensial listrik merupakan besaran skalar. Besaran vektor melibatkan arah sehingga lebih sulit dihitung dibandingkan dengan menghitung besaran skalar. Untuk mempermudah perhitungan medan listrik maka digunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara medan listrik dengan potensial listrik. Persamaan beda potensial yang telah dijelaskan sebelumnya ditulis kembali seperti di bawah :

Secara matematis, usaha merupakan hasil kali gaya dengan perpindahan, di mana gaya merupakan hasil kali muatan dan medan listrik. Hubungan antara usaha, gaya dan perpindahan dinyatakan melalui persamaan di bawah :

Jika kedua persamaan di atas disatukan maka dihasilkan persamaan baru seperti di bawah :

Keterangan : E = Medan listrik, Vab= beda potensial listrik antara dua titik misalnya titik a dan b, d = jarak antara dua titik.

Satuan beda potensial adalah Volt dan satuan jarak adalah meter sehingga medan listrik dapat dinyatakan dalam satuan Volt per meter (V/m). Persamaan ini dapat digunakan untuk menentukan medan listrik (homogen) jika diketahui beda potensial antara dua titik dan jarak antara kedua titik. Berdasarkan persamaan, medan listrik sebanding dengan potensial listrik dan berbanding terbalik dengan jarak. Ini artinya semakin besar potensial listrik maka semakin besar medan listrik dan semakin besar jarak maka semakin kecil medan listrik.