HUKUM COULOMB Tri Rahajoeningroem, MT

T. Elektro - UNIKOM

1

2

LEARNING OUTCOMES

Mahasiswa dapat menjelaskan konsep dasar hukum Coulomb dan dapat menghitung gaya Coulomb pada sebuah muatan akibat muatan lain yang berdekatan dengannya

OUTLINE MATERI

Listrik statis, muatan listrik dan kekekalannya

Hukum Coulomb

TINJAUAN SEJARAH (600 SM) Orang Yunani menggosok batu amber (akik)

dengan wol dan menyebabkan batu tersebut dapat menarik bulu dan rambut, sehingga listrik (electric) diturunkan dari amber (electron, dalam bahasa yunani)

Tahun 1600 Dr. Gilbert, menemukan bahwa antara benda-benda selain akik dapat menarik benda lain selain rambut.

Coulomb (1600 an), melakukan eksperimen dengan neraca torsi ciptaannya untuk menghitung gaya antara 2 obyek yang dipisahkan oleh suatu jarak

3

MUATAN LISTRIK DAN STRUKTUR MATERI

Struktur atom terdiri dari : Elektron yang bermuatan negatif Proton yang bermuatan positif Neutron yang tak bermuatan

Proton dan neutron membentuk teras (core) yang sangat padat dan dinamakan sebagai inti atom (nucleus)

4

MUATAN LISTRIK DAN STRUKTUR MATERIStruktur atom terdiri dari : nomor atom adalah jumlah proton atau

elektron dalam suatu atom netral ion positif yaitu atom yang kehilangan satu

atau lebih elektron ion negatif yaitu atom yang kelebihan satu

atau lebih elektron ionisasi adalah proses perolehan dan

kehilangan elektron

5

MUATAN LISTRIK DAN STRUKTUR MATERI

Prinsip Kekekalan Muatan:“Jumlah aljabar dari semua muatan listrik

dalam setiap sistem tertutup adalah konstan”

6

SIFAT KELISTRIKAN MATERIAL

Jika suatu bahan dapat memindahkan muatan listrik maka bahan tersebut dinamakan sebagai konduktor.

Jika suatu bahan tidak dapat memindahkan muatan listrik maka bahan tersebut dinamakan sebagai isolator. Jika suatu bahan dapat bersifat sebagai konduktor atau isolator, bergantung pada kondisinya, dinamakan semikonduktor 7

INDUKSI

Jika muatan suatu bahan dipengaruhi oleh benda lain yang bermuatan dan terjadi perubahan tanda muatan pada bahan tersebut tanpa kehilangan muatan dalamnya maka hal ini dinamakan sebagai induksi.

8

GAYA TARIK / GAYA TOLAK ANTAR MUATAN YANG DIPISAHKAN PADA JARAK TERTENTU DITUNJUKKAN DENGAN GAMBAR SEBAGAI BERIKUT :

9

HUKUM COULOMBPenentuan Coulomb

Gaya tarik menarik jika muatan berbeda tanda, dan tolak menolak jika sama tanda

Gaya sebanding dengan perkalian muatan Q1 dan Q2 sepanjang garis lurus yang menghubungkannya

Gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak

Dapat dinyatakan secara matematik : |F12| |Q1| |Q2| / R21

2

atau

|F12|= k |Q1| |Q2| / R212

10

HUKUM COULOMB Satuan untuk konstanta ditentukan dari hukum Coulomb Coulomb telah menentukan konstanta ini dalam satuan SI

k = 9 x109 Nm2C-2

k secara normal dinyatakan sebagai k = 1/40

r12 = jarak antara Q1 dan Q2 r12 =a12 vektor satuan pada arah r12

11

BENTUK VEKTOR HUKUM COULOMB

+

+

Q1

Q2r21

21r̂

12F

21F

21F

+

12F

-

12

PIKIRKAN !!!!!

A: FAB=-3FBA

B: FAB=-FBA

C: 3FAB=-FBA

D: FAB=12FBA

Objek A bermuatan +2 C dan Objek B bermuatan +6 C. Pernyataan manakah yang benar ?

B+6 C

A+2 C

FAB?

FBA?

13

14

Gaya Coloumb Gaya Coulomb antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan besarnya masing -

masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak ke dua muatan.

Untuk muatan bertanda sama tolak menolak dan berlawanan tanda tarik menarik .

k = 1/4πε0 = 9 x 109 Nm2 /C2 a = vektor satuan

ar

QQkFC 2

21

15

Q1 = muatan listrik di titik 1

Q2 = muatan listrik di titik 2

r = jarak antara ke dua muatan

- Notasi arah gaya Coulomb

Q1 = muatan di 1 Q2 = muatan di 2

r1 dan r2 vektor posisi di titik 1 dan 2

faradFm

F

m

Fx ;

36

1010854.8

912

0

r1

r2 – r1

r2

O

Q2Q1

16

Besarnya gaya yang dialami oleh muatan 2 akibat muatan 1 adalah :

F2 = (k Q1 Q2 / r122 ) a12

a12 = r12 / ιr12 ι

• Gaya Coulomb oleh beberapa muatan titik. Gaya pada muatan q1 oleh muatan – muatan q2 , q3 , . . . . qn .

n

jjn FFFFFF

211413121 ....

GAYA DARI BANYAK MUATAN

+

14F

13F

12F

Q1

-Q2

+Q4

- Q3

141312 FFFF1

Gaya pada muatan adalah jumlah vektor gaya dari semua muatan

Prinsip superposisi 17

RELASI GAYA GAYA PADA MUATAN ADALAH BERSIFAT BILINIER. KONSEKUENSINYA BERLAKU SIFAT SUPERPOSISI DAN GAYA PADA MUATAN Q1 YANG DISEBABKAN OLEH N-1 MUATAN LAIN Q2,……Q1 ADALAH PENJUMLAHAN VEKTOR

F1 = 12

21

1

0

1312

210

31212

210

21

444k

n

k k

aR

QQa

R

QQa

R

QQ

Jika muatan tersebut terdistribusi secara kontinyu pada suatu daerah, penjumlahan vektor di atas diganti dengan integral vektor.

18

HUKUM COULOMB VS HUKUM GRAVITASI NEWTON

Elektrostatika Gaya Gravitasi

Terdapat 2 tipe muatan : positif dan negatif

Satu tipe massa yaitu positif

Tarik menarik pada muatan yang berlawanan dan tolak menolak pada muatan yang sejenis

Tarik menarik (Semua massa)

Gaya merupakan besaran vektor baik arah dan besar

Gaya merupakan besaran vektor baik arah dan besar

229

21221

12221

/1099.8

CmNk

rr

qqkF

r

qqkF on

2211

221

kg/mN1067.6G

r

mmGF

19

RINGKASAN Hukum Coulomb

Gaya elektrostatik diantara muatan

Bentuk vektor hukum Coulomb

Gaya Coulomb vs Gravitasi Gaya Elektrostatik lebih kuat

Superposisi141312 FFFF1

20

CARILAH GAYA PADA MUATAN Q1, 20 µC, YANG DIAKIBATKAN OLEH MUATAN

Q2, -300 µC, DI MANA Q1 BERADA PADA (0, 1, 2) M SEMENTARA Q2 PADA (2,0,0)

M!

vektor posisi adalah

R21 = (x1 - x2)ax + (yl - y2)ay + (z1 - z2)az

= (0 - 2)ax + (1 - 0)ay + (2 - 0)aZ = -2ax + ay + 2aZ

R21 = 321)2( 222

Dengan menggunakan persamaan (1), gaya yang bekerja adalah

F1 = 3/)22()3)(36/10(4

)10300)(1020(29

66

zyx aaa

Magnituda gaya total adalah sebesar 6 N dengan arah sedemikian hingga Q1 ditarik oleh Q2.

Contoh Soal 1

Penyelesaian:

21

Tentukanlah besar gaya pada muatan Q2

242321 FFFFnet

Contoh Soal 2

2

2

2242

24

2

2

2232

23

2

2

2221

21

4

2

42

2

632

22

d

kq

d

qqk

d

qkqF

d

kq

d

qqk

d

qkqF

d

kq

d

qkq

d

qkqF

22