Bab 4 kls xii

Medan Listrik, Potensial Listrik, dan Kapasitor 75

Medan Listrik, PotensialListrik, dan Kapasitor

A. Muatan Listrik

B. Medan Listrik

C. Energi PotensialListrik danPotensial Listrik

D. Kapasitor

memformulasikan gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, potensial listrik, energipotensial listrik, serta penerapannya pada keping sejajar.

Setelah mempelajari bab ini, Anda harus mampu:

menerapkan konsep kelistrikan dan kemagnetan dalam berbagai penyelesaianmasalah dan produk teknologi.

Hasil yang harus Anda capai:

75

Berbagai jenis kapasitor yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik.

Bab

4Sumber: Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, 2000

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XII76

A. Muatan Listrik

1. Interaksi Elektrostatis antara Dua Muatan Listrik

Gambar 4.1Mesin fotokopi

Gambar 4.2Setelah batang karet digosok kainwol dan batang kaca digosok kain

sutra kedua batang tersebut tarik-menarik.

batang karet batang karet

Sumber: Conceptual Physics, 1998

Tes Kompetensi Awal

batang karet batang kaca

Gambar 4.3Setelah kedua batang karet digosok

kain wol dan didekatkan, keduabatang karet tolak-menolak.

Gambar 4.4Pada atom hidrogen terdapatsatu proton dan satu elektron.


r

Gambar 4.5Interaksi muatan listrik berlainanjenis akan tarik-menarik

Gambar 4.6Interaksi muatan listrik sejenisakan tolak-menolak

Contoh 4.1

F Fq

2q

1

r

F Fq

2q

1

r

F Fq

2q

1

Tugas Anda 4.1Anda masih ingat alat yangdinamakan dengan elektroskop?Apakah fungsi alat tersebut?Bagaimanakah cara kerjanya? CobaAnda cari informasi dari internetatau buku-buku referensi.


2. Resultan Gaya Coulomb

Gambar 4.7Resultan gaya Coulomb

Contoh 4.2

r12

= 10 cm

q1

F12 q

2

F23 q

3

r23

= 10 cm

F12

q2

q1

F23

F21

F32

q3

r1

r2

Tokoh

Charles Coulomb(1736– 1806)

Coulomb adalah ahli Fisikakelahiran Angouleme, Prancis. Diamerupakan orang pertama yangmenunjukkan perilaku bahwamuatan listrik saling tolak satu samalain. Namanya kemudian digunakansebagai satuan muatan listrik.

Sumber: Jendela IPTEK, 1995


Nm / C C

m

2 2

Contoh 4.3

T30°

T sin 30°

T cos 30°

F

w

Kata Kunci• proton• elektron• neutron• atom netral• gaya Coulomb

T60°

30 cmqq

T

Perhatikan gambar berikut.

Hitunglah resultan gaya F yangbekerja pada muatan q.

q

rr

– q + q

Tantanganuntuk Anda


B. Medan Listrik

90 cm

+ q+ q

74°T

T

q q'

15 cm

Tes Kompetensi Subbab A

q1

q2

q3

a aB

A C


1. Garis-Garis Gaya

Gambar 4.8(a) Garis-garis gaya listrik untukpartikel bermuatan positif;(b) Garis-garis gaya listrik untukpartikel bermuatan negatif;(c) Garis-garis gaya untuk duamuatan yang sejenis;(d) Garis-garis gaya untuk duamuatan yang berbeda jenis.

elektron

Contoh 4.4

q

EF

w

Contoh 4.5

E

v


2. Resultan Kuat Medan Listrik

Gambar 4.9Titik p dipengaruhi oleh muatan

q1 dan q

2.

q1

q2p E

1E

2

r1

r2

Contoh 4.6

5 cm 5 cm

0,2 C 0,05 C

P


D

CB

AEAD

EBD E

AB

q1

r1 = 5 cm

0,2 C 0,05 C

P q2E

2E1

r1 = 5 cm

Contoh 4.7

Pembahasan Soal

Pada titik-titik sudut B dan Dsebuah bujur sangkar ABCDmasing-masing diletakkan sebuahpartikel bermuatan +q. Agar kuatmedan listrik di titik A = nol, makadi titik C harus diletakkan sebuahpartikel bermuatan sebesar ....a. – qb. + q

c. 2q

d. 2q

e. 2 2qUMPTN 1991

Pembahasan:

B(+q)

EAD

EBD

EAB

A

CD(+q)

EAB

= EAD

= 2

kq

q = E

EBD

= 2 2AB ADE E = 22E

EBD

= 2

2 2kq

Eq

EAC

= EBD

2 22Ck q kq

qAC

2 22

2

Cq q

qq

2 22

2Cq q

q q

qC = 2 2q

Jawaban: e


3. Hukum Gauss

Gambar 4.10Garis-garis gaya yang

menembus bidang permukaan.

Gambar 4.11Garis gaya yang menembus

suatu permukaanmembentuk sudut .

n

E

E

nn

E37°

Luas = A

E

n

E

Contoh 4.8


4. Perhitungan Medan Listrik dengan Menggunakan HukumGauss

a. Medan Listrik pada Keping Sejajar

Gambar 4.12Medan listrik antara dua kepingsejajar dengan rapatmuatan dan .

Gambar 4.13Perhitungan kuat medan listrikE pada pelat konduktormenggunakan permukaantertutup (silinder) berdasarkanHukum Gauss.

E1

A1

E2

A2

E3

A3

E

Kata Kunci• medan listrik• garis-garis gaya• fluks• fluks listrik• keping sejajar• bola konduktor• permukaan Gauss


b. Kuat Medan Listrik pada Bola Konduktor Berongga

Gambar 4.14Bola konduktor berongga

yang memiliki jari-jari R.r = jarak titik ke pusat bola.

Gambar 4.15Grafik E terhadap r untuk

bola konduktor berongga.

Ra

E

0 r = R r

E = 0

Tes Kompetensi Subbab B

permukaan Gauss IIpermukaan Gauss I

2

qk

rE =

2

qk

RE =

R

r>R

r<R

14 cm

–24q–4q

20 cm

4 C 4 C

4 C 4 C

dFE


0

C. Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik1. Energi Potensial Listrik

+ ––q

2q

1q

1Fc

F

(2) (1)r

1

r2

Gambar 4.16Interaksi antara muatan q

1 dan q

2.

r


2. Potensial Listrik

3. Hubungan Usaha dan Beda Potensial Listrik

Gambar 4.17Potensial listrik oleh 3 muatan,

q1, q

2, q

3 di titik P.

P r3 +

q3

–q

2

+q

1

r2

r1

Gambar 4.18Muatan q, bergerak dari titik 1 ke

titik 2 dipengaruhi muatan Q.

r2

r1

2

1

Contoh 4.9

Q

q


Tantanganuntuk Anda

Hitunglah usaha yang diperlukanuntuk memindahkan muatan positifyang besarnya 10 C dari suatu titikyang potensialnya 10 V ke suatu titikyang potensialnya 60 V.

Contoh 4.10

A B

C

D

10 cm6 cm

4 cm 4 cm

4. Hukum Kekekalan Energi Mekanik dalam Medan Listrik

Hukum kekekalan energi mekanikpartikel dalam medan listrik berlakujika pada partikel tersebut tidak adagaya lain yang bekerja selain gayaCoulomb.

Ingatlah


V

A B

5. Potensial di antara Dua Keping Sejajar

Gambar 4.19Dua buah keping sejajar dan

terpisah sejauh d diberimuatan yang sama.

Contoh 4.11Kata Kunci• energi potensial listrik• potensial listrik• volt

A B

d

E

V


Tes Kompetensi Subbab C

r = 50 × 10–10 m

q

Contoh 4.12

q

d

x

V12

d

q4

q3

q1 q

2

E

x = ?

y = 1 cmV

Tantanganuntuk Anda

Sebuah elektron dengan massa9,11 × 10–31 kg dan muatan listrik–1,6 × 10–19 C, lepas dari katodemenuju anode yang jaraknya 2 cm.Jika kecepatan awal elektron = 0 danbeda potensial antara anode dankatode = 200 V, hitunglah kecepatanelektron ketika sampai di anode.


D. Kapasitor1. Muatan pada Kapasitor

e–

– +

Gambar 4.20Proses pengisian muatan

pada kapasitor.

kepingkonduktor

isolator

kepingkonduktor

E

Gambar 4.21(a) Jenis kapasitor;

(b) Skema kapasitor.

2. Kapasitas Kapasitor


Gambar 4.22(a) Kapasitor kertas;(b) Kapasitor variabel;(c) Kapasitor elektrolit.

kertas

lempeng logam

kepingbergerak

keping tetap kapasitor elektrolit

3. Kapasitor Keping Sejajar

Contoh 4.13

Tugas Anda 4.2Berdasarkan kepolarannya, dikenaldua jenis kapasitor, yaitu kapasitorpolar dan kapasitor non-polar. CobaAnda cari informasi mengenaiperbedaan di antara keduanya.


Gambar 4.24Kapasitor keping sejajar

dihubungkan dengansumber tegangan V.

Gambar 4.23(a) Baterai B menyebabkan

perbedaan potensial yang samapada setiap kapasitor; kapasitor

dengan bahan dielektrik memilikimuatan yang lebih banyak.

(b) Kedua kapasitor mengangkutmuatan yang sama. Kapasitor

dengan bahan dielektrik memilikiperbedaan potensial lebih rendah,

seperti ditunjukkan olehpembacaan alat ukur.

bahan dielektrik

udara

E– q+ q

V

A

d

Sumber: Fundamental of Physics, 2001


4. Dielektrik pada Kapasitor

Contoh 4.14

Jika permitivitas dielektrikdisisipkan di antara keping kapasitor,kapasitas dan beda potensialnyaberubah, tetapi muatannya (q) tetap.

Ingatlah

Tugas Anda 4.3Mengapa dielektrik tidakmenggunakan bahan konduktor?Coba tanya pada guru Anda atau cariinformasi dari internet.


5. Kapasitor Bentuk Bola

6. Susunan Kapasitora. Susunan Seri

Gambar 4.25Kapasitor bola konsentris

dengan V2 dibumikan

R1

R2

bola 2

bola 1

Generator Van de Graaff adalah alatuntuk mengumpulkan danmenyimpan muatan listrik statikdalam jumlah yang sangat besar.Rambut wanita ini akan saling tolak-menolak setelah memeganggenerator Van de Graaff dan ujung-ujungnya berdiri karena termuatioleh muatan yang sama.

Van de Graff is a tool to collect andstore statics electric chargeenormously in quantity. The woman’shair could be repulsive each otherafter held the Van de Graff generatorand a hair would be repulsivescaused by loading the commoncharges.

Informasiuntuk Anda

Sumber: Physics for You, 2001

Information for You


Gambar 4.26Susunan seri kapasitor

C1

C2

C3

V1

V2

V3

V

+ – + – + –

Contoh 4.15

• Kapasitas total dua buah kapasitorseri adalah

1 2

1 2S

C CC

C C

• Perbandingan potensial padakapasitas seri adalah

1 2 31 2 3

1 1 1 1: : : ... : : : : ... :nn

V V V VC C C C

Ingatlah

Tugas Anda 4.4Ketika Anda sedang merangkaiperalatan elektronik, kadang-kadangsulit menemukan nilai kapasitaskapasitor yang tepat dengankebutuhan, maka teknik penyusunankapasitor bermanfaat sekali dalamhal ini. Jika Anda hanya memilikikapasitor bernilai besar, susunankapasitor apakah yang akan Andagunakan untuk mendapatkankapasitor bernilai kecil?

b. Susunan Paralel


7. Energi yang Tersimpan dalam Kapasitor

Contoh 4.16

Tantanganuntuk Anda

Perhatikan gambar rangkaiankapasitor berikut.

Tentukan:a. kapasitas pengganti antara titik

x dan titik y,b. beda potensial antara titik x dan

y jika muatan pada kapasitor5 F adalah 60 C.

y

x

C2

C1

3 F

3 F4 F

4 F

4 F

5 F

3 F

Gambar 4.28Grafik perubahan potensial (V)

sebagai fungsi perubahan muatanselama proses pengisian

berlangsung.

V (V)

q(C)

qV

C

Gambar 4.27Susunan paralel kapasitor

C1

C2 C

3

V1 V

2 V3

V +

–

+

–

+

–

+

–

dq Q


Contoh 4.17

Mari Mencari Tahu

Kata Kunci• kapasitas kapasitor• kapasitor kertas• kapasitor variabel• kapasitor elektrolit• farad• kondensator• isolator• dielektrik• katode• anode

Tes Kompetensi Subbab D

5 mm

10 cm

2 4 V

a

b

4 F24 F

6 F2 F

a

b

3 F

2 F 4 F

2 F

a b

5 F

12 F 4 F

24 F


Rangkuman


Setelah mempelajari bab ini, Anda tentu menjadipaham tentang listrik statis, medan listrik, potensial listrik,energi potensial listrik, kapasitor dan jenis-jenisnya, sertabagaimana cara kapasitor bekerja. Dari semua materipada bab ini, bagian mana yang menurut Anda sulit untukdipahami? Coba Anda diskusikan dengan teman atauguru Fisika Anda.

Refleksi

Pemasangan kapasitor pada sakelar-sakelar listrikyang memiliki daya tinggi dapat menghilangkanterjadinya percikan bunga api. Pemanfaatan ini bergunasekali untuk keamanan. Coba Anda tuliskan manfaat lainpenggunaan kapasitor.

Peta Konsep


Tes Kompetensi Bab 4

F

r

F

r

F

r

F

r

r

d

A B

F


F

A B

O+2q – q

a b

C1

C2

F

F

C3

F


3 F

A B

6 cm 8 cm

O4 C 3 C

a

b

r

s

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

B A

v

VB – V

A = 200 volt

15 cm

A B

C C

C C C

A B

C C

CC

CC

A B40 F

12 F

13 F

6 F

6 F

28 F

16 F

12 F

d=10 cm

Bab 4 kls xii

Education

Transcript of Bab 4 kls xii