Fisika 2

http://photography.nationalgeographic.com/staticfiles/NGS/Shared/StaticFiles/Photography/Images/POD/l/lightning-sky-131232-sw.jpg

17-2-2011

Fisika 2TKM 1204 / 3 SKSDr. Indraswari (Ari) Kusumaningtyas, ST., MSc.

Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada

Muatan Listrik & Hukum Coulomb

Sub-pokok bahasan:

1

printe

r.jpgSub-pokok bahasan:

� Muatan listrik & listrik statis� Muatan listrik dalam atom� Hukum kekekalan muatan� Konduktor dan isolator� Muatan induksi� Hukum Coulomb

http:/

/www

.cybe

rindia

n.net/

wp-co

ntent/

uploa

ds/sa

msun

g-ml-2

010-l

aser-p

rinter

.jpg

2Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

� Hukum CoulombLaser printer bekerja

berdasarkan prinsip elektrostatik

http:/

/www

.cybe

rindia

n.net/

wp

Muatan Listrik & Listrik Statis

Electricity � 600 B.C.Greek word elektron = amber

Amber yang telah digosok wol mampumenarik benda-benda kecil yang ringan

Amber + wolBatang plastik + bulu (fur)Batang kaca + sutra

http://img2.photographersdirect.com/img/19309/wm/pd1873532.jpg

http:/

/www

.dkim

ages.

com/

disco

ver/p

review

s/124

4/100

1640

4.JPG

3Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Charging by friction (rubbing)Benda menjadi bermuatan, memilikimuatan listrik total (net charge)

http:/

/www

.dkim

ages.

com/

disco

ver/p

review

s/124

4/100

1640

4.JPG

Muatan Listrik & Listrik Statis

4Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Muatan Listrik & Listrik Statis

Setelah digosok:Batang kaca – Batang kaca � saling tolakBatang kaca – Batang kaca � saling tolakBatang plastik – Batang plastik � saling tolakBatang kaca – Batang plastik � saling tarik

Conclusion: Ada dua jenis muatan � batang kaca: muatan positif� batang plastik: muatan negatif

Muatan yang diam+ +

5Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Muatan yang diam� Listrik Statis, Electrostatic– –

+ –

Muatan Listrik dalam Atom

Interaksi yang membentuk struktur atom dan molekul, dan akhirnya semua benda, adalah interaksi antara partikel-partikel bermuatan.semua benda, adalah interaksi antara partikel-partikel bermuatan.

Tidak ‘diganggu’ = netralThe algebraic sum of the positive charges of the nucleus and the negative charges of the electrons is zero.

6Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

http://cache.lexico.com/dictionary/graphics/ahd4/jpg/A4atom.jpg

is zero.

Bila ‘diganggu’ = terionisasi

Muatan Listrik dalam Atom

Ionisasi:� Ion positif � kekurangan elektron� Ion negatif � kelebihan elektron

Elektron lebih “mobile” daripada proton

Fundamental Unit of ChargeMuatan terkecil yang ditemukan di alam adalah muatan pada sebuah

elektron atau sebuah proton (muatan elementer).

7Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

elektron atau sebuah proton (muatan elementer).

Besar muatan ini adalah e = 1.602 x 10–19 CPerhatikan: proton = +e , elektron = –e

Muatan Listrik dalam Atom

Muatan, seperti halnya masa, adalah sifat dasar dari benda.� Masa proton = 1.673 x 10-27 kg� Masa proton = 1.673 x 10 kg� Masa neutron = 1.675 x 10-27 kg � Masa elektron = 9.11 x 10-31 kg

Charge is quantizedMuatan total pada benda merupakan kelipatan integer dari e �terkuantisasi

8Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

terkuantisasi

* Model partikel nuklir � proton dan neutron terbentuk atas partikel quark yang bermuatan kurang dari e . Quark belum dapat (mungkin tidak akan?) terdeteksi.* Cek: Large Hadron Collider dari CERN

Hukum Kekekalan Muatan� Benda (padat) bermuatan netral menjadi bermuatan negatif

atau positif karena adanya perpindahan elektron.� Tidak ada muatan yang hilang, hanya dipindahkan ke benda lain.� Tidak ada muatan yang hilang, hanya dipindahkan ke benda lain.� Jumlah muatan positif yang tertinggal pada suatu benda sama

dengan jumlah muatan negatif yang dipindahkan ke benda lain.

The law of Conservation of Charge“The total amount of electric charge in any closed system is constant.

http:/

/en.w

ikiped

ia.org

/wiki/

File:B

enjam

in_Fra

nklin

_by_

Josep

h_Sif

fred_

Duple

ssis.j

pg

9Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

in any closed system is constant. Single charges can be neither

created nor destroyed”

http:/

/en.w

ikiped

ia.org

/wiki/

File:B

enjam

in_Fra

nklin

_by_

Josep

h_Sif

fred_

Duple

ssis.j

pg

Benjamin Franklin(1706 – 1790)

Konduktor & Isolator

Metal balls Charging by conduction

+ + ++ + +

+ + ++ + +

+ + +

++ +

Logam pada umumnya adalah konduktor yang baik.� elektron-elektron terluar pada atom logam memiliki ikatan yang

longgar terhadap intinya

10Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

longgar terhadap intinya� elektron bebas (free electron, electron gas)Semikonduktor � bukan konduktor maupun isolator yang baik

e.g. Silikon, Germanium, Karbon

Muatan Induksi

Charging by conduction � dengan kontak, ada transfer muatanCharging by induction � tanpa kontak, ada pemisahan muatan

http:/

/www

.physi

cs.sjs

u.edu

/becke

r/phy

sics5

1/elec

_cha

rge.ht

m

11Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

http:/

/www

.physi

cs.sjs

u.edu

/becke

r/phy

sics5

1/elec

_cha

rge.ht

m

Buzz - 1Jika benar-benar diukur secara akurat, apakah batang plastik akanlebih berat, lebih ringan, atau sama saja beratnya setelah digosokdengan bulu kelinci? Bagaimana dengan batang kaca setelah digosokdengan bulu kelinci? Bagaimana dengan batang kaca setelah digosokdengan sutra? Dan bagaimana pula dengan bulu kelinci dan sutra?

12Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Polarisasi

Bagaimana benda bermuatan dapat menarik benda tidak bermuatan?

13Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Buzz - 2Dua buah bola logam yang identik mula-mula bermuatan netral dan salingmenyentuh. Sebuah batang ebonit bermuatan kemudian didekatkan ke bola tersebut tanpa menyentuh. Setelah beberapa lama, dengan batang ebonittersebut tanpa menyentuh. Setelah beberapa lama, dengan batang ebonitmasih di tempat, bola-bola menjadi terpisah. Barulah kemudian batangebonit disingkirkan.Pernyataan-pernyataan berikut adalah tentang masa bola mA dan mB setelahmereka terpisah dan batang disingkirkan. Pernyataan mana (satu atau lebih) yang benar? (a) mA = mB(b) m > m jika batang positif

14Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

(b) mA > mB jika batang positif(c) mA < mB jika batang positif(d) mA > mB jika batang negatif(e) mA < mB jika batang negatif

A B

Hukum Coulombhtt

p://en

.wikip

edia.

org/w

iki/Fil

e:Cha

rles_

de_c

oulom

b.jpg

1 22

q qF k r⋅

=

http:/

/en.w

ikiped

ia.org

/wiki/

File:C

harle

s_de

_cou

lomb.j

pg

Charles-Augustin de Coulomb (1736 – 1806)

2rDalam SI,F = gaya elektrostatik, Nq = muatan, C (Coulomb)r = jarak, mk = konstanta pembanding

= 8.988 x 109 N�m2�C–2approx = 9 x 109 N�m2�C–2

15Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Coulomb (1736 – 1806)Coulomb’s Law

“The force of attraction or repulsion between two point charges is directly proportional to the product of the charges and inversely

proportional to the square of the distance between them.”

approx = 9 x 109 N�m2�C–2

Hukum Coulomb

+

+r

q

q2

F2,1

1 22

q qF k r⋅

= +q1F1,2

+

–r

q1

q2F2,1F1,

2

2F k r=

1 22

0

14

q qF rπε

⋅=

ε0 = permitivitas ruang hampa= 8.854 x 10–12 C2�N–1�m–2

16Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Principle of SuperpositionTotal gaya elektrostatik yang bekerja pada suatu muatan

merupakan jumlah vektor dari gaya-gaya yang disebabkan oleh muatan-muatan lainnya.

= 8.854 x 10–12 C2�N–1�m–2

Pada tiap gambar di bawah terdapat tiga muatan titik dengankonfigurasi yang berbeda-beda. Ketiga muatan titik memilikimuatan q yang sama besar, hanya yang satu bermuatan positif dan

Buzz - 3

muatan q yang sama besar, hanya yang satu bermuatan positif danyang dua bermuatan negatif. Pada tiap gambar, jarak d adalahsama besar. Urutkan konfigurasi tersebut berdasarkan besarnyaresultan gaya elektrostatik yang bekerja pada muatan +q , dariyang paling besar ke paling kecil.

(a)(c)q q+ –q

d –d q –

17Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

(c)

(b)

q q+ –q –

q q– +q

d –dq

+q

d–d

Contoh 1

+q3

Tiga muatan membentuksebuah segitiga sama sisi.+

–+

sebuah segitiga sama sisi.q1 = +3.7 µCq2 = –3.7 µCq3 = +4.8 µCTentukan besar dan arahgaya elektrostatik yang bekerja pada q sebagai

18Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

q1 q2–+

3 cm

bekerja pada q3 sebagaipengaruh dari kedua muatanyang lain.

Contoh 1 - Solusi

( )2311,3 =

r

qqkFq3

+

F3,1

( )( )( )

( )

N 178

N 178

103

108,4107,3109

2,3

22

669

3,1

=

=

⋅

⋅⋅⋅=

−

−−

F

r+

F3,2

19Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

N 17860cos1782

60cos2F

N 178

1,33

2,3

=⋅⋅=

⋅=

=

F

F

q1 q2–+

3 cm

Contoh 2

Dua buah bola yang sangat kecil masing-masing bermasa8,55 gram, dipegang pada jarak 15 cm dari pusat ke pusat8,55 gram, dipegang pada jarak 15 cm dari pusat ke pusatbola. Bola-bola diberi muatan dengan cara menambahkanelektron dengan jumlah yang sama ke keduanya.Jika gaya-gaya lain diabaikan, berapa banyak elektron yang harus ditambahkan ke masing-masing bola agar keduanyabergerak dengan percepatan 25g ketika dilepaskan?Ke arah mana mereka terakselerasi?

20Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

Ke arah mana mereka terakselerasi?

Contoh 2 - Solusi

Akselerasi: F = ma dengan2

21

r

qqkF =

Kedua bola bermuatan sama, terakselerasi saling menjauhi.

a = 25g = 245 m/s2. Muatan elektron –e = –1,6 x 10-19 C

( )( )

( ) N 09,2

, maka sama, bolaMuatan

N 09,2m/s 452kg 1055,8

2

2

23

=

=⋅==−

F

r

qkF

maF

21Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

( )elektron 1043,1

C 1060,1

C 1029,2N

C 1029,2/CmN 109

N 09,2m 150,0

1319

6

6229

⋅=⋅

⋅==

⋅=⋅⋅

==

−

−

−

e

q

k

Frq

How Laser Printers Worklas

er

A modern laser printer works in part based on electrostatic attraction

http:/

/comp

utersh

oppe

r.com

/layo

ut/set

/print

/featu

re/ho

w-it-w

orks-l

aser

1. Controller2. Photoconducting drum3. Charging roller / Corona wire4. Laser beam

22Fisika 2 – Muatan & CoulombJurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM

http:/

/comp

utersh

oppe

r.com

/layo

ut/set

/print

/featu

re/ho

w

4. Laser beam5. Rotating mirror6. Developer roller7. Toner hopper8. Belt or roller assembly9. Paper tray10. Transfer roller / charging wire11. Cleaning blade12. Fuser http://library.thinkquest.org/C0115420/Cyber-club%20800x600/Gif/pics2/Laser%20Printer.gif