Kuliah Medan_listrik Statis

download Kuliah Medan_listrik Statis

of 66

Transcript of Kuliah Medan_listrik Statis

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    1/66

    MEDAN LISTRIK

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    2/66

     A Brief History

    of Electricity

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    3/66

     Ancient Greeks – Static Electricity

    Rub amber with wool.

     Amber becomes negatively charged by

    attracting negative charges (electrons) from

    the wool.

    The wool becomes positively charged.

    The amber can then pick up a feather.

    How?

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    4/66

    William Gilbert (1544-1603)

    Coined the word “electricity ” from the Greek

    word elektron meaning amber.

    English scientist and physician to QueenElizabeth.

    In 1600 published "De Magnete, Magneticisque

    Corporibus, et de Magno Magnete Tellure" ("On

    the Magnet, Magnetic Bodies, and the Great

    Magnet of the Earth").

    Showed that frictional (static) electricity occurs in many common

    materials.

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    5/66

    Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761)

    Dutch physicist from Leiden, Netherlands, whodiscovered capacitance and invented the Leyden jar .

    Ref: http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/musschenbroek.htm 

    Leyden jar (also called condenser )

    http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/musschenbroek.htmhttp://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/musschenbroek.htm

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    6/66

    Leyden Jars

    http://www.alaska.net/~natnkell/leyden.htm 

    http://home.earthlink.net/~lenyr/stat-gen.htm 

    Refs:

    700 pF, 175 KV

    Q = C x V

    = 700 x 10-12 x 175 x 103

    = 1.225 x 10-4 coulombs

    No. of electrons =

    1.225 x 10-4 coulombs / 1.6 x 10-19 coul/elec= 7.66 x 1014 electrons

    http://www.alaska.net/~natnkell/leyden.htmhttp://home.earthlink.net/~lenyr/stat-gen.htmhttp://home.earthlink.net/~lenyr/stat-gen.htmhttp://home.earthlink.net/~lenyr/stat-gen.htmhttp://home.earthlink.net/~lenyr/stat-gen.htmhttp://www.alaska.net/~natnkell/leyden.htm

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    7/66

    Benjamin Franklin (1706 – 1790)

    Conducted many experiments on staticelectricity from 1746 – 1751 (including his

    lightning experiment) and became famous

    throughout Europe by describing these

    experiments in a series of letters to Peter

    Collinson.

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    8/66

    Charles Coulomb (1736 – 1806)

    Using a torsion balance Coulomb in 1784experimentally determined the law according to

    which charged bodies attract or repel each other.

    Coulomb’s Law 

    1 21 122

    0 12

    1

    4

    q q

    r  F e

    7 2 9

    0

    110 9.0 10

    4c

     

    Unit: Newton meter 2 / coulomb2

    volt meter / coulomb

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    9/66

     Alessandro Volta (1745 – 1827)

    Interpreted Galvani’s experiment with

    decapitated frogs as involving thegeneration of current flowing through

    the moist flesh of the frog’s leg between

    two dissimilar metals.

     Argued with Galvani that the frog was

    unnecessary.

    In 1799 he developed the first battery  (voltaic pile) that

    generated current from the chemical reaction of zinc andcopper discs separated from each other with cardboard discs

    soaked in a salt solution.

    The energy in joules required to move a charge of one coulomb 

    through an element is 1 volt .

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    10/66

    Hans Christian Oersted (1777 – 1851)

    Ref: http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/oersted.htm 

    1822

    In 1820 he showed that a current produces amagnetic field.

    X

    http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/oersted.htmhttp://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/oersted.htm

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    11/66

    André-Marie Ampère (1775 – 1836)

    French mathematics professor who only a weekafter learning of Oersted’s discoveries in Sept.

    1820 demonstrated that parallel wires carrying

    currents attract and repel each other.

    attract

    repel

     A moving charge of 1 coulomb per

    second is a current of

    1 ampere (amp).

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    12/66

    Michael Faraday (1791 – 1867)Self-taught English chemist and physicist

    discovered electromagnetic induction in 1831 by

    which a changing  magnetic field induces an electric

    field.

    Faraday’s electromagnetic 

    induction ring

     A capacitance of 1 coulomb per volt

    is called a farad  (F)

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    13/66

    Joseph Henry (1797 – 1878) American scientist, Princeton University

    professor, and first Secretary of the SmithsonianInstitution.

    Discovered self-

    induction

    Built the largest

    electromagnets of his

    day

    Unit of inductance, L, is the “Henry” 

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    14/66

    James Clerk Maxwell (1831 – 1879)Born in Edinburgh, Scotland;

    Taught at King’s College in London (1860-1865) and was the first Cavendish Professor

    of Physics at Cambridge (1871-1879).

    Provided a mathematical description of

    Faraday’s lines of force. 

    Developed “Maxwell’s Equations” which describe

    the interaction of electric and magnetic fields.

       D

    0 B

    BE

    DH J

    Predicted that light was a form

    of electromagnetic waves

     D E

       B H

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    15/66

     Albert Einstein (1879 – 1955)

    In 1905 publishes his Special Theory of Relativitybased on two postulates:

    1. Absolute uniform motion cannot be detected by any

    means.

    2. Light is propagated in empty space with a velocityc which is independent of the motion of the source.

    This theory predicts seemingly unusual effects such as the measured lengthof moving bodies and time intervals being dependent on the frame of

    reference being used for the measurement.

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    16/66

    Some Electrical Inventors

    • Samuel F. B. Morse (Telegraph)

    • Guglielmo Marconi (Wireless telegraph)

    • Thomas Edison (Electric lights …..) • Nikola Tesla (A.C. generators, motors)

    • John Bardeen and Walter Brattain

     – Transistor

    • Jack Kilby and Robert Noyce

     – Integrated Circuit

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    17/66

    The TelegraphSamuel F. B. Morse

    (1791 – 1872)

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    18/66

    Wireless Telegraph

    Guglielmo Marconi Marconi Spark TransmitterBuilt at the Hall Street Chelmsford Factory

    September, 1897

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    19/66

    Electric LightsThomas Edison

    1847 - 1931

    Replica of original lightbulb

    Patent #223,898

    Invented and developed

    complete DC electric

    generation and distribution

    system for city lighting

    systems

    Carried on a major competition

    with George Westinghouse who

    developed an AC generation and

    distribution system

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    20/66

     Alternating Current (AC) SystemsNikola Tesla

    1856 - 1943Over 700 patents

    Rotating magnetic field principle

    Polyphase alternating-current system

    Inducton motor

     AC power transmission

    Telephone repeaterTesla coil transfromer

    Radio

    Fluorescent lights

    Bell Labs Museum

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    21/66

    The First

    Point-ContactTransistor

    1947

    Bell Labs Museum

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    22/66

    The FirstJunction Transistor

    1951

    Bell Labs

    Lab model

    M1752

    Outside the Lab

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    23/66

    Texas Instrument’s First IC -- 1958

    Jack Kilby

    Robert Noyce

    Fairchild

    Intel

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    24/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    25/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    26/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    27/66

    Properties of Electric Charges• There are 2 kinds of electric charge: positive (+) and

    negative ( –)

     – Carrier of positive charge in matter is the proton (charge = +e)

     – Carrier of negative charge in matter is the electron (charge =  – e)

     –  e = 1.602  10 – 19

    C (typical “shock” experienced on a dryday transfers about 1  10 – 9 C)

     – Charge is quantized (only comes in integer multiples of e)

    •  An object becomes electrically charged  through

    transfer of negative charge (movement of electrons) – Protons don’t move because they are tightly bound to

    atomic nuclei

     – Charge is conserved

     – Neutral  objects have equal amounts of + and – charge

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    28/66

    Properties of Electric Charges• Rubbing a rubber rod with wool transfers negative

    charge to rod

     – Wool has excess positive charge due to loss of negative

    charge

    • Rubbing a glass rod with silk transfers negative

    charge to silk – Glass rod has excess positive charge

    • Experiments show that:

     – Negatively charged rubber rod is attracted to positively

    charged glass rod

     – Negatively charged rubber rod is repelled by another

    negatively charged rubber rod

    • Opposite charges attract, like charges repel

    C f

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    29/66

    Conducting Properties of Materials• Insulators are materials in which electric charge

    does not move easily

     – They can be charged, but charge doesn’t move well  – Glass, rubber, plastic, wood, and paper are examples

    • Conductors are materials in which electric chargemoves easily – When an area becomes charged, charge distributes itself

    over entire surface

     – Copper, aluminum, and silver are examples

     – Charge will remain on conductor if you hold it with an

    insulator• Semiconductors are materials that have electrical

    properties somewhere between conductors andinsulators

     – Silicon and germanium are examples

    M th d f Ch i /Di h i

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    30/66

    Methods of Charging/Discharging• Charging by rubbing

     – Increases surface area of contact and enhances charge

    transfer – Works for insulators but not for conductors

    • Charging by conduction – Charged object brought in contact with a neutral object

     – Neutral object becomes charged with same sign of chargeas object doing the charging

     – Works when (originally) neutral object is insulated

    • Discharging by grounding

     – Negative charge leaves (or enters) object throughconducting path to Earth or other limitless reservoir ofcharge

     – Third opening of electrical outlets is the ground  (connectedto ground by wire and prevents static charge from building)

    M th d f Ch i

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    31/66

    Methods of Charging• Charging by induction (no contact)

     – Repulsive force between like charges in

    charged rod and (insulated) neutral

    conducting sphere causes redistribution of

    charge on sphere (figure (b))

     – Opposite (like) charges move closer to

    (farther from) each other

     – Rod would attract sphere

     – Induced charge on sphere can remain

    if some electrons leave through grounding

     – + charge becomes equally distributed

    because of high mobility of remaining

    electrons

    • In insulators, induced surface charges can occur

    due to polarization (alignment of molecular charge)

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    32/66

     Application: Photocopiers

    (from College Physics,Giambattista et al .)

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    33/66

    Hukum Coulomb

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    34/66

    • Gaya yg dilakukan oleh satu muatan titikpada muatan titik lainnya bekerjasepanjang garis yang menghubungkankedua muatan tersebut. Besarnya gayaberbanding terbalik kuadrat jarak

    keduanya, berbanding lurus dgnperkalian kedua muatan.

    • Gaya tolak menolak  muatan sama

    • Gaya tarik menarik muatan beda

    • Dengan k = 8,99 109 N.m2/C2

    Hukum Coulomb

    122

    12

    2112 r ˆF

    r qkq

    12

    10854,8 

      xo 

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    35/66

     

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    36/66

    Dua muatan titik masing-masing sebesar 0,05 Cdipisahkan pada jarak 10 cm. Carilah (a) besarnyagaya yang dilakukan oleh satu muatan pada muatanlainnya dan (b) Jumlah satuan muatan dasar pada

    masing-masing muatan.

    Contoh Soal

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    37/66

    0, 05C

     

    0, 05C

     10 cm

    q1  q2 F21  F12

     N 

    m

    C  xC  xC m N 

    3-

    2

    66229

    2

    21

    10x2,25

    )1,0(

    1005,01005,0/.8,99x10 

    qkq F

    11

    19

    6

    1012,3106,1

    1005,0 x

    C  x

    C  x

    e

    q N 

     Neq

    Solusi Soal no.1

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    38/66

    2 m 1,5 m

    q1 = 25nC q2 = -10nC q0 = 20nCF20 

    F10 

    i N)(0,367

    i)5,3(

    )1020)(1025)(/.1099,8(

    ˆ

    2

    99229

    102

    10

    0110

     

    m

    C m N 

    r r 

    qkq F 

     N)i0,799(-

    i)5,1(

    )1020)(1010)(/.10(8,99 

    ˆ

    2

    99229

    202

    20

    0220

     

    m

    C C C m N 

    r r 

    qkq F 

     N)i(-0,432i)799,0(i)367,0(2010           N  N  F  F  F total 

    Solusi Soal no.2

    Soal

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    39/66

    q1 q

    2

     

    q3 

    Soal

    Tiga muatan titik terletak pada sumbu x; q1 = 10 μCterletak pada titik asal, q2 = +4 μC berada pada x=80

    cm, dan q0 = 20 μC berada pada x = 60 cm sepertiterlihat pada gambar di bawah. Carilah gaya total padaq0 akibat q1 dan q2.

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    40/66

     N  ,m

    C  Nm F 

     N m

    C C  Nm F 

    81)1(

    )1020)(1010)(/109(

    2)6,0(

    )1020)(104)(/109(

    2

    66229

    13

    2

    66229

    23

     N  N  F 

     N  N  F 

    o

     y

    o

     x

    1,137sin)8,1(

    4,137cos)8,1(

    13

    13

    o

     y x

    dan

     N  F 

     N  N  F  N  F 

    664,1

    1,3arctan

    4,31,34,1

    1,10,2dan4,1

    22

      

    Solusi Soal

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    41/66

    Untuk menghindari kesalahan yang mungkinterjadi dalam konsep gaya maka diperkenalkanlah

    konsep medan listrik. Dimana:

    )( 0  kecil qq

     F  E 

    o

    Medan Listrik

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    42/66

    • Hukum Coulomb untuk E 

    akibat satu muatan titik.

    • Hukum Coulomb untuk E 

    akibat suatu sistem

    muatan titik.

    02

    0

    i

    ii   r 

    kq E   

    i

    i

    i

    ii   r 

    kq E  E  02

    0

    ˆ

    Contoh Soal

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    43/66

    • Sebuah muatan positif q1=+8nC berada pada titik asal dan muatan

    kedua positif q2=+12nC berada pada sumbu x = 4m dari titik asal.

    Carilah medan lisriknya di sumbu x untuk:

     – P1 yang berjarak x=7m dari titik asal.

     – P2 yang berjarak x=3m dari titik asal.

     – Mungkinkah kita menemukan suatu daerah bebas medan listrik

    yang diakibatkan oleh kedua muatan listrik tersebut

    Contoh Soal

    + +P1 P2 

    4 m

    7 m

    q1=8nC

    q2=12nC

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    44/66

    3 m

    + + P1 P2 

    4 m

    7 m

    q1=8nC

    q2=12nC

    )P(di )/5,13()/0,12()/47,1(

    3

    1012/1099,8

    7

    108/1099,8

    1

    2

    9229

    2

    9229

    22

    2

    21

    1

    iC  N iC  N iC  N 

    im

    C C  Nmi

    m

    C C  Nm

    i x

    kq

    i x

    kq

     E 

    )P(di )/100()/108()/99,7(

    )(1

    1012/1099,8

    3

    108/1099,8

    2

    2

    9229

    2

    9229

    22

    2

    2

    1

    1

    iC  N iC  N iC  N 

    im

    C C  Nmi

    m

    C C  Nm

    i x

    kqi x

    kq E 

    Solusi soal

    Latihan Soal!

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    45/66

    • Hitunglah nilai E di P3 !

    • Berapa besar sudut yang diciptakan resultan E di P3 terhadap sumbux positif.

    + +q1=8nC

    q2=12nC

    4 m

    3 m

    E di P3 ?

    Latihan Soal!

    1. Dari gambar tersebut di atas

    2 Hit l h ( ) d li t ik E di d d j k 30 d i b h t

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    46/66

    46

    2. Hitunglah (a) medan listrik E di udara pada jarak 30 cm dari sebuah muatantitik q1 = 5x10

    -9C, (b) gaya pada suatu muatan q2 4x10-10C yang ditempatkan

    30 cm dari q1, dan (c) gaya pada muatan q3 = -4x10-10C yang ditempatkan 30

    cm dari q1 (dimana q2 tidak ada).

    3. Tiga muatan ditempatkan pada tiga sudut sebuah bujur sangkar seperti padagambar. Setiap sisi bujursangkar adalah 30 cm. Hitunglah E pada sudut keempat!

    Berapakah gaya yang diberikan oleh muatan 6μC pada sudut yang kosongtersebut?

    4. Terdapat dua buah bola kecil bermuatan, q1 = +20x10-8C dan q2 = -5x10

    -8C.Tentukan (a) medan listrik E pada titik P, (b) gaya pada muatan -4x10-8C yangditempatkan pada P, dan (c) posisi dimana medan listrik nol (jika tidak adamuatan -4x10-8C).

    q1  q2 P5 cm 5 cm

    -5μC+8μC

    -4μC

    G i i d li t ik

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    47/66

    • Garis medan listrik bermula dari muatan + dan berakhir pada muatan – • Garis2 digambar simetris, meninggalkan atau masuk ke muatan

    • Jumlah garis yang masuk/meninggalkan muatan sebanding dgn besar

    muatan

    • Kerapatan garis2 pada sebuah titik sebanding dgn besar medan listrik di

    titik itu

    • Tidak ada garis2 yang berpotongan

    Garis-garis medan listrik

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    48/66

    • Muatan titik dalam medan listrik akan mengalami gaya qE.

    • Sehingga percepatan partikel dalam medan listrik memenuhi:

    • Didapatkan dari: Fmekanik = Flistrik

     E m

    qa  

    Gerak Muatan Titik di

    Dalam Medan Listrik

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    49/66

    • Sebuah elektron ditembakkan memasuki medan

    listrik homogen E = (1000 N/C)i dengan

    kecepatan awal Vo=(2 x 106 m/s)i pada arah

    medan listrik.Berapa jauh elektron akan bergerak sebelum

    berhenti?

    Soal 6

    Di l Li t ik

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    50/66

    • Dipol listrik terjadi jika dua muatanberbeda tanda dipisahkan olehsuatu jarak kecil L.

    • Suatu dipol listrik ditandai oleh

    momen dipol listrik p, yangmerupakan sebuah vektor yangmempunyai arah dari muatannegatif ke positif.

    • p=qL, untuk gambar kartesiandiatas maka p=2aqi

    -q +q

    L

    p=qL +-

    Dipol Listrik

    C h Di l li ik

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    51/66

    51

    Contoh Dipol listrik  :

    Sebuah muatan positif dan sebuah muatan negatifmempunyai besar q yang sama TERPISAH SEJAUH 2a. Berapakah

    besar medan yang ditimbulkan oleh KEDUA muatan inipada titik P, sejarak r sepanjang garis pembagi tegaklurus dari garis yang menghubungkan muatan MUATANtsb ? Anggap r >> a.

    1 E 

    +q

    -q

    a

    ar

    θ 

    θ 

    θ 

    P

    2 E 

     E 

     E 

    2 4 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    52/66

    52

    2.4 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu

    Jika distribusi muatan tersebut adalah kontinu, makamedan yang ditimbulkannya di setiap titik P dapat

    dihitung dengan membagi elemen2 yang sangat kecil dq.Medan  yang ditimbulkan oleh setiap elemen akandihitung, dengan memperlakukan elemen2 tsb sebagai

    muatan titik. diberikan oleh

    Dimana r adalah jarak dari elemen muatan dq ke titik P.medan resultan kemudian dicari dari prinsip superposisi

    dengan menjumlahkan kontribusi2 medan yangditimbulkan oleh semua elemen muatan, atau

    r r dqr  E d    ˆ

    41)( 2

      )()(   r  E d r  E  

    )(r  E d  

    )(r  E d   

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    53/66

    M d k b t b t

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    54/66

    Medan karena batang bermuatanLihat gambar berikut:Sebuah muatan listrik dengan rapat muatan terletak pada batang dengan

    panjang L hitunglah besarnya medan listrik di titik P sejauh b dari salah satuujung batang bermuatan 

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    55/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    56/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    57/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    58/66

    Bila panjang batang tak

    berhingga maka

     y E 

    dq E  E 

    dE  E 

     y

     y

    0

    2

    0

    2

    cos24

    1

    cos

     

     

      

     

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    59/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    60/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    61/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    62/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    63/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    64/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    65/66

  • 8/18/2019 Kuliah Medan_listrik Statis

    66/66