Medan Listrik

Dalam ruang disekitar benda bermuatan listrik A, kita jumpai beberpa gejala. Sebagai contoh benda bermuatan lain B dapat bergerak menjauhi atau mendekati A ( Gambar 1.). Gejala ini disebabkan bekerjanya sutu gaya pada benda bermuatan apa saja yang diletakkan dalam ruang di sekitar benda bermuatan A.

Kita sebut gejala dalam ruang di sekitar suatu benda bermuatanlisrik ini medan listrik.

Gambar 1 : gaya yang bekerja pada muatan-muatan yang diletakkan dalam ruang disekitar benda bermuatan A

Jadi Medan Listrik adalah ruang di sekitar benda bermuatan listrik dimana benda-benda bermuatan listrik lainnya dalam ruang ini akan merasakan atau mengalami gaya listrik

Arah Medan Listrik

Medan Listrik dapat kita gambarkan dengan garis-garis khayal yang dinamakan garis-garis medan (atau garis-garis gaya listrik).

Dapat anda lihat pada gambar 2 dan gambar 3 bahwaaaaa garis-garis medan radial keluar menjauhi muatan positif dan radial kedalam mendekati muatan negative.

Kuat Medan Listrik

Kuat Medan Listrik adalah besaran yang menyatakan gaya coloumb per satuan muatan di suatu titik.

Misalnya di titik P, Lihat gambar.

–         Jika titik P di beri muatan , maka muatannya dinamakan muatan penguji (q), dan selalu bermuatan positif–         Q = Sumber muatan–         Arah Kuat Medan Listrik (E),  searah dengan arah gaya (F)

Secara matematik kuat medan Listrik dirumuskan :

atau 

Karena Besar gaya Columb antara muatan sumber Q dan muatan uji q,

maka Rumus Kuat Medan Listrik adalah sebagai berikut :

dengan : 

E = kuat medan listrik (N/C)

Q = muatan sumber     (C)

r = jarak muatan uji trhadap muatan sumber (m)

k = konstanta = =9×109 Nm2/C2

ε0 = permitivitas listrik vakum = 8,85 . 10-12 C2/Nm2

Medan Listrik Medan listrik adalah suatu ruang yang masih dipengaruhi oleh muatan listrik. Seperti pada gambar , jika disekitar muatan listrik q diletakkan muatan lain +q berjarak r, maka pada +q akan timbul gaya interaksi. Semakin jauh muatan +q dari muatan q , atau semakin besar r nya maka gaya interaksinya semakin kecil. Dan akhirnya akan menjadi nol.

Lebih lengkapnya dapat dikatakan bahwa medan listrik adalah sebagai ruang disekitar muatan listrik dimana titik-titik bermuatan yang berada didalamnya , timbul gaya Elektrostatis. Kekuatan dari medan listrik tersebut dapat dicari dengan menghitung gaya elektrostatis tiap satuan muatannya

Atau Secara Metematis Dapat Dituliskan : Kuat Medan Listrik Yang Ditimbulkan Oleh Muatan Q Pada Suatu Titik Yang Bermuatan Listrik Q Dirumuskan :

Sekarang untuk kuat medan listrik disuatu titik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan yang segaris dapat dihitung dengan cara menjumlahkannya. Kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh masing-masing muatan dijumlahkan secara vektor, dengan didahului mencari arah medan listrik oleh masing-masing muatan listrik sesuai dengan jenis muatannya.

Perhatikan gambar diatas , kuat medan listrik dititik P secara vektor adalah: EP = E1- E2+E3 

Bagaimana dengan kuat medan listrik oleh beberapa muatan yang tidak segaris? 

Coba anda perhatikan animasi berikut ini :Kuat medan listrik dititik p merupakan resultan kuat medan listrik E1 dan E2 yang besarnya adalah:

 

Pada gambar diatas tampak gambaran pusat garis-garis medan listrik dari muatan titik. Besar kecilnya kuat medan listrik disuatu titik dinyatakan dengan kerapatan garis medan listrik. Kerapatan garis medan listrik disuatu tempat disebut dengan fluks medan listrik.fluks medan listrik yang menembus satu satuan luas bidang secara tegak lurus sebanding dengan kuat medan listriknya. 

Jika sebuah bidang kecil ?A ditembus oleh garis medan listrik sebesar ?F secara tegak lurus , kuat medan listrik dititik tersebut dinyatakan sebagai :

Garis-garis gaya listrik untuk dua muatan liatrik adalah sebagai berikut : 

Indeks n pada   an merupakan komponen   a yang tegak lurus dengan medan listrik E. Untuk titik-titik yang berada diudara atau ruang hampa , persaman tersebut dapat ditulis menjadi:

 Sehingga secara umum persamaan dapat ditulis:

Keterangan:

Contoh Soal:Suatu Ruangan Mempunyi Kuat Medan Listrik Sebesar 4X10-4 N/C. Sebuah Bidang Datar Seluas 0,2 M2Membentuk Sudut 600 terhadap arah kuat medan listrik. Tentukan Jumlah Garis Gaya Listrik Yang Menembus Permukaan Bidang Datar Tersebut !

Medan Listrik Pada Bola Konduktor Berongga

Jika sebauh bola konduktor dimuati ( misal muatan positif ), maka distribusi muatan tersebut akan mengikuti sifat interaksi muatan. Karena muatan-muatan sejenis tolak-menolak, maka distribusi muatan pada bola konduktor bola berongga berada dipermukaan bola, sedang di dalam bola tidak terdapat muatan.

 Maka Besarnya kuat medan listrik di a ( di dalam bola ) jari-jari < r adalah nol ( Ea = 0 ).

 Besarnya medan listrik dipermukaan bola dapat dihitung dengan rumus 

E = kQ/r2 dengan r jari-jari bola; dan  Besarnya kuat medan listrik di luar bola konduktor beronga dapat

dihitung dengan rumusE = kQ/R2 dengan R jarak titik yang ditinjau dihitung dari pusat

bola.

Grafik hubungan antara E dan r untuk bola konduktor berongga adalah ..Medan Listrik Pada Konduktor Keping Sejajar

Dua buah keping sejajar dimuati listrik masing-masing +q dan –q ( muatan berlawanan ) seperti pada gambar. Maka :

a.     Kuat medan listrik diantara kedua keping adalah : E =   dimana 

b.    Kuat medan listrik di luar keping : E = 0 dimana r > d Rapat muatan listrik ( ) dideffinisikan sebagai muatan listrik

persatuan luas atau

 Sedangkan besar potmsial listrik diantara keping dirumuskan sebagai : 

  dimana    Dan Potensial Listrik Diluar Keping Dapat Dihitung Dengan

Rumus :   Di   mana d Adalah Lebar Keping. dimana r > d

Pengertian Garis Gaya MegnetGaris Gaya Magnet adalah garis khayal yang keluar dari kutub utara magnet dan masuk di kutub selatan magnet. Garis-garis ini berfungsi untuk membantu memvisualisasikan medan magnet yang ada disekitar magnet. Bila kita letakkan magnet batang pada serbuk besi, maka akan terbentuk pola-pola garis yang mengarah dari utara ke selatan. Selanjutnya disepakati bahwa garis-garis gaya magnet keluar dari kutub utara dan masuk di kutub selatan.

Pengertian Medan MagnetMedan magnet adalah suatu daerah di sekitar magnet di mana masih ada pengaruh gaya magnet.

Adanya medan magnet ini dapat kita tunjukkan dengan menggunakan serbuk besi dan dapat pula menggunakan kompas.

1. Letakkan sebuah magnet batang.

2. Di atas magnet tersebut, letakkan sehelai kertas putih (misal kertas

karton).

3. Taburkan serbuk besi merata di atas kertas itu.

4. Kemudian ketuk-ketuk kertas itu beberapa kali.

Perhatikan dengan cermat bagaimana letak serbuk besi. Ternyata serbuk besi akan membentuk pola seperti Gambar di bawah ini.

Gambar: Contoh Serbuk Besi pada magnet (Medan Magnet)

Apabila kita perhatikan Gambar di atas. Serbuk besi terlihat mengikuti suatu pola yang berbentuk seperti Gambar di bawah ini.

Gambar: Garis gaya magnet

Garis-garis yang terletak pada Gambar tersebut di atas disebut garis-garis gaya magnet. Beberapa contoh garis-garis gaya magnet dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar: Contoh-contoh bentuk garis gaya magnet

Pengertian garis gaya magnetBerdasarkan pengamatan Gambar di atas, maka dapat diambil kesimpulan tentang garis gaya magnet.

1. Garis gaya magnet adalah arah medan magnet yang berupa garis-garis yang

menghubungkan kutub-kutub magnet.

2. Garis gaya magnet memiliki arah meninggalkan kutub utara dan menuju kutub selatan.

3. Garis gaya magnet selalu tidak berpotongan.

4. Tempat di mana garis gayanya rapat maka menunjukkan bahwa medan magnetnya juga kuat begitu pula sebaliknya.

Hukum Gauss

1.Pengertian 

Hukum Gauss adalah hukum yang menentukan besarnya sebuah fluks listrik yang melalui sebuah bidang. Hukum gauss menyatakan bahwa besar dari fluks listrik yang melalui sebuah bidang akan berbanding lurus dengan 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 ini dirumuskan oleh Carl Friedrich Gauss (1777-1855). Beliau adalah salah seorang matematikawan terbesar sepanjang masa. Banyak bidang hukum matematika yang dipengaruhinya dan dia membuat kontribusi yang sama pentingnya untuk fisika teoritis.

Carl Friedrich Gauss

     Hukum Gauss berbunyi "bahwa fluks listrik total yang melalui sembarang permukaan tertutup (sebuah permukaan yang mencakup volume tertentu) sebanding dengan muatan lisfiik (netto) total di dalam permukaan itu".

     Hukum Gauss dapat digunakan untuk menghitung medan listrik dari sistem 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.

     Hukum Gauss ini didasarkan pada konsep garis-garis medan listrik yang mempunyai arah atau anak panah seperti pada gambar di bawah :

Gambar garis-garis medan listrik di sekitar muatan positif

FLUKS LISTRIK     Fluks berkaitan dengan besaran medan yang “menembus” dalam arah yang tegak lurus suatu permukaan tertentu. Fluks listrik menyatakan medan listrik yang menembus dalam arah tegak lurus suatu permukaan. Ilustrasinya akan lebih mudah dengan menggunakan deskripsi visual untuk medan listrik (yaitu penggambaran medan listrik sebagai garis-garis). Dengan penggambaran medan seperti itu (garis), maka fluks listrik dapat digambarkan sebagai banyaknya “garis” medan yang menembus suatu permukaan. Perhatikan gambar di bawah:

Fluks Listrik yang menembus suatu permukaan

Rumus Fluks listrik adalah sebagai berikut :

     Apabila garis-garis medan listrik yang menembus suatu bidang memiliki sudut maka rumus fluks listriknya adalah sebagai berikut :

HUKUM GAUSS PADA PERMUKAAN TERTUTUP

HUKUM GAUSS PADA PERMUKAAN BOLA

HUKUM GAUSS DISEKITAR BIDANG PERMUKAAN

HUKUM GAUSS DISEKITAR KAWAT BERMUATAN MERATA

HUKUM GAUSS PADA BOLA BERMUATAN

Bola isolator bermuatan merata dengan rapat muatan :

Di dalam bola :

Di luar bola :

HUKUM GAUSS PADA BIDANG BERMUATAN