Modul Fisika 1

download Modul Fisika 1

of 45

  • date post

    26-Nov-2015
  • Category

    Documents

  • view

    131
  • download

    16

Embed Size (px)

Transcript of Modul Fisika 1

BAB 1MUATAN LISTRIK DAN MEDAN LISTRIK

A. Listrik Statis; Muatan Listrik dan KekekalannyaListrik berasal dari bahasa yunani yang berarti amber (damar pohon yang membatu) dimana jika ita menggosokkan batang amber pada kain, amber tersebut akan menarik daun-dun kecil atau debu. Hal yang sama juga terjadi jika kita lakukan hal yang sama pada penggaris plastic atau batang kaca, ini lah yang kita sebut sebagai listrik statis. Pada kasus di atas, sebuah benda menjadi bermuatan karena proses penggosikan dan dikatakan memilliki muatan listrik total.

Gambar 1.1Diketahui bahwa ada dua jenis muatan, yakni muatan positif dan negatif dimana jika dua muatan yang sama saling berdekatan maka akan terjadi tolak-menolak, dan sebaliknya jika dua muatan yang berbeda berdekatan akan saling tarik-menarik. Ketika sejumlah muatan tertentu dihasilkan pada satu benda dalam suatu proses, muatan yang berbeda dengan jumlah sama akan dihasilkan pada benda lainnya. Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa jumlah total muatan listrik yang dihasilkan pada setiap proses adalah nol

B. Muatan Listrik dalam AtomAtom memiliki inti bermuatan positif yang berat, yang dikelilingi oleh satu atau lebih electron bermuatan negatif. Inti terdiri dari proton (bermuatan positif) an neutron (muatan netral). Besar muatan pada proto dan elektron dalam atom adalah tepat sama namun berlawanan jenisnya. Artinya, suatu atom netral memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Terkadang, satu atom bisa kehilangan satu atau lebih elektronnya, atau mendapatkan elektron tambahan. Dalam hal ini, atom akan mempunyai muatan positif atau negatif total yang disebut ion.

Gambar 1.2Elektron pada atom dapat bergerak bebas, dan dapat berpindah ke benda lain yang salah satu caranya adalah dengan menggosokkannya. Biasanya ketika dimuati dengan penggosokan, muatan tersebut akan ditahan selama waktu yang terbatas dan akhirnya benda tersebut kembali ke keadaan netral. Muatan tersebut, pada beberapa kasus, dapat bocor ke molekul air di udara. Hal ini disebabkan karena molekul air yang bersifat polar, yaitu, walaupun netral, muatannya tidak terdistribusi merata. Dengan demikian, elektron tambahan dapat bocor karena tertarik oleh ujung molekul air yang positif. Benda yang bermuatan positif, di pihak lain, dapat dinetralkan dengan perpindahan elektron yang tidak terpegang erat oleh molekul air di udara.

C. Isolator dan KonduktorMisalkan kita memiliki dua bola logam, yang satu bermuatan tinggi dan yang lainnya secara elektris netral (gambar5a). Jika sekaragng kita menempatkan sebuah paku besi sedemikian sehingga menyentuh kedua bola (gambar5b), ternyata bola yang tadinya tidak bermuatan menjadi bermuatandalam tempo yang singkat. Jika kita menghubungkan kedua bola dengan sebatang kayu atau dengan sepotong karet (gambar5c), bola yang tidak bermuatan tidak akan terlihat bermuatan. Materi seperti paku besi disebut konduktor (penghantar) listrik, sementara kayu dan karet adalah isolator.

Gambar 1.3Logam pada umumnya merupakan konduktor yang baik sementara sebagian besar materi yang lain adalah isolator (walaupun isolator tetap menghantarkan sedikit listrik). Menarik bahwa hampir semua matri alam termasuk dalam salah satu dari dua kategori yang sangat berbeda ini. Bagaimana pun, ada beberapa materi (yang jelas materi (yang jelas, silikon, germanium, dan karbon), yang termasuk dalam kategori pertengahan (tetapi jelas bedanya) yang disebut semikonduktor.Dari sudut pandang atomik, elektron-elektron pada materi isolator terikat erat ke intinya. Di pihak lain, pada konduktor yang baik beberapa elektron terpegang dengan sangat longgar dan dapat bergerak bebas pada materi tersebut (walaupun tidak bisa meninggalkan materi tadi dengan mudah) dan sering disebut sebagai elektron bebas atau elektron konduksi. Ketika benda bermuatan positif didekatkan atau menyentuh konduktor, elektron-elektron bebas tertarik oleh muatan positif ini dan bergerak dengan cepat ke arahnya. Di pihak lain, elektron-elektron bebas bergerak dengan cepat dari muatan negatif yang didekatkan. Pada semikonduktor, hanya ada beberapa elektron bebas, dan pada isolator, hampir tidak ada.

D. Hukum CoulombPada tahun 1785 Charles Augustin de Coulomb telah melakukan pengamatan secara kuantitatif terhadap gaya antar muatan listrik dengan neraca puntiran. Dari hasil percobaan tersebut ia menemukan hubungan antara gaya tarik atau gaya tolak antar dua muatan dengan besar muatan masing-masing serta jarak antar keduanya. Hukum ini terkenal dengan sebutan Hukum Coulomb yang menyatakan bahwa besarnya gaya tarik atau gaya tolak antar dua titik bermuatan sebanding dengan besarnya muatan masing-masing benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya.

Secara matematik gaya tarik atau gaya tolak antar dua muatan listrik di udara / vakum dapat dirumuskan sebagai :Keterangan: F = gaya Tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan (N)K = konstanta pembanding yang besarnya 910-12C2/Nm20= permitivitas ruang hampa = 8,8510-12C2/ Nm2

Untuk medium lain gayaFm = Fu / nFm= gaya coulomb di medium (N)Fu = gaya coulomb di udara (N)n= permitifitas relative mediumr = jarakduamuatan (m)

Untuk beberapa muatan yang segaris dalam mendapatkan besar gaya coulomb (elektrostatisnya) ,langsung dijumlahkan secara vektor.

Gambar 1.4Besar gaya coulomb pada muatan q1 yang dipengaruhi oleh muatan q2 dan q3 adalah:F1=F12+F13Dengan ketentuan jika arah kanan dianggap positif dan arah kiri dianggap negatif. Jadi besar gaya coulombnya dapat ditulis sebagai:

Jika muatannya lebih dari satu secara umum dapat ditulis sebagai :

F = F1 + F2 + F3 +

Sekarang bagaimana gaya Coulomb dari beberapa muatan listrik yang tidak segaris?

Disini kita misalkan ada tiga buah muatan Q1, Q2 dan Q3. Untuk menentukan gaya coulombnya pada muatan Q1 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

Gambar 1.5

F1 =gaya total yang dialami oleh muatan Q1 (newton)F12= gaya pada Q1 akibat muatan Q2 (newton)F13 = gaya pada Q1 akibat muatan Q3(newton) = sudut antara F12 dan F13

Dengan langkah-langkah sebagai berikut :a. Cari arah gaya masing-masing antara 2 muatan listrikb. Tentukan besar sudut antara kedua muatanc. Kemudian gunakan rumus berikut untuk menghitung gaya totalnya

Contoh 1:Dua muatan titik yang sejenis dan sama besar QA = QB = 10-2 c berada pada jarak 10 cm satu dari yang lain (= 9 x 109 Nm2 C2 . Tentukan gaya tolak yang dialami kedua muatan tersebut !

Penyelesaian:QA= QB = 10-2 MC = 10-8 Cr = 10 CM = 10-1 mK = F = = = = Jadi besar gaya tolak yang dialami kedua muatan adalah 910-5 N

Contoh2 :

Dua buah muatan listrik berada pada jarak 4 cm satu dengan yang lainnya. Kedua muatan itu kemudian saling dijauhkan hingga gaya tolak menolaknya menjadi seperempat kalinya. Tentukan jarak baru antar keduamuatantersebut!

Penyelesaian :F = Dari persamaan tersebut menunjukkan bahwa:F Dengan Demikian :F1 : F2 = : =

=

Jadi Jarak Baru Antar Kedua Kutub Tersebut Adalah 8 Cm.

E. Medan listrik Sebagai analogi perhatikan medan grafitasi bagaimana gaya tarik bumi mengenai benda-benda di sekitar bumi walaupun tidak bersentuhan tapi benda-benda yang dekat ke bumi dapat ditarik ke bumi sehingga jatuh ke bumi. Dalam hal ini dikatakan bahwa di sekitar bumi terdapat medan gaya yang lebih dikenal dengan medan gravitasi bumi.Seperti halnya medan grafitasi, disekitar muatan listrik jika disimpan muatan lain maka muatan tersebut akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak dari muatan sumber dan daerah disekitar muatan yang jika disimpan muatan lain masih dapat ditarik atau ditolak maka daerah tersebut dinamakan terdapat medan gaya listrik atau lebih dikenal dengan sebutan medan listrik sehingga dapat disimpulkan bahwa medan listrik adalah daerah disekitar muatan sumber yang jika disimpan muatan lain masih mendapat gaya interaksi dari muatan sumber tersebut.Kuat medan listrik disuatu titik yang diakibatkan oleh sumber medan berhubungan dengan gaya yang dialami oleh muatan lain. Kuat medan listrik disuatu titik dapat didefinisikan sebagai : Harga (besarnya) gaya yang dialami oleh muatan uji sebesar satu satuan (1coloumb) dititik tersebut.

Medan listrik di adalah :

Atau, dalam

ContohMedan listrik satu muatan titik. Hitung besar dan arah medan listrik pada titik P yang terletak 30 cm di sebelah kanan muatan titik Q = -3,0 10-6 C.

Penyelesaian

F. Garis-garis Medankarena medan listrik merupakan vektor, terkadang disebut sebagai medan vektor. Kita dapat menunjukkan medan listrik dengan tanda panah pada berbagai titik dalam situasi tertentu, seperti pada gambar di bawah ini

Gambar 1.6Untuk memvisualisasikan medan listrik, kita gambarkan serangkaian garis untuk menunjukkan arah medan listrik pada berbagai titik di ruang. Garis-garis medan listrik ini (garis-garis gaya) digambar sedemikian rupa sehingga menggambarkan arah gaya yang disebabkan oleh medan tersebut pada muatan tes positif. Garis-garis gaya yang disebabkan oleh satu muatan positif ditunjukkan pada gambar 6a dan untuk satu muatan negatif pada gambar 6b. Pada bagian (a) garis-garis tersebut menunjuk secara radial keluar dari muatan, dan pada bagian (b) mereka menunjuk secara radial ke dalam menuju muatan karena ini merupakan arah gaya pada muatan tes positif pada setiap kasus. Hanya beberapa garis yang digambarkan untuk mewakili yang lainnya. Kita dapat saja menggambarkan garis-garis di antara yang digambarkan tersebut karena di tempat itu juga ada medan listrik. Bagaimana pun, kita selalu dapat menggambarkan garis-garis sehingga jumlah garis yang dimulai pada muatan positif, atau berakhir pada muatan negatif, sebanding dengan besar muatan. Perhatikan bahwa di dekat muatan, dimana gaya paling besar, garis-garis lebih dekat satu sama lain. Hal ini merupakan properti umum ga