Unit 1 Elektrostatik

UNIT 1

ELEKTROSTATIK

1.1 PENDAHULUAN

Elektrik dan Kemagnetan memainkan peranan yang besar dalam hampir kesemua aspek

kehidupan seharian kita ... dari saat kita bangun, masa kita pergi tidur (dan juga ketika kita

sedang tidur), aplikasi elektrik dan kemagnetan memberikan kita alat, cahaya, kehangatan,

pengangkutan, komunikasi, dan juga hiburan. Tanpa fenomena keelekrikan, kita akan kembali

ke zaman pra sejarah. Tamadun kita akan runtuh. Walaupun digunakan secara meluas,

terdapat banyak perkara lagi yang kita perlu pelajari mengenai fenomena keelektrikan dan

kemagnetan ini!

1.2 HASIL PEMBELAJARAN

Di akhir unit ini, anda diharap dapat:

1. Mengira kuantiti cas pada suatu objek bercas.

2. Menjelaskan cara elektroskop berfungsi.

3. Menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan cas dan pengecasan menggunakan

prinsip keabadian cas.

4. Menyatakan Hukum Coulomb

5. Menggunakan hukum Coulomb untuk menyelesaikan masalah yang berkaitan

dengan daya elektrostatik.

6. Membandingkan hukum kegravitian Newton dengan hukum Coulomb.

7. Membezakan antara bahan konduktor dan penebat

8. Menggambarkan medan elektrik

9. Menerangkan keupayaan Elektrik

10. Menentukan, mengukur, dan mengira kekuatan medan elektrik.

11. Menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan cas, medan elektrik, dan daya.

1.3 CAS ELEKTRIK

Pernahkah anda melihat eksperimen menggosok sikat plastik dengan kain bulu.

Sikat tersebut kemudiannya boleh menarik kepingan kecil kertas seperti ditunjukkan dalam

Rajah 1.1 di bawah. Eksperimen ini menunjukkan fenomena elektrostatik iaitu sikat plastik

menjadi bercas akibat geseran dan menarik kepingan kecil kertas yang tidak bercas (neutral).

Unit 1 Elektrostatik

Gambar diambil daripada Shanon’s Book Nook “Calvin Can’t Fly: The Story of a Bookworm Birdie”;

http://shannonsbooknook.com/?p=666 (dicapai pada November 30, 2013).

Fenomena seperti ini biasa berlaku dalam kehidupan seharian, terutamanya pada cuaca kering.

Keadaan ini dapat diterangkan dan difahami dengan mempelajari elektrostatik.

Elektrostatik adalah suatu bidang fizik yang melibatkan kajian mengenai zarah bercas dan

interaksi antara cas-cas ini. Terdapat dua jenis cas, iaitu cas positif dan cas negatif. Kita

mulakan perbincangan dengan pengenalan kepada atom.

Jirim terdiri daripada atom. Pada mulanya atom dianggap sebagai blok-blok asas terkecil bagi

jirim, tapi kini kita tahu bahawa atom boleh dipecahkan kepada “unsur yang lebih kecil”,

yang dikenali sebagai proton, elektron, dan neutron seperti yang ditunjukkan pada Rajah

1.2. Setiap atom terdiri daripada suatu “teras padat” yang terdiri daripada proton bercas positif

dan mungkin juga neutron (neutral). Teras ini dikenali sebagai nukleus. Nukleus dikelilingi

oleh "awan" yang jauh lebih kecil, iaitu elektron bercas negatif. Elektron mengelilingi nukleus

pada tahap tenaga yang berbeza. Untuk melompat ke tahap tenaga yang lebih tinggi, elektron

mesti menyerap tenaga. Apabila elektron jatuh ke tahap tenaga yang lebih rendah, ia

mengeluarkan tenaga.

Gambar diambil daripada Simple english wikipedia. “Atom” http://simple.wikipedia.org/wiki/Atom (dicapai

pada November 21, 2013).

Atom secara umumnya adalah neutral - iaitu, atom mempunyai jumlah cas positif yang sama

banyak dengan jumlah cas negatif, memberikan cas bersih sifar. Untuk perkara ini berlaku,

bilangan proton mesti sama dengan bilangan elektron. Pada keadaan tertentu, bagaimanapun,

atom boleh menerima atau kehilangan elektron. Pada kes seperti ini, atom secara

keseluruhannya tidak lagi neutral, dan namanya diubah menjadi ion. Jika atom kehilangan

satu atau lebih elektron, atom mempunyai cas bersih positif, dan dikenali sebagai ion positif.

Jika, sebaliknya, atom menerima satu atau lebih elektron, atom mempunyai cas bersih

Rajah 1.2

Struktur atom- Model Rutherford.

Proton (bercas positif)

Elektron (bercas negatif)

Neutron (neutral)

Rajah 1.1: Kertas tertarik kepada sikat yang bercas

Unit 1 Elektrostatik

negatif, dan dipanggil ion negatif. Cas yang sama menolak antara satu sama lain, sementara

cas yang berlainan menarik antara satu sama lain.

Gambar diambil daripada IB PHYSICS by Caira Sato and Ivy Fernandes, “Chapter 5”

http://ivyandcairaphysics.weebly.com/notes-chapter-5-and-6.html (dicapai pada November 21, 2013).

Dalam fizik, kuantiti cas diwakili oleh simbol Q. Cas adalah merupakan kuantiti asas dalam

fizik, sama seperti panjang, masa, dan beberapa kuantiti yang lain. Unit asas bagi cas ialah

Coulomb, simbol bagi unit coulomb ialah C. Satu coulomb merupakan suatu jumlah cas yang

sangat besar. Cas untuk elektron atau proton tunggal ialah 1.6 × 10−19C. Cas bagi elektron

atau proton tunggal dinamakan cas asas. Simbol cas asas (cas elektron atau proton tunggal)

ialah q bagi proton, dan e bagi elektron. Oleh kerana magnitud kedua-duanya sama, biasanya

kita menggunakan simbol e sahaja. Jadual 1.1 menunjukkan cas asas dan jisim bagi elektron,

proton dan neutron. Kita memerlukan 6.25 × 1018 sama ada proton atau elektron untuk

membentuk satu coulomb cas! (Rujuk contoh 1.2- Jangan bimbang dan anda tidak perlu

menghafal nilai ini. Anda hanya perlu memahami cara kita mendapat nilai ini.)

1.4 HUBUNGAN ANTARA KUANTITI CAS DAN CAS ASAS

Cas adalah terkuantum. Perkataan ini bermaksud bahawa magnitud cas adalah dalam bentuk

diskrit iaitu gandaan magnitud cas asas, e, cas untuk elektron tunggal. Dalam sebutan

persamaan matematik, kita menulis kenyataan ini sebagai

Q = ne (1.1)

Rajah 1.3

Cas yang sama menolak antara satu sama

lain, sementara cas yang berlainan menarik

Aktiviti 1.1 Ingat kembali: Apa itu kuantiti asas? Nyatakan takrifan,

nama dan unit asas bagi kuanttiti asas. Bandingkan dengan

kuantiti terbitan, dan berikan contoh bagi lima kuantiti

terbitan dan unit bagi kuantiti terbitan itu setiap satu.

Unit 1 Elektrostatik

Persamaan itu memberikan hubungan antara kuantiti cas, Q dan cas asas, e. Sebagaimana

dinyatakan nilai untuk cas asas, e = 1.6 × 10−19 C. n ialah bilangan cas asas dan ia ialah suatu

integer (n = 0, 1, 2, 3,....).

Zarah Jisim Cas asas

Elektron 9.11 × 10−31 kg −1.6 × 10−19 C

Proton 1.672 × 10−27 kg 1.6 × 10−19 C

neutron 1.674 × 10−27 kg 0

___________________________________________________________________________

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.1

Katakanlah suatu objek mengandungi lebihan 6.0 × 106 elektron. (a) Apakah jenis cas jasad

itu? (b) Kirakan kuantiti cas bagi objek itu?

Penyelesaian

(b) Q = ne )C106.1)(106( 196 −××= =9.6 × 1013 C

___________________________________________________________________________

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.2

Berapakah bilangan elektron dalam satu coulomb cas negatif.

Penyelesaian

Nota: Perhatikan bahwa jawapan ini adalah pernyataan yang telah kita nyatakan pada

Bahagian 1.3

___________________________________________________________________________

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.3

Berapakah bilangan elektron yang mesti disingkirkan daripada satu kepingan wang perak

supaya kepingan wang perak itu bercas +2.4 µC?

186.25 10 elektron×

Jadual 1.1

Cas asas dan jisim bagi elektron, proton dan neutron

Unit 1 Elektrostatik

Penyelesaian

1.5 × 1013 elektron

___________________________________________________________________________

1.5 PRINSIP KEABADIAN CAS

Tahukah anda bahawa kuantiti cas elektrik bagi suatu sistem cas adalah

sentiasa tetap. Dalam lain perkataan, cas elektrik tidak dapat dicipta atau dimusnahkan. Jika

suatu sistem cas itu mempunyai bilangan cas positif yang sama dengan cas negatif, misalnya,

kita tidak dapat melakukan apa-apa untuk menambahkan atau mengurangkan cas ini

melainkan dengan membawa cas lain daripada luar sistem tersebut. Juga sekiranya cas bagi

suatu sistem ialah +3e, ianya akan sentiasa +3e melainkan terdapat interaksi antara cas lain di

luar daripada sistem.

Kenyataan ini dikenali sebagai prinsip keabadian cas. Prinsip ini menyatakan bahawa jumlah

cas bersih bagi suatu sistem adalah malar (tetap).

1.6 HUKUM COULOMB

Pemerhatian eksperimen menunjukkan apabila dua cas yang sama (iaitu

samada kedua-duanya positif atau kedua-duanya negatif) dibawa berdekatan antara satu sama

lain, cas-cas itu akan mengalami daya tolakan manakala apabila dua cas yang berlawanan

(iaitu satu bercas negatif dan satu bercas positif) dibawa berdekatan antara satu sama lain, cas-

cas itu akan mengalami daya tarikan seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.3.

Jika anda masih ingat, hukum kegravitian Newton menerangkan daya tarikan antara dua

jisim ditentukan oleh hasildarab kedua-dua jisim dan jarak antara jisim-jisim tersebut dan

diberikan oleh:

2r

mMGF = (1.2)

iaitu G ialah pemalar kegravitian, m ialah jisim jasad 1, M ialah jisim jasad 2 dan r ialah jarak

antara jasad 1 dan jasad 2. Sama seperti hukum kegravitian Newton, daya tarikan atau

Aktiviti 1.2 Berapakah elektron yang perlu dipindahkan kepada suatu

objek supaya objek itu mempunyai kuantiti cas, Q = −30.0 µC?

Unit 1 Elektrostatik

tolakan bagi dua cas statik ditentukan oleh hasildarab kedua-dua cas dan jarak antara cas-cas

tersebut. Magnitud daya elektrostatik yang dinyatakan oleh Hukum Coulomb.

221

r

QQkF = (1.3)

iaitu Q1 ialah kuantiti cas 1, Q2 ialah kuantiti cas 2, dan r ialah jarak antara dua cas tersebut

seperti ditunjukkan pada Rajah 1.4.

Gambar diambil daripada SparkNotes Editors. “SparkNote on Ionic Bonds.” SparkNotes LLC. n.d.

http://www.sparknotes.com/chemistry/bonding/ionic/ (dicapai pada October 31, 2013).

k ialah pemalar perkadaran disebut sebagai pemalar elektrostatik dan k = 9.0 × 109 Nm

2/C

2

dalam sistem unit S.I.

Hukum Coulomb ini menerangkan kekuatan (magnitud) daya antara dua cas. Daya

elektrostatik antara dua cas diukur dalam unit Newton (N), iaitu sama seperti daya-daya yang

lain. Daya ini bertindak di sepanjang garis yang menghubungkan cas-cas tersebut. Rajah 1.5

di bawah menerangkan arah tindakan daya elektrostatik terhadap zarah bercas.

___________________________________________________________________________

r

Apabila kita menerangkan hukum kegravitian Newton, kita

kaitkan daya graviti dengan daya tarikan. Tetapi apabila kita

menerangkan Hukum Coulomb kita kaitkan daya itu dengan

daya tarikan dan daya tolakan. Cuba terangkan.

Aktiviti 1.3

Kedudukan dua cas pada paksi mengufuk

dipisah sejarak r

+ +

+ + r

Garis yang menghubungkan kedua-

dua cas itu

Arah daya elektrostatik yang

bertindak pada kedua-dua cas + +

Rajah 1.4

Hukum Coulomb

Rajah 1.5

Daya elektrostatik: Cas yang sama mengalami daya tolakan dan bertindak di

sepanjang garis yang menghubungkan cas-cas tersebut.

F1 F2

Unit 1 Elektrostatik

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.4

Katakanlah suatu zarah mengandungi tiga proton dan dipisahkan sejauh 1×10−6 m daripada

elektron tunggal. Kirakan daya elektrostatik antara cas-cas tersebut. Adakah daya itu tarikan

atau tolakan?

Penyelesaian

F = 6.90 × 10−6 N. Daya itu ialah daya tarikan.

___________________________________________________________________________

Kita sedia maklum bahawa daya adalah kuantiti vektor yang mempunyai magnitud dan arah.

Sekiranya terdapat lebih dari dua cas, daya bersih ke atas setiap cas adalah hasiltambah vektor

daya yang dikenakan oleh setiap cas yang lain ke atas cas tersebut. AWAS! Jangan lupa

mengambil kira bahawa cas sama menolak manakala cas berlainan menarik antara satu sama

lain. Mari kita bincangkan Contoh 1.5.

___________________________________________________________________________

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.5

Tiga cas mempunyai kuantiti cas yang sama, Q diletakkan segaris seperti ditunjukkan dalam

Rajah 1.6. Jarak antara cas A dan B sama dengan jarak di antara cas B dan C, iaitu d. Cas A

ialah positif manakala cas B dan C ialah negatif.

Kirakan daya elektrostatik yang dialami oleh

(a) Cas A.

(b) Cas B.

(c) Cas C.

Aktiviti 1.4 Mengikut Hukum Coulomb, apabila jarak di antara dua cas

digandakan maka daya di antara cas-cas ini

A. Berkurang kepada separuh

B. Berkurang kepada satu perempat

C. Bertambah menjadi dua kali ganda

D. Bertambah menjadi empat kali ganda

+ − − − A B C

d d

Rajah 1.6

Unit 1 Elektrostatik

Penyelesaian

(a) Fbersih pada cas A 2

Q Q1.25k

d= dan bertindak pada arah kanan.

(b) Fbersih pada cas B 2

Q Q2k

d= dan bertindak ke arah kiri.

(c) Fbersih pada cas C = 2d

QQk75.0 dan bertindak ke kanan.

___________________________________________________________________________

1.7 PENGALIR DAN PENEBAT

Tahukah anda kenapa wayar yang digunakan untuk menyambungkan alatan

elektrik ke soket dinding dibalut dengan selaput getah?

Ini adalah kerana wayar logam merupakan konduktor elektrik yang baik, manakala getah pula

merupakan suatu penebat. Kebanyakan bahan adalah samada konduktor atau penebat.

Konduktor elektrik membenarkan elektron mengalir melaluinya dengan bebas. Objek yang

diperbuat daripada bahan konduktor akan membenarkan cas dipindahkan kepada seluruh

bahagian objek. Contoh yang baik ialah logam seperti emas, tembaga, perak, dan aluminium.

Konduktor mempunyai ciri kekonduksian yang baik. Konduktor yang baik memberikan

rintangan yang sangat kecil kepada aliran cas. Aliran cas ini disebut arus elektrik, I dan topik

ini akan dibincang pada Unit 3.

Penebat elektrik pula adalah bahan yang mempunyai elektron yang terikat dengan kuat dan

elektron tidak dapat mengalir dengan bebas. Jika sekiranya cas dipindahkan kepada suatu

penebat pada suatu kawasan, cas lebihan ini akan kekal berada pada kawasan tersebut.

Penebat tidak membenarkan elektron mengalir bebas di dalamnya dan cas biasanya tidak

diagihkan sama rata pada keseluruhan objek. Rajah 1.7 menunjukkan pengaliran cas melalui

Aktiviti 1.5 Dua cas yang masing-masing mempunyai magnitud 3.60µC,

dipisahkan sejauh 93 mm antara satu sama lain.

(i) Kirakan magnitud daya elektrik antara dua cas itu.

(ii) Lukiskan arah daya elektrik yang bertindak pada kedua-

dua cas itu.

Unit 1 Elektrostatik

bahan penebat dan konduktor. Penebat yang baik termasuk bahan-bahan seperti kaca, plastik

dan getah.

Gambar diambil daripada Physics for kids “ Conductor and conductivity

http://www.physics4kids.com/files/elec_conduct.html (dicapai pada October 31, 2013).

Satu lagi kategori bahan ialah bahan semikonduktor, iaitu bahan yang bukan pengalir dan

penebat yang baik. Dalam bentuk tulen, semikonduktor merupakan penebat yang baik.

Bagaimanapun, dengan menambahkan bendasing yang disebut dopan, ke dalam bahan

semikonduktor, rintangannya boleh berubah sehingga menjadi konduktor.

Kategori bahan boleh dicirikan oleh kerintangan mereka, atau keupayaan untuk menentang

pergerakan cas. Jadual 1.1 menunjukkan kerintangan beberapa bahan.

Jadual 1.1: Kerintangan beberapa Bahan

Bahan Kerintangan, ρ (Ω.m)

Penebat

kuartza 7.5 × 1017

Getah 1 sehingga 100 × 1013

Glass 1 sehingga 10000 × 109

Semikonduktor

Silikon* 0.10 sehingga 60

Germanium* 0.001 sehingga 0.5

Konduktor

Plumbum 22 × 10−8 Besi/ Ferum 9.71 × 10−8 Tungsten 5.6 × 10−8

Aluminium 2.56 × 10−8 Emas 2.2 × 10−8

Kuprum 1.68 × 10−8 Perak 1.59 × 10−8

Rajah 1.7

Karton yang mengambarkan pengaliran cas terhadap

bahan pengalir dan penebat. Gambar (a) pada bahagian

atas karton menunjukkan pengaliran cas bagi suatu bahan

pengalir yang baik, tetapi keadaan yang sama tidak

berlaku pada bahan penebat seperti yang ditunjukkan pada

gambar (b) di bahagian bawah

(a)

(b)

Unit 1 Elektrostatik

* Kerintangan bagi bahan semikonduktor berubah dan bergantung kepada jenis dan jumlah

bendasing. Ciri ini menyebabkan bahan semikonduktor berguna dalam aplikasi elektronik

[Gambar diambil daripada RW schoolfield electrical. “Commercial & Residential Electrical Troubleshooting

throughout the Charlotte & Greensboro Areas” http://www.schoolfieldelectric.com/blog/(dicapai pada October

31, 2013).]

1.8 PENGECASAN SESUATU OBJEK

Masihkah anda ingat eksperimen menggosok sikat plastik dengan kain bulu?

Sila rujuk pada bahagian 1.1. Sikat yang telah digosok oleh kain bulu boleh menarik

kepingan kecil kertas seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.1. Sikat plastik menjadi bercas

akibat geseran. Kita telah mengecas sikat itu dengan samada memberikan cas negatif atau

mengeluarkan cas negatif kepada/daripada sikat itu.

Terdapat tiga kaedah untuk mengecas suatu objek, iaitu (1) melalui kaedah geseran, (2)

sentuhan dan (3) aruhan. Kaedah mengecas secara geseran berguna untuk mengecas suatu

penebat manakala kaedah sentuhan dan aruhan digunakan untuk mengecas bahan konduktor.

Elektroskop

Alat yang digunakan untuk menentukan cas sesuatu objek adalah elektroskop. Elektroskop

terdiri daripada tombol logam melekat pada batang logam yang dihubungkan kepada dua

kepingan nipis logam (emas), dipanggil kerajang emas seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.8.

Elektroskop boleh mengesan kehadiran cas bagi sesuatu objek yang dibawa hampir kepada

tombol logam elektroskop, atau elektroskop itu boleh dicaskan secara sentuhan.

Aktiviti 1.6

Nyatakan jenis logam ini dan

berapakah nilai kerintangannya

Unit 1 Elektrostatik

Rajah 1.8: Elektroskop kerajang emas

[Gambar diambil daripada http://ecx.images-amazon.com/images/I/41op3ZPQDmL._SL500_AA300_.jpg

(dicapai pada Januari 23, 2014).]

Rajah 1.9 menunjukkan elektroskop mengesan cas objek apabila objek bercas dibawa

menghampiri suatu elektroskop tanpa menyentuhnya. Kita akan perhatikan bahawa kerajang

emas mencapah apabila objek bercas dihampirkan kepada tombol logam elektroskop.

Rajah 1.9:. (a) Cas positif menarik cas negatif ke tombol logam, dan cas positif tertinggal di

bahagian bawah batang logam dan kerajang emas. Cas yang sama menolak. Kita akan

perhatikan kerajang emas mencapai. (b) (a) Cas negatif menolak cas negatif ke kerajang emas

dan bahagian bawah batang logam, dan cas positif tertinggal di tombol logam. Pada keranjang

emas, cas sama menolak dan kita akan perhatikan kerajang emas mencapai.

Pengecasan secara Geseran

Kita sedia maklum bahawa penebat tidak mempunyai elektron yang bebas bergerak. Oleh itu,

bahan penebat biasanya dicaskan melalui kaedah geseran. Walau pun elektron-elektron di

bahagian dalam atom terikat dengan kuat akibat daya elektrostatik yang wujud antara elektron

dengan nukleus, elektron-elektron di bahagian terluar terikat agak lemah dengan nukleus.

Proses geseran boleh mengeluarkan sebahagian daripada elektron-elektron terluar ini daripada

atom-atom mereka. Melalui kaedah pengecasan secara geseran, satu objek akan menjadi

Tombol Logam

Kerajang emas

Batang logam

Penebat

++++++++++

−−−− −−−− −−−−

++++++++++ −−−− −−−− −−−− −−−− −−−− −−−− −−−− −−−−

−−−−

−−−−−−−−

−−−−−−−−

+

+

+

+

+

+ +

+

−−−− −−−− −−−− −−−− −−−− −−−− −−−−

Objek bercas positif

Kerajang emas

mencapah

Objek bercas negatif

(a) (b)

Unit 1 Elektrostatik

bercas negatif manakala objek yang satu lagi akan menjadi bercas positif. Perlu diambil

perhatian bahawa walau pun pemindahan cas berlaku antara objek-objek ini, tetapi jumlah

cas diabadikan. Ini membawa maksud jumlah cas awal sama dengan jumlah cas akhir.

Contohnya, apabila satu jalur asetat digosok dengan kain, jalur asetat didapati bercas

positif sementara kain bercas negatif. Ini adalah kerana melalui proses geseran beberapa

elektron terbebas daripada atom-atom asetat. Elektron-elektron yang terbebas itu

kemudiannya berpindah kepada kain. Akibatnya asetat mengalami kekurangan elektron dan

menjadi bercas positif, sementara kain mempunyai kelebihan elektron dan menjadi bercas

negatif. Rajah 1.10 di bawah menunjukkan satu tiub plastik yang dicaskan secara geseran.

Rajah 1.10 (a) Tiub plastik boleh dicaskan dengan menggosok tiub tersebut menggunakan

bulu haiwan sintetik (c) Tiub plastik yang bercas dibawa meghampiri cebisan kertas (d)

Cebisan kertas tertarik kepada tiub plastik bercas.

[Gambar diambil daripada Charging by Friction, http://www.physicsclassroom.com/class/estatics/Lesson-

2/Charging-by-Friction (dicapai pada Januari 23, 2014).]]

Pengecasan secara sentuhan

Kaedah pengecasan secara sentuhan pula berguna untuk mengecas logam dan bahan

konduktor. Jika objek bercas menyentuh konduktor, sebahagian daripada cas akan

dipindahkan daripada objek kepada konduktor. Ini bermakna cas pada konduktor adalah sama

jenis dengan cas objek.

Pengecasan secara Aruhan

Kaedah aruhan juga berguna untuk mengecas logam dan bahan konduktor. Dalam kaedah ini

suatu objek bercas digunakan, tetapi kali ini ia dibawa berdekatan dengan konduktor tanpa

menyentuh konduktor tersebut. Konduktor akan teraruh, dan cas pada logam akan terkutub.

Pengutuban adalah proses pemisahan cas yang bertentangan dalam suatu objek.

(a) (b)

(c) (d)

Unit 1 Elektrostatik

Rajah 1.1: (a) Objek neutral (b) Objek bercas negatif dibawa menghampiri objek neutral dan

mengaruh susunan cas menyebabkan cas terkutub, iaitu satu bahagian mempunyai lebihan cas

positif dan satu bahagian mempunyai lebihan cas negatif. Objek secara keseluruhan masih

lagi neutral.

[Gambar diambil daripada Charging by Induction, http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-

iv/electric-charges/charging-by-induction.php (dicapai pada Januari 23, 2014).] ]

Cas positif dipisahkan daripada cas negatif. Dengan mengaruh cas dalam suatu objek, satu

bahagian objek akan mempunyai lebihan cas positif dan satu sisi yang lain akan mempunyai

lebihan cas negatif. Rajah 1.11 menunjukkan proses aruhan dan seterusnya berlaku

pengutuban cas.

Jika konduktor disambungkan ke bumi (bumi adalah sesuatu yang neutral yang dapat

memberi atau menerima electron dari objek), cas negatif akan samada mengalir ke bumi atau

mengalir daripada bumi. Apabila sambungan ke bumi diputuskan, konduktor akan

mempunyai cas yang berlawanan dengan cas objek seperti ditunjukkan pada Rajah 1.12.

Rajah 1.12: (a) Objek neutral (b) Pengutuban cas (c) Sfera logam dibumikan. Objek bercas

masih mengaruh cas pada sfera (d) Tiada lagi pembumian (e) Objek bercas dijauhkan dan

tiada lagi aruhan. Sfera bercas negatif.

[Gambar diambil daripada Charging by Induction, http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-

iv/electric-charges/charging-by-induction.php (dicapai pada Januari 23, 2014).]

Pembumian (a) (b) (c) (d) (e)

Unit 1 Elektrostatik

1.9 MEDAN ELEKTRIK

[Gambar diambil daripada Wikipedia. “Newton's laws of motion.”

http://en.wikipedia.org/wiki/Newton’s_laws_of_ motion (dicapai pada November 27, 2013).]

Perhatikan gambar di atas. Pasangan di atas saling tolak menolak. Kedua-duanya mengalami

daya tolakan. Ahli-ahli sains memahami mengapa daya-daya itu bertindak dengan cara

sedemikian apabila ada sentuhan antara dua objek. Pada mula, ahli sains keliru dan tidak

memahami daya-daya yang bertindak pada suatu kedudukan tanpa ada sentuhan antara dua

objek. Cuba fikirkan contoh-contoh seperti daya graviti, daya elektrik, dan daya magnet.

Contoh-contoh daya seperti ini dinamakan tindakan daya tanpa sentuhan.

Masihkah anda ingat daya graviti? Ya.. sama seperti daya graviti, yang telah anda pelajari di

dalam kursus mekanik, daya elektrostatik ialah daya tanpa sentuhan. Konsep daya tanpa

sentuhan diterangkan dengan menggunakan idea "medan". Kita boleh bayangkan bahawa

terdapat suatu kawasan, dan apa sahaja objek yang memenuhi ciri tertentu dan memasuki

kawasan itu akan merasai daya.

Contohnya, bulan mempunyai medan graviti di sekitarnya, dan jika anda berada dekat dengan

bulan, bulan akan menarik anda ke permukaannya. Keadaan ini akan berlaku bukan kepada

anda sahaja, tetapi semua objek berjisim, seperti elektron, proton, kayu, batu dan lain-lain.

Ini bermakna ciri tertentu yang dimaksudkan ialah jisim. Dengan lain perkataan, apa-apa

objek berjisim apabila memasuki medan graviti, objek tersebut akan mengalami daya tarikan

graviti.

Kita gunakan anologi yang sama seperti daya graviti, untuk menerangkan daya elektrostatik

kerana daya elektrostatik juga adalah daya tanpa sentuhan. Objek bercas tidak perlu

Rajah 1.13:

Pasangan itu tolak menolak antara satu sama

lain. Daya tolakan itu adalah tindakan daya

dengan ada sentuhan antara dua objek.

Aktiviti 1.7

Gambar diambil daripada visit malaysia info http://www.visitmalaysia.info/kualaselangor/pantai-remis.htm (dicapai pada November

Woi sedapnya!!!. Aku lapar

ni…. Namakan tempat ini, dan

takrifkan nama yang anda

berikan pada tempat itu.

Unit 1 Elektrostatik

berada dalam keadaan bersentuhan untuk mengalami daya ke atas satu sama lain.

Bagaimanapun, objek-objek bercas tersebut akan merasai kesan daya dikenakan terhadap

satu sama lain melalui ruang. Sifat ruang yang membolehkan objek bercas “merasai” daya

adalah konsep yang disebut medan elektrik. Medan elektrik tidak boleh dilihat, tapi kita

dapat mengesan medan elektrik dengan meletakkan cas uji positif di pelbagai titik dalam

ruang dan mengukur kekuatan daya yang dialami oleh cas uji positif tersebut.

Apabila kita membincangkan mengenai graviti, kekuatan medan graviti ditakrifkan sebagai

jumlah daya dialami oleh suatu jisim per unit jisim. Kekuatan medan elektrik juga boleh

ditakrifkan secara sepadan dengan kekuatan medan graviti, iaitu kita boleh katakan bahawa

kekuatan medan elektrik sebagai jumlah daya elektrostatik dialami oleh satu cas uji per unit

cas. Dengan itu, kekuatan medan elektrik, E, ditakrifkan sebagai daya elektrostatik yang

diperhatikan pada satu titik dalam ruang dibahagikan dengan kuantiti cas uji pada titik

tersebut. Kekuatan medan elektrik diukur dalam Newton per Coulomb (N / C). Secara

matematik, magnitud medan elektrik diberikan oleh:

q

FE = (1.4)

Medan elektrik adalah merupakan kuantiti vektor. Jadi untuk menerangkan medan elektrik

selengkapnya kita perlu menyatakan magnitud dan arahnya. Sebenarnya, cara penyelesaian

medan elektrik adalah sama seperti penyelesaian daya elektrostatik yang sudah kita

bincangkan sebelum ini.

1.10 GARIS MEDAN ELEKTRIK

Medan elektrik tidak boleh dilihat, hanya boleh dirasai oleh objek bercas sahaja. Dengan itu

kita perlu lakukan sesuatu untuk mengambarkan medan elektrik. Dalam ilmu fizik kita

menggunakan gambarajah garis medan elektrik untuk menggambarkan medan elektrik.

Garis medan elektrik menggambarkan arah daya elektrostatik yang dialami oleh zarah bercas

positif jika zarah bercas positif itu diletakkan pada titik tertentu dalam ruang medan elektrik.

Rajah 1.14: Garis medan elektrik pada cas terpencil (a) cas positif (b) cas negatif

[Gambar diambil daripada APlusPhysics.com. “Electric Charges”

http://www.aplusphysics.com/courses/honors/estat/charges.html (accessed December 2, 2013).]

Unit 1 Elektrostatik

Perhatikan Rajah 1.14 di atas yang menunjukkan dua zarah terpencil, satu bercas positif dan

yang satu lagi bercas negatif. Garis medan mengarah keluar atau masuk secara radial pada cas

terpencil tersebut. Garis medan elektrik sentiasa pada arah keluar dari cas positif, dan

masuk ke cas negatif. Kekuatan medan elektrik pula digambarkan oleh kepadatan garis.

Semakin padat garisan medan, semakin kuat medan elektrik di kawasan itu. Ini bermakna jika

objek bercas berada di kawasan yang mempunyai ketumpatan garis yang tinggi , objek bercas

akan mengalami daya yang lebih kuat. Garis medan yang dilukis kurang tumpat

menggambarkan medan elektrik yang lebih kecil.

[Nota: Mengikut amalan yang digunakan, garis medan elektrik yang dilukis adalah

menunjukkan arah daya yang dialami oleh cas positif. Oleh itu, arah medan elektrik adalah

sentiasa keluar dari cas positif seperti ditunjukkan pada Rajah 1.7.]

Garis medan elektrik tidak akan bersilang antara satu sama lain. Rajah 1.15 di bawah

menunjukkan keadaan yang berlaku apabila dua medan elektrik digabungkan menghasilkan

medan paduan.

Rajah 1.15: Garis medan elektrik paduan pada sistem banyak cas.

[Gambar diambil daripada APlusPhysics.com. “Electric Charges”

http://www.aplusphysics.com/courses/honors/estat/charges.html (dicapai pada December 2, 2013).]

Ia menggambarkan medan elektrik keseluruhan di sekeliling suatu sistem banyak cas. Medan

elektrik pada semua titik misalnya, titik P, dalam Rajah 1.15 adalah sentiasa tangen kepada

garis-garis medan elektrik. Dalam kajian kita juga, kita lebih berminat untuk mengkaji medan

elektrik pada kedudukan yang tertentu dan bukannya medan elektrik keseluruhan. Lihat

Contoh 1.6 di bawah.

___________________________________________________________________________

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.6

Rajah 1.14 menggambarkan medan elektrik di sekeliling cas positif seperti yang telah kita

bincangkan. Kita ingin mendapatkan arah medan elektrik pada kedudukan A, B dan C

Ep

p

Unit 1 Elektrostatik

Penyelesaian

Arah medan elektrik ditunjukkan seperti berikut

___________________________________________________________________________

Seterusnya kita kembali pada persamaan (1.3) dan (1.4). Kita gabungkan kedua-dua

persamaan memberikan

22 r

kQ

qr

kQq

q

FE === (1.5)

Aktiviti 1.8

• A

• B

C •

Agak-agaknya apakah yang akan

terjadi jika cas positif itu digantikan

dengan cas negatif. Tentukan arah

medan elektrik pada kedudukan A,

B dan C. • A

C •

B •

Rajah 1.16

EA

EC

•

•

•

+

EB Arah medan

elektrik diwakili

oleh anak panah

Unit 1 Elektrostatik

iaitu r ialah jarak antara objek yang bercas, Q dengan cas uji positif q. Ungkapan ini

membolehkan kita mengira kekuatan medan elektrik. Mari kita lihat beberapa contoh di

bawah.

___________________________________________________________________________

CONTOH DAN ULANGKAJI 1.7

Pertimbangkan Rajah 1.17. Kirakan medan elektrik paduan pada titik P. Nyatakan magnitud

dan arah medan dengan lengkap.

Penyelesaian:

Epaduan = E1 + E2

×

××−= −

−

22

6

2

29

)m102(

C1025

C

Nm109

×

××−+ −

−

22

6

2

29

)m108(

C1050

C

Nm109

___________________________________________________________________________

p •

Q1= −25µC Q2= +50µC

r1= 2.0cm r2= 8.0cm Rajah 1.17

Aktiviti 1.9

Sila rujuk kepada Contoh 1.6. Mengapakah pada kedudukan p

arah medan E1 dan E2 adalah sama, iaitu ke kiri, sedangkan cas

Q1 adalah negatif dan cas Q2 adalah positif. Cuba terangkan.

Aktiviti 1.10

Rajah di bawah diambil daripada Contoh 1.6. Katakahlah satu

cas uji positif diletakkan pada kedudukan p. Kirakan daya

elektrostatik yang dialami oleh cas uji tersebut.

Qcas uji = +10µC

• Q1= −25µC Q2= +50µC

r1= 2.0cm r2= 8.0cm

Unit 1 Elektrostatik

Aktiviti 1.11

Rajah di bawah menunjukkan medan elektrik paduan bagi

sistem dua cas positif .

Pertimbangkan medan elektrik pada titik A, B, dan C dalam

Rajah yang ditunjukkan. Susunkan medan elektrik pada titik-

titik tersebut mengikut urutan peningkatan kekuatan medan

elektrik, iaitu bermula dengan medan elektrik paling lemah ke

medan elektrik paling tinggi.