PENDAHULUAN
KONTRAK KULIAH
BUKU REFERENSI
HUKUM COULOMB
LISTRIK STATIS
MEDAN LISTRIK
BEBERAPA APLIKASI
FISIKA DASAR II
UNIVERSITAS DIAN NUSWANTORO
SEMARANG
2009
T.SUTOJO,SSi,M.Kom
HP: 024 3310 1617
KONTRAK KULIAH
• TUGAS : 30%
• MID : 35%
• UAS : 35%
BUKU REFERENSI
• Resnick, Robert, David Halliday, Physics (terjemahan oleh Pantur Silaban, Fisika jilid 2), penerbit Erlangga.
• Sears Zemansky,Fisika Untuk Universitas 2 ( saduran bebas Nabris Chatib), Penerbit Bina Cipta, 1986
• Sutrisno, Seri Fisika Fisika Dasar listrik, magnet dan termofisika, Penerbit ITB, Bandung 1982
• Tipler, Physics for Sscientists and Engineers, (terjemahan oleh Bambang Soegiono, Fisika untuk Sains dan Teknik jilid 2), Penerbit Erlangga, 1991
LISTRIK STATIS
Listrik statis adalah listrik yang diam untuk sementara pada suatu benda. Pada listrik statis akan dipelajari tentang karakteristik dari muatan listrik yang tidak bergerak.
LISTRIK STATIS
Pengamatan tentang gaya listrik sudah ada sejak zaman Yunani kuno. Pada waktu itu orang-orang Yunani kuno telah mengamati bahwa batu “ambar” yang telah digosok dengan kain Wol, akan menarik benda-benda ringan seperti jerami atau bulu. Pada tahun ±1600 William Gielbert mulai mempelajari berbagai bahan yang mempunyai sifat seperti batu “ambar”. Bahan-bahan ini disebut bersifat elektrik. Kata elektrik berasal dari bahasa Yunani kuno, yaitu electrum yang artinya adalah “batu ambar”.
LISTRIK STATIS
Untuk mempelajari kedua hal diatas, ada baiknya kita pelajari terlebih dahulu konsep tentang atom.
ATOM
Atom merupakan partikel terkecil penyusun suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Atom terdiri dari partikel-partikel yang jauh lebih kecil yang memiliki sifat sendiri.Partikel-partikel tersebut adalah proton, netron yang terdapat dalam inti atom dan elektron yang mengorbit inti dengan lintasan tertentu.
Aku proton
Aku neutron
Aku elektron
ATOM
Proton bermuatan listrik positip.
elektron bermuatan listrik negatip
neutron memiliki sifat yang netral.
Besar muatan listrik proton dan elektron sama.
+
-
Aku proton bermuatan (+)
Aku neutron netral
Aku elektron bermuatan (-)
ATOM
Atom yang netral memiliki jumlah proton dan elektron yang sama.
Suatu atom akan memiliki muatan listrik negatif bila atom tersebut kelebihan elektron
Dan atom akan bermuatan positip bila kekurangan elektron
Aku proton
Aku neutron
Aku elektron
ATOM NETRAL
Atom yang netral memiliki jumlah proton dan elektron yang sama.
JUMLAH = JUMLAH
ATOM NEGATIF
Bila suatu atom mendapat tambahan elektron dari atom lain, maka atom tersebut menjadi kelebihan elektron AkibatnyaAtom menjadi bermuatan negatip.
JUMLAH < JUMLAH
ATOM POSITIF
Jika suatu atom kehilangan elektron, maka atom tersebut menjadi kekurangan elektron AkibatnyaAtom tersebut menjadi bermuatan positip
JUMLAH > JUMLAH
• Gilbert, 1600, dokter istana Inggris electric (membedakannya dgn gejala kemagnetan)
• Du Fay, 1700, tolak menolak - tarik menarik resinous (-), vitreous (+)
• Franklin, ilmuwan USA membagi muatan listrik atas dua: positif dan negatif. Jika gelas dengan sutera digosokkan, maka gelas akan bermuatan positif dan sutera akan bermuatan negatif
• Millikan, 1869 – 1953, mencari harga muatan paling kecil, percobaan tetes minyak Millikan
• Muatan elektron e = – 1,6 10-19 C
• Muatan proton e = +1,6 10-19 C
Du Fay
Gilbert
Millikan
MEMBERI MUATAN LISTRIK PADA BENDA
•Dengan cara Dengan cara menggosokmenggosok dua dua jenis bendajenis benda
Contoh: Balon dengan kain wol,Kaca dengan kain sutraMika dengan kain wolMika dengan kain sutra
•Dengan cara diinduksi dengan benda lain yang telah bermuatan listrik.
MENGGOSOK DUA JENIS BENDA
Balon dengan Kain WolBalon dengan Kain Wol
Balon bila kita gosok dengan kain wol maka elektron berpindah dari kain wol ke balon.
Sehingga balon menjadi bermuatan listrik negatif dan kain wol bermuatan listrik positif
MENGGOSOK DUA JENIS BENDA
Kaca dengan kain sutraKaca dengan kain sutra
Bila kaca kita gosok dengan kin sutra, elektron berpindah dari kaca ke kain sutra.
Sehingga kaca menjadi bermuatan lisrik positip dan kain sutra bermuatan listrik negatif.
MENGINDUKSI DENGAN BENDA BERMUATAN LISTRIK
KLIK BENDA INI
MENGINDUKSI DENGAN BENDA BERMUATAN LISTRIK
SIFAT MUATAN LISTRIK
+ +
Muatan sejenis saling tolak-menolak
FF
SIFAT MUATAN LISTRIK
Muatan sejenis saling tolak-menolak
- -FF
SIFAT MUATAN LISTRIK
Muatan tidak sejenis tarik-menarik
- +FF
CHARLES COULOMB 1736-1806
Bagian ini untuk mengatur dan mengukur torsi, sehingga gaya bisa menahan muatan.
Skala ini untuk membaca jarak pisah antara muatan
Dengan timbangan putar, Coulomb berhasil mengukur gaya-gaya antara muatan cukup akurat, sampai ia bisa memberikan rumus matematik untuk gaya elektromagnetik.
Satuan muatan dinamakan Coulomb, disingkat C.
1 C = 6,24150975 x 10 +18 e
1 e = 1,60217646 x 10 -19 C
F
r
Garis F r-2
Hasil Eksperimen Coulomb
HUKUM COULOMB
Dari hasil percobaannya, Disimpulkan bahwa:Gaya listrik (tarik-menarik atau tolak-menolak) antara dua muatan listrik sebanding dengan besar muatan listrik masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara kedua muatan listrik.
(Hk. Coulomb)
221
r
QQkF
r
F = Gaya Coulomb (N)
Q1,Q2 = muatan listrik (C)
r = jarak antara muatan (m)
k = 8,99 109 N.m2/C2
HUKUM COULOMB
• Contoh Soal1. Dua muatan titik masing-masing sebesar 0,05
C dipisahkan pada jarak 10 cm. Carilah (a) besarnya gaya yang dilakukan oleh satu muatan pada muatan lainnya dan (b) Jumlah satuan muatan dasar pada masing-masing muatan.
HUKUM COULOMB
0, 05C
0, 05C
10 cmq1 q2
F21 F12
HUKUM COULOMB
0, 05C
0, 05C
10 cmq1 q2
F21 F12
N
m
CxCxCmN
3-
2
66229
221
10 x 2,25
)1,0(
1005,01005,0/.8,99x10
r
qkq F
1119
6
1012,3106,1
1005,0x
Cx
Cx
e
qN
Neq
Jawab:
HUKUM COULOMB
Berapa gaya tolak antara dua electron yang terpisah pada jarak 1 meter di hampa udara ? Berapa gaya gravitasi antara keduanya ? Bandingkan kedua gaya tersebut !
k = 9.0 109 N m2 C-2
massa elektron = 9.11 10-31 kgmassa proton = 1.67 10-27 kgG = 6.67 10-11 N m2 kg-2
Perbandingan gaya listrik dan gaya gravitasi
HUKUM COULOMBJawab:
Gaya listrik :F = k.q1.q2/r2 = (9.0 x 109 x 1.6 x 10-19 x 1.6 x 10-19)/ 12 = 2.3 x 10-28 N
Gaya gravitasi :F = G.m1.m2/r2 = (6.67 x 10-11 x 9.11 x 10-31 x 9.11 x 10-31)/ 12 = 5.5 x 10-71 N
Gaya Listrik/Gaya gravitasi = 2.3 x 10-28 / 5.5 x 10-71 = 4 x 1042 Dari hasil perbandingan ini dapat disimpulkan bahwa : gaya gravitasi bisa diabaikan dibanding gaya elektrostatik.
• Contoh Soal2. Tiga muatan titik terletak pada sumbu x; q1 = 25 nC
terletak pada titik asal, q2 = -10 nC berada pada x=2m, dan q0 = 20 nC berada pada x = 3,5 m. Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.
HUKUM COULOMB
+ − + X (m)
0 2 3,5
q1 q2 q0
+ − +2 m 1,5 m
Jawab:
q1 q2 q0
F10 F10
F20 F20
N) (0,367
)5,3(
)1020)(1025)(/.1099,8(2
99229
210
0110
m
CmN
r
qkqF
HUKUM COULOMB
+ − +2 m 1,5 m
Jawab:
q1 q2 q0
F10
F20
HUKUM COULOMB
N) 0,799 (
)5,1(
)1020)(1010)(/.10(8,99
2
99229
220
0220
m
CCCmN
r
qkqF
Tanda muatan (+) atau (-) tidak perlu dimasukkan dalam perhitungan
+ − +2 m 1,5 m
Jawab:
q1 q2 q0
F10
F20
(Yang besar dikurangi yang kecil)
Arah gaya total ke kiri (karena gaya yang besar arahnya kekiri)
HUKUM COULOMB
HUKUM COULOMB
β
-4µC
+10µC
+20µC
80 cm
60 cm
Soal :
Hitung gaya yang bekerja pada muatan +10 µC
Kemana arh gaya tersebut terhadap sumbu x ?
HUKUM COULOMB
β
-4µC
+10µC
+20µC
80 cm
60 cm
Jawab : θ
F1
F1
F2 F2
F
100 cm
Θ = 180o – β
Cos Θ = cos(180o – β)
= cos180o .cos β – sin180.sin β
= – 1. 0,8 – 0. 0,6
= – 0,8
sin β = 60/100 = 0,6
cosβ = 80/100 = 0,8
HUKUM COULOMBJawab :
cos.2 212
22
1 FFFFF
N4,3
)8,0.(2.8,1.228,1 22
HUKUM COULOMBJawab :
θF1
F2
F F1
F2
F
α1
α2
θ = α1 + α2
2
2
1
1
sinsinsin FFF
Diketahui: cosθ = − 0,8 maka θ = 143,13o sinθ = 0,6
HUKUM COULOMBJawab :
1
1
sinsin FF
1sin
8,1
6,0
4,3
sinα1 = 0,3176 α1 = 18,52o α2 = 143,13o - 18,52o α2 = 124,61o
Arah gaya F terhadap F1 adalah α2 = 124,61o
Arah gaya F terhadap F2 adalah α1 = 18,52o
Arah gaya F terhadap sumbu x adalah α1 = 18,52o
• Medan listrik adalah daerah dimana apabila sebuah muatan uji q0 diletakkan ditempat itu, maka gaya coulomb F akan berkerja padanya. Dalam satuan SI medan listrik dinyatakan dalam Newton per Coulomb (N/C). Persamaan untuk menghitung kuat medan listrik adalah
MEDAN LISTRIK
0q
FE
2r
qkE atau
ARAH GARIS GAYA MEDAN LISTRIK
mutan positif (+) arahnya menjauhi muatan
mutan negatif (-) arahnya menuju muatan
ARAH GARIS GAYA MEDAN LISTRIK• 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
Contoh Soal : MEDAN LISTRIK
Dua buah muatan titik masing-masing +25μC dan -25μC terletak pada bidang empat persegi panjang seperti gambar dibawah. Hitunglah besar kuat medan listrik dan arahnya di titik P , Q, dan R.
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik P
E1E2
22
22
pr
QkE = (9.0 x 109 x 25 x 10-6 )/ 32 = 25 x 10 3 N/C
21
11
pr
QkE = (9.0 x 109 x 25 x 10-6 )/ 32 = 25 x 103 N/C
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik P
Karena E1 dan E2 searah, maka resultan medan listrik di titik P adalah
EP = E1 + E2 = 25 x 103 N/C + 25 x 10 3 N/C = 5 x 104 N/C
arah EP dari titik P menuju Q2
E1
E2
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik Q
E1
E2
θθ
EQ
θ
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik Q
Diketahui bahwa:Cosθ = 3/5 dan Sinθ = 4/5 makaCos2θ = Cos2θ – Sin2θCos2θ = (3/5)2 – (4/5)2 = - 7/25
22 2122
21 CosEEEEEQ
)25
7(-9000x9000x2(9000)(9000) 22 xEQ
21
11
Qr
QkE = (9.0 x 109 x 25 x 10-6)/ 52 = 9 x 10 3 N/C
22
22
Qr
QkE = (9.0 x 109 x 25 x 10-6)/ 52 = 9 x 10 3 N/C
EQ= 1,08x103 N/C
Arah EQ adalah dari titik Q menuju titik S
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik R
E1
E2
αβ
ER
52 m
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik R
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik R
∑Ex = E2 Cosα = 4,33 x 10 3 x (6/√52) N/C = 3,602 x 10 3 N/C
∑EY = E1 − E2 Sinα = 14,0625 x 10 3 − 4,33 x 10 3 x (4/ √52) = 11,66x10 3 N/C
Tanθ = ∑EY/∑Ex = 11,66x10 3 / 3,602 x 10 3 = 3,2371 θ = 72,833o
Jadi arah ER adalah 72,833o terhadap garis RS.
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik R
Contoh Soal : MEDAN LISTRIKJawab : Menentukan kuat medan listrik di titik R
Gerak partikel dalam medan listrik
EF Q
EF Q
E
+Q
−Q
Untuk +Q, arah gaya sejajar dengan arah medan listrik
Untuk -Q, arah gaya berlawanan dengan arah medan listrik
Gerak partikel dalam medan listrik
-
0dan 0
0 pada ˆ
oyx
oo
va
tivv
m
qE
m
Fa y
y
0
22
22
1
v
xttvx
tm
qEtay
o
y
(parabola) 2
22
xmv
qEy
o
Persamaan gerak partikel bermuatan dalam medan listrik
Gerak partikel dalam medan listrik
22
22
1
22
tm
qEatx
m
qExaxv
tm
qEatv
m
qE
m
Fa
maqEF
Beberapa Contoh AplikasiElektroskopElektroskop
Elektroskop adalah alat yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau tidak.
Beberapa Contoh AplikasiElektroskopElektroskop
Elektroskop adalah alat yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau tidak.
Beberapa Contoh AplikasiElektroskopElektroskop
Elektroskop adalah alat yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau tidak.
Beberapa Contoh Aplikasi
Generator Van de Graaff
Adalah generator yang menghasilkan listrik statis yang sangat besar
Silinder logam
Silinder politen
Sabukkaret
Klik disini
Beberapa Contoh Aplikasi
Petir BuatanKlik disini
Angin ListrikAngin Listrik
Beberapa Contoh Aplikasi
Perhatikan api pada lilin ini
Klik disini
Terjadinya Petir
Petir terjadi karena lompatan elektron-elektron dari awan bermuatan negatif ke Bumi yang bermuatan positif
awal
Klik disini
Penangkal Petir
Penangkal petir merupakan alat pengarah petir agar petir hanya menyambar kepadanya, bukan ke bagian bangunan lainnya
Klik disini
Bahaya Listrik Statis
Pada truk tangki pengangkut bahan yang mudah terbakar, dipasang rantai pada bagian bawahnya. Ini dimaksudkan agar listrik statis yang timbul karena gesekan ban dengan jalan dapat dinetralkan sehingga tidak membahayakan muatan tangki.
Penggunaan Listrik Statis• Pengendap elektrostatis• Alat ini ditemukan oleh F.G. Cottrell pada tahun
1907. Alat ini digunakan untuk membersihkan udara yang keluar dari cerobong asap
• Pengecatan Mobil• Agar mobil dapat dicat dengan rata, maka badan
mobil diberi muatan listrik yang berbeda dengan muatan listrik pada cat. Dengan demikian cat dapat menempel kuat dan merata pada mobil
Penggunaan Listrik Statis
• Mesin Fotokopi
• Mesin fotokopi memanfaatkan konsep listrik statis dan optik. Mesin ini memanfaatkan sifat unik dari logam selenium, yaitu dapat menghantarkan listrik ketika terkena cahaya dan tidak menghantarkan listrik ketika tidak terkena cahaya.
SOAL-SOAL HUKUM COULOMB
1. Diketahui tiga buah muatan titik masing-masing adalah Q1= −2µC, Q2= −2µC, dan Q3= 36µC, terletak pada garis lurus sehingga jarak Q1Q2 =3 m dan jarak Q2Q3 =4 m. Hitung gaya yang bekerja pada tiap-tiap muatan.
2. Tiga muatan masing-masing 10C, 9C dan −9C terletak sedemikian sehingga membentuk segitiga sama sisi dengan panjang sisi 30 cm. Berapa gaya yang dialami oleh titik bermuatan 10 C. Gambarkan pula vector gayanya
3. Ditentukan dua muatan q1=10 μC dan q2=-5 μC dan berjarak 3 cm. Muatan q3 terletak pada garis jarak q1q2=1cm dari q1. Maka q3 mengalami gaya F=2 N yang arahnya ke q2. Tentukan besar muatan q3.
4. Muatan-muatan titik masing-masing besarnya −4, +10, +6 dan −5 terletak di titik A, B, C dan D pada bujur sangkar yang panjang sisinya 2m. Hitung gaya resultan yang bekerja pada muatan di titik A dan kemana arahnya ?
-5μC+3μC +8μC
30 cm20 cm
5. Tiga muatan titik ditempatkan pada sumbu x seperti pada gambar. Tentukan gaya total pada muatan -5μC yang disebabkan oleh dua muatan lain!
SOAL-SOAL HUKUM COULOMB
6. Tentukan perbandingan gaya listrik Coulomb FE terhadap gaya gravitasi FG antara dua elektron dalam keadaan vakum!
7. Muatan2 yg tampak pada gambar. Tentukan gaya pada muatan 4μC akibat dua muatan lainnya!
+3μC+2μC
+4μC
20 cm 20 cm
60o60o
SOAL-SOAL MEDAN LISTRIK1. Dua muatan masing-masing sebesar 4 μC berada pada sumbu x, satu terletak
pada x = 8 m dan yang lain pada x = −4m. Hitunglah medan listrik pada sumbu x pada (a) x = −3m, (b) x = 3m (c) x = 10m (d) pada titik mana medan listriknya nol ?
2. Dua muatan positif yang sama besar Q1 = Q2 = 8 C berada pada sumbu y pada y = 3 m dan y = −3m. (a) tentukan besar dan arah medan listrik pada titik yang terletak pada sumbu x dengan x = 4m. (b) berapa besar gaya pada muatan uji Q1 = 15 C yang terletak pada sumbu x dengan x = 4m ?
3. Sebuah electron mempunyai kecepatan 2x106 m/s pada arah sumbu x. electron tersebut memasuki medan listrik E = (400 N/C) j , yang mempunyai arah dalam sumbu y. (a) carilah percepatan electron (b) berapa waktu yang dibutuhkan electron untuk menempuh jarak 10 cm pada arah sumbu x didalam medan tersebut. (c) seberapa jauh dan kemana arah electron dibelokkan setelah menempuh 10 cm pada arah sumbu x didalam medan tersebut ?
4. Hitunglah (a) medan listrik E di udara pada jarak 30 cm dari sebuah muatan titik 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).
SOAL-SOAL MEDAN LISTRIK
5. Tiga muatan ditempatkan pada tiga sudut sebuah bujur sangkar seperti pada gambar. Setiap sisi bujursangkar adalah 30 cm. Hitunglah E pada sudut ke empat! Berapakah gaya yang diberikan oleh muatan 6μC pada sudut yang kosong tersebut?
6. 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 yang ditempatkan pada P, dan (c) posisi dimana medan listrik nol (jika tidak ada muatan -4x10-8C).
+3μC+2μC
+4μC
20 cm 20 cm
60o60o
q1 q2P5 cm 5 cm
Top Related