Universitas Gadjah Mada 1 I. Nama Mata Kuliah : LISTRIK MAGNET

I.
Nama Mata Kuliah
:
LISTRIK MAGNET A
II.
Kode / SKS
:
MSF-2411 / 2
:
- Mekanika B (MSF-2128)**
III. Prasyarat
- Fisika Matematik IA (MSF-2010A)**
(** harus pernah ditempuh meskipun tidak lulus)
IV. Status Mata Kuliah
:
Wajib
V. Deskripsi Mata Kuliah
Mata kuliah ini merupakan mata kuliah wajib dalam Program Studi Fisika, Jurusan
Fisika FMIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, yang diberikan pada tiap
semester gasal, khususnya kepada mahasiswa semester III, dengan beban 2 sks.
Prasyarat mengikuti mata kuliah ini adalah bahwa mahasiswa telah pernah mengikuti
mata kuliah Mekanika B dan mata kuliah Fisika Matematik IA yang memberikan
pengetahuan Fisika dan Matematika yang diperlukan dalam mata kuliah Listrik
Magnet A. Berdasarkan silabus yang telah ditetapkan oleh Program Studi Fisika
Jurusan Fisika FMIPA UGM yang tercantum dalam Buku Panduan Akademik FMIPA
UGM Tahun Akademik 2003-2004, mata kuliah ini mencakup materi-materi: Analisis
Vektor: Gradien, Divergensi, Rotasi, Pengintegralan Vektor dan Teoremanya;
Elektrostatika: Hukum Coulomb dan Medan Listrik untuk Distribusi Muatan Diskrit
dan Kontinyu, Potensial Listrik untuk beragam Distribusi Muatan, Hukum Gauss dan
Pemanfaatannya, Persamaan Laplace dan Persamaan Poisson, Metode Bayangan,
Ekspansi Multikutub, dan Energi dalam Medan Listrik, Medan Listrik dalam Konduktor
dan Dielektrik, Polarisasi Listrik dan Vektor Pergeseran Listrik, Hukum Ohm dan
Terapannya; Medan Magnetostatik: Hukum Ponderomotif Lorentz, Hukum BiotSavart, Hukum Ampere dan Gauss, Potensial Vektor dan Vektor Magnetik serta
Penerapannya. Syarat Batas untuk Elektrostatika dan Magnetostatika.
VI. Tujuan Pembelajaran Mata Kuliah
Setelah mengikuti mata kuliah Listrik Magnet A, mahasiswa diharapkan:
1. Mengetahui
dan
memahami
konsep-konsep
penting
dan
mendasar
dalam
elektrostatika dan magnetostatika.
2. Menguasai metode-metode pemecahan masalah dan dapat memecahkan masalah
yang muncul dalam elektrostatika dan magnetostatika.
3. Telah siap dan memiliki bekal yang cukup untuk mempelajari materi-materi kuliah
yang lebih lanjut, khususnya dalam kelistrikan dan kemagnetan, dan dalam ilmu fisika
secara umum.
Universitas Gadjah Mada
1
VII. Metode Pembelajaran
Metode pembelajaran yang digunakan pada mata kuliah Listrik Magnet A ini adalah
metode ceramah, diskusi (tanya-jawab), pemberian tugas/ pekerjaan rumah, dan
pemberian contoh pemecahan masalah.
VIII. Tujuan Pembelajaran Pokok Bahasan
1. Vektor
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1.
Dapat menjelaskan makna dan mengkalkulasi gradien skalar, divergensi dan
rotasi suatu vektor.
2.
Dapat menjelaskan dan mengkalkulasi integral garis dan integral permukaan.
3.
Dapat menjelaskan dan menggunakan teorema divergensi dan teorema Stokes.
4.
Dapat
mengetahui
hubungan-hubungan
antara
sistem-sistem
koordinat
Cartesian, Silinder dan Bola, dapat menyatakan suatu vektor, mengetahui
ungkapan elemen volume, dan mengungkapkan gradien skalar, divergensi dan
rotasi vektor, serta Laplacian dalam ketiga sistem koordinat tersebut.
2. Hukum Coulomb
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan tentang muatan titik dan menentukan besarnya.
2. Dapat menjelaskan dan menghitung gaya interaksi antara dua muatan titik (gaya
Coulomb).
3. Dapat menghitung/menentukan gaya yang dikerjakan oleh sistem muatan titik
dan sistem muatan terdistribusi kontinyu pada sebuah muatan titik.
3. Medan Listrik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan definisi medan listrik.
2. Dapat menghitung/menentukan medan listrik yang dihasilkan oleh sistem muatan
titik maupun sistem muatan terdistribusi kontinyu.
4. Hukum Gauss
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan melakukan derivasi hukum Gauss.
2. Dapat menerapkan hukum Gauss untuk menentukan medan listrik dan beragam
sistem distribusi muatan.
3. Dapat menjelaskan dan menerapkan divergensi medan listrik.
Universitas Gadjah Mada
2
5. Potensial Listrik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan definisi dan sifat-sifat potensial skalar.
2. Dapat mengkalkulasi / menentukan potensial skalar dan beragam sistem
distribusi muatan.
3. Dapat menentukan potensial skalar dan medan listrik yang telah diketahui.
4. Dapat menjelaskan dan menggunakan hubungan potensial listrik skalar dengan
energi potensial listrik sistem muatan.
6. Konduktor dalam Medan Elektrostatik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan menyatakan hasil-hasil umum yang berlaku pada
konduktor.
2. Dapat menentukan/mengkalkulasi potensial listrik sistem konduktor.
3. Dapat menentukan/mengkalkukasi kapasitansi kapasitor (sistem konduktor).
7. Energi Elektrostatik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan menyatakan apa yang dimaksud dengan energi
elektrostatik.
2. Dapat menentukan/mengkalkulasi energi sistem muatan diskit maupun kontinyu.
3. Dapat menentukan/mengkalkulasi energi sistem konduktor.
4. Dapat menjelaskan interpretasi dan menyatakan ungkapan energi elektrostatik
dalam medan listrik, serta dapat menerapkannya.
5. Dapat
menentukan/mengkalkulasi
gaya
elektrostatik
yang
bekerja
pada
konduktor.
8. Multikutub Listrik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan mengungkapkan ekspansi multikutub listrik potensial
skalar, menjelaskan suku-suku ekakutub, dwikutub, dan kuadrukutub listrik.
2. Dapat menjelaskan dan mengungkapkan medan listrik dwikutub listrik dan
kuadrukutub listrik.
3. Dapat menjelaskan dan mengungkapkan energi dwikutub listrik dan kuadrukutub
listrik dalam medan listrik luar.
Universitas Gadjah Mada
3
9. Kondisi Batas pada Permukaan Diskontinyu
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan mengungkapkan asal mula permukaan diskontiyu.
2. Dapat menjelaskan dan menyatakan hubungan divergensi dengan komponen
normal suatu vektor pada permukaan diskontiyu.
3. Dapat menjelaskan dan menyatakan hubungan rotasi dengan komponen
tangensial suatu vektor pada permukaan diskontinyu.
4. Dapat menjelaskan, mengungapkan, dan menerapkan kondisi medan listrik di
permukaan diskontiyu.
5. Dapat menjeaskan, mengungapkan, dan menerapkan kondisi potensial listrik di
permukaan diskontinyu.
10. Elektrostatika dalam Medium
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan mengungkapkan polarisasi listrik.
2. Dapat menjelaskan dan menyatakan rapat muatan terikat, baik rapat muatan
permukaan maupun rapat permukaan volume, dalam polarisasi listrik.
3. Dapat mengungkapkan dan menghitung potensial yang dihasilkan oleh rapat
muatan terikat permukaan dan rapat muatan terikat volume.
4. Dapat menentukan medan listrik di dalam bahan dielektrik yang berada dalam
medan listrik luar.
5. Dapat menjelaskan, menyatakan, dan menentukan pergeseran listrik dalam
medium dielektrik.
6. Dapat menyebutkan dan menjelaskan klasifikasi bahan dielektrik: elektret,
dielektrik tak linear, dielektrik linear, dan dielektrik isotrop linear.
7. Dapat menjelaskan tentang bahan dielektrik homogen isotrop linear dan
menyatakan besaran-besaran elektrostatiknya.
8. Dapat menjelaskan, menyatakan, dan menerapkan ungkapan energi dalam
pergeseran listrik, dan gaya yang bekerja pada dielektrik.
11. Metode Bayangan dalam Elektrostatika
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan :
dapat menjelaskan dan menerapkan metode bayangan dalam memecahkan
permasalahan dalam elektrostatika, seperti menentukan gaya, medan, dan potensial
listrik.
Universitas Gadjah Mada
4
12. Arus Listrik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan menyatakan apa yang dimaksud dengan arus dan rapat
arus listrik.
2. Dapat menjelaskan dan menerapkan persamaan kontinyuitas.
3. Dapat menjelaskan arus konduksi, konduktivitas, dan hukum Ohm serta dapat
menerapkannya.
4. Dapat menjelaskan dan menyatakan disipasi daya per satuan volume dalam
besaran rapat arus muatan bebas dan konduktivitas.
13. Hukum Ampere
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan dan menerapkan hukum Ampere.
2. Dapat menentukan/mengkalkulasi gaya interaksi antara dua untai listrik terbuka
maupun tertutup, serta antara elemen-elemen arus.
14. Induksi Magnetik
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan induksi magnetik dan hukum Biot-Savart.
2. Dapat menerapkan hukum Biot-Savart untuk menentukan induksi magnetik oleh
beragam bentuk untai atau distribusi arus listrik.
3. Dapat menjelaskan dan menentukan gaya magnetik yang bekerja pada muatan
listrik yang bergerak dalam medan induksi magnet.
4. Dapat menjelaskan dan menyatakan hukum ponderomotif Lorentz, serta
menentukan gaya Lorentz yang bekerja pada muatan listrik yang bergerak dalam
medan listrik dan medan magnet.
15. Hukum Ampere dalam Bentuk Integral
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan :
1. Dapat menderivasi dan menjelaskan bentuk integral hukum Ampere
2. Dapat menerapkan bentuk integral hukum Ampere
3. Dapat menjelaskan dan menerapkan rotasi medan induksi magnetik
16. Potensial Vektor
Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan ini, mahasiswa diharapkan:
1. Dapat menjelaskan makna divergensi medan magnet
Universitas Gadjah Mada
5
2. Dapat menjelaskan definisi dan sifat-sifat potensial vector, serta dapat
menerapkannya.
3. Dapat menjelaskan apa yang dimaksud dengan induksi seragam
4. Dapat
menjelaskan
dan
menyatakan
potensial
vector
untuk
beragam
bentuk/distribusi arus listrik
IX. Materi Pembelajaran
1. Vektor
1.1
Definisi Vektor, Vektor satuan, dan Komponen Vektor
1.2
Vektor Letak
1.3
Perkalian dengan Vektor
1.4
Diferensiasi Vektor terhadap Skalar
1.5
Gradien Skalar
1.6
Divergensia dan Rotasi Vektor
1.7
Integral Garis
1.8
Integral Permukaan
1.9
Teorema Divergensi Gauss dan Teorema Stokes
1.10
Vektor dalam Sistem Koordinat Silinder dan Bola
2. Hukum Coulomb
2.1 Muatan Titik dan Hukum Coulomb
2.2 Sistem Muatan Titik
2.3 Muatan Terdistribusi Kontinyu
3. Medan Listrik
3.1 Definisi Medan Listrik
3.2 Dua Contoh Medan Listrik dan Distribusi Muatan Kontinyu
4. Hukum Gauss
4.1 Derivasi Hukum Gauss
4.2 Beberapa Penerapan Hukum Gauss
5. Potensial Skalar
5.1 Definisi Potensial Skalar
5.2 Potensial Muatan Titik Tunggal
5.3 Potensial Distribusi Muatan Bola Seragam
5.4 Potensial Skalar dan Tenaga Potensial
Universitas Gadjah Mada
6
6. Konduktor dalam Medan Elektrostatik
6.1 Hasil-Hasil Umum
6.2 Sistem Konduktor
6.3 Kapasitansi
7. Energi Elektrostatik
6.1 Energi Sistem Muatan
6.2 Energi Sistem Konduktor
6.3 Energi diungkapkan dengan Medan Listrik
6.4 Gaya Elektrostatik pada Konduktor
8. Multikutub Listrik
6.1 Ekspansi Multikutub Potensial Skalar
6.2 Medan Dwikutub Listrik dan Kuadrukutub Linear
6.3 Energi Dwikutub Listrik dan Kuadrukutub Linear dalam Medan Listrik Luar.
9. Kondisi Batas pada Permukaan Diskontinyu
6.1 Asal Mula Permukaan Diskontinyu
6.2 Divergensi dan Komponen Normal
6.3 Rotasi dan Komponen Tangensial
6.4 Kondisi Medan Listrik di Permukaan Diskontinyu
6.5 Kondisi Potensial Skalar di Permukaan Batas
10. Elektrostatika dalam Medium
10.1
Polarisasi Listrik
10.2
Rapat Muatan Terikat
10.3
Medan Listrik dalam Dielektrik
10.4
Bola Bermuatan Terpolarisasi Seragam
10.5
Vektor Pergeseran Listrik
10.6
Klasifikasi Dielektrik
10.7
Dielektrik Homogen Isotrop Linear
10.8
Energi dan Gaya
11. Metode Bayangan dalam Elektrostatika
12. Arus Listrik
10.1
Arus dan Rapat Arus Listrik
10.2
Persamaan Kontinyuitas
Universitas Gadjah Mada
7
10.3
Arus Konduksi, Konduktivitas, dan Hukum Ohm
10.4
Hubungan Energi
13. Hukum Ampere
13.1 Gaya antara Dua Untai Tertutup dan Hukum Ampere
13.2 Gaya antara Dua Kawat Berarus Lurus Sejajar Panjang Tak Hingga
13.3 Gaya antara Elemen-Elemen Arus
14. Induksi Magnetik
14.1
Definisi Induksi Magnetik dan Hukum Biot-Savart
14.2
Kawat Berarus Lurus Panjang Tak Hingga
14.3
Induksi Aksial dari Lingkaran Arus
14.4
Plat Datar Berarus Seragam Luas Tak Hingga
14.5
Hukum Ponderomotif Lorentz
15. Hukum Ampere dalam Bentuk Integral
14.1
Derivasi Bentuk Integral Hukum Ampere
14.2
Aplikasi Bentuk Integral Hukum Ampere
14.3
Rotasi Medan Magnet
16. Potensial Vektor
16.1
Divergensi Medan Magnet
16.2
Definisi dan Sifat-Sifat Potensial Vektor
16.3
Induksi Seragam
16.4
Arus Listrik Lurus
16.5
Solenoid Ideal Panjang Tak Hingga
X. Rencana Kegiatan Pembelajaran Mingguan
Minggu
Pokok
ke-
Bahasan
1
2
1.
Vector
Perkiraan
Sub Pokok Bahasan
waktu (menit)
3
1.1 Definisi
Vektor,
4
Vektor
Satuan
dan
100
Komponen Vektor
1.2 Vektor Letak
1.3 Perkalian dengan Vektor
1.4 Diferensiasi Vektor terhadap Skalar
Universitas Gadjah Mada
8
1.5 Gradien Skalar
1.6 Divergensi dan Rotasi Vektor
1.7 Integral Garis
1.8 Integral Permukaan
1.9 Teorema Divergensi Gauss dan Teorema
Stokes
1.10
Vektor dalam Sistem Koordinat Silinder
dan Sistem Koordinat Bola
2.
Hukum
2.1 Muatan Titik
100
Coulomb
2.2 Hukum Coulomb
2.3 Sistem Muatan Titik
2.4 Muatan Terdistribusi Kontinyu
Medan Listrik
3.1 Definisi Medan Listrik
3.2 Dua Contoh Medan Listrik dan Distribusi
Muatan Kontinyu
3.
Hukum Gauss
4.1 Derivasi Hukum Gauss
100
4.2 Beberapa Penerapan Hukum Gauss
Potensial
5.1 Definisi Potensial Skalar
scalar
5.2 Potensial Muatan Titik Tunggal
5.3 Potensial Distribusi Muatan Bola Seragam
5.4 Potensial Skalar dan Tenaga Potensial
4.
Konduktor
6.1 Hasil-Hasil Umum
100
dalam Medan 6.2 Sistem Konduktor
5.
Elektrostatik
6.3 Kapasitansi
Energi
7.1 Energi Sistem Muatan
Elektrostatik
7.2 Energi Sistem Konduktor
100
7.3 Energi diungkapkan dengan Medan Listrik
7.4 Gaya Elektrostatik pada Konduktor
6.
Multikutub
8.1 Ekspansi Multikutub Potensial Skalar
Listrik
8.2 Medan
Dwikutub
Listrik
100
dan
Kuadrukutub_Linear
8.3 Energi Dwikutub Listrik dan Kuadrukutub
Linear dalam Medan Listrik Luar
7.
Kondisi Batas
9.1 Asal Mula Permukaan Diskontinyu
pada
9.2 Divergensi dan Komponen Normal
100
Universitas Gadjah Mada
9
Permukaan
9.3 Rotasi dan Komponen Tangensial
Diskontinyu
9.4 Kondisi
Medan
Listrik
di
Permukaan
Diskontinyu
9.5 Kondisi Potensial Skalar di Permukaan
Diskontinyu
8.
9.
Elektrostatikan 10.1
Polarisasi Listrik
dalam Medium 10.2
Rapat Muatan Terikat
Metode
100
10.3
Medan Listrik dalam Dielektrik
10.4
Bola BermuatanTerpolarisasi Seragam
10.5
Vektor Pergeseran Listrik
10.6
Klasifikasi Dielektrik
10.7
Dielektrik Homogen Isotrop Linear
10.8
Energi dan Gaya
1.
Metode Bayangan dalam Elektrostatika
100
Bayangan
dalam
Elektrostatika
10.
Arus Listrik
12.1 Arus dan Rapat Arus Listrik
100
12.2 Persamaan Kontinyuitas
12.3 Arus
Konduksi,
Konduktivitas,
dan
Hukum Ohm
12.4 Hubungan Energi
11.
Hukum
Ampere
13.1 Gaya antara Dua Untai Tertutup dan
100
Hukum Ampere
13.2 Gaya antara Dua Kawat Berarus Lurus
Sejajar Panjang Tak Hingga
13.3 Gaya antara Elemen-Elemen Arus
12.
Induksi
Magnetik
14.1 Definisi Induksi Magnetik dan Hukum
100
Biot-Savart
14.2 Kawat Berarus Lurus Panjang Tak
Hingga
14.3 Induksi Aksial dari Lingkaran Arus
14.4 Plat Datar Berarus Seragam Luas Tak
Hingga
14.5 Hukum Ponderomotif Lorentz
Universitas Gadjah Mada
10
13.
Hukum
15.1 Derivasi
Ampere dalam
14.
Bentuk
Integral
Hukum
100
Ampere
Bentuk
15.2 Aplikasi Bentuk Integral Hukum Ampere
Integral
15.3 Rotasi Medan Magnet
Potensial
16.1 Divergensi Medan Magnet
vektor
16.2 Definisi dan Sifat-Sifat Potensial Vektor
100
16.3 Induksi Seragam
16.4 Arus Listrik Lurus
16.5 Solenoid Ideal Panjang Tak Hingga
XI.
Evaluasi
Evaluasi proses dan hasil pembelajaran dilakukan melalui:
1.
Kuis dan Tugas Mandiri
:20 %
2.
Ujian Tengah Semester
:40 %
3.
Ujian Akhir Semester
: 40 %
Kuis akan diberikan pada seperempat dan tiga per empat semester dan menggunakan
sebagian waktu kuliah sekitar 30 - 45 menit berupa soal uraian.
Tugas Mandiri diberikan berupa tugas menyelesaikan beberapa soal di rumah, dan
dapat diberikan bila dirasa cukup diperlukan.
Ujian Tengah Semester (UTS) dan Ujian Akhir Semester (UAS) di FMIPA Universitas
Gadjah Mada telah terjadual untuk tiap semestemya. UTS dan UAS untuk mata kuliah
ini akan diberikan berupa soal uraian. Bahan UTS tidak disertakan dalam bahan UAS,
namun demikian konsep-konsep yang diberikan pada masa sebelum UTS tetap akan
diperlukan dalam UAS.
XII.
Bahan Bacaan dan Referensi
1.
Wangsness, R.K., 1986, Electromagnetic Field, Edisi 2, John Wiley Sons, New
York.
2.
Reitz, J.R., Milford F.J., dan Christy, R.W., 1992, Foundations of Electromagnetik
Theory, Edisi 3, Addison-Wesley.
3.
Griffiths, D.J., 1994, Introduction to Electromagnetics, Prectice Hall, New Jersey.
4.
Lorrain, P. dan Corson, D.R., 1970, Electromagnetic Fields and Waves, Edisi 2,
W.H. Freeman and Company, San Francisco.
Universitas Gadjah Mada
11