Pendahuluan Listrik Statis - Di Sini Rudi Susanto

Pendahuluan Listrik Statis
Rudi Susanto
http://rudist.wordpress.com
1
Sifat-sifat Muatan Listrik – Observasi
Makroskopik
• Berdasarkan pengamatan :
– Penggaris plastik yang digosokkan ke rambut/kain akan
menarik potongan-potongan kertas kecil*
– Batang kaca yang digosok sutera akan tarik-menarik
dengan pengaris plastik yang digosok dengan rambut
– Batang kaca yang digosok sutera akan tolak menolak
dengan batang kaca lain yang juga digosok sutera.
• Berdasarkan pengamatan tersebut tampak ada dua
jenis muatan yang kemudian oleh Benjamin Franklin
(1706-1790) dinamakan sebagai muatan positip
dan negatip.
• Disimpulkan : muatan sejenis tolak menolak,
muatan tak sejenis tarik menarik *
2
Klasifikasi Material – Insulator,
Konduktor dan Semikonduktor
•
•
Secara umum, material dapat diklasifikasikan berdasarkan
kemampuannya untuk membawa atau menghantarkan muatan listrik
Konduktor adalah material yang mudah menghantarkan muatan listrik.
– Tembaga, emas dan perak adalah contoh konduktor yang baik.
•
Insulator adalah material yang sukar menghantarkan muatan listrik.
– Kaca, karet adalah contoh insulator yang baik.
•
Semikonductor adalah material yang memiliki sifat antara konduktor
dan insulator.
– Silikon dan germanium adalah material yang banyak digunakan dalam
pabrikasi perangkat elektronik.
3
Formulasi Matematik Hukum Coulomb
•
•
ke dikenal sebagai konstanta Coulomb.
Secara eksperimen nilai ke = 9109 Nm2/C2.
Ketika menghitung dengan hukum Coulomb, biasanya tanda muatan-muatan
diabaikan dan arah gaya ditentukan berdasarkan gambar apakah gayanya
tarik menarik atau tolak menolak.
Contoh: Dua buah muatan, Q1 = 1  10-6 C dan Q2 = 2  10-6 C terpisahkan
pada jarak 3 cm. Hitung gaya tarik menarik antara mereka!
4
Prinsip Superposisi
• Berdasarkan pengamatan, jika dalam sebuah sistem terdapat
banyak muatan, maka gaya yang bekerja pada sebuah muatan
sama dengan jumlah vektor gaya yang dikerjakan oleh tiap
muatan lainnya pada muatan tersebut.
• Gaya listrik memenuhi prinsip superposisi.
Contoh: tiga muatan titik terletak pada sumbu x ; q1= 8C terletak
pada titik asal, q2= 4C terletak pada jarak 20 cm di sebelah
kanan titik asal, dan q0= 18C pada jarak 60 cm di sebelah kanan
titik asal. Tentukan besar gaya yang bekerja pada muatan q0
5
Medan Listrik
• Misalkan sebuah muatan titik q1
(positip) diletakkan di suatu
tempat di dalam ruang
• Bila terdapat muatan lain q2
(positip) di sekitarnya, maka
muatan q1 memberikan suatu gaya
tolak kepada muatan q2 yang
besarnya dapat tergantung pada
besar kedua muatan dan jaraknya
antar keduanya
• Pertanyaannya : bagaimana q1
mengetahui bahwa disekitarnya
ada muatan q2 ?
6
Medan Listrik
• Bagaimana menjelaskan fenomena
‘action at distance’ ini.?
• Fenomena ini dapat diterangkan
dengan konsep/pengertian medan
dimana muatan q1 menghasilkan
atau menyebarkan (set-up) suatu
medan di sekitarnya.
• Pada setiap titik P dalam ruang
medan ini mempunyai besar dan
arah.
• Besarnya tergantung pada besar q1
dan jarak titik P dari q1 sedangkan
arahnya tergantung dari posisi titik
P terhadap q1.
• Medan skalar (temperatur, tekanan
udara) = distribusi di dalam ruang
• Medan listrik = medan vektor
7
Definisi Medan Listrik
• Misalkan di sekitar obyek bermuatan diletakkan suatu
muatan uji qo
• Kemudian gaya yang bekerja padanya diukur, misalkan F
• Medan listrik didefinisikan sebagai :
F N
E  
q C
o
• Medan listrik = gaya Coulomb pada muatan sebesar 1 C
• Di ruang sekitar obyek bermuatan terdapat distribusi
medan listrik
Medan Listrik
E
F
qo
• Untuk muatan q positip, medan listrik pada
suatu titik berarah radial keluar dari q.
• Untuk muatan negatip, medan listrik pada
suatu titik berarah menuju q.
E  ke
q
r2
9
Contoh Soal
Dua buah muatan titik, + 8 q dan -2 q, dipegang tetap pada pada titik
A(0,0) dan B(L,0). Di titik mana medan listrik akibat kedua muatan ini
nol ?
Jawab :
Hanya mungkin di titik sebelah
kanan muatan negatip (yang
lebih kecil)
E1  E 2
k (8q )
k (2q )

2
x
( x  L) 2
( x  L) 2 2 1
 
2
x
8 4
xL 1

 2 x  2L  x
x
2
x  2L
x
Contoh:
Hitung kuat medan listrik yang dihasilkan proton
(e=1,610-19C) pada titik yang jaraknya dari
proton tersebut (a) 10-10 m dan (b) 10-14 m. (c)
Bandingkan kuat medan di kedua titik tersebut!
(Keterangan : dimensi atom adalah dalam orde
10-10 m dan dimensi inti adalah dalam orde 10-14
m).
11
Garis-garis Medan Listrik
•
•
•
Memvisualisasikan pola-pola medan listrik adalah dengan
menggambarkan garis-garis dalam arah medan listrik.
Vector medan listrik di sebuah titik, tangensial terhadap garis-garis
medan listrik.
Jumlah garis-garis per satuan luas permukaan yang tegak lurus garisgaris medan listrik, sebanding dengan medan listrik di daerah
tersebut.
a)
b)
+
q
-
q
+
-
12
Ink-Jet Printing
• Drop generator mengeluarkan tetesan-tetesan (drops) tinta
• Drop charging unit memberikan muatan negatip pada tetesan tinta
sesuai dengan besarnya input sinyal dari komputer
• Tetesan tinta yang masuk ke deflecting plate yang di dalamnya
terdapat medan listrik seragam E yang arahnya ke bawah
• Tetesan tinta akan mendapat gaya/percepatan ke atas dan menumbuk
kertas pada tempat yang diinginkan
• Untuk membentuk 1 hurup diperlukan kira-kira 100 tetesan tinta
Contoh Soal
Sebuah tetesan tinta bermassa 1,3x10-10 kg dan bermuatan sebesar
negatip 1,5x10-13 C masuk ke daerah diantara dua pelat dengan
kecepatan awal 18 m/s. Medan listrik diantara kedua pelat adalah
1,4x106 N/C dengan arah ke bawah dan panjang pelat adalah 1,6 cm.
Hitung defleksi vertikal pada saat keluar dari ujung pelat
Jawab :
1 2
a yt
2
L
L  vx t  t 
vx
ay 
F qE

m m
1 qE  L

y
2 m  vx
y
2

qEL2
 
2
2
mv
x

(1,5x10 13 )(1,4 x106 )(1,6 x10  2 ) 2

2(1,3x10 10 )(18)
 6,4 x10  4 m  0,64 mm
ENERGI POTENSIAL ELEKTROSTATIK
Jika terdapat dua benda titik bermuatan q1 dan q2 yang
dipertahankan tetap terpisah pada jarak r, maka besar
energi potensial sistem tersebut adalah :
Jika ada lebih dari dua muatan, maka energi
potensial yang tersimpan dalam sistem tersebut
adalah jumlah (skalar) dari energi potensial dari
tiap pasang muatan yang ada. Untuk tiga
muatan:
Contoh:
PE  k
q1. q2
r
qq qq q q 
PE  k  1 2  1 3  2 3 
r13
r23 
 r12
Hitung energi potensial dari sistem 3 muatan, Q1=10-6 C,
Q2=210-6C dan Q3=310-6C yang terletak di titik-titik sudur segitiga
samasisi yang panjang sisinya 10 cm.
16
Potensial Listrik
•
Beda potential antara titik A dan B, VB-VA, didefinisikan sebagai
perubahan energi potensial sebuah muatan, q, yang digerakkan dari A ke
B, dibagi dengan muatan tersebut.
PE
V  VB  VA 
q
•
•
Potensial listrik merupakan besaran skalar
Potensial listrik sering disebut “voltage” (tegangan)
•
Satuan potensial listrik dalam sistem SI adalah :
•
Potensial listrik dari muatan titik q pada sebuah titik yang berjarak r dari
muatan tersebut adalah : (anggap titik yang potensialnya nol terletak di
tak berhingga)
1V  1 J C
q
V  ke
r
17
• Jika terdapat lebih dari satu muatan titik, maka
potensialnya di suatu titik akibat muatanmuatan tersebut dapat ditentukan dengan
menggunakan prinsip superposisi
Total potensial listrik di titik P yang
diakibatkan oleh beberapa muatan titik sama
dengan jumlah aljabar potensial listrik dari
masing-masing muatan titik.
Contoh: Hitung potensial listrik di sudut puncak
sebuah segitiga samasisi yang panjang sisinya
20 cm, jika di sudut-sudut dasarnya
ditempatkan muatan Q1=10-6 C dan Q2=2106C.
18
Terima Kasih
19