Energi, Potensial, Dipole, dan Momen Dipole Dalam bab ini, Anda akan mempelajari: 3.1 3.2 3.3 Energi Listrik Potensial dan Gradien Potensial a. 2 *a- Dipole dan Momen Dipole nergi listrik adalah energi 1-ang dihasilkan oleh kerja vektor gaya Coulomb dalam menernpuh lintasan tertentu. \'el:tor gaya Coulomb searah dengan \-ektor kuat medan listrik yang beketjapada, titik q tertentu. Jika arah relror galz Cotd herlarranan dengan arah vektor elemen jarak rumus energi yang dihirung dioilis qrif {a **hotiknla.lita rektor gava Coulomb searah elemen jarak lintasan, maka rumus dinrlb pciifr Potensial listrik muatan listrik dalah eoagi pcr eeruan Fdr kc ff'} r.rs€trrdiperlukan untuk membawa satu sanurn muaum dri {' 1ag diift Dipole listrik adalah dua muatan listrik sanq bcsr. Hr l ff jarak medium dielektrik. Perkalian vektor dari muaran tfufiiL qt'h? Fiif blr a Estft Ecr dr H rdlr menghasilkan vektor momen dipole. Dipole listrik mengtasiEr Fllt jarak r dari dipole. stff F* dr ca *. hgll aI Me d an Ele ktromag 3.1 netika Tb rapan r Energi Listrik Energi listrik adalah produk skalar dari vektor gaya Coulomb dengan vektor perpindahan, atau dapat diartikan juga sebagai kerja yang dilakukan oleh vektor gaya Coulomb untuk menempuh vektor elemen perpindahan. Jika arah vektor gaya Coulomb ini berlawanan dengan arah vektor perpindahan maka kerja bemilai negatif, yang artinya kerja diberikan dari luar ke sistem, atau dengan kata lain kerja diperlukan oleh sistem. Kerja:w=Jr.dt= IsE.dt Kerja yang diperlukan adalah w (3.1) = -Jan.a (3.2) Integral Garis Integral garis adalah kerja yang diperlukan untuk memindahkan muatan titik 4 dari suatu titik awal ke suatu titik akhir. Kerja ini bersifat konservatif (kekal) apabila tidak tergantung pada lintasan yang ditempuh, melainkan hanya pada posisi titik awal dan posisi titik akhir. Kerja ini adalah efek medan dari vektor intensitas medan listrik yang terdistribusi secara merata atau homogen di medium yang tersedia: Integral garis: w - [on A (3.3) ritik awal Jika muatan titik 4 dipindahkan dari titik awal A(x p ! 1, Z1) ke titik ah,hir B(xr, 12, z) di dalam suaru medium dengan vektor intensitas medan listrik yang homogen E = E,a,+ Erar+ {a, maka kerja yang diperlukan adalah titik akhir I w-- Js E.dt titik awal I = - J q(Erar+ f,ar + E-a-) . (dra. + (*2 = '[l rf E*dx + { . :2 d-ra., + d:a.) \ (3.4) "" !,'n') Tentukan kerja yang diperlukan untuk rnemindalrlan mn^r2n titik 4 = 100 pC dari ritik A\2,3, * -1e, + 5a- V/m yang homogen. B(5, 6,7) m di dalam medium dengan E = -1t, D rf ke Solusi ll'= -10) x lo-4 3at+l qan+ J ,or) -{9'^ .{*J P 2 =*l0x l0-{ +12+25)J= W Tentukan kerja yang diperlukan unurk rmmindahkan muatan titik 4 = 100 pC dari titik (1, 2. B(4, 5, 4)m di dalam medium dengan t =1 ++ ". t' uu *! ". V/m yang homogen. l) m ke titik 32 Bab 3 Energi, potensial, Dipole, dan Momen Dipole Solusi ( rv = -roo Pada suku integral pertama, , rcu(i b [J " qt *i a,) -iJ,]-l') y =2;yangkedua, -r = 4; danyang ketiga, _r Maka, w= 100 x 104 G/4 + 3/16 + 3/20) I = 4 dan y = = _108,75 5. rnJ Kerapatan Energi Untuk muatan yang kontinu, energi diperoleh lewat metode integrasi: ![ w= o"va, (3.5) vol di mana p, = kerapatan muatan ruang (C/m3). V = beda potensial (V). Dari teorema divergensi diperoleh: w= ydv = L Irr. +J.o o vol (vD) -"D .:(vv)) dv = |- [n ' ri,, r"".,_.1,_ ,""r vol sehingga wE = a, (3.6) , Dari Persamaan (3.6), kita memperoleh kerapatan wr= .n *4 i . per s.atuan volume: # = +o . r = lef::'r .+eE yd (3,:l) Persamaan (3'6) dan (3.7) juga dapat diturunkan dari hukum Gaurs. unruk muatan kontinu, *"= *[o* dv (3.8) - EdL u=lo-*=l&6= !u Jadi *=+il$2drts=*tn,* "4 tal Sehingga kerapatan energi adalah W" 3.2 = L1EP v. 1€ "-tt)+nt 11mf (3.e) Potensial dan Gradien potensialtlr*tt Potensial listrik v di *Tl.*"."q riti_k pQp, to, z) yan|dirr'e*rr or,r m tffi Qdi ririk A(xo, ta' z)' di mana jarak titik A ke P aoaiatri ftioenoit*a .tt.l!i k dipcrlukan untuk F 5rq membawa satu satuan muatan (r c) dari jarak r tak tcrrigrr i i-t , =, Keda lV adalah w = -[F.ar = -l ,., - dn, M eda ( =-J n Ele Krom agneti ka Terapan r.o,=1ffi0, Kerja per satuan muatan adalah Qlu=' ,,_w '- rc-_ 4r*l=Qv 4nv (3. l0) Potensial listrik V di sembarang titik P(xo, lo, z) yang dihasilkan oleh beberapa muatan titik, misalnya 01 di titik (xy ty z), ezdi titik (x2, !2,2,) dan 03 di titik (\,!2, zr), adalah jumlah dari masing-masing potensial yang ditimbulkan oleh Qr, Qr, dan Qz di titik P tersebut. W'l'tn Diketahui muatan titik q = 50 nC di titik A(p = 4 cm, Ydi titik B(p=7 cm, Q= 60o, z = 8 cm). Q = 45', z = 4 cm) berada di udara bebas. Tentukan Solusi Transformasi koordinat titik A dan titik B ke dalam sistem koordinat kartesian, akan menghasilkan A(xt, !* z) = A(p cos @, p sin B(xs, ya, 0, z) = A(4 cos 45o, 4 sin45o, z) r = lrl = = B(P cos l(3,5 - 2,82) Q, p sin @, z) d = (2,82;2,82: 4) cm. = ( 3,5; 6,062; 8 cm) a, + (6,062 - 2,82) ar+(8 - 4) a.l = (0,682 + 3,242 + 42)r/2 = 5,2 cm = 5,20 x 10-2 m v = ---!l- v 4re6r _ g x t_o? rso {_lo-el = 8,654 kv 5,2 x l0-" Diketahui 4r = 100 nC di titik A(4, 0, 0) cm, ez= -100 nC di titik B(0, 4, 0) cm, C(0, 0, 4) cm. Tentukan potensial y di titik D(4, 4, 4) cm. dn q^ - 100 nC di titik _q ry Solusi Dari soal di atas diperoleh r, = l4a, + 4arl = 5.66 cm = 5.66 x l0-2 m r, = l4a, + 4arl = 5,66 cm = 5,66 x 10-2 m r, = l4a, + 4arl = 5,66 cm = 5,66 x l0-2 m \ -, *z Maka, ql * Q2 * Qj 4ntgr1 lttgr1 {nE1r; loo lo-e l0 x loi {g1)v ' = 9 x loe *-', -:16l ro= - rm " 5.65 x l0-: S-eO r rc2 ) ' = 15,901 kv V=V,'V+V- ' Untuk muatan yang kontinu, potensial listrik statis diperoleh lewat integrasi: dq v= | 4ner J (3.1 1) 34 Bab 3 Energi, Potensial, Dipote, dan Momen Dipole di mana dq = 9d[,blIa qrmuatan gais; dt = elemen panjang; dq = q,dS,bilaq5 muatan bidang; dS=elemenluas;dq=qudv,b1|aq,=muatanruang;dV=elemenvolume. W. ([''r"'" Muatan gais qLsebesar 100 pClm di udara bebas. Berapa potensial V "pada suatu titik di sumbu lingkaran dan berjarak (a) dan (c) 0, dari pusat lingkaran. l0 cm, (b) 20 cm, Solusi Untuk soal ini, kita menggunakan rumus ,=l# di mana d/ = elemen panjang busur lingkara n = rd.Q, 0 < Q < 2n v = 1? + z21trz = jarak dari dt ke titik di sumbu-z di mana potensial ditentukan Maka v= (a) Untuk z = l0 cm, r = 2O cm, dan qr= x l0{ 100 i:ra.,r4ritj*;r ., C, ;t -: . -.-{stiq v o) Untuk z = 2o cm, .= Untuk z = 0 (di pusat x t0{) l0e(100 r = 20 cm, v= (c) tsxx dan qr- 100 ffiJSb;js+ N''ls,,,yort W, =40,085 x ,- ';,,,' lingku:m), . "i , '*f1;ir x l0{ c, iarx loellm x l0{ '"'-* ,. . ., ,--H; . ' ':" v=qL 56{7 x lo6 volr = lfltia1f6 . -.-,€o 2(&s54 x to{T = Gradien Potensial ;.: Vektor intensitas medan listribtD Bila dinyatakan di dalam fi$a didefnisikn 4t E = -VV = ,.-dv dN qrif dri grdicn potensial: (3.i2) t: I dim9..ns! (a) Sistem koordinat kartesiani p = -9I - S._, - #.. dx ", (b) Sistem koordinat sitinder: -# ", #* (c) Sistem koordinat bola: E= \ - *.= ^' E=-#",-ffi."-#* Dari persamaan (3.12) kita juga bisa memperoleh porensiel f : v=-lE.dN= J r J EcosldY di mana 4 = sudut antara vektor E dan garis normal N dai bidang equipotensial. "--.' t (3.13) l t ' --Il '*l* ,,'lc'')t ffir'' Medan Etektromagnetika . -._ Jika diketahui V = 50fy2z2 V berada di udara bebas. Tentukan t titik A(3, 4, 5) m. \' 1nQ't B= -grad v = = -120000 a, .# tt.'* "\ \:' ili** -"*ffi" tc) . (L2OO0O2 aN = ,'' (e) -D - 90000 + 900002 + :tF.1297.2 a, =16,6a = -0,72 a, (d) - - 0,54 - a, looxzyzz = -100(3X16)(25) a* E= 700x2y22 a, - 72000211/2 16,64 a, - ay - Ylm = 16,64 +-'-' 4rdi [k 5-- L sl. I - 0.797 a, - x 104 V/m. a, 0,43 a, pclmz div D = I (d) D. dan (e) a, 16,64 : .Q,= I t a, - 100(9)(16)(5) a, 72OOO a, Ylm - a, a", ",' lr;l t; 100(9X4)(2s) = €oE = 8.854 x 10-12 (-120000 a" -1.062 (c) f 35 -{ ". -fi ^, -# ^, = -l}}xyzz2 a, - (b) E. rfJe-r'' Solusi (a) ta) E. (b) Lttd Terapan 0,637 a) 90000 a, - 72N00 ar) ?;. +. * = -8,854 x 10-12 (r00(16x2s) + 100(9X25 + 100(9)(16)) C/m3 = -76,9 nClm3 tt 5\ .,"Dipole 3.3 dan Momen Dipole rt'rl Dua muatan titik yang sama besar, namun dengan tanda berlawanan, misalnya q dan -q, telpisah oleh jarak d, yang relatif kecil terhadap jarak dipole ke suatu titik, dinamakan dipole listrik (terkadang disebut dengan dipole saja). Momen dipole listrik (P) didefinisikan sebagai hasil-kali antara muatan q dan jarak kedua muatan d. Dalam sistem SI skala besar, satuan untuk momen dipole listrik adalah Coulomb ' meter (C . m). P=ed (3.14) Vektor momen dipole listrik P didefinisikan sebagai hasil-kali antara muatan g dengan vektor jarak d, yaitu vektor jarak dari muatan -q ke muatan +4: P=ed (3.15) Potensial V yang ditimbulkan oleh dipole listrik dapat diturunfan r.- I .{.8 q i bcrdrrta C.ambc (3-l): q r- '##" di mana r - jarak dari dipole ke titit P q",.t LA'/ rr=r-dl2cos0 rz=rfd/2cos0 0 = sudut antara vektor jarak d dan vektor r : tr-;.i:.tr l. ::.j 36 Bab 3 Energi, Potensial, Dipole, dan Momen Dipole -s Gambar 3.1 Dipole Listrik Potensial di titik P menjadi ,/-- r ( q ' 4tte \r 4/2 cos 0 1 ( qdcosg ) - 47te l7-VA coTo ) Untuk d << r, t'.I ^ lJ- V ,t6rr'-'' cosol = Qd 4n€r' P.r -, --V 4nErt q ,'V ) i\ I (3.15) Vektor intensitas medan listrik E dan jarak r dari dipole listrik dengan momen dipole P dapat diperoleh dari Persaman(3.12), untuk sistem koordinat bola tiga dimensi, sedangkan untuk dud dimensi diperoleh dari E=-Qf^--Av dnaTut a' + Psin0 = Pcos0 zo€rt oool ,t:: Q.rry ae di mana komponen-komponennya adalah - Pcos0Lr2rtr3 - Psind "u4rrt3 P.r (3.18) 2rtra lPxrl (3.1e) 4twa Diketahui muatan titik 4 = -100 pC di titik A(-O, 001 m; 0; 0) rlrn sehnh rnrfr tiu]t lainnya sebesar +100 pC di titik B(0, 001 m; 0; 0) di udara bebas. Tentukan: (a) Momeo dipolc hs{rit P. (b) vel:tor momen dipole listrik P, (c) potensial y di titik P(3, 4, 5) m, (d) vektor intensitas rEd@ hsrril E, dan Eo, (e) vektor medan listrik total E, dan (fl vektor satuan ars ymg menyatakan arah E Solusi (a) Vektor jarak dari titik 4(-0,001 m; 0; 0) ke titik 8(0,001 m: {L Or .dalah d = 0,002a, m. Maka momen dipole listriknya adalah p = (100 x 10{)(2 x l0-3) C . m = lffi nC . m. (b) P=200a,nC.m. (c) Vektor jarak^ dari ke P(3, 4, 5) m adalah r = 3e, +{1 r- lrl = (32 + 42^dipotf + 52)tt2 m = 7,05 m. Sehingga v = ;P::':, 47t€gr= 15,41 V = (9 x l0e)(200 + 5e- m. Maka x l0-ea,r.(-1r, +4e,+ 5a-)/7,053 v Med an Elektrom agnetika TeraPan 37 ( (d) = ",- Pi* ^e 41tE11r' =tsxroetI = 0x 200 toer Bi! ap x I0-e ar; x {3a, + +a, + 5a,)l 7,054 =8e =ft7""e hzooa- 9oooa.,1 = 4,665ae Ylm (8,+ Bo1tt2a, = (4,3'7192 + 4,66521tt2a* = 6,393arv' V/m, (e) E= (f) * "* = + ^, +ae = 0,68368a, + 0,7297a6 q2= +50 1tC di titik B(0; 0; +0'01 cm) Muaran titik q, -50 1tC di ritik A(0 ; 0; {i!Sl cm) dan muatan titik (d) saat (b), (c), dan (d) di P(2' 1,2) m' (:c) a" untuk (a) (b) E, dan V, P, berada di ruang vakum. Tentukan: - Solusi (a) P=ed=(50x (b) y= P' ti 4tt€6r' = 6.67 (c) E = Era, 104X2x 104a.)= l0a.nC'm =9 x 10e (10x l0-e ar).(2a, + an +2ar)127 v v + Eeae= '210€gr' :P 'z ", (10 x lO-ea- ) ^ =(lSxlo')ffa. ^ ltro " +(9xl0e)# * tli 4lt€gr' ", (2a- + a.. + 2a.l lo-e a- ) x (2a.\ + a, + 2a- )' 3 = 4,444a, + 2,484ag (d) a,.,, = 0,873a, + 0,488at Tentukankerjayangdiperlukanuntulrndwamuatantitikq=l00nCdarititikasalo(0,0'0)ketitik A(3,4,5) m melalui .id- E = 54r?,+ l0lea, + 5ry2arVlm dengan jalur berikut: (a) (0, 0, 0), ke (3, 0, 0) m ke (3.4. O) m ke (3, 4, -5) m. (b) Garisr=5Y;.2=3x (c) Kurva ;r = 223; y = 223 Solusi (a) Kerja w = -ol 4a, - el er+ - eJ e,az 38 Bab 3 Energi, Potensial, Dipole, dan Momen Dipole ( ( | : w=-rooxro-'q1 )--4m =0+0-100x (b) Kerja I4l = -100 x z=0 r=3m z=0 ro-e(5x3xr6)(-s o-e - r=3m !=4m o) = 120 N. t swzax - 1oo x to-s [ rcx2 zdy - (t W=-100x sw'a, Itrr** y=0 [rc*'rat* [ x=0 y=O \z=0 I I z=-5m too x ro-e J sxyz dz 4 rctzsy' xrsyay * J \0 0 = -100 x oa(fu+ral> + Gtso/ayat) * ko ts+Uot) rsrlrv 5xtlx)dx o-nl * I ir,,,rr,,',rrrd,) = -24,006 mJ (c) Kerja rrz = -t00, ,o-, [j',, x)(x)(x/2)t/3dx l;i.{o) = -100 x l0-e(0,78 x 107; = -0.78 *'f ,orrrr,rtt3dy +j r,r.r,r.l J J ffi Diketahui E = -5)a, - 5xa, + 3arY/m. Tentukan kerja yang diperlukan untuk membawa muatan titik q = 5 ,uC sejauh 15 pm: (a) dari titik p(3, 4, 5) m ke titik e@, 6,7) m, (b) dari ntik e@, 6, j) m ke p(3, 4, 5) m. Solusi * 2', * 2^, (a) dt -!p\ = dt(^, "'-= dr( "'lrro "'l' 3 )- \ J (l/3a, + 213a, + 2/3ar) dl Maka kerja yang diperlukan adalah w=-qln a 15 x 10-6 =-5x10< J t-t, a,- ./ 5xa, +3a-).0/-1r, t4 \ r-a ?4)= o,(-ax dl -'( -'\'or) irl x=3 = -5 x ro{ (-sl:;1+Xl5 x =1100pJ dt = -lle-td 15xlo{ -i.,r a1 -1srzy;at- J tror:..ra- j 6-:.fl lrsrto{ ='-sxro{l I j /=0 (b) -ffr, 0 2a, 3 t0{) (-10/3X3Xts x l0+ - 2a \ Maka ke{a yang diperlukan adalah ) W' = -t ! n -a r 1 t i I - 6tr rs x r0{))J 39 Medan Elektromagnetika TeraPan ( [,, ',0* w= -sxro{l | lc; Iro -5 x 1o{ 0o + 15 x 6By)dt+ lo{ I J 15 ror3xt dt 0 x=3 4o/3 - 2)(15 x - x ro-6 l I,) anatl 1o-6J=-16oopJ. Soal-soal 3.1 Diketahui vektor intensitas medan listrik E = 50a, + 4oar+ 3arV/m di titik A(r = l0 m, 0 = 45", Q = 30").Tentukankerjayangdiperlukanuntukmembawamuatantitik4=l00nCsejauh0,5pmdise- G) arah E, dan (c) arah vektor F = 3a' + 4ar+ 5ar. Diketahui vektor intensitas medan listrik E = -20!a, - 30xan + 15a. pVlm. Tentukan ke{a yang diperlukan untuk memindahkan muatan tinlk q = 100 nC sejautr 15 ,um: (a) dari titik A(2' 3' 4) cmke ritik B(5, 7, 10) cm, (b) dari titik B(5, 7, 10) cm ke titik A(2' 3, 4) cm. panjang lintasan arah vektor satuan: (a) ar; a0; 3.2 3.3 3.4 3.5 Diketahui vekror intensiras medan listrik E = -5rya, + $tz - 2x2)a, - l5za, pVlm. Hitunglah kerja yang diperlukan untuk memindahkan muatan titik q - 50 nC di sepanjang segmen yang menghubungkan: (aj titik O(0, 0, 0) ke ririk B(5, 0, 0) m ke C(5, 4, 0) m ke D(5, 4, 3) m, (b) di sepanjang garis lurus yang menghubungkan titik O(0, 0, 0) dengan titik D(5' 4,3) m. Diketahui vektor intensitas medan listrik E = -5rya" - b'u, + azl.V/m. Hitunglah kerja yang diperlukan untuk membawa muatan q = 5 C dari titik A(2, 2, i) m ke titik B(5, 6, 6) m di sepanjang lintasan y = x2 + 5z; z = x + 2. Berapakahkerjayangdiperlukanuntukmembawamuatantitik4=lo0llCdarititiko(0,0'0)ketitik A(3,4,2) m melalui medan E = Sx!za"+ 2fzar+ LfyarYlm jika segmen yang dilalui adalah (a) garis lurus O(0, 0, 0) ke (3, 0, 0) ke (3, 4, b) z = 2y2. 3.6 t" (:,'+, Z), Oi garis x = -5yi z = 4x, dan (c) kurva * = 4v3l Diketahui E - ya, V/m. Hitunglah kerja yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari titik A(2,3, l) m ke B(4, 5, 5) m di sepanjang segmen: titik 4 = 50 pC l) ke (4, 5, 1) ke (4, 5, 5) m. ke (4, 3, 3) ke (4, 5,4) ke (4, 5, 5) m. Jika diketahui muatan titik q, - -50 ,uC di titik (-5 pm, 0, 0) dan qr= +50 1tC di titik (a) (2,3, 1) m (b) (2, 3, 1) m 3.7 aQ, ke (4, 3, (5 pm' 0' 0) rti udara bebas, tentukan: (a) vektor momen dipole P, (b) vektor intensitas medan listrik E dan potensial y di tirik P(2,3, 4) m. 3.8 3.9 Suatu dipole listrik dengan vektor momen dipole P 4, 5) m di udara bebas. Tentukan: (a) V di titik A(x E di titik B(2,2, l) m. - 30a, - 40a, + 50a. pC ' m berada di titik P(3, ), z) m, (b) E di titik A("x y, z) m), dan (c) V dan Diketahui muaran titik q = 8 nC di tirtk A(2,3, 5) m di udara bebas dan muatan garis qr = 5 nC/m terdistribusi merata di garis x = 2 m; y - 4 m. Apabila potensial di titik asal O10.0. 0) = 50 \'. tentukan potensial Y di titik B(4, l,3) m. 3.10 Muatan garis qr= 5 nC/m terdistribusi merata di ka$at lurus di.r = I m:,r = J m ilan mrreran dtik a= 16 nC di ritik A(1. -1. -5rm di udara behr:. -\f'rit'ila pr.rensial $ stt\ asal ol0.0.0l = 105 V. tentukan potensial I'di titik 8r{- l. l' m. 80 nOm rerdisihrsi ruq i ilgltrg \rrr lrrus di posisi sumbu-:. Muatan di tirik (1. O. Or m da mna dft q, = t(n rc di dtik (0, I, O) m di udaxa bebas. tiu.t..rtll- l. 0) m dan titik B(3. 2. 5) m. 1a) Tentukan E di ritik P(r I :). o) Teaokan v^, bila m; o; 3.12 Muaran titik 4, - 75 1tC di titik (0,001 m; 0; 0) dan muaun 6tik {z = -75 1tC di titik B(-{'OOI jarak (c) (b) dari P, Vektor vektor momen dipole (a) P, dipole momen 0) di udara betas. Tentukan: dipole ke c(4, 3, 5) m, (d) v di c(4,3, 5) m, (e) E di c(4, 3, 5) m, (f) ar,' vektor satuan arah E. ' 3.11 Muatan gauis titik 4, qr= 100 nC