Fisika Teknik 2 MKK 45222

BAB I
Muatan Listrik dan Hukum Coulomb
Materi Fisika Terapan
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Listrik statis
Medan listrik
potensial listrik
Arus listrik
Rangkaian Listrik
Medan Magnet
Gaya gerak Listrik Induksi
Induktansi
Arus Bolak Balik
Kenapa belajar Fisika Terapan
• Fisika merupakan ilmu fundamental yang
mendasari ilmu keteknikan.
• Aplikasi ilmu fisika dalam dunia industri sangat
luas : kelistrikan, mekanika, IT, dll.
• Dasar untuk belajar Mekanika Teknik.
Muatan Listrik dan Hukum Coulomb
• Muatan Listrik
• Konduktor dan Isolator
• Hukum Coulomb
MUATAN LISTRIK
MUATAN LISTRIK
• Percobaan :
– Gosokkan penggaris plastik dengan kain kemudian
taruh diatas serpihan kertas
MUATAN LISTRIK
• Percobaan :
1. Batang plastik digosok
bulu binatang / rambut
2. Batang gelas/kaca digosok
kain
MUATAN LISTRIK
• Ketika kita menggosok batang plastik
dengan bulu, atau batang gelas
dengan kain, batang menjadi
“bermuatan”.
• Benjamin Franklin :
“secara normal setiap benda memiliki
sejumlah muatan listrik dan jika kedua
benda digosok bersama, sebagian
muatan akan berpindah dari satu
benda ke benda lainnya”.
• Jenis muatan
➢ Muatan positif
➢ Muatan negatif
MUATAN LISTRIK
• Batang plastik bermuatan
negatif karena menerima
muatan negatif dari bulu dan
memberikan muatan positif ke
bulu dalam jumlah yg sama.
• Batang gelas bermuatan positif
karena menerima muatan
positif dari kain, dan kain
menerima muatan negatif
dalam jumlah yg sama.
MUATAN LISTRIK
• Dua benda yang bermuatan
sejenis akan tolak-menolak,
dan dua benda yang
membawa muatan
berlawanan jenis akan tarikmenarik.
MUATAN LISTRIK
• Apakah anda bisa menjelaskan kenapa terjadi
hal ini?
MUATAN LISTRIK
• Pada atom,
– Pembawa muatan negatif = elektron
– Pembawa muatan positif = proton
– Netral = neutron
• Pada batang gelas yang digosok kain, elektron
berpindah dari gelas ke kain.
MUATAN LISTRIK
• Jumlah proton = nomor atom = jumlah elektron
• Massa proton = 2000 kali massa elektron
• Muatan proton dan elektron sama besar dan
berlawanan tanda
• Muatan proton = e, muatan elektron = -e, dimana
e = satuan dasar muatan
• Muatan bersifat terkuantisasi (diskrit), dengan Q
= ±Ne, dan N = bilangan bulat.
• Muatan listrik di alam selalu kekal.
MUATAN LISTRIK
Sifat2 muatan listrik :
 Terdapat dua jenis muatan
 Muatan positip
 Muatan negatip
 Antar muatan listrik terjadi interaksi
 Muatan sejenis tolak-menolak
 Muatan tak sejenis tarik-menarik
 Muatan listrik selalu kekal
 Muatan listrik adalah diskrit
MUATAN LISTRIK
• Satuan muatan (SI) = coulomb
• Coulomb (C) = jumlah muatan yang mengalir
melalui suatu penampang dalam waktu satu
detik jika besar arus dalam kawat adalah 1
ampere.
e = 1,60 x 10 -19 C
MUATAN LISTRIK
• Contoh Soal :
Sebuah tembaga (Cu) mempunyai massa 3,10
gram. Nomor atom tembaga adalah Z = 29,
dan nomor massanya 63,5 g/mol. Berapa
jumlah muatan total elektron di dalam uang
tembaga tersebut ?
Bilangan avogadro (na) = 6,02 x 10 23 atom/mol
MUATAN LISTRIK
• Jawaban Contoh Soal
Konduktor dan Isolator
 Konduktor
Partikel pembawa muatan listrik (elektron) di dalamnya
mudah bergerak
Contoh : logam
 Isolator
Partikel pembawa muatan listrik (elektron) di dalamnya tidak
bebas bergerak
Contoh : kayu
Konduktor dan Isolator
• Pemberian muatan pada suatu konduktor
dilakukan dengan induksi elektrostatis /
pemuatan dengan cara konduksi / induksi
– Cara konduksi :
Konduktor dan Isolator
• Induksi elektrostatis
Hukum Coulomb
• Dua muatan listrik yang sejenis tolak-menolak dan
tidak sejenis tarik menarik. Ini berarti bahwa antara
dua muatan terjadi gaya listrik. Bagaimanakah
pengaruh besar muatan dan jarak antara kedua muatan
terhadap besarnya gaya listrik ini?
• Hubungan gaya listrik antara dua bola bermuatan
terhadap jarak antara keduanya, pertama kali diselidiki
oleh seorang ilmuawan berkebangsaan perancis
bernama Charles Coulomb pada tahun 1785. Dalam
percobaannya dia menggunakan sebuah neraca puntir.
Hukum Coulomb
• Dari percobaanya, Coulomb menyimpulkan :
“Besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua
muatan listrik sebanding dengan muatanmuatannya dan berbanding terbalik dengan
kuadrat jarak antar kedua muatan.”
Hukum Coulomb
• Contoh Soal :
Dalam sebuah atom hidrogen, elektron
terpisah dari proton sejauh 5,3 x 10-11 m.
Hitung besar gaya tarik menarik antara proton
dan elektron.
Hukum Coulomb
• Jawaban Contoh Soal :
Hukum Coulomb
• Soal :
(1) Dua muatan titik masing-masing sebesar
0,05x10-6 C, dipisahkan pada jarak 10 cm.
Carilah :
(a) Besar gaya satu muatan terhadap muatan
lainnya
(b) Jumlah elektron pada tiap muatan titik
HUKUM COULOMB
Vektor
Satuan
qq
Besar gaya interaksi antara dua muatan : F  k 1 2 2
r
r̂21
Bagaimana arahnya ?
q2
Gaya pada q1 oleh q2 :
Gaya pada q2 oleh q1 :
q1q2
r̂21
2
r21
qq
F12  k 1 2 2 r̂12
r12
F21  k
r̂12
q1
r21  r12
rˆ21  rˆ12
F12  F21
Arah gaya interaksi tergantung pada jenis muatan yang berinteraksi !
Gaya pada q2
oleh q1
+q2
F21
F12
-q2
+q2
r̂21 F21
F12 r̂12
-q1
r21  r12
r̂21
r̂12
-q1
r21  r12
r̂21
r21  r12
r̂12
+q1
Gaya pada q1
oleh q2
F12
F21
Hukum Coulomb
Soal
(2) Tiga muatan titik terletak pada sumbu x.
q1 = 25 nC terletak pada titik asal,
q2 = -10 nC terletak pada x = 2m,
q0 = 20 nC terletak pada x = 3,5 m.
Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.
Bagaimana interaksinya jika terdapat lebih dari dua muatan tidak dalam garis lurus?
PRINSIP SUPERPOSISI
Gaya pada salah satu muatan merupakan jumlah
vektor gaya yang terjadi karena pengaruh
masing-masing muatan yang lain.
-q1
+q2
F32
F3

-q3
F3  F31  F32
F3 
F312  F322  2 F31 F32 cos
F31  k
q3 q1
r312
F32  k
q3 q2
r322
Untuk N buah muatan , Gaya pada muatan ke k :
F31
Fk 
F
N
ki
i 1,i k
Hukum Coulomb
• Soal
(3)Tiga muatan:
q1 = +25 nC terletak pada titik asal,
q2 = -15 nC terletak pada x = 2m,
q0 = +20 nC terletak pada x = 2m, y=2 m.
Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.