FISIKA DASAR Listrik Magnet

FISIKA DASAR
Listrik Magnet
Djati Handoko
Departemen Fisika UI
[email protected]
08129789507
Silabus Listrik
• Medan Listrik:
– Distribusi Muatan Diskrit
– Distribusi Muatan Kontinu
•
•
•
•
Potensial Listrik
Kapasitansi, Dielektrik, dan Energi Elektrostatik
Arus Listrik
Rangkaian Arus Searah
Silabus Magnet
•
•
•
•
•
•
Medan Magnetik
Sumber Medan Magnetik
Induksi Magnetik
Magnetisme Dalam Materi
Rangkaian Arus Bolak Balik
Persamaan Maxwell dan Gelombang
Elektromagnetik
Medan Listrik,
distribusi muatan diskrit
• Listrik berasal dari kata elektron (dalam bahasa Yunani)
yang menyebutkan batu amber yang ketika di gosok
akan menarik benda-benda kecil seperti jerami atau
bulu.
• Jurassic Park ?
•
•
•
•
•
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
Gilbert
Du Fay
Millikan
Satuan Standar
Internasional
• Menurut SI satuan muatan adalah
Coulomb (C), yang didefinisikan dalam
bentuk arus listrik, Ampere (A).
• Muatan sekitar 10 nC sampai 0,1 C
dapat dihasilkan dalam laboratorium
dengan cara menempelkan bendabenda tertentu dan menggosokkannya.
Hukum Coulomb
• Gaya yg dilakukan oleh satu muatan titik
pada muatan titik lainnya bekerja
sepanjang garis yang menghubungkan
kedua muatan tersebut. Besarnya gaya
berbanding terbalik kuadrat jarak
keduanya, berbanding lurus dgn
perkalian kedua muatan.
• Gaya tolak menolak  muatan sama
• Gaya tarik menarik  muatan beda
kq1q2
F12 
r̂12
2
r12
• Dengan k = 8,99 109 N.m2/C2
painting static charge
Contoh Soal
• 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.
• 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.
Solusi Soal no.1
F21
0, 05C
 q1
10 cm
0, 05C
q2 
F12
kq1q 2
F
r2
8,99x10 9 N .m 2 / C 2 0,05 x10  6 C 0,05 x10  6 C

(0,1m) 2


 2,25 x 10 -3 N
q  Ne
q 0,05 x10  6 C
11
N  

3
,
12
x
10
e
1,6 x10 19 C


Solusi Soal no.2
2m
q1 = 25nC
F10 
1,5 m
q2 = -10nC
F10
F20
q0 = 20nC
kq1q0
rˆ10
2
r10
(8,99  10 9 N .m 2 / C 2 )( 25  10 9 )( 20  10 9 )

i
2
(3,5m)
 (0,367 N) i
kq2 q0
F20 
rˆ20
2
r20
(8,99  109 N .m 2 / C 2 )( 10  10 9 C )( 20  10 9 C )

i
2
(1,5m)
 (- 0,799 N)i
Ftotal  F10  F20  (0,367N )i  (0,799N )i  (-0,432N)i
Soal
• Carilah resultan gaya pada muatan
20C dalam soal gambar berikut:
q2
q1
q3
Solusi Soal
(9 109 Nm2 / C 2 )( 4 10 6 C )( 20 10 6 )
F23 
 2N
2
(0,6m)
(9 109 Nm2 / C 2 )(10 10 6 )( 20 10 6 )
F13 
 1,8 N
2
(1m)
F13 x  (1,8 N ) cos 37 o  1,4 N
F13 y  (1,8 N ) sin 37 o  1,1N
Fx  1,4 N dan Fy  2,0 N  1,1N
F  1,4 2  3,12  3,4 N
3,1
dan   arctan
 66o
1,4
Medan Listrik
• Untuk menghindari kesalahan yang
mungkin terjadi dalam konsep gaya
maka diperkenalkanlah konsep medan
listrik. Dimana:
F
E
( q0 kecil )
qo
• Hukum Coulomb untuk E
akibat satu muatan titik.
kqi
Ei 
rˆ
2 i0
ri 0
• Hukum Coulomb untuk E
akibat suatu sistem
muatan titik.
kqi
E   Ei   2 rˆi 0
ri 0
i
Contoh Soal
• Sebuah muatan positif q1=+8nC berada pada titik
asal dan muatan kedua positif q2=+12nC berada
pada sumbu x = 4m dari titik asal. Carilah medan
lisriknya di sumbu x untuk:
– P1 yang berjarak x=7m dari titik asal.
– P2 yang berjarak x=3m dari titik asal.
Solusi soal
3m
q2=12nC
+
P2
q1=8nC +
P1
4m
7m
E
kq1
kq2
i

2
2
x1
x2
8,99 10


 



 


Nm 2 / C 2 8 10 9 C
8,99 109 Nm 2 / C 2 12 10 9 C
i
2
7m
3m2
 (1,47 N / C )i  (12,0 N / C )i  (13,5 N / C )i (di P1 )
E
9
kq1
kq2
i

2
2
x1
x2
8,99 10

Nm 2 / C 2 8 10 9 C
8,99 109 Nm 2 / C 2 12 10 9 C
i
2
3m
1m2
 (7,99 N / C )i  (108 N / C )i  (100 N / C )i (di P2 )
9
soal
E di P3 ?
3m
q2=12nC
+
q1=8nC
+
4m
• Hitunglah nilai E di P3 !
• Berapa besar sudut yang diciptakan resultan E di
P3 terhadap sumbu x positif.
Garis-garis 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
Gerak Muatan Titik di
Dalam Medan Listrik
•
•
•
Muatan titik dalam medan listrik akan mengalami gaya qE.
Sehingga percepatan partikel dalam medan listrik memenuhi:
Didapatkan dari: Fmekanik = Flistrik
q
a
E
m
soal
• Sebuah elektron ditembakkan memasuki
medan listrik homogen E = (1000 N/C)i
dengan kecepatan awal Vo=(2 x 106 m/s)i
pada arah medan listrik. Berapa jauh
elektron akan bergerak sebelum berhenti?
Dipol Listrik
• Dipol listrik terjadi jika dua muatan
berbeda tanda dipisahkan oleh
suatu jarak kecil L.
• Suatu dipol listrik ditandai oleh
momen dipol listrik p, yang
merupakan sebuah vektor yang
mempunyai arah dari muatan
negatif ke positif.
• p=qL, untuk gambar kartesian
diatas maka p=2aqi
-
-q
L
p=qL
+
+q