Kompetensi Inti KI.1 Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya. K1.2 Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, displin, tanggung jawab, peduli (gotong-royong), kerjasama, toleran, damai, santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dlam pergaulan dunia. KI.3 Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual,prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni ,budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban, terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah. KI.4 Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan. Kompetensi Dasar 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya. 1.2 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan dan mengatur alam jagad raya melalui pengamatan fenomena alam fisis dan pengukurannya 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan, melaporkan, dan berdiskusi. 2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas seharihari sebagai wujud implementasi melaksanakanpercobaan dan melaporkan hasil percobaan. 3.2 Menganalisis muatan listrik, gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, potensial listrik, energi potensial listrik serta penerapannya pada berbagai kasus. 4.2 Melakukan percobaan berikut presentasi hasil percobaan kelistrikan (misalnya pengisian dan pengosongan kapasitor) dan manfaatnya dalam kehidupan sehari-hari. Indikator 1.1.1 Meyakini kebesaran Allah yang telah menciptakan semua yang ada di bumi diperuntukkan untuk umatNya agar dikelola dan dimanfaatkan dalam rangka mengabdi kepada Allah SWT. 1.2..2 Bertanggung jawab merawat dan menjaga keseimbangan alam agar tidak terjadi kerusakan 2.1.1 Menunjukkan perilaku jujur,disiplin,tanggung jawab, peduli, santun, responsif dan pro aktif dalam melakukan percobaan sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi. 2.2.1 Menghargai pendapat teman sebagai wujud implementasi dalam melaksanakan diskusi 3.3.1 Menganalisisi sifat-sifat dan interaksi muatan listrik 3.3.2 Menentukan besar dan arah gaya listrik yang disebabkan oleh beberapa muatan listrik 3.3.3 Menganalisis besar dan arah gaya listrik yang disebabkan oleh beberapa muatan listrik. 3.3.4 Menjelaskan pengaruh besaran-besaran yang dapat mempengaruhi kuat medan listrik 3.3.5 Menyelidiki pengaruh besaran-besaran yang dapat mempengaruhi fluks listrik 3.3.6 Menetukan besar kuat medan listrik yang disebabkan oleh beberapa muatan listrik muatan listrik. 3.3.7 Memecahkan permasalahn pada kulit bola dengan menggunakan konsep hukum Gauss. 3.3.8 Menjelaskan pengaruh kuat medan listrik tehadap potensial listrik 3.3.8 Menjelaskan besar potensial listrik pada beberapa titik yang berbeda 3.3.9 Menentukan besar potensial listrik pada titik dalam suatu ruang 3.3.10. Menganalisis jarak titik-titik potensial yang disebabkan oleh muatan yang berbeda 3.3.11 Mengidentifikasi fungsi kapasitor 3.3.12 Menentukan kapasitansi sebuah kapasitor Tujuan 1. Peserta didik dapat menganalisis sifat-sifat dan interaksi muatan listrik 2. Peserta didik dapat menentukan besar dan arah gaya listrik yang disebabkan oleh beberapa muatan listrik 3. Peserta didik dapat menganalisis besar dan arah gaya listrik yang disebabkan oleh beberapa muatan listrik. 4. Peserta didik dapat menjelaskan pengaruh besaran-besaran yang dapat mempengaruhi kuat medan listrik. 5. Peserta didik dapat menyelidiki pengaruh besaran-besaran yang dapat mempengaruhi fluks listrik 6. Peserta didik dapat menetukan besar kuat medan listrik yang disebabkan oleh beberapa muatan listrik muatan listrik. 7. Peserta didik dapat memecahkan permasalahn pada kulit bola dengan menggunakan konsep hukum Gauss. 8. Peserta didik dapat menjelaskan pengaruh kuat medan listrik tehadap potensial listrik 9. Peserta didik dapat menjelaskan besar potensial listrik pada beberapa titik yang berbeda 10. Peserta didik dapat menentukan besar potensial listrik pada titik dalam suatu ruang 11. Peserta didik dapat menganalisis jarak titik-titik potensial yang disebabkan oleh muatan yang berbeda 12. Peserta didik dapat mengidentifikasi fungsi kapasitor 13. Peserta didik dapat menentukan kapasitansi sebuah kapasitor PENDAHULUAN LISTRIK STATIS Mungkin Ananda percobaan dengan pernah melakukan menggesekkan penggaris plastik ke rambut kering lalu mendekatkan ke potongan-pontongan kecil kertas. Tampak potongan kertas ditarik oleh penggaris, padahal potongan kertas bersifat netral (bersifat tidak Gambar 1 Potongan kertas ditarik oleh sisir yang baru saja digosokkan pada rambut kering. dapat menghantarkan listrik dengan baik (isolator)). Mengapa benda netral dapat ditarik oleh benda lain? Bukankah gaya listrik terjadi antara benda yang bermuatan listrik? Mengapa pula kertas hanya ditarik oleh penggaris dan tidak pernah didorong. Mengapa pula saat potongan kertas menempel di plastik, potongan kertas lainnya menempel di kertas sehingga terjadi gelantungan beberapa potong kertas? Nah , untuk memahami peristiwa tersebut, ikutilah pembahasan berikut ini ! LISTRIK STATIS A. Muatan Listrik Muatan listrik terjadi karena adanya perpindahan sejumlah elektron. Benda bermuatan listrik mempunyai sifat-sifat kelistrikan yang dimiliki. Beberapa sifat muatan listrik : 1. Muatan listrik memiliki dua sifat muatan yaitu muatan positif dan muatan negatif. 2. Muatan yang sejenis akan tolak menolak dan muatan yang berbeda jenis akan saling tarik menarik. Fenomena gaya tarik muatan listrik dalam kehidupan sehari-hari salah satu contohnya potongan kertas yang ditarik oleh sisir yang sebelumnya sisir digosok-gosokkan pada rambut yang kering. Mengapa hal itu terjadi ?. Gambar 2. Sifat Muatan Listrik Gambar 3 Gaya tarik antara sisr dengan muatan listrik Ketika sisir digesekkan kerambut kering maka sisir menjadi bermuatan listrik, saat penggesekkan maka elektron dari rambut berpindah ke sisir sehingga sisir bermuatan negatif. Karena bermuatan listrik maka sisir menghasilkan medan listrik di sekitarnya. Potongan kertas dibentuk oleh atom-atom di mana tiap atom disusun oleh inti yang bermuatan positif dan electron yang bermuatan nedatif. Saat sisir yang telah menghasilkan medan listrik didekatkan ke potongan kertas maka muatan positif dan negative pada potongan kertas mendapatkan gaya listrik dalam arah berlawanan. Karena terjadi pergeseran muatan maka, muatan yang lebih dekat ke sisir (muatan positif) ditarik lebih kuat. Muatan yang lebih jauh dari penggaris ditolak lebih lemah. Akibatnya, secara total kertas mengalami gaya tarik oleh sisir. Kertas akhirnya bergerak dan menempel di sisir. (Abdullah, 2017) (Pengunaan berupa gambar) B. Gaya Listrik Coulomb Pada zaman modern, ada pengetahuan lain yang dikembangkan oleh para ilmuan, yakni listrik dan magnet. Fenomena listrik pertama kali diamati oleh Thales dari Yunani pada abad ke-6 SM. Setelah itu, masalah listrik terlupakan dan baru dipelajari kembali oleh Willian Gilbert, dokter Kerajaan Inggris pada masa pemerintahan Ratu Elizabeth 1 , pada 1600 Pada 1733, ahli kimia Prancis, Charles Francois de Cistenay Du Fay, mengidentifikasi dua jenis muatan listrik dari batu ambar dan kaca. Benjamin Franklin yang kemudian menjadi Presiden Amerika membuat eksperimen dan mengusulkan tanda positif dan negatif untuk kedua macam muatan listrik pada gelas dan batu ambr ( yang dikatakan bersifat electric, dari kata Yunani electron yang berarti batu ambar) Pada 1740, John Theophilus Desaguilers mengusulkan nama conductor bagi bahan penghantar fluida listrik dan insulator bagi bahan yang tidak memungkinkan fluida listrik bergerak bebas Pada 1745, E Gorg von Kleist dari Jerman membuat peranti yang saat ini disebut condensor atau kapasitor Pada 1785, fisikawan Prancis, Charles Augustin de Coulomb, melakukan pengukuran kuatitatif gaya tolak dan gaya listtrik. Coulomb menemukan bahwa gaya listrik mirip dengan gaya gravitasi, yaktni berbanding terbalik dengan jarak kuadrat antar muatan dan sebanding dengan besar muatan masing-masing Gambar 4 Rumus Gaya Coulomb sama dengan gaya Gravitasi Newton Eksperimen pembuktian hukum Coulomb dilakukan oleh Coulomb sendiri menggunakan neraca torsi. Neraca torsi ini adalah neraca yang dapat mengukur gaya yang sangat kecil. Neraca dirancang oleh Coulomb sendiri pada tahun 1777. Percobaan serupa dilakukan oleh Henry Cavendish tahun 1798 untuk membuktikan hukum gravitasi Newton. (penggunaan tingkat sejarah) (Purwanto, 2016) Melalui eksperimen gaya Coulomb, maka akan didapat hubungan antara besar gaya Coulomb dengan jarak antar muatan dan besar muatan. Hasil analisis data dari eksperimen tersebut menunjukkan bahwa besar gaya Coulomb sebanding dengan perkalian kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut. Gaya listrik adalah besaran vektor sehingga secara matematis dapat dituliskan: Dimana F= Gaya Coulomb ( N ) K= = = permitivas listrik vakum (8,85 × 10-12C2/Nm2) C. Medan Listrik Mengapa muatan q1 dapat melakukan gaya pada muatan q2 meskipun ke dua muatan tersebut tidak bersentuhan? Hal ini disebabkan karena adanya medan gaya yang dihasilkan oleh muatan listrik. Medan gaya ini dikenal juga dengan medan listrik. (Abdullah, 2017) Gambar 5 Interaksi muatan q2 dengan medan listrik yang dihasilkan q1 Pada gambar 1 muatan listrik q1 menghasilkan medan listrik disekitarnya. Muatan q2 yang berada di sekitar muatan q1 berinteraksi dengan medan yang dihasilkan muatan q1. Efek dari interaksi tersebut adalah muncul gaya listrik pada muatan q2. (Abdullah, 2017) Jadi, sebuah muatan listrik q akan mempengaruhi muatan-muatan lain di sekitarnya sehingga muatan-muatan lain itu akan mengalami gaya listrik. Muatan q itu membentuk medan gaya listrik. Medan gaya listrik ini sering disingkat sebagai medan listrik. (Penggunaan gambar) Medan listrik terbagi mejadi dua macam yaitu : 1. Medan Listrik oleh Muatan Tunggal Medan listrik di suatu titik muatan q didefinisikan sebagai gaya listrik 2. Medan Listrik oleh Muatan Majemuk Garis-Garis Medan Listrik Michael Faraday, orang yang memperkenalkan gagasan mengenai medan listrik pada abad ke – 19, membayangkan bahwa ruang disekitar benda dipenuhi oleh garisgaris gaya. Garis-garis gaya tersebut dinamakan dengan garis-garis medan listrik. Hal ini dapat memberikan cara yang mudah untuk memvisualisasikan pola-pola dalam medan listrik. (Halliday, Resnick, & Walker, 2010). Telah diketahui bahwa muatan terdiri dua jenis yaitu muatan positif dan negatif. Setiap jenis muatan memiliki arah garis medan dan jenis interaksi yang berbeda dengan muatan lain. Gambar 6 Garis-garis medan listrik a) pada muatan positif b) pada muatan negatif Muatan penghasil medan listrik biasa disebut muatan sumber Berdasarkan gambar 1 maka arah medan listrik dari muatan positif adalah radial keluar menjauhi (meninggalkan) muatan sumber positif. Sedangkan arah medan listrik dari muatan negatif adalah radial ke dalam mendekati (masuk) menuju muatan sumber negatif. (Penggunaan berupa gambar). Ada beberapa aturan untuk menggambarkan garis medan listrik, yaitu : a. Garis medan listrik bermula dari muatan positif menuju muatan negatif. b. Banyaknya garis yang meninggalkan muatan positif atau menuju muatan negatif sebanding dengan besar muatan. c. Tak ada dua garis medan yang saling bersilangan. (Serway & Jewett, 2004) Gambar 7 Interaksi antara 2 muatan a) pada muatan berbeda jenis b) pada muatan sejenis Pada gambar pertama garis-garis medan untuk sebuah muatan titik positif dan sebuah muatan titik negatif di dekatnya bermagnitudo sama. Kedua muatan ini saling tarik menarik. Vektor medan listrik di satu titik dilukiskan disini: vektor ini menyinggung garis medan yang melewati titik itu. Pada gambar ke dua garis-garis medan untuk dua muatan titik positif yang sama. Kedua muatan ini saling tolak-menolak Garis-garis medan berakhir di suatu muatan negatif nun jauh disana). Vektor medan listrik di satu titik dilukiskan disini; perhatikan bahwa vektor ini menyinggung garis medan yang melewati titik itu. (Abdullah, 2017) Laki-laki dan perempuan dapat dianalogikan untuk menjelaskan interaksi antara 2 muatan. Muatan positif sebagai perempuan dan muatan negatif sebagai laki-laki. Supaya mendapatkan keturunan haruslah pada manusia yang berlawanan yaitu laki-laki dan perempuan. Sehingga mempunyai keturunan. Tidak bisa dilakukan antara sesama jenis manusia yaitu wanita dengan wanita atau laki-laki dengan lakilaki. (Penggunaan analogi) Adapun medan listrik dapat menyebabkan muatan lain dalam medan listrik mengalami gaya tarik atau gaya tolak, bergantung pada apakah muatan sumber sejenis atau tak sejenis dengan muatan lain. Benda bermuatan yang menghasilkan medan listrik kita sebut muatan sumber (+�). Muatan lain yang kita taruh dalam pengaruh medan listrik muatan sumber kita sebut muatan uji (+�). Besar gaya Coulomb (gaya listrik) yang bekerja pada muatan uji itu dibagi dengan besar muatan uji tersebut didefinisikan sebagai besar kuat medan listrik pada lokasi muatan uji tersebut. E F q Melalui demonstrasi mengenai medan listrik pada suatu titik yang berjarak � dari suatu muatan menunjukkan bahwa besarnya kuat medan listrik berbanding lurus dengan besar muatan sumbernya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan dengan titik yang ditinjau. Kuat medan listrik pada suatu titik merupakan besaran vektor sehingga secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: q E k 2 rˆ r Dimana : E = kuat medan listrik pada suatu titik (N/C) q =muatan sumber (C) r = jarak antara titik dan muatan sumber (m) r̂ = vector sautuan yang menunjukan arah medan listrik Telah diketahui bahwa gaya listrik merupakan vektor dan kuat medan listrik merupakan gaya per satuan muatan. Hal tersebut membuat kuat medan listrik merupakan besaran vektor dan sudah pasti kuat medan listrik memiliki arah juga. Lalu bagaimana cara melukiskan arah kuat medan listrik? Perlu kamu ketahui bahwa setiap kuat medan listrik pada suatu titik di sekitar muatan listrik, arahnya akan selalu menyinggung garis medan (garis gaya). Contoh gambar kuat medan listrik E pada suatu titik di sekitar muatan-muatan tak sejenis dan sejenis dapat kamu lihat pada gambar 8. Gambar 8 Kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh a) muatan yang tak sejenis b) muatan sejenis Misalkan terdapat dua muatan q1 dan q2 seperti pada gambar 9. Besar kuat medan listrik total E pada titik P akibat kedua muatan listrik tersebut dapat ditentukan dengan metode penjumlahan vektor sebagai berikut: E E1 E 2 2E1 E 2 cos 2 2 D. Fluks Listrik Bicara tentang garis-garis medan listrik, kita perlu membahas fluks listrik. Apakah hubungan antara garis medan listrik dengan fluks listrik? Kerapatan garisgaris medan listrik ditunjukkan oleh besar fluks medan listrik. Fluks listrik yang melalui suatu luasan didefinisikan sebagai suatu hasil perkalian antara medan listrik dan komponen luasan yang tegak lurus arah medan listrik itu. Arah tegak lurus suatu luasan dikenal sebagai arah normal bidang yang diwakili vector satuan n. Gambar 9 Garis-Garis medan listrik a) Menembus tegak lurus seluruh bidang b) menembus seluruh bidang A dan membentuk sudut θ Dalam bentuk vector, suatu luasan dapat dinyatakan dengan : A A n atau A=An. Dengan demikian, defines fluks listrik yang melalui suatu luasan dapat juga dinyatakan sebagai : hasil kali titik (dot product) antara vector medan listrik dengan vector luasan yang dilaluinya. Dalam bentuk persamaan, E E.A atau E E A . cos atau E EA. cos Dengan θ adalah sudut yang dibentuk antara medan listrik E dan vector normal luasan n, sedangkan A atau A adalah luas permukaan yang dilalui medan listrik. Satuan SI untuk fluks listrik adalah weber (Wb) atau Nm2/C. penggunaan rumus fluks listrik adalah untuk menghitung medan listrik dengan Hukum Gauss. (penggunaan gambar) LATIHAN SOAL 1. Diketahui posisi tiga muatan seperti berikut A B C Jika A menarik C tetapi ditolak B, dan B menarik muatan positif, maka... a. Muatan A positif b. Muatan B positif dan A negatif c. Muatan C dan B negatif d. Muatan B negatif dan muatan C positif e. Muatan A negatif dan muatan C positif 2. Dua buah muatan listrik masing-masing dan terpisah pada jarak 6 cm . Berapakah besarnya gaya listrik yang dirasakan sebuah muatan uji yang berada tepat ditengah-tengah kedua muatan ... a. 80 N b. 60N c. 30 N d. 20 N e. 10 N 3. Dua gerak muatan masing-masing +2 µC dan +8 µC terpisah pada jarak 15 cm. Letak titik yang dialami –q agar gaya Coulomb nol dari muatan yang besar adalah .... (dalam cm). a. 25 cm b. 20 cm c. 15 cm d. 10 cm e. 5 cm 4. Pernyataan berikut tentang garis-garis medan listrik berikut ini yang benar adalah ... a. Keluar dari muatan negatif b. Menuju muatan positif c. Jumlahnya sebanding dengan besar besar muatan d. Jumlahnya sebanding dengan jarak e. Jumlahnya sama untuk muatan berapapun 5. Duah buah muatan keduanya bermuatan +2 µC terpisah pada jarak 2 cm. Besarnya gaya yang bekerja pada kedua muatan tersebut jika kedua muatan diletakkan dalam bahan yang memiliki permitivitas relatif 2,5 adalah ... a. 72 N b. 60 N c. 36 N d. 32 N e. 18 N 6. Perhatikan gambar di bawah ini! Berapakah kuat medan listrik di titik P dan gaya yang bekerja pada muatan -4 × 10-8C yang diletakkan di P... a. – 0,072 N b. -0.062 N c. – 0,036 N d. -0.032 N e. -0,015 N 7. Banyaknya garis-garis medan listrik menembus suatu permukaan dalam arah tegak lurus disebut ... a. Energi potensial listrik b. Fluks medan magnet c. Potensial listrik d. Medan listrik e. Gaya listrik KUNCI JAWABAN 1. D 2. D 3. E 4. C 5. C 6. C 7. B DAFTAR PUSTAKA Abdullah, M. (2017). Fisika Dasar 2. Bandung : Institut Teknologi Bandung . Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2010). Fisika Dasar Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Purwanto, A. (2016). Nalar Ayat -Ayat Semesta . Bandung: Mizan. Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2004). Physics for Scientists and Engineers. Thomson Brooks: Cole.
