LISTRIK STATIS (Hukum Colloum) Ni’matut Tamimah, M.Sc Listrik Statis Listrik statis adalah listrik yang diam untuk sementara pada suatu benda Orang pertama yang melakukan percobaan tentang listrik statis adalah Thales of Miletus. Ia menggosokkan batu ambar dengan kain wol, kemudian ia dekatkan ke bulu ayam. Ternyata bulu ayam terbang dan menempel pada batu ambar beberapa saat kemudian jatuh lagi. awal Memberi Muatan Listrik Statis Suatu benda dapat diberi muatan listrik statis dengan cara menggosoknya dengan benda lain Mengapa demikian? Untuk jelasnya kita perlu memahami model atom terlebih dahulu. awal Atom Atom merupakan partikel terkecil penyusun suatu unsur yang masih memiliki sifat unsur tersebut. Atom terdiri dari partikelpartikel yang jauh lebih kecil yang memiliki sifat sendiri. Partikel-partikel tersebut adalah proton, netron yang terdapat dalam inti atom dan elektron yang mengorbit inti dengan lintasan tertentu. awal Atom Proton memiliki sifat bermuatan listrik positip dan elektron memiliki sifat bermuatan listrik negatip, sedang neutron memiliki sifat yang netral. Besar muatan listrik proton dan elektron sama. awal Atom Atom yang netral memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Suatu atom akan memiliki muatan listrik negatif bila atom tersebut kelebihan elektron Dan atom akan bermuatan positip bila kekurangan elektron awal Atom Netral Atom yang netral memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. awal Atom Negatif Bila suatu atom mendapat tambahan elektron dari atom lain, maka atom ersebut menjadi kelebihan elektron Atom menjadi bermuatan negatip awal Atom Positip Jika suatu atom kehilangan elektron, maka atom tersebut menjadi kekurangan elektron Atom tersebut menjadi bermuatan positip awal Menggosok dua jenis benda Dua buah benda tertentu bila saling digosok, maka kedua benda akan bermuatan listrik. Contoh: Balon dengan kain wol, Kaca dengan kain sutra Mika dengan kain wol Mika dengan kain sutra awal Balon dengan Kain Wol Balon bila kita gosok dengan kain wol maka elektron berpindah dari kain wol ke balon. Sehingga balon menjadi bermuatan listrik negatif dan kain wol bermuatan listrik positif awal Kaca dengan kain sutra Bila kaca kita gosok dengan kin sutra, elektron berpindah dari kaca ke kain sutra. Sehingga kaca menjadi bermuatan lisrik positip dan kain sutra bermuatan listrik negatif. awal Sifat Muatan Listrik Dua buah benda bermuatan listrik memiliki sifat: • jika muatannya sama akan saling tolak menolak • jika muatannya berbeda akan saling tarik menarik Benda netral akan selalu ditarik oleh benda bermuatan listrik awal Menginduksi dengan Benda Bermuatan Listrik Selain dengan menggosok, suatu benda dapat diberi muatan listrik dengan cara diinduksi dengan benda lain yang telah bermuatan listrik. awal • 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 Hukum Coulomb Gaya tolak menolak atau gaya tarik menarik antara dua buah benda bermuatan listrik kita sebut gaya Coulomb sebagai penghrgaan atas jasa Charles Augustin de Coulomb, ahli fisika berkebangsaan Prancis yang merupakan orang pertama yang meneliti gaya listrik dan merumuskannya secara matematis. Dari hasil percobaannya, Disimpulkan bahwa: Gaya listrik (tarik-menarik atau tolak-menolak) antara dua muatan listrik sebanding dengan besar muatan listrik masingmasing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara kedua muatan listrik. (Hk. Coulomb) awal 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 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. 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 (0,367N )i (0,799N )i (-0,432N)i Soal • Carilah resultan gaya pada muatan 20C 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 (E) 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 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 3m2 (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 1m2 (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. 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? Bahaya Listrik Statis Pada truk tangki pengangkut bahan yang mudah terbakar, dipasang rantai pada bagian bawahnya. Ini dimaksudkan agar listrik statis yang timbul karena gesekan ban dengan jalan dapat dinetralkan sehingga tidak membahayakan muatan tangki. awal Penggunaan Listrik Statis Pengendap elektrostatis Alat ini ditemukan oleh F.G. Cottrell pada tahun 1907. Alat ini digunakan untuk membersihkan udara yang keluar dari cerobong asap Pengecatan Mobil Agar mobil dapat dicat dengan rata, maka badan mobil diberi muatan listrik yang berbeda dengan muatan listrik pada cat. Dengan demikian cat dapat menempel kuat dan merata pada mobil awal Penggunaan Listrik Statis Mesin Fotokopi Mesin fotokopi memanfaatkan konsep listrik statis dan optik. Mesin ini memanfaatkan sifat unik dari logam selenium, yaitu dapat menghantarkan listrik ketika terkena cahaya dan tidak menghantarkan listrik ketika tidak terkena cahaya. awal
