Fisika Statistik yang berhubungan dengan hukum thermodinamika | Summaries Physics

LISTRIK STATIS - HUKUM COULOMB

Oleh Suparno, PhD

Sifat-sifat Muatan

Bila sebuah sisir digosok-gosokkan pada rambut, lalu didekatkan kepada serpihan

kertas kecil-kecil, maka serpihan kertas itu akan tertarik dan melekat pada sisir.

Peristiwa ini menunjukkan adanya gaya listrik yang termasuk gaya medan. Meskipun

kedua obyeknya tidak saling bersentuhan namun pengaruh gayanya dapat diobservasi.

Peristiwa itu sekaligus menujukkan eksistensi muatan listrik. Adanya loncatan api

kecil ketika kulit kita secara tidak sengaja menyentuh meja juga menunjukkan adanya

muatan.

Dalam beberapa eksperimen sederhana dapat ditunjukkan bahwa bila dua batang karet

yang keras digosok-gosokkan pada bulu, lalu digantung dengan benang di tengahnya

dan ujungnya saling didekatkan satu terhadap yang lain, maka akan nampak bahwa

keduanya saling menolak. Namun bila batang yang sama didekatkan pada batang kaca

yang sudah digogok-gosokkan pada sutera, maka antara batang karet dengan batang

kaca itu saling tarik menarik. Kenyataan tersebut menunjukkan adanya dua jenis

muatan yang berbeda. Muatan yang sama akan saling tolak menolak dan muatan yang

berbeda akan saling tarik menarik. Kedua jenis muatan itu oleh Benjamin Franklin

(1706-1790) diberi nama muatan positif dan muatan negatif. Muatan positif adalah

muatan seperti yang dimiliki oleh proton sedang muatan negatif adalah muatan seperti

yang dimiliki oleh elektron.

Dalam berbagai penelitian selanjutnya Robert Millikan (1868-1953) menunjukkan

bahwa besar muatan itu terkuantisasi dan diberi nilai sebesar muatan elementer e yang

besarnya sama dengan 1, 602 x 1019. Untuk electron besar muatannya -1, 602 x 1019

sedang untuk proton besar muatannya + 1, 602 x 1019. Untuk partikel lain muatannya

dapat dinotasikan sebagai q = Ne dengan N merupakan bilangan integer.

Fakta lain yang menarik tentang adanya muatan adalah kenyataan bahwa muatan

tersebut tidak bisa diciptakan. Ketika batang gelas digosok-gosokkan pada kain

sutera, maka kain sutera tersebut menerima muatan negatif dengan jumlah yang sama

dengan muatan positif yang muncul pada gelas. Sehingga dapat disimpulkan bahwa

jumlah muatan dalam sistem tertutup selalu tetap.

Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa:

1. Di alam terdapat dua jenis muatan yang berbeda yakni positif dan negatif.

2. Muatan yang sejenis tolak menolak dan muatan yang berbeda jenis tarik menarik.

3. Jumlah muatan di dalam sistem terisolasi selalu tetap.

4. Muatan itu besarnya terkuantisasi.

Partial preview of the text

Download Fisika Statistik yang berhubungan dengan hukum thermodinamika and more Summaries Physics in PDF only on Docsity!

LISTRIK STATIS - HUKUM COULOMB

Oleh Suparno, PhD Sifat-sifat Muatan Bila sebuah sisir digosok-gosokkan pada rambut, lalu didekatkan kepada serpihan kertas kecil-kecil, maka serpihan kertas itu akan tertarik dan melekat pada sisir. Peristiwa ini menunjukkan adanya gaya listrik yang termasuk gaya medan. Meskipun kedua obyeknya tidak saling bersentuhan namun pengaruh gayanya dapat diobservasi. Peristiwa itu sekaligus menujukkan eksistensi muatan listrik. Adanya loncatan api kecil ketika kulit kita secara tidak sengaja menyentuh meja juga menunjukkan adanya muatan. Dalam beberapa eksperimen sederhana dapat ditunjukkan bahwa bila dua batang karet yang keras digosok-gosokkan pada bulu, lalu digantung dengan benang di tengahnya dan ujungnya saling didekatkan satu terhadap yang lain, maka akan nampak bahwa keduanya saling menolak. Namun bila batang yang sama didekatkan pada batang kaca yang sudah digogok-gosokkan pada sutera, maka antara batang karet dengan batang kaca itu saling tarik menarik. Kenyataan tersebut menunjukkan adanya dua jenis muatan yang berbeda. Muatan yang sama akan saling tolak menolak dan muatan yang berbeda akan saling tarik menarik. Kedua jenis muatan itu oleh Benjamin Franklin (1706-1790) diberi nama muatan positif dan muatan negatif. Muatan positif adalah muatan seperti yang dimiliki oleh proton sedang muatan negatif adalah muatan seperti yang dimiliki oleh elektron. Dalam berbagai penelitian selanjutnya Robert Millikan (1868-1953) menunjukkan bahwa besar muatan itu terkuantisasi dan diberi nilai sebesar muatan elementer e yang besarnya sama dengan 1, 602 x 10^19. Untuk electron besar muatannya -1, 602 x 10^19 sedang untuk proton besar muatannya + 1, 602 x 10^19. Untuk partikel lain muatannya dapat dinotasikan sebagai q = Ne dengan N merupakan bilangan integer. Fakta lain yang menarik tentang adanya muatan adalah kenyataan bahwa muatan tersebut tidak bisa diciptakan. Ketika batang gelas digosok-gosokkan pada kain sutera, maka kain sutera tersebut menerima muatan negatif dengan jumlah yang sama dengan muatan positif yang muncul pada gelas. Sehingga dapat disimpulkan bahwa jumlah muatan dalam sistem tertutup selalu tetap. Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa:

Di alam terdapat dua jenis muatan yang berbeda yakni positif dan negatif.
Muatan yang sejenis tolak menolak dan muatan yang berbeda jenis tarik menarik.
Jumlah muatan di dalam sistem terisolasi selalu tetap.
Muatan itu besarnya terkuantisasi.

Induksi Listrik Bila sebuah batang karet keras yang bermuatan negatif didekatkan kepada sebuah bola yang bermuatan netral (Gambar 1A), maka muatan negatif akan pindah ke sisi yang lain (Gambar 2B). Perpindahan muatan ke sisi yang lain tersebut akan menyebabkan sisi bola yang dekat dengan batang karet cenderung bermuatan positif. Bila bola tersebut dihubungkan dengan tanah ( ground ) dengan menggunakan kawat maka muatan negatif akan mengalir ke bumi (Gambar 3C). Gambar 1. Pemuatan melalui proses induksi

Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan ( r-2 )
Berbanding lurus dengan hasil kali kedua muatan yang berinteraksi ( q^1 q^2 )
Bersifat tolak menolak bila muatannya sejenis dan tarik menarik bila muatannya berbeda jenis.
Bersifat konservatif Kedau muatan yang saling berinteraksi tersebut dianggap sebagai muatan titik ( point charge ). Maksudnya partikel tersebut bermuatan tetapi tidak bermasa. Kesimpulan hasil pengamatannya dirumuskan dalam satu formula yang terkenal sebagai Hukum Coulomb: Dengan Fe adalah gaya Coulomb, q 1 adalah besar muatan ke 1, q 2 adalah besar muatan ke 2, r adalah jarak antar muatan dan ke adalah konstanta Coulomb yang besarnya 8.9875 x 10^9 N'm^2 /C^2. Konstanta tersebut juga sering dinyatakan sebagai: Dengan єo sebagai permitivitas ruang hampa yang besarnya 8.8542 x 10-12^ C^2 /Nm^2. Contoh Soal: Ada 3 buah muatan yang berada pada ujung-ujung segitiga sama kaki dengan panjang kaki a, seperti terlihat dalam Gambar y dimana q 1 =q 3 =5μC, q 2 = -2 μC dan a=0,01m. Tentukan berapa gaya yang bekerja pada q 3? Gambar 2. Interaksi antara 3 buah muatan

Jawab: Yang pertama yang perlu diperhatikan adalah arah gaya yang dikeluarkan oleh q 1 dan q 2 pada q 3. Gaya F 23 oleh q 2 pada q 3 adalah gaya tarik karena q 2 dan q 3 memiliki muatan yang berbeda. Sedang gaya F 13 oleh q 1 pada q 3 adalah gaya tolak karena keduanya sama-sama memiliki muatan negatif. Besarnya Gaya F 23 adalah: Besarnya Gaya F 13 adalah: Gaya tolak F 13 membuat sudut 45o^ dengan sumbu x. Oleh karena itu komponen gaya F 13 searah dengan sumbu x dan y sama yakni sebesar F 13 cos 45o= 7,9 N. Dengan menjumlahkan F12 dan F23 dengan menggunakan aturan vektor maka diperoleh komponen gaya yang bekerja pada q3 yang searah dengan sumbu x: F3x = F13x + F23x = 7,9 N + (-9N) = -1,1 N F3y = F13y + F23y = 7,9N + 0 = 7,9 N Sehingga besarnya gaya total yang bekerja pada q3 adalah: Fr = √[(7,9 N)^2 + (-1,1 N)^2 ] = √62,62 N = 7,91 N Medan Listrik Sebagaimana halnya dengan materi bermasa m yang menimbulkan medan gravitasi di sekitarnya, maka muatan q juga akan menimbulkan medan lsitrik di sekitar. Bumi yang bermasa m menimbulkan medan gravitasi di sekitarnya yang kuat medan gravitasinya ditunjukkan oleh percepatan gravitasi yang besarnya g=F/m. dengan F sebagai gaya gravitasi bumi. Begitu juga dengan muatan. Sebuah muatan q akan menimbulkan medan listrik di dalam ruang di sekitarnya dengan kuat medan listrik sebesar E=Fe/q dengan Fe sebagai gaya listrik dan sering disebut sebagai gaya elektrostatik atau juga dikenal sebagai gaya Coulomb.

Gambar 4. Elemen muatan kecil ∆q yang merupakan bagian dari muatan yang terdistribusi secara merata padapartikel A. dengan sebagai unit vektor. Bila total elemen muatannya adalah i , maka kuat medan listrik totalnya adalah: Dengan indeks i menyatakan elemen ke- i di dalam distribusi muatan tersebut. Karena seluruh muatan terdistribusi secara kontinu, maka total kuat medan listrik di titik P dengan ∆qi mendekati nol adalah: Dengan integrasi mencakup seluruh distribusi muatan. Untuk memudahkan melakukan integrasi ke seluruh daerah distribusi maka diperkenalkan beberapa besaran sebagai berikut:

Rapat muatan volum, ρ untuk muatan Q yang terdistribusi secara merata di seluruh bagian volum, V tersebut. Besar rapat muatan valum adalah: Dengan besaran di atas maka elemen dq bisa dinyatakan sebagai dq= ρdV
Rapat muatan permukaan, σ untuk muatan Q yang terdistribusi secara merata pada sebuah permukaan dengan luas A. Dengan besaran baru ini maka besar elemen dq dapat dinyatakan sebagai dq=σdA.
Rapat muatan linier,  untuk muatan Q yang tersistribusi secara merata pada sebuah garis dengan panjang l. Dengan besaran tersebut maka besar elemen muatan dq dapat dinyatakan sebagai dq=  dl

Muatan dengan masa m bergerak di dalam mudan lsitrik E Bila sebuah partikel bermuatan q dengan massa m diletakkan di bawah pengaruh medan listrik E , maka pada partikel tersebut bekerja gaya elektrostatik sebesar; Gaya elektrostatik Fe akan menyebabkan partikel bermuatan tersebut bergerak. Menurut Newton partikel bermasa m tersebut mendapatkan gaya sebesar: Substitusi kedua persamaan di atas akan menghasilkan Sehingga di dalam medan listri yang uniform sebesar E sebuah partikel bermasa m dan bermuatan sebesar q akan mengalami percepatan, a sebesar: CONTOH SOAL: Sebuah elektron masuk ke dalam medan listrik uniform seperti dalam Gambar 5 dengan kecepatan vi= 2,0 x 10^6 m/s. Bila kuat medan listriknya 100N/C dan panjang plat sejajarnya adalah 0,1m, maka: A. Tentukan percepatan electron di dalam medan listrik tersebut. Muatan elektron adalah e=1,60 x 10-19^ C dan massa electron adalah me= 9,11 x 10- kg,maka besar percepatan electron tersebut: B. Bila electron memasuki medan listrik pada waktu t=0 , tentukan waktu saat electron meninggalkan medan listrik tersebut. Jarak horizontal yang dilalui electron adalah l=0,1m, maka waktu yang diperlukan untuk melintasi jarak sejauh 0,1m tersebut adalah SOAL-SOAL:

Di antara sifat-sifat muatan disebutkan yangdi bawah ini, yang manakah yang keliru:

Fisika Statistik yang berhubungan dengan hukum thermodinamika, Summaries of Physics

Related documents

Partial preview of the text

Download Fisika Statistik yang berhubungan dengan hukum thermodinamika and more Summaries Physics in PDF only on Docsity!

LISTRIK STATIS - HUKUM COULOMB