Listrik Statis-1 : Hukum Coulomb

Fisika II

John Adler

Pertemuan 1 &2

1

PERTEMUAN HARI / TANGGAL MATERI

1 (hari ini) & 2

Senin/ 3 Maret

2014 & 10 Maret 2014

BAB I : Listrik Statis-1 (Hukum Coulomb)Responsi : BAB I.1

2

Fenomena Listrik Statis2600 tahun yang lalu,

Thales of Miletus telah memperhatikan fenomena sebuah benda fosil mirip kaca atau resin yang digosokkan dapat menarik benda-benda tertentu secara “ajaib”, misalnya pakaian yang terbuat dari bulu binatang (fur).

3

• Pada Tahun 1700-an, seorang Ilmuan bernama Du Fay menunjukkan bahwa ada dua jenis gejala kelistrikan statik. Resinous (-) dan vitreous (+).

• Pada tahun 1600-an, William Gilbert menamai gejala batu ambar ini dan gejala apapun yang serupa sebagai Electric (dalam bahasa Yunani batu ambar disebut electron) atau dalam bahasa Indonesia disebut listrik (bukan elektron).

4

• Robert A. Millikan (1869-1953) mencari harga muatan yang paling kecil hasilnya ternyata 1,6 x 10-19 Coulomb (Elektron) melalui percobaan tetes-minyak Millikan

• Benjamin Franklin pada tahun 1752 kemudian menyatakan bahwa fenomena kilat dan batu ambar merupakan gejala yang sama dan menamakan (memberi tanda) kedua jenis listrik (muatan listrik) ini sebagai positif (+) dan negatif (-) (demo)

5

Penyebab Gejala Listrik Statis• Setiap benda terdiri dari muatan-muatan

listrik elektron, proton dll• Benda yang “tidak memiliki muatan”

adalah benda dengan jumlah muatan negatif dan positif yang seimbang, sehingga total muatan netral atau nol

+

Awan elektron

proton

• Muatan listrik dari benda dapat berpindah jika berinteraksi dengan benda lain, misalnya dengan cara digosokkan. Contoh kaca digosok kain sutera

6

Contoh jika batang gelas digosok oleh kain sutra, elektron dari gelas berpindah ke kain sehingga batang gelas bermuatan positif dan menarik balon konduktor yang bermuatan negatif (demo)

• Jika batang gelas digosok oleh bulu hewan, muatan positif dari batang gelas berpindah ke bulu hewan sehingga batang gelas sekarang bermuatan negatif dan akan menarik balon konduktor yang telah bermuatan positif (demo)

• Balon kemudian diberi muatan positif dengan menyentuhkan batang gelas, sehingga keduanya sekarang bermuatan positif dan akan saling menolak (demo)

Demo lainnya

7

Gaya ElektrostatikBerapa besar gaya elektrostatik?

• Pada tahun 1768, melalui sebuah percobaan, Coulomb mendapatkan Gaya elektrostatik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar benda/muatan dan sebanding dengan besarnya muatan benda tersebut.

E

B

D

A

C

Versi modern

• Karena itu gaya elektrostatik sering disebut gaya Coulomb cavendish

8

• Hasil percobaan Coulomb:2ABr

F BAQQk

+ +

QA QB

rAB

dengan k = 1/(40) 9 x 109

F = Gaya Coulomb (Newton)qA = Muatan pertama (coulomb)qB = Muatan kedua (coulomb)rAB = jarak antar muatan 1 dan 2

(meter)

• Dua muatan sejenis:

9

• Muatan berlawanan jenis:

- +

QA QB

rAB

• Ingat bahwa gaya elektrostatik seperti juga gaya lain merupakan besaran vektor

10

Bagaimana gaya elektrostatik jika muatan lebih dari dua?

• Berlaku prinsip superposisi atau penjumlahan

+Q1

-Q2

+Q4

- Q3

Total gaya yang dialami Q1 adalah jumlah dari masing-masing gaya:

4131211 FFFF ++=

41F 21F

31F

11

Medan Elektrostatik• Mengapa perlu didefinisikan medan elektrostatik?

Karena medan listrik lebih lebih mudah diukur

• Dengan konsep medan, kita memandang sebuah muatan listrik q sebagai sumber yang memancarkan pengaruh listrik ke segala arah. Pengaruh listrik ini dinamakan medan (field).

3D

12

• Interaksi dua muatan dari sudut pandang medan listrik

-

Animasi attract

Animasi reppel

13

• Besarnya medan listrik atau elektrostatik ini bergantung pada jaraknya dari muatan sumber dan juga besarnya muatan sumber mengikuti:

rr

E ˆ||4

12

0

Q

Q

r

E

14

• Jika sebuah muatan lain misalnya Qo ditempatkan pada titik tersebut

+Q0

rr

E ˆ||

Q2

041

Q

r

F

• Maka muatan tsb akan mengalami gaya elektrostatik sebesar

EF oQ

15

Seperti juga gaya elektrostatik medan elektrostatik atau medan listrik juga merupakan besaran vektor dan berlaku juga prinsip superposisi

1E

Q1

1rQ2

2r2E

i

ii

iQ rr

E ˆ||4

12

0

02202

2012

01

1

041

rr

rr

E ˆ||

Qˆ||

Qtotal

16

Jika muatan lebih dari satu maka medan total di suatu titik adalah penjumlahan dari seluruh medan

i

ii

iQ rr

E ˆ||4

12

0

• Ingat bahwa fenomena elektrostatik yang kita bahas ini adalah pada muatan titik. Untuk muatan bukan titik atau muatan kontinu akan dibahas pada pertemuan mendatang 17

PEKERJAAN RUMAH1. [HUKUM COULOMB-I] Hitunglah gaya Coulomb pada muatan D

bentuk persegi panjang yang tidak terdapat muatan dari gambar berikut , dimana: QA = 2C, QB = -2C,

QC= -4C, QD= 2C

2. [HUKUM COULOMB-II] Dua bola yang bermuatan sama saling tolak menolak dengan gaya 4 x10-5 N apabila berada dalam jarak pisah 3 cm. Hitunglah (Diketahui k = 9x109 N.m2/c2):a. Muatan bola tersebutb. Kuat medan listriknyac. Potensial listriknya

S

O

A

L

18

QA

QB QC

8mm

6mm

PEKERJAAN RUMAH

S

O

A

L

19

I1 I1

I1

I1 I2

I2

I2

I3

61 Ohm

1 Ohm

1 Ohm 3 Ohm

2 Ohm

3. [Hukum Kirchoff-I]

PEKERJAAN RUMAH[Hukum Kirchoff-I] Diketahui rangkaian di atas dengan looping ke-1 (abcefa) searah jarum jam. Begitu pula dengan looping ke-2 (cdec) searah jarum jam. Hitunglah nilai I1 dan I3 jika diketahui I2= A. Ambil titik cabang di C.

4. [Hukum Kirchoff-II]

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R1

R10

R8

R9

R1 = 2 ohm

R2 = 2 ohm

R3 = 4 ohm

R4 = 2 ohm

R5 = 4 ohm

R6 = 2 ohm

R7 = 3 ohm

R8 = 4 ohm

R9 = 4 ohm

R10 = 0,8 ohm

PEKERJAAN RUMAH[Hukum Kirchoff-II] Hitunglah R-ekivalen/R-total pada rangkaian di atas ?

5.[SUMBER MEDAN MAGNET] Dua kawat lurus panjang dan sejajar. Yang satu berarus 30 mA, yang lain 0,01 A dalam arah yang sama. Hitunglah gaya dikali jarak antara dua buah kawat pada kawat kedua sepanjang 25 cm (dalam satuan pikoNewton), dimana

6. [Induktansi, Induktor & Rangkaian RL] Dalam suatu rangkaian RL terhubung seri dengan sumber tegangan 90 Volt. Berapakah arus dalam rangkaian setelah saklar ditutup ? Diketahui nilai R dan L masing-masing 20 Ohm dan 0,3 H, serta waktu t sebesar 0,05 detik.

A/m.T710.40

PEKERJAAN RUMAH7. [RANGKAIAN KAPASITOR] Kapasitas ekivalen rangkaian berikut

antara P dan Q?

8. [Arus Bolak Balik & Rangkaian RLC] Sebuah rangkaian seri terdiri atas resistor 5 Ω yang tidak memiliki induktansi, kumparan berinduktansi 0,2 H dengan hambatan yang dapat diabaikan, dankapasitor 10 µF. Rangkaian dihubungkan pada sumber daya 120 V, 25 Hz.Tentukan :a. Arus dalam rangkaianb. Daya yang hilangc. Penunjukkan voltmeter pada ketiga unsur itu

S

O

A

L

22

PEKERJAAN RUMAH9. [LISTRIK STATIS 3 : POTENSIAL & ENERGI POTENSIAL LISTRIK]

Diketahui gaya pada muatan ke-2 dalam bentuk vektor karena pengaruh tarik-menarik muatan ke-1 dan ke-3 adalah .

Tentukan berapa nilai muatan Q2 jika muatan Q1 dan Q3 masing-masing sebesar – 2 C dan – 1 C sesuai gambar di bawah ini.

ji435

910.81

Y (m)

Q2

Q3

Q1

4

- 3

3

X (m)

PEKERJAAN RUMAH

10. [MEDAN MAGNET ]Hitunglah Gaya yang dialami kawat A sepanjang 20 cm

CBA

R = 3

20 A5A15 A

r = 5

Minggu Depan ...

Pertemuan ke-3LISTRIK STATIS-2 :

Medan Listrik Pada MuatanKontinu (Hukum Gauss)