BAB I Muatan Listrik dan Hukum Coulomb
Materi Fisika Terapan • • • • • • • • •
Listrik statis Medan listrik potensial listrik Arus listrik Rangkaian Listrik Medan Magnet Gaya gerak Listrik Induksi Induktansi Arus Bolak Balik
Kenapa belajar Fisika Terapan • Fisika merupakan ilmu fundamental yang mendasari ilmu keteknikan. • Aplikasi ilmu fisika dalam dunia industri sangat luas : kelistrikan, mekanika, IT, dll. • Dasar untuk belajar Mekanika Teknik.
Muatan Listrik dan Hukum Coulomb • Muatan Listrik • Konduktor dan Isolator • Hukum Coulomb
MUATAN LISTRIK
MUATAN LISTRIK • Percobaan : – Gosokkan penggaris plastik dengan kain kemudian taruh diatas serpihan kertas
MUATAN LISTRIK • Percobaan : 1. Batang plastik digosok bulu binatang / rambut 2. Batang gelas/kaca digosok kain
MUATAN LISTRIK • Ketika kita menggosok batang plastik dengan bulu, atau batang gelas dengan kain, batang menjadi “bermuatan”. • Benjamin Franklin : “secara normal setiap benda memiliki sejumlah muatan listrik dan jika kedua benda digosok bersama, sebagian muatan akan berpindah dari satu benda ke benda lainnya”. • Jenis muatan ➢ Muatan positif ➢ Muatan negatif
MUATAN LISTRIK • Batang plastik bermuatan negatif karena menerima muatan negatif dari bulu dan memberikan muatan positif ke bulu dalam jumlah yg sama. • Batang gelas bermuatan positif karena menerima muatan positif dari kain, dan kain menerima muatan negatif dalam jumlah yg sama.
MUATAN LISTRIK • Dua benda yang bermuatan sejenis akan tolak-menolak, dan dua benda yang membawa muatan berlawanan jenis akan tarikmenarik.
MUATAN LISTRIK • Apakah anda bisa menjelaskan kenapa terjadi hal ini?
MUATAN LISTRIK • Pada atom, – Pembawa muatan negatif = elektron – Pembawa muatan positif = proton – Netral = neutron
• Pada batang gelas yang digosok kain, elektron berpindah dari gelas ke kain.
MUATAN LISTRIK • Jumlah proton = nomor atom = jumlah elektron • Massa proton = 2000 kali massa elektron • Muatan proton dan elektron sama besar dan berlawanan tanda • Muatan proton = e, muatan elektron = -e, dimana e = satuan dasar muatan • Muatan bersifat terkuantisasi (diskrit), dengan Q = ±Ne, dan N = bilangan bulat. • Muatan listrik di alam selalu kekal.
MUATAN LISTRIK Sifat2 muatan listrik : Terdapat dua jenis muatan Muatan positip Muatan negatip Antar muatan listrik terjadi interaksi Muatan sejenis tolak-menolak Muatan tak sejenis tarik-menarik Muatan listrik selalu kekal Muatan listrik adalah diskrit
MUATAN LISTRIK • Satuan muatan (SI) = coulomb • Coulomb (C) = jumlah muatan yang mengalir melalui suatu penampang dalam waktu satu detik jika besar arus dalam kawat adalah 1 ampere. e = 1,60 x 10 -19 C
MUATAN LISTRIK • Contoh Soal : Sebuah tembaga (Cu) mempunyai massa 3,10 gram. Nomor atom tembaga adalah Z = 29, dan nomor massanya 63,5 g/mol. Berapa jumlah muatan total elektron di dalam uang tembaga tersebut ? Bilangan avogadro (na) = 6,02 x 10 23 atom/mol
MUATAN LISTRIK • Jawaban Contoh Soal
Konduktor dan Isolator Konduktor Partikel pembawa muatan listrik (elektron) di dalamnya mudah bergerak Contoh : logam Isolator Partikel pembawa muatan listrik (elektron) di dalamnya tidak bebas bergerak Contoh : kayu
Konduktor dan Isolator • Pemberian muatan pada suatu konduktor dilakukan dengan induksi elektrostatis / pemuatan dengan cara konduksi / induksi – Cara konduksi :
Konduktor dan Isolator • Induksi elektrostatis
Hukum Coulomb • Dua muatan listrik yang sejenis tolak-menolak dan tidak sejenis tarik menarik. Ini berarti bahwa antara dua muatan terjadi gaya listrik. Bagaimanakah pengaruh besar muatan dan jarak antara kedua muatan terhadap besarnya gaya listrik ini? • Hubungan gaya listrik antara dua bola bermuatan terhadap jarak antara keduanya, pertama kali diselidiki oleh seorang ilmuawan berkebangsaan perancis bernama Charles Coulomb pada tahun 1785. Dalam percobaannya dia menggunakan sebuah neraca puntir.
Hukum Coulomb • Dari percobaanya, Coulomb menyimpulkan : “Besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatanmuatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar kedua muatan.”
Hukum Coulomb • Contoh Soal : Dalam sebuah atom hidrogen, elektron terpisah dari proton sejauh 5,3 x 10-11 m. Hitung besar gaya tarik menarik antara proton dan elektron.
Hukum Coulomb • Jawaban Contoh Soal :
Hukum Coulomb • Soal : (1) Dua muatan titik masing-masing sebesar 0,05x10-6 C, dipisahkan pada jarak 10 cm. Carilah : (a) Besar gaya satu muatan terhadap muatan lainnya (b) Jumlah elektron pada tiap muatan titik
HUKUM COULOMB Vektor Satuan
qq Besar gaya interaksi antara dua muatan : F k 1 2 2 r rˆ21 Bagaimana arahnya ? q2
Gaya pada q1 oleh q2 : Gaya pada q2 oleh q1 :
q1q2 rˆ21 2 r21 qq F12 k 1 2 2 rˆ12 r12 F21 k
rˆ12 q1
r21 r12
rˆ21 rˆ12
F12 F21
Arah gaya interaksi tergantung pada jenis muatan yang berinteraksi ! Gaya pada q2 oleh q1
+q2
F21
F12
-q2 +q2
rˆ21 F21 F12 rˆ12 -q1 r21 r12 rˆ21 rˆ12 -q1 r21 r12
rˆ21 r21 r12
rˆ12
+q1
Gaya pada q1 oleh q2
F12
F21
Hukum Coulomb Soal (2) Tiga muatan titik terletak pada sumbu x. q1 = 25 nC terletak pada titik asal, q2 = -10 nC terletak pada x = 2m, q0 = 20 nC terletak pada x = 3,5 m. Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.
Bagaimana interaksinya jika terdapat lebih dari dua muatan tidak dalam garis lurus?
PRINSIP SUPERPOSISI Gaya pada salah satu muatan merupakan jumlah vektor gaya yang terjadi karena pengaruh masing-masing muatan yang lain. -q1
+q2
F32 F3
-q3
F3 F31 F32
F3
F312 F322 2 F31 F32 cos
F31 k
q3 q1 r312
F32 k
q3 q2 r322
Untuk N buah muatan , Gaya pada muatan ke k :
F31
Fk
F N
ki
i 1,i k
Hukum Coulomb • Soal
(3)Tiga muatan: q1 = +25 nC terletak pada titik asal, q2 = -15 nC terletak pada x = 2m, q0 = +20 nC terletak pada x = 2m, y=2 m. Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.
