Pendahuluan Listrik Statis Rudi Susanto
http://rudist.wordpress.com
1
Sifat-sifat Muatan Listrik – Observasi Makroskopik • Berdasarkan pengamatan :
– Penggaris plastik yang digosokkan ke rambut/kain akan menarik potongan-potongan kertas kecil* – Batang kaca yang digosok sutera akan tarik-menarik dengan pengaris plastik yang digosok dengan rambut – Batang kaca yang digosok sutera akan tolak menolak dengan batang kaca lain yang juga digosok sutera.
• Berdasarkan pengamatan tersebut tampak ada dua jenis muatan yang kemudian oleh Benjamin Franklin (1706-1790) dinamakan sebagai muatan positip dan negatip. • Disimpulkan : muatan sejenis tolak menolak, muatan tak sejenis tarik menarik * 2
Klasifikasi Material – Insulator, Konduktor dan Semikonduktor • •
Secara umum, material dapat diklasifikasikan berdasarkan kemampuannya untuk membawa atau menghantarkan muatan listrik Konduktor adalah material yang mudah menghantarkan muatan listrik. – Tembaga, emas dan perak adalah contoh konduktor yang baik.
•
Insulator adalah material yang sukar menghantarkan muatan listrik. – Kaca, karet adalah contoh insulator yang baik.
•
Semikonductor adalah material yang memiliki sifat antara konduktor dan insulator. – Silikon dan germanium adalah material yang banyak digunakan dalam pabrikasi perangkat elektronik.
3
Formulasi Matematik Hukum Coulomb • •
ke dikenal sebagai konstanta Coulomb. Secara eksperimen nilai ke = 9109 Nm2/C2.
Ketika menghitung dengan hukum Coulomb, biasanya tanda muatan-muatan diabaikan dan arah gaya ditentukan berdasarkan gambar apakah gayanya tarik menarik atau tolak menolak.
Contoh: Dua buah muatan, Q1 = 1 10-6 C dan Q2 = 2 10-6 C terpisahkan pada jarak 3 cm. Hitung gaya tarik menarik antara mereka! 4
Prinsip Superposisi • Berdasarkan pengamatan, jika dalam sebuah sistem terdapat banyak muatan, maka gaya yang bekerja pada sebuah muatan sama dengan jumlah vektor gaya yang dikerjakan oleh tiap muatan lainnya pada muatan tersebut. • Gaya listrik memenuhi prinsip superposisi.
Contoh: tiga muatan titik terletak pada sumbu x ; q1= 8C terletak pada titik asal, q2= 4C terletak pada jarak 20 cm di sebelah kanan titik asal, dan q0= 18C pada jarak 60 cm di sebelah kanan titik asal. Tentukan besar gaya yang bekerja pada muatan q0
5
Medan Listrik • Misalkan sebuah muatan titik q1 (positip) diletakkan di suatu tempat di dalam ruang • Bila terdapat muatan lain q2 (positip) di sekitarnya, maka muatan q1 memberikan suatu gaya tolak kepada muatan q2 yang besarnya dapat tergantung pada besar kedua muatan dan jaraknya antar keduanya • Pertanyaannya : bagaimana q1 mengetahui bahwa disekitarnya ada muatan q2 ? 6
Medan Listrik • Bagaimana menjelaskan fenomena ‘action at distance’ ini.? • Fenomena ini dapat diterangkan dengan konsep/pengertian medan dimana muatan q1 menghasilkan atau menyebarkan (set-up) suatu medan di sekitarnya. • Pada setiap titik P dalam ruang medan ini mempunyai besar dan arah. • Besarnya tergantung pada besar q1 dan jarak titik P dari q1 sedangkan arahnya tergantung dari posisi titik P terhadap q1. • Medan skalar (temperatur, tekanan udara) = distribusi di dalam ruang • Medan listrik = medan vektor 7
Definisi Medan Listrik • Misalkan di sekitar obyek bermuatan diletakkan suatu muatan uji qo • Kemudian gaya yang bekerja padanya diukur, misalkan F • Medan listrik didefinisikan sebagai : F N E q C o
• Medan listrik = gaya Coulomb pada muatan sebesar 1 C • Di ruang sekitar obyek bermuatan terdapat distribusi medan listrik
Medan Listrik
E
F qo
• Untuk muatan q positip, medan listrik pada suatu titik berarah radial keluar dari q. • Untuk muatan negatip, medan listrik pada suatu titik berarah menuju q.
E ke
q r2
9
Contoh Soal
Dua buah muatan titik, + 8 q dan -2 q, dipegang tetap pada pada titik A(0,0) dan B(L,0). Di titik mana medan listrik akibat kedua muatan ini nol ? Jawab : Hanya mungkin di titik sebelah kanan muatan negatip (yang lebih kecil) E1 E 2 k (8q ) k (2q ) 2 x ( x L) 2 ( x L) 2 2 1 2 x 8 4 xL 1 2 x 2L x x 2 x 2L
x
Contoh:
Hitung kuat medan listrik yang dihasilkan proton (e=1,610-19C) pada titik yang jaraknya dari proton tersebut (a) 10-10 m dan (b) 10-14 m. (c) Bandingkan kuat medan di kedua titik tersebut! (Keterangan : dimensi atom adalah dalam orde 10-10 m dan dimensi inti adalah dalam orde 10-14 m).
11
Garis-garis Medan Listrik • • •
Memvisualisasikan pola-pola medan listrik adalah dengan menggambarkan garis-garis dalam arah medan listrik. Vector medan listrik di sebuah titik, tangensial terhadap garis-garis medan listrik. Jumlah garis-garis per satuan luas permukaan yang tegak lurus garisgaris medan listrik, sebanding dengan medan listrik di daerah tersebut.
a)
b)
+
q
-
q
+
-
12
Ink-Jet Printing
• Drop generator mengeluarkan tetesan-tetesan (drops) tinta
• Drop charging unit memberikan muatan negatip pada tetesan tinta sesuai dengan besarnya input sinyal dari komputer • Tetesan tinta yang masuk ke deflecting plate yang di dalamnya terdapat medan listrik seragam E yang arahnya ke bawah • Tetesan tinta akan mendapat gaya/percepatan ke atas dan menumbuk kertas pada tempat yang diinginkan
• Untuk membentuk 1 hurup diperlukan kira-kira 100 tetesan tinta
Contoh Soal Sebuah tetesan tinta bermassa 1,3x10-10 kg dan bermuatan sebesar negatip 1,5x10-13 C masuk ke daerah diantara dua pelat dengan kecepatan awal 18 m/s. Medan listrik diantara kedua pelat adalah 1,4x106 N/C dengan arah ke bawah dan panjang pelat adalah 1,6 cm. Hitung defleksi vertikal pada saat keluar dari ujung pelat Jawab : 1 2 a yt 2 L L vx t t vx
ay
F qE m m
1 qE L y 2 m vx
y
2
qEL2 2 2 mv x (1,5x10 13 )(1,4 x106 )(1,6 x10 2 ) 2 2(1,3x10 10 )(18) 6,4 x10 4 m 0,64 mm
ENERGI POTENSIAL ELEKTROSTATIK Jika terdapat dua benda titik bermuatan q1 dan q2 yang dipertahankan tetap terpisah pada jarak r, maka besar energi potensial sistem tersebut adalah : Jika ada lebih dari dua muatan, maka energi potensial yang tersimpan dalam sistem tersebut adalah jumlah (skalar) dari energi potensial dari tiap pasang muatan yang ada. Untuk tiga muatan: Contoh:
PE k
q1. q2 r
qq qq q q PE k 1 2 1 3 2 3 r13 r23 r12
Hitung energi potensial dari sistem 3 muatan, Q1=10-6 C, Q2=210-6C dan Q3=310-6C yang terletak di titik-titik sudur segitiga samasisi yang panjang sisinya 10 cm.
16
Potensial Listrik •
Beda potential antara titik A dan B, VB-VA, didefinisikan sebagai perubahan energi potensial sebuah muatan, q, yang digerakkan dari A ke B, dibagi dengan muatan tersebut.
PE V VB VA q
• •
Potensial listrik merupakan besaran skalar Potensial listrik sering disebut “voltage” (tegangan)
•
Satuan potensial listrik dalam sistem SI adalah :
•
Potensial listrik dari muatan titik q pada sebuah titik yang berjarak r dari muatan tersebut adalah : (anggap titik yang potensialnya nol terletak di tak berhingga)
1V 1 J C
q V ke r 17
• Jika terdapat lebih dari satu muatan titik, maka potensialnya di suatu titik akibat muatanmuatan tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan prinsip superposisi Total potensial listrik di titik P yang diakibatkan oleh beberapa muatan titik sama dengan jumlah aljabar potensial listrik dari masing-masing muatan titik. Contoh: Hitung potensial listrik di sudut puncak sebuah segitiga samasisi yang panjang sisinya 20 cm, jika di sudut-sudut dasarnya ditempatkan muatan Q1=10-6 C dan Q2=2106C. 18
Terima Kasih
19
