Listrik Statis - 1 [ LS-1]

 

Dalam pembahasan listrik Statis setidaknya kalian pernah di pelajari ketika waktu SMP. Untuk itu sebelum lanjut ke pembahsan mendalam maka ada beberapa konsep yang pernah di ajarkan di SMP dan setidaknya kalian sudah tahu, yakni:

  1. Ada berapa jensi muatan? Sebutkan dan jelaskan!
  2. Bagaimana interaksi antar muatan tersebut jika bermuatan sejenis, dan atau berlain jenis?

 

Di kehidupan sehari-hari banyak sekali fenomena-fenomena yang berkaitan dengan bahasan listrik statis, yakni salah satunya adalah petir. 

Petir yang berlikauan pada gambar diatas sangat indah untuk di lihat, dan energi yang di keluarkan dari petir sangat besar. Pertanyaanya bagaimana petir terbentuk? Bagaimana prosesnya? Dan bisakan petir dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif?

Sumber: ayo mikir. https://www.youtube.com/watch?v=JvDkqr40EYc

 

 

Sumber: Toronto Symphony Orchestra, https://www.youtube.com/watch?v=Cz_uYBx1G5s

 

Dari video diatas point utama terjadinya petir akibat interkasinya muatan positif (+) dangan muatan (-) diantara awan dan lingkugan sekitar. Interaksi antara muatan positif dan negatif ini karena saling tarik menarik di akibatkan adanya gaya. Agar bisa lebih paham adanya pengaruh gaya akibat interkasi muatan perhatikan video berikut.

 

Dari video di atas semua benda memiliki muatan dan bisa di kondisikan untuk lebih bermuatan positif atau negatif, akibatnya benda-benda di sekitar bisa saling tarik-menarik atau tolak menolak. Gaya akibat Tarik-menarik atau tolak – menolak suatu benda disebut dengan gaya coloumb. Untuk lebih jelas terkait besaran-besaran pada elektrostatis ( listrik statis) simak pembahasan di bawah ini:

1. Sifat muatan listrik 

Muatan listrik dinyatakan dalam satuan Coulomb. Terdapat muatan listrik elementer, yaitu elektron yang bermuatan  -1,6 x 1019 C dan proton yang bermuatan +1,6x1019 C.

Besarnya muatan listrik sebuah benda adalah kelipatan dari muatan elementer. Sehingga benda yang bermuatan listrik bersifat disktret. Besarnya muatan listik sebuah benda di rumuskan:

Keterangan :

Q    = Besar muatan (coulomb)

n     = banyak muatn elementer

q   = muatan elementer (elektron -1,6 x 1019 C dan proton +1,6x1019 C)

 

Dengan melihat muatan elementer tersebut, maka benda bermuatan dibedakan menjadi dua, yaitu bemuatan listrik positif (+) dan bermuatan listrik negatf (-).

Pada dasarnya benda itu bermuatan netral ( jumlah protan dan electron sama besar) gambar 2.a. Namun dengan kita buat perlakuan tertentu pada suatu benda maka jumlah electron dan proton pada benda tersebut tidak berimbang. Benda dikatakan bermuatan listrik negatif jika benda tersebut kelebihan elektron, sedangkan benda bermuatan listrik positif  jika benda tersebut kekurangan elektron. Gambar 2.b

Ada beberapa perlakuan yang mudah dilakukan agar suatu benda menjadi benda bermuatan tertentu. Misalnya sebatang plastik di gosok dengan kain wol dan sebatang kaca di gosok dengan kain sutra. Seperti pada gambar 3.

Ketika batang gelas digosok dengan kain sutra, sejumlah elektron dari batang gelas berpindah ke kain sutra sehingga batang gelas kekurangan elektron sehingg bermuatan positif (kelebihan proton). Batang gelas yang bermuatan positif akan menarik konduktor yang memiliki elektron bebas,  misalnya kertas logam. Mekanisme sebalinya terjadi ketika kita menggosokan wol pada batang plastik, sejumlah elektron justru berpindah dari wol ke batang plastik sehingga batang plastik memiliki muatan negatif berlebih ( kelebihan elektron).

Agar lebih paham silahkan eksplore simulasi phet berikut, dimana terdapat balon, kain baju, dan dinding pada simulasi tersebut. Amati interkasinya.

Muatan listrik dapat berpindah dari suatu benda ke benda lain dan juga dapat disalurkan sehingga menimbulkan arus listrik. Sehingga jangan heran jika kaki anda setelah bersentuhan dalam waktu lama pada suatu karpet berbulu kemudian meyentuh suatu benda konduktor maka anda akan mendapatkan nuansa kesetrum. Nuansa Kesetrum ini di karenakan adanya loncatan elektron berlebih dari tubuh anda ke benda metal tersebut.

Silahkan eksplore simulasi terkait nuansa kesetrum di simulasi Phet berikut ini:

Simulasi diatas bisa di analogikan dengan petir namun dalam sekala yang kecil, sedangkan petir loncatan listrik dengan sekala yang besar.

 

Adapula perlakuan untuk membuat suatu benda netral menjadi bermuatan selain dengan menggosokan kain kepada benda adapula cara lain tanpa bersentuhan yakni dengan cara induksi. Untuk dapat memahami cara induksi agar bendar bermuatan perhatiakan gambar 4 berikut:

Proses induksi benda menjadi bermautan dilakukan tanpa bersentuhan langsung dengan object, namun perlu adanya bantuan media sumber muatan positif yaitu tanah.

 

2. Gaya Coulomb

Apabila terdapat dua buah  atau lebih partikel bermuatan, maka antar partikel tersebut akan terjadi gaya tarik menarik atau tolak menolak. Partikel bermuatan sejenis akan tolak menolak gambar 5b, sedangkan partikel tak sejenis (berlainan) akan tarik menarik gambar 5a

Charles de Coulomb, (1736 – 1806), Hasil eksperiment Coulomb menunjukan bahwa gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara kedua muatan listrik berbanding lurus dengan besar setiap muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Coulomb.

Secara sedarhana interaksi antar muatan dapat digambarkan seperti gambar 6. Arah gaya Coulomb pada tiap muatan selalu berada pada garis hubung antara kedua muatan. Perhatikan bahwa gaya setiap muatan merupakan pasangan aksi-reaksi, besarnya sama dan aranya berlawanan

Besar gaya tarik-menark atau tolak menolak antara dua partikel bermuatan sebanding dengan besar muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan. Secara matematis 

Keterangan:

F       = gaya coulomb (N)

q1q2  = muatan ke-1 dan muatan ke-2 (C), dan untuk merupakan besar dari masing-masing muatan ( nilai negatif muatan tidak disertakan pada proses hitungan.

r        = jarak antara q1 dan q2

k        = Nm2/C2, dan

o      =permitivitas listrik vakum  8,85 x 10-12C2/Nm2.

er       = vektor arah satuan r

 

Catatan:

  • Dalam menggambarkan gaya cuolomb mesti dibuat seketsa, karena berlaku kembali persamaan mengenai perhitungan vektor.
  • Tanda + atau – tidak disertakan dalam perhitungan matematis, tetapi digunakan untuk arah.

 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

 

3. Medan Listrik

Medan listrik adalah ruang disekitar benda bermuatan listrik dmana benda yang bermuatan listrik lainnya yang diletakan dalam ruang ini akan mengalami gaya cuolomb.

Besaran yang digunakan untuk menyatakan vektor medan listrik disebut kuat medan listrik. Kuat medan listrik disekitar muatan listrik dilukikan oleh garis-garis gaya yang arahnya keluar dari uatan positif dan masuk ke muatan negatif gambar 7.

Sehingga jika kedua muatan berlainan jenis di ketemukan maka akan terlihat jalur garis gaya dari interkasinya seperti pada gambar 8

Agar lebih mantap terkait konsep garis gaya pada muatan silahkan eksplore simulasi Phet di bawah ini:

 

3.1. Medan listrik oleh muatan titik

Kuat medan listrik (E) adalah besaran yang menyatakan gaya Coulomb persatuan muatan, secara matematis

Terkait arah medan listrik dan gaya Coulomb pada muatan titik, Jika q = + maka F  searah dengan  E, dan jika q = - , maka F berlawanan dengan E, seperti pada gambar 9

3.2 Kaut medan listrik oleh mautan sumber listrik

Besar kuat  listrik E oleh muatan sumber listrik Q pada jarak r dan muatan sumbe ter sebut dinyatakan dengan persamaan:

Keterangan:

E       = Medan Listrik  (N/C)

Q       = muatan sumber (C)

r        = jarak antara titik uji ke muatan sumber

k        = Nm2/C2, dan

o      =permitivitas listrik vakum  8,85 x 10-12C2/Nm2.

er       = vektor arah satuan r

 

Catatan:

  • Dalam menggambarkan gaya cuolomb mesti dibuat sekesa, karena berlaku kembali persamaan mengenai perhitungan vektor.
  • Tanda + atau – tidak disertakan dalam perhitungan matematis, tetapi digunakan untuk arah.

 

3.3 Hukum Gauss

Hukum Gauss didasarkan pada konsep fluks. Fluks merupakan kuantitas yang menggambarkan berapa banyak vektor medan/garis-garis gaya yang menembus suatu permukaan secara tegak lurus. Perhatkan gambar 10

Perhatikan gambar 10 (a) garis-garis gaya suatu medan listrik homogen menembus tegak lurus bidang seluas A, jumlah garis medan listrik (E) yang menembus secara tegak lurus bidang A sering dinamakan dengan fluks listrik ( Φ). Secara matematis:

Jika garis-garis gaya tersebut menembus bidang tidak secara tegak lurus gambar 10 (b) , fluks listriknya adalah 

Keterangan:

Φ     = fluks listrik (weber, disingkat Wb)

E       = kuat medan listrik (N/C), dan E⊥ merupaan rapat garis gaya medan listrik yang berimpit garis normal atau tegak lurus bidang

A       = Luas bidang (m2)

Dari konsep fluks medan listrik inilah Gauss mengemukakan hukumnya yakni, jumlah garis gaya yang keluar dari suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup tersebut”Secara matematis dapat di tuliskan :

Dengan menggunakan persamaan Gauss kita bisa menentukan besar medan listrik dari suatu muatan tunggal Q, perhatikan gambar 11. garis gaya medan listrik keluar secara radial (menyebar kesegala arah pada ruang tertutup). Permukaan Gauss di pilih berupa luas selimut bola dengn pusat berimpit dengan muatan titik.  Sehingga secara matematis

Dengan A = 4πr2

sehingga persamaan medan listrik dari muatan sumber adalah:

Persamaan kuat medan listrik dari muatan sumber secara penurunan dari hukum Gauss sama persis dengan kuat medan listrik disekitar muatan titik yang diturunkan dengan menggunakn Hukum Cuolomb. 

3.4 Medan listrik oleh bola konduktor berongga bermuatan

Muatan listrik pada bola konduktor berongga gambar 12 akan tersebar merata pada pemukaan bola. Kuat medan listrik dapat diperoleh dari persamaan Gauss di tempat-tempat tertentu akan memenuhi persamaan

  • Didalam bola (r < R)

Tidak ada muatan q = 0 yang dilingkupi permukaan bola gauss gambar 12, maka

  • Di permukaan bola (r = R)

Pada permukaan bola terdapa muatan q = Q, yang di lingkupi permukaan bola gauss A = 4πR, gambar 12

  • Di luar bola (r > R )

Diluar permukaan bola permukaan bola terdapa muatan q = Q, yang di lingkupi permukaan bola gauss A = 4πr, gambar 12

Grafik hubungan medan listrik (E) dan jarak titik ke pusat bola ( r ) dapat digunakan sebagai berikut gambar 13

3.5 Medan listrik diantara dua keping sejajar

Dua keping sejajar di berikan muatan listrik besar tetapi belainan jenis. Kuat medan listrik diantara kedua keping tersebut gambar 14

Rapat muatan σ tiap keping didefinisikan sebagai muatan q pesatuan luas A, secara matematis dapat di tulis:

Maka kuat medan listrik yang di timbulkan pada satu keping plat konduktor dinyatakan dengan persamaan

Sedangkan kuat medan listrik yang ditimbulkan pada oleh kedua plat keping konduktor dinyatakan dengan persamaan:

Keterangan :

E  = kuat medan listrik (N/C)

σ = rapat muatan (C/m2)

A  = luas keping (m2)

εo= permetivitas ruang hampa (8,85 x 1012C2/Nm2)

 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan : 

Pembahasan :

Pembahasan :

 

Referensi:

 

5 Modul Terakhir

  • follow us on