Distribusi Muatan Listrik

TANPA ALASAN ATAU TUJUAN YANG KUAT, APAPUN DALAM HIDUP INI ADALAH SULIT

( ROBERT T KIYOSAKI)

FISIKA DASAR 2LISTRIK & MAGNET

Materi :Materi :

Sumber : www.hyperphysics.com

Bayangkan hidup tanpa listrik.

PENDAHULUANPENDAHULUANManfaat listrik Manfaat listrik rumah tangga rumah tangga

industriindustri ipteks, dllipteks, dll

ListrikListrik (berasal dari: bahasa Yunani) (berasal dari: bahasa Yunani)elektron berarti batu amber (elektron berarti batu amber (fossilfossil).).

Thales (seorang filsuf Yunani), memperhatikan:Thales (seorang filsuf Yunani), memperhatikan:sesuatu yang aneh akan terjadi kalau ia menggosok sesuatu yang aneh akan terjadi kalau ia menggosok sepotong batu amber dengan kain wol. Batu amber, sepotong batu amber dengan kain wol. Batu amber, sebagai akibat gesekan menjadi bersifat menarik benda-sebagai akibat gesekan menjadi bersifat menarik benda-benda yang ringan (seperti: partikel debu, jerami, bulu benda yang ringan (seperti: partikel debu, jerami, bulu dan sobekan kecil kain).dan sobekan kecil kain).

““Pembuatan Listrik”Pembuatan Listrik”Kita tidak dapat membuat suatu muatan listrik tetapi kita Kita tidak dapat membuat suatu muatan listrik tetapi kita

hanya dapat menciptakan kondisi, tempat muatan hanya dapat menciptakan kondisi, tempat muatan listrik dapat terkumpul atau arus listrik dapat mengalir.listrik dapat terkumpul atau arus listrik dapat mengalir.

Pembuatan / cara menghasilkan listrik :Pembuatan / cara menghasilkan listrik :1.1. Listrik statis (statis berarti diam / tetap)Listrik statis (statis berarti diam / tetap)

(apabila muatan listrik dihasilkan dengan cara (apabila muatan listrik dihasilkan dengan cara menggosok suatu benda dengan benda lain)menggosok suatu benda dengan benda lain)

2. Listrik arus 2. Listrik arus (listrik mengalir melalui kawat)(listrik mengalir melalui kawat)

Contoh Listrik StatisContoh Listrik StatisMesin ini menghasilkan listrik Mesin ini menghasilkan listrik statis. statis.

Sebuah logam berbentuk sirip Sebuah logam berbentuk sirip menyerupai sisir yang yang menyerupai sisir yang yang bermuatan menginduksi bermuatan menginduksi muatan positif ke sabuk yang muatan positif ke sabuk yang berjalan. berjalan.

Ketika sabuk mencapai kubah Ketika sabuk mencapai kubah logam, ia akan menghapus logam, ia akan menghapus elektron dari kubah logam tsb elektron dari kubah logam tsb sehingga kubah bermuatan sehingga kubah bermuatan positif yang sangat banyak.positif yang sangat banyak.

Van de Graaff Generator

Bagaimana ini terjadi?Bagaimana ini terjadi?

Contoh Listrik StatisContoh Listrik Statis

A favorite demonstration with the Van de Graaf is to make someone's hair stand on end.

Contoh Listrik StatisContoh Listrik StatisListrik statis yang sangat Listrik statis yang sangat hebat di dalam awan hebat di dalam awan tebal menginduksi tebal menginduksi muatan positif di bumi.muatan positif di bumi.

Dapat terjadi, listrik Dapat terjadi, listrik dilepaskan dari dasar dilepaskan dari dasar awan ke tanah dan awan ke tanah dan kembali lagi (kilat kembali lagi (kilat menyambar) atau di menyambar) atau di dalam awan (biasanya dalam awan (biasanya “geledek”)“geledek”)

Halilintar

Contoh Listrik statisContoh Listrik statis

Muatan listrik :Muatan listrik :Kamus Lengkap Fisika (TaswaE.S):Kamus Lengkap Fisika (TaswaE.S):

sifat-sifat dasar pada partikel-partikel elementer darisifat-sifat dasar pada partikel-partikel elementer darimateri.materi.

Kamus Lengkap Fisika ( Oxford):Kamus Lengkap Fisika ( Oxford): sifat yang dimiliki beberapa partikel elementersifat yang dimiliki beberapa partikel elementer yang menyebabkan interaksi antara partikel-yang menyebabkan interaksi antara partikel- partikel ini dan akibatnya menimbulkanpartikel ini dan akibatnya menimbulkan fenomena bahan yang dinyatakan sebagaifenomena bahan yang dinyatakan sebagai kelistrikan.kelistrikan.

KONSEP MUATANKONSEP MUATAN

Dalam ILMU MEKANIKA Dalam ILMU MEKANIKA kandungan inti materikandungan inti materibiasa disebut biasa disebut massamassa. .

Dalam ILMU LISTRIK Dalam ILMU LISTRIK konsep dasarnya adalahkonsep dasarnya adalah muatanmuatan..

m = 10 kg

-+

+ +-

- +

+

Sumber : www. Radon. com

Benjamin Franklin (1706 – 1790)Benjamin Franklin (1706 – 1790)

Menyebutkan dua jenis muatan. Menyebutkan dua jenis muatan. Muatan positif dan negatifMuatan positif dan negatife disebut satuan dasar muatane disebut satuan dasar muatan

Sumber: www. Hyperphysics.com

Charge and Mass of the Electron, Proton and Charge and Mass of the Electron, Proton and Neutron.Neutron.

ParticleParticle Charge ( C)Charge ( C) Mass (kg)Mass (kg)

ElectronElectron -1.60 x 10-1.60 x 10-19-19 9.11 x 109.11 x 10-31-31

ProtonProton +1.60 x 10+1.60 x 10-19-19 1.67 x 101.67 x 10-27-27

NeutronNeutron 00 1.67 x 101.67 x 10-27-27

Arus Listrik:Arus Listrik:

Suatu aliran muatan listrik.Suatu aliran muatan listrik.

Contoh Soal:Contoh Soal:Sebuah uang tembaga (Cu) mempunyai massa 3 gram. Nomor atom Sebuah uang tembaga (Cu) mempunyai massa 3 gram. Nomor atom tembaga Z = 29 dan nomor massanya = 63,5 g/mol. Berapa jumlah muatan tembaga Z = 29 dan nomor massanya = 63,5 g/mol. Berapa jumlah muatan total elektron-elektron yang ada di dalam uang tembaga tsb?total elektron-elektron yang ada di dalam uang tembaga tsb?

Jawab:Jawab:

1 mol Cu mengandung atom sejumlah bil. Avogadro.1 mol Cu mengandung atom sejumlah bil. Avogadro.Jumlah atom dlm 3 gram Cu adalah:Jumlah atom dlm 3 gram Cu adalah:

N = N = (3 g) (6,02 x 10(3 g) (6,02 x 102323 atom/mol) atom/mol) = 2,84 x 10 = 2,84 x 102222 atom atom 63,5 g/mol63,5 g/mol

Setiap atom mengandung Z = 29 elektron, jadi jumlah muatan total Q adalah:Setiap atom mengandung Z = 29 elektron, jadi jumlah muatan total Q adalah:Q = N z eQ = N z e = (2,84 x 10= (2,84 x 102222 atom) (29) (-1,60 x 10 atom) (29) (-1,60 x 10 -19-19 C / elektron) C / elektron) = -1,32 x 10 = -1,32 x 10 55 C C

Latihan:Latihan:Soal no 3 hal 29 (Buku: Tipler jilid 2)Soal no 3 hal 29 (Buku: Tipler jilid 2)Berapa Coulomb dari muatan positif yang ada di dalam 1 kg karbon? Berapa Coulomb dari muatan positif yang ada di dalam 1 kg karbon? 12 gram karbon mengandung atom sebanyak bilangan Avogadro, dimana 12 gram karbon mengandung atom sebanyak bilangan Avogadro, dimana setiap atom mengandung enam proton dan enam elektron.setiap atom mengandung enam proton dan enam elektron.

Jawab:Jawab:12 gram C mengandung atom sejumlah bil. Avogadro.12 gram C mengandung atom sejumlah bil. Avogadro.Jumlah atom dlm 1 kg C adalah:Jumlah atom dlm 1 kg C adalah:

N = N = (1000g) (6,02 x 10(1000g) (6,02 x 102323 atom/mol) atom/mol) = 5,01 x 10 = 5,01 x 102525 atom atom 12 g/mol12 g/mol

Setiap atom mengandung Z = 12 proton, jadi jumlah muatan positif adalah:Setiap atom mengandung Z = 12 proton, jadi jumlah muatan positif adalah:Q = N z eQ = N z e = (5,01 x 10= (5,01 x 102525 atom) (6) (+1,60 x 10 atom) (6) (+1,60 x 10 -19-19 C / elektron) C / elektron) = + 4,8 x 10 = + 4,8 x 10 77 C C

Konduktor ? Isolator?Konduktor ? Isolator?

KonduktorKonduktorListrik hanya dapat mengalir melalui logam yang Listrik hanya dapat mengalir melalui logam yang disebut: konduktor.disebut: konduktor.

Konduktor adalah:Konduktor adalah:material yang mengandung elektron bebas yang material yang mengandung elektron bebas yang bergerak bebas.bergerak bebas.

Contoh konduktor: Contoh konduktor: tembaga, perak dan alumunium.tembaga, perak dan alumunium.

IsolatorIsolatorMaterial dimana semua elektron terikat kuat Material dimana semua elektron terikat kuat pada atom-atomnya dan tidak dapat bergerak pada atom-atomnya dan tidak dapat bergerak bebas.bebas.

Contoh isolator:Contoh isolator:karet, mika, gelas, porselin, kayu, plastikkaret, mika, gelas, porselin, kayu, plastik

Plastik adalah:Plastik adalah:isolator yang baik dan digunakan untukisolator yang baik dan digunakan untuk melindungi kawat-kawat konduktor.melindungi kawat-kawat konduktor.

Energy Bands for Solids

Semikonduktor ??Semikonduktor ?? Superkonduktor?? Superkonduktor??

Semikonduktor:Semikonduktor:bahan yang bersifat sebagai isolator ketika dingin bahan yang bersifat sebagai isolator ketika dingin

dan konduktor ketika panas.dan konduktor ketika panas.Contoh: Silikon & GermaniumContoh: Silikon & Germanium

Superkonduktor:Superkonduktor:logam-logam dan beberapa keramik yang menjadilogam-logam dan beberapa keramik yang menjadikonduktor yang sangat baik pada temperatur yangkonduktor yang sangat baik pada temperatur yangmendekati titik nol mutlak.mendekati titik nol mutlak.

Titik Nol Mutlak ???Titik Nol Mutlak ???

Hukum CoulombHukum CoulombGaya yang dilakukan oleh satu muatan titik pada muatan titik Gaya yang dilakukan oleh satu muatan titik pada muatan titik lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tsb. Besarnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat muatan tsb. Besarnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan dan berbanding lurus dengan hasil kali jarak antara kedua muatan dan berbanding lurus dengan hasil kali muatan. muatan.

Gaya bersifat tolak menolak jika kedua muatan mempunyai tanda Gaya bersifat tolak menolak jika kedua muatan mempunyai tanda yang sama dan tarik-menarik jika tandanya berbeda.yang sama dan tarik-menarik jika tandanya berbeda.

K = tetapan Coulomb = 8,99 x 10 9 N.m2/C2

Contoh soal:Contoh soal:Dua muatan titik masing-masing sebesar 0,05 Dua muatan titik masing-masing sebesar 0,05 C dipisahkan C dipisahkan pada jarak 10 cm.pada jarak 10 cm.Carilah: besarnya gaya yang dilakukan oleh satu muatan pada Carilah: besarnya gaya yang dilakukan oleh satu muatan pada muatan lainnya.muatan lainnya.

Jawab:Jawab:Dari hukum CoulombDari hukum Coulomb

F = 2,25 x F = 2,25 x 10-3 N

Latihan:Latihan:Pada atom Hidrogen, elektron terpisah dari proton rata-rata sejauh Pada atom Hidrogen, elektron terpisah dari proton rata-rata sejauh 5,3x105,3x10-11-11 m. Hitung besarnya gaya elektrostatik yang dilakukan proton m. Hitung besarnya gaya elektrostatik yang dilakukan proton terhadap elektron.terhadap elektron.(Latihan hal 12 buku Tipler jilid 2)(Latihan hal 12 buku Tipler jilid 2)

qq11 = -1.60x10 = -1.60x10-19-19 C C

qq22 = +1.60x10 = +1.60x10-19-19 C C

r = 5.3x10r = 5.3x10-11-11

2

2

22 199 8

22 11

1.6 108.99 10 8.2 10

5.3 10Nm

e e C

CeF k N

r m

Prinsip SuperposisiPrinsip Superposisiq1 dan q2 merupakan dua muatan titik yang terpisah sejauh r12 yang merupakan besar vektor r12 yang mengarah dari q1 ke q2.Gaya F12 yang dilakukan q1 pada q2 adalah:

F12 = k q1 q2 r12 r2

12

r12 = vektor satuan yang mengarah dari q1 ke q2

q1

q2

r12 = r2 – r1

r1 r2

Contoh soal:Contoh soal:Tiga muatan titik terletak pada sumbu x.Tiga muatan titik terletak pada sumbu x.q1=25 nC yang terletak pada titik asalq1=25 nC yang terletak pada titik asalq2= -10 nC berada pada x = 2 mq2= -10 nC berada pada x = 2 mq0= 20 nC berada pada x = 3,5 m.q0= 20 nC berada pada x = 3,5 m.Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.

+2 43

+-q1= 25 nC

q2= -10 nC

qo= 20 nC

X, m

Y, m

JawabJawabGaya pada qo akibat q1, berada pada jarak 3,5 m.Gaya pada qo akibat q1, berada pada jarak 3,5 m. F10 = k q1 q0 r10

r210

= (8,99 x 10= (8,99 x 1099 N.m N.m22/C/C22)(25 x 10)(25 x 10-9-9 C) (20 x 10 C) (20 x 10-9-9 C) C) ii(3,5 m)(3,5 m)22

= (0,367 = (0,367 N)N) ii Gaya pada qo akibat q2, berada pada jarak 1,5 m.Gaya pada qo akibat q2, berada pada jarak 1,5 m.

F20 = k q2 q0 r20

r220

= (8,99 x 10= (8,99 x 1099 N.m N.m22/C/C22)(-10 x 10)(-10 x 10-9-9 C) (20 x 10 C) (20 x 10-9-9 C) C) ii(1,5 m)(1,5 m)22

= (-0,799 = (-0,799 N)N) iiGaya total pada muatan qo akibat muatan q1 dan q2 adalah:Gaya total pada muatan qo akibat muatan q1 dan q2 adalah:

F10 + F20 = (0,367 (0,367 N)N) i i - (0,799 - (0,799 N)N) i i = (-0,432 = (-0,432 N) N) i i

Contoh 18-5 hal 13Contoh 18-5 hal 13Muatan q1= +25 nC berada pada titik asal, muatan q2 = -15 nC Muatan q1= +25 nC berada pada titik asal, muatan q2 = -15 nC pada sumbu x = 2 m dan muatan q0 = +20 nC pada x = 2 m y = 2 pada sumbu x = 2 m dan muatan q0 = +20 nC pada x = 2 m y = 2 m. Carilah gaya pada q0.m. Carilah gaya pada q0.Jawab:Jawab:

1 2 3 4

1

2

3

+

+

-

F10

F20

F10 + F20 = F net

X,m

Y,mq2 dan q0 mempunyai tanda ygBerlawanan maka gaya yg di-Lakukan oleh q2 pada q0 adalahTarik menarik dan searah dengan y.

q1= 25 nC q2= -15 nC

q0= 20 nC

F20 = k q2 q0 r20

r220

= (8,99 x 10= (8,99 x 1099 N.m N.m22/C/C22)(-15 x 10)(-15 x 10-9-9 C) (20 x 10 C) (20 x 10-9-9 C) C) j j = (-6,74 x 10= (-6,74 x 10-7-7 N) N) j j (2 m)(2 m)22

Jarak antara q1 dan q0 adalah 2Jarak antara q1 dan q0 adalah 22 m (buktikan dgn teor phytagoras)2 m (buktikan dgn teor phytagoras)

F10 = k q1 q0 r10

r210

= (8,99 x 10= (8,99 x 1099 N.m N.m22/C/C22)(25 x 10)(25 x 10-9-9 C) (20 x 10 C) (20 x 10-9-9 C) C) rr1010 = (5,62 x 10= (5,62 x 10-7-7 N) N) rr10 10

(2(22 m)2 m)22

rr10 10 == vektor satuan yang mengarah sepanjang garis dari q1 dan qo.vektor satuan yang mengarah sepanjang garis dari q1 dan qo.

Jumlah vektor kedua gaya dapat dicari dengan cara:Jumlah vektor kedua gaya dapat dicari dengan cara:Menguraikan gaya-gaya tsb ke dalam komponen-komponennya.Menguraikan gaya-gaya tsb ke dalam komponen-komponennya.

FF1010 membentuk sudut 45 dengan sumbu x dan y maka membentuk sudut 45 dengan sumbu x dan y maka FF10x10x = F = F10y10y = F = F1010 / / 22

FF10x10x = F = F10y10y = 5,62 x 10 = 5,62 x 10-7 -7 N = 3,97 x 10N = 3,97 x 10-7 -7 N N 22

Komponen-komponen gaya total pada sumbu x dan y adalah:Komponen-komponen gaya total pada sumbu x dan y adalah: FFxx = F = F10x10x + F + F20x20x FFyy = F = F10y10y + F + F20y20y

Besar gaya total:Besar gaya total:F = F =

Soal no 8 hal 29Soal no 8 hal 29Dua buah muatan yang sama besar yaitu 3,0 Dua buah muatan yang sama besar yaitu 3,0 C terletak pada C terletak pada sumbu y, yang satu terletak pada pusat koordinat dan lainnya pada sumbu y, yang satu terletak pada pusat koordinat dan lainnya pada y = 6 m. Muatan ketiga q3 = 2,0 y = 6 m. Muatan ketiga q3 = 2,0 C terletak pada sumbu x dengan C terletak pada sumbu x dengan x = 8 m. Carilah gaya pada muatan q3.x = 8 m. Carilah gaya pada muatan q3.

Tinjau tiga muatan titik, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Tinjau tiga muatan titik, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dapatkan resultan gaya di q3.Dapatkan resultan gaya di q3.qq11 = 6.00 x 10 = 6.00 x 10-9-9 C C

qq2 2 = -2.00 x 10= -2.00 x 10-9-9 C C

qq3 3 = 5.00 x 10= 5.00 x 10-9-9 C C

+ x

y

- +q2

q1

3.00 m

4.00 mq3

F32

F31

37.0o

Medan ListrikMedan ListrikDaerah tempat sebuah muatan Daerah tempat sebuah muatan listrik mengalami listrik mengalami gaya,umumnya akibat gaya,umumnya akibat distribusi muatan-muatan laindistribusi muatan-muatan lain

Vektor yang menggambarkan Vektor yang menggambarkan keadaan di dalam ruang yang keadaan di dalam ruang yang dibentuk oleh sistem muatan.dibentuk oleh sistem muatan.

Diperkenalkan oleh:Diperkenalkan oleh: Michael Faraday (1791-1867).Michael Faraday (1791-1867).

Besarnya beberapa medan listrik Besarnya beberapa medan listrik yang ada di alamyang ada di alam

SumberSumber E, N/CE, N/CDi dalam kabel rumahDi dalam kabel rumah 1010-2-2

Di dalam gelombang radioDi dalam gelombang radio 1010-1-1

Di atmosferDi atmosfer 101022

Di matahariDi matahari 101033

Di bawah suatu awan mendungDi bawah suatu awan mendung 101044

Di dalam suatu ledakan petirDi dalam suatu ledakan petir 101044

Di dalam tabung sinar-XDi dalam tabung sinar-X 101066

Pada elektron di dalam atom hidrogenPada elektron di dalam atom hidrogen 6 x 106 x 101111

Pada permukaan inti uraniumPada permukaan inti uranium 2 x 102 x 102121

Kuat Medan ListrikKuat Medan Listrik

Gaya per satuan Gaya per satuan muatan yang dialami muatan yang dialami oleh suatu muatan oleh suatu muatan kecil yang diletakkan kecil yang diletakkan pada titik tsbpada titik tsb

o

FE

q

Latihan:Latihan:

Soal no 11 hal 30Soal no 11 hal 30

Garis-garis Medan ListrikGaris-garis Medan ListrikMedan listrik dapat digambarkan dengan cara menggambarkan Medan listrik dapat digambarkan dengan cara menggambarkan garis-garis yang menunjukkan arah medan pada setiap titik.garis-garis yang menunjukkan arah medan pada setiap titik.Garis-garis medan listrik (a) muatan positif (b) muatan negatif.Garis-garis medan listrik (a) muatan positif (b) muatan negatif.

+ q

a)

- q

b)

Garis-garis medan listrikGaris-garis medan listrikGaris-garis medan listrik untuk sebuah Garis-garis medan listrik untuk sebuah dipoledipole..Dipole adalah: dua muatan yang sama besar namun Dipole adalah: dua muatan yang sama besar namun

berlawanan tanda yang terpisahkan oleh suatu jarakberlawanan tanda yang terpisahkan oleh suatu jarak

+ -

Garis-garis Medan ListrikGaris-garis Medan Listrik

Garis-garis medan listrik untuk sebuah Garis-garis medan listrik untuk sebuah dipoledipole..