Fisika Dasar II (Hukum Coulomb dan Medan Listrik)

Selamat datang kembali teman - teman semua, pada kali ini saya akan membagi mengenai fisika dasar II tentang Hukum Coulomb dan Medan Listrik. Semoga dengan postingan ini, teman - teman semua dapat mengerti dan paham mengenai materi ini. Selamat belajar.

HUKUM COULOMB DAN MEDAN LISTRIK

1.       HUKUM COULOMB

Adanya muatan akan menghasilkan gaya elektrostatis, adapun gaya elektrostatis didefinisikan sebagai gaya yang timbul pada dua benda yang memiliki muatan listrik statis. Muatan memberikan gaya pada muatan lainnya, sebuah efek yang diketahui sejak zaman kuno. Sebuah bola ringan yang digantung dari senar dapat diberi muatan dengan menyentuhkannya dengan pengaduk kaca yang telah dimuati dengan menggosokkannya pada kain. Jika ada bola yang sama dimuati dengan pengaduk kaca yang sama, maka akan menolak bola pertama, artinya muatan bekerja pada kedua bola. Dua bola yang dimuati dengan batang amber yang digosok juga menolak satu sama lain. Namun, jika satu bola dimuati oleh pengaduk kaca, dan lainnya dengan batang amber, kedua bola ini akan tarik menarik. Fenomena ini kemudian diinvestigasi di akhir abad ke-18 oleh Charles-Augustin de Coulomb. Penemuan ini kemudian memunculkan aksiom yang terkenal yaitu “muatan sejenis akan tolak-menolak dan muatan berlawanan jenis akan tarik-menarik”.

Hal tersebut dapat dapat juga dibuktikan dengan eksperimen sederhana, siapkan sebuah penggaris/mistar plastik dan potongan-potongan kertas kecil. Kemudian gosokkan penggaris tersebut secara searah pada rambut, kemudian coba dekatkan penggaris pada potongan-potongan kecil kertas tadi, lalu amati terjadi. Wow ternyata potongan-potongan kecil tersebut tertarik oleh penggaris yang sudah digosokkan kerambut selama beberapa saat.

Penjelasannya sederhana, Hal itu terjadi karena penggaris mika yang semula bermuatan netral, digosok dengan menggunakan rambut secara searah, sehingga hal itu mengakibatkan elektron dari rambut berpindah ke penggaris mika. Pengaris mika yang sudah bermuatan negatif dapat menarik potongan kertas yang bermuatan netral.

 

Muatan listrik adalah sifat (muatan dasar) yang dibawa oleh partikel dasar sehingga menyebabkan partikel dasar tersebut mengalami gaya tarik menarik dan tolak menolak. Muatan listrik dari suatu partikel dasar bisa berjenis positif dan negatif. Partikel dasar subatomik seperti elektron dan proton punya muatan listrik. Elektron bermuatan negatif dan proton bermuatan positif.

 

Muatan listtrik terdiri dari dua paritek subatomik tersebut yaitu :

1.      Elektron yang bermuatan negatif

2.      Proton yang bermuatan positif

Masing-masing muatan mempunyai satuan :

1.      Muatan 1 elektron = -1,6 x 10^-19 coulomb

2.      Muatan 1 proton   = +1,6 x 10^-19 coulomb

Satuannya adalah “Coulomb (C)” untuk menghormati Charles-Augustin de Coulomb (1736 – 1806). yang telah mencoba mensistematiskan fenomena tersebut. Muatan listrik dari suatau benda ditentukan oleh jumlah proton dan elektron yang dikandung benda tersebut.

1.      Bila sebuah benda kelebihan elektron dan kekurangan proton (Σ elektron > Σ Proton), maka benda tersebut dikatakan bermuatan negatif.

2.      Bila benda kekurangan elektron dan kelebihan proton (Σ elektron < Σ Proton), maka benda tersebut dikatakan bermuatan positif.

3.      Jika jumlah elektron = jumlah proton (Σ proton = Σ elektron) maka benda tersebut dikatakan tidak bermuatan muatan netral).

 

SIFAT – SIFAT DARI MUATAN LISTRIK

1.      Muatan Sejenis akan tolak menolak dan muatan tidak sejenis akan tarik menarik.

 

2.      Muatan Listrik adalah besaran pokok fisika yang diukur dalam satuan coulomb disimbolkan dengan (C). Satu coulomb sama dengan 6,24 x 1018 e (e = muatan elektron).  Sehingga mautan yang dikandung oleh sebuah proton adalah 1,602 x 10-19 coulomb. Elektron mempunyai muatan yang sama dengan proton tapi berbeda jenis (-)1,602 x 10-19 coulomb.

3.      Muatan Listrik mirip dengan massa. Ia punya hukum kekekalan muatan sama seperti hukum kekekalan massa.  Gaya yang ditimbulkan oleh dua muatan itu punya karakter yang sama seperti gaya gravitasi yang ditumbulkan oleh dua buah benda dengan massa tertentu. Gaya antar muatan ini juga bersifat konservatif dan terpusat.

PERSAMAAN MATEMATIS MUATAN LISTRIK

Persamaan yang berlaku dalam muatan listrik adalah persamaan yang dimatematiskan dari hukum coulomb. Hukum coulomb ditemukan oleh Charles Augustin de Coulomb pada akhir abad ke 18. Ilmuan dibidang fisika berkebangsaan Perancis ini menemukan hukum yang dinamakan hukum coulomb. Hukum ini berbunyi :

“Gaya  tarik menarik atau gaya tolak menolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan kedua muatan tersebut.”

secara matematis dapat dituliskan :

dimana :

 

F   = Gaya tarik manarik/tolak menolak (newton)

q   = Muatan listrik (coulomb)

r    = Jarak antara kedua muatan (m)

k   = Konstanta = 1/4πεo = 9 x 109 N.m2/C2

εo  = Permitivitas listrik dalam ruang hampa/udara = 8,85 x 10-12 C2/Nm2

 

Jika medium muatan bukan pada medium vakum atau udara maka besar gaya antaran muatan q1 dan q2 akan lebih kecil.

 

F udara / vakum < F medium

 

hal ini dikarenakan nilai permitivitas listrik pada medium bukan udara lebih besar. Permitivitas εo diganti dengan ε yakni

ε= εr . εo

 

dalam vakum nilai εr adalah 1, sedangkan dalam udara εr  adalah 1,0006. Dengan menuliskan ulang persamaan gaya coloumb dalam medium didapatkan:

1.      MEDAN LISTRIK

Medan listrik didefinisikan sebagai ruangan di sekitar benda bermuatan listrik, di mana jika sebuah benda bermuatan listrik berada di dalam ruangan tersebut akan mendapat gaya listrik (gaya Coulomb). Medan listrik termasuk medan vektor, sehingga untuk menyatakan arah medan listrik dinyatakan sama dengan arah gaya yang dialami oleh muatan positif jika berada dalam sembarang tempat di dalam medan tersebut. Arah medan listrik yang ditimbulkan oleh benda bermuatan positif dinyatakan keluar dari benda, sedangkan arah medan listrik yang ditimbulkan oleh benda bermuatan negatif dinyatakan masuk ke benda.

Untuk menggambarkan medan listrik digunakan garis-garis gaya listrik. Garis-garis gaya listrik yaitu garis lengkung yang dibayangkan merupakan lintasan yang ditempuh oleh muatan positif yang bergerak dalam medan listrik. Garis gaya listrik tidak mungkin akan berpotongan, sebab garis gaya listrik merupakan garis khayal yang berawal dari benda bermuatan positif dan akan berakhir di benda yang bermuatan negatif. Gambar dibawah menggambarkan garis-garis gaya listrik di sekitar benda bermuatan listrik.

1.    Kuat Medan Listrik

Kuat medan listrik di suatu titik dalam medan listrik didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan listrik di titik itu. Kuat medan listrik dinyatakan dengan lambang E. Untuk menyatakan kuat medan di suatu titik dalam medan listrik perhatikan gambar dibawah, menggambarkan suatu benda bermuatan q yang menimbulkan medan listrik di sekitarnya.

Kita tinjau suatu titik P yang berada pada jarak r dari q. Untuk menentukan kuat medan listrik di titik P, kita letakkan sebuah muatan penguji sebesar q’. Besarnya kuat medan di titik P dapat dituliskan :

di mana :

 

Ep= kuat medan di titik P (Newton/Coulomb)

k = Konstanta = 9 x 10^9 Nm^2/C^2 

q = muatan listrik penimbul medan (C)

r = jarak antara titik P ke muatan q (m)

Demikian juga medan listrik termasuk besaran vektor, seperti halnya gaya listrik. Apabila pada suatu titik dipengaruh oleh medan listrik yang ditimbulkan oleh lebih dari satu benda bemuatan, maka kuat medan listrik di tempat itu sama dengan jumlah vektor dari masing-masing kuat medan.

Apabila letak benda berada dalam satu garis lurus, maka kuat medan listrik pada titik C adalah : EC = EA + EB.

Jika letak benda tidak dalam satu garis lurus. Maka kuat medan listrik di titik C adalah : EC = EA + EB.

di mana sudut yang diapit antara EA dan EB adalah α.

Baik teman - teman semua, semoga postingan mengenai materi hukum Coulomb dan Medan Listrik dapat membantu teman - teman dan semoga bermanfaat. Selamat belajar dan salam sehat.

-Andrean Yonathan