Transcript Bab 1 Muatan dan Medan Listrik TEL 2203 Abdillah, S.Si, MIT

Bab 1
Muatan dan Medan Listrik
TEL 2203
Abdillah, S.Si, MIT
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Sains dan Teknologi
UIN Suska Riau
Tujuan
Mahasiswa memahami :
1.
Teori muatan dan teori atom
2.
Hukum Coulomb
3.
Medan listrik dan dipol listrik
Konsep dasar ilmu listrik
Konsep dasar ilmu listrik adalah muatan
(charge).
Dalam ilmu listrik, hanya dijelaskan
bagaimana muatan bertingkah laku,
bukan muatan itu apa.
Muatan adalah besaran skalar.
Teori Muatan

Ada 2 jenis muatan: positif dan
negatif

Dua muatan sejenis tolak-menolak

Dua muatan beda jenis tarikmenarik

Muatan disimbolkan dengan q atau Q,
satuannya coulomb atau C.
Perhatian
 Muatan sejenis tidak berarti kedua
muatan tersebut identik, hanya bahwa
keduanya positif atau keduanya
negatif
 Muatan berlainan jenis berarti bahwa
kedua muatan memiliki tanda yang
berlawanan
Teori Atom
Muatan elektron e = 1,602 X 10-19 C
Massa elektron me = 9,1 X 10-31 kg
Massa proton mp = 1,67 X 10-27 kg
Hukum Coulomb
Untuk muatan q1 dan q2 yang terpisah
sejauh r, besarnya gaya listrik F pada
masing-masing muatan adalah
F =
1
4 0
1
|q1 q2|
40
r
2
= k = 9,0 X 109 N . m2/C2
Strategi Penyelesaian Soal
Hukum Coulomb
 Jarak harus dinyatakan dalam satuan
m, muatan dalam C dan gaya dalam N
 Gaya listrik adalah sebuah vektor,
sehingga gaya total pada muatan
adalah jumlah vektor dari gaya-gaya
individu
 Dalam kasus distribusi kontinu dari
muatan, jumlah vektor dapat dihitung
dengan cara integral
Contoh Soal
Gaya Listrik vs Gaya Gravitasi
Sebuah partikel alpha mempunyai masa
m = 6,64 X 10-27 kg dan muatan q =+2e.
Bandingkanlah gaya tolak listrik antara
dua partikel alpha dengan gaya tarik
gravitasi di antaranya.
Penyelesaian
Diketahui : m = 6,64 X 10-27 kg
q = +2e = 3,2 X 10-19 C
Ditanya
Jawab
: Fe / Fg = ?
: Fe = 1
q2
40 r2
Fg = G . m 2
r2
Medan Listrik
Medan listrik E adalah gaya listrik per
satuan muatan q0 yang dikerahkan pada
muatan tsb.
E = F0 / q0
q0
F0
E
F0
q0
Perhatian
 Gaya listrik pada sebuah benda yang
bermuatan ditimbulkan oleh medan
listrik yang diciptakan oleh benda
bermuatan lainnya.
 Persamaan Fo = qo E dapat digunakan
hanya untuk mencari gaya listrik pada
sebuah muatan titik.
Vektor Medan Listrik
E =
1
|q|
40 r2
( besarnya medan listrik
sebuah muatan titik)
E =
1
40
(vektor medan listrik
sebuah muatan titik)
q r
r2
Strategi Penyelesaian Soal
Penghitungan Medan Listrik
 Satuan harus konsisten, jika diberi cm atau
nC, jangan lupa mengkonversikannya
 Medan listrik adalah sebuah vektor, sehingga
medan total adalah jumlah vektor dari medan
individu
 Ingat bahwa vektor E yang dihasilkan oleh
muatan titik positif arahnya menjauhi
muatan tersebut dan begitu juga sebaliknya
Contoh Soal
Elektron dalam sebuah Medan Homogen
Sebuah medan listrik di antara dua pelat
konduktor sejajar adalah E=1,00 X 10-4 N/C
dengan arah ke atas. a) Jika sebuah elektron
dilepaskan dari keadaan diam di pelat
sebelah atas, berapakah percepatannya?
b) Berapa laju dan energi kinetik yang
diperoleh elektron waktu berjalan 1,0 cm ke
plat sebelah bawah? c) Berapa waktu yang
dibutuhkan elektron untuk menempuh jarak
ini?
Penyelesaian
Diketahui : me = 9,11 X 10-31 kg
-e = -1,60 X 10-19 C
E = 1,00 X 10-4 N/C
Ditanya
a) ay = ?
c) t = ?
Jawab :
b) vy dan K = ?
Penyelesaian
b) v0y = 0, y0 = 0 dan y = -1,0 X 10-2 m
vy2 = v0y2 + 2ay (y –y0) = 2ay y
Penyelesaian
c) vy = v0y + ay t
Kita dapat juga mencari waktu t dengan
memecahkan persamaan:
y = y0 + v0y t + ½ ay t2
Garis Medan Listrik
Garis Medan Listrik
Perhatian
Jika sebuah partikel bermuatan bergerak
dalam sebuah medan listrik, maka
lintasan partikel tersebut tidak sama
seperti garis medan, kecuali garis-garis
medan tersebut adalah garis lurus dan
partikel dilepas dalam keadaan diam
Dipol Listrik
Sebuah dipol listrik adalah sepasang
muatan listrik yang besarnya sama, tetapi
tandanya berlawanan dan terpisah sejauh d.
p
d

d sin 
E
Momen Dipol Listrik
Hasil kali muatan q dan jarak d
dinyatakan sebagai momen dipol listrik p
dan besarnya
p = qd
Arah vektor p adalah dari muatan negatif
menuju muatan positif.
Sebuah molekul air adalah
contoh dipol listrik.
Gaya pada Dipol Listrik
Gaya F+ dan F- pada kedua muatan itu
mempunyai besar qE yang sama, tetapi
arahnya berlawanan, dan jumlah kedua
gaya itu sama dengan nol.
p
F+= q E
d

F- = -q E
d sin 
E
Torsi pada Dipol Listrik
Torsi dihitung terhadap pusat dipol. Jika 
adalah sudut antara medan listrik dan
momen dipol, maka lengan tuas untuk
setiap F+ dan F- adalah (d /2) sin .
Torsi dari F + dan F- mempunyai besar
yang sama, yakni (qE) (d /2) sin ,
dan kedua torsi merotasikan dipol itu
dalam arah sama dgn perputaran jam.
Maka besar torsi netto sama dengan dua
kali besar torsi individu:
 = (qE ) (d sin  ) = pE sin 
Energi Potensial Dipol
Listrik
Kerja dW yang dilakukan oleh sebuah
torsi  selama pergeseran d yang sangat
kecil diberikan oleh persamaan:
dW =  d
Karena torsi tsb adalah dalam arah yang
semakin berkurang,  = -pE sin
sehingga
dW = -pE sin d
Energi Potensial Dipol
Listrik
Dalam suatu pergeseran berhingga, kerja
total yang dilakukan pada dipol tsb adalah
W

φ2
φ1
- pE sin φ dφ  pE cos φ2 - pE cos φ1
Karena W = U1 – U2 , maka
U() = - pE cos 
Perkalian skalar p . E = pE cos 
Sehingga energi potensial U () = - p . E
Contoh Soal
-q
p
+q
35o
145o
E
Gaya dan torsi pada sebuah dipol listrik
Sebuah dipol listrik berada dalam medan listrik
homogen 5,0 x 105 N/C. Dipole tersebut adalah
± 1,6 x 10-19 C dan terpisah sejauh 0,125 nm.
Carilah a) gaya netto yang dikerahkan medan
pada dipol b) besar dan arah momen dipol listrik
c) besar dan arah torsi d) energi potensial sistem
Penyelesaian
Diketahui : q = 1,6 X 10-19 C; d = 0,125 X 10-9 m
E = 5,0 X 105 N/C;  = 145o
Ditanya: a) F = ?
b) p = ?
c)  = ?
d) U = ?
Jawab :
a) F+ = qE dan F- = -qE
Karena medan itu homogen maka gaya-gaya
pada kedua muatan itu sama besar dan
berlawanan, sehingga gaya total F = 0 N
Penyelesaian
b) p = qd = (1,6 X 10-19 C)(0,125 X 10-9 m)
= 2,0 X 10-29 C.m, dari negatif ke positif
c) 
= pE sin
= (2,0 X 10-29 C.m)(5,0 X 105 N/C)(sin 45o)
= 5,7 X 10-24 N.m, keluar dari bidang
d) U = -pE cos
= -(2,0 X 10-29 C.m)(5,0 X 105 N/C)(cos 45o)
= 5,7 X 10-24 J
Soal Latihan
1. Elektron yang berlebih ditempatkan pada
sebuah bola timah kecil yang massanya
8,00 g sehingga muatan nettonya adalah 3,20 X 10-9 C. Nomor atom timah adalah
82 dan massa atomnya adalah 207 g/mol.
a) Carilah banyaknya elektron yang
berlebih pada bola itu.
b) Berapa banyakkah elektron yang
berlebih per atom timah?
Soal Latihan
2. Perkirakanlah berapa banyak elektron
yang ada dalam tubuh manusia. Buatlah
sebarang asumsi yang dirasakan perlu,
tapi nyatakanlah secara jelas anggapan
tersebut. Berapakah muatan gabungan
dari semua elektron tersebut?
Untuk Pekan Depan
Tugas No. 1 - Jawablah Pertanyaan Diskusi
no. 5 dan 12 dan soal latihan no. 19 dan 52
dari buku Young & Freedman bab 22.
Download materi kuliah Pertemuan 3
Hukum Gauss dan baca sepintas buku
Young & Freedman bab 23.