16. Muatan Listrik dan Medan Listrik

16.1 Listrik Statis dan Muatan Listrik Listrik statis adalah fenomena fisika yang dapat menunjukkan adanya interaksi dari benda-benda yang bermuatan listrik. Sebagai contoh dari fenomena listrik statis yaitu jika sebatang plastik digosok-gosokkan dengan kain atau kertas, maka batang plastik tersebut dapat menarik serpihan-serpihan kertas. Di dalam ilmu fisika ada dua macam muatan listrik, yaitu muatan listrik positif (+), dan negatif (-).

⊖ ⊖ ⊕ ⊕ ⊖ ⊕ Muatan yang tidak sama saling tolak-menolak Apabila kedua muatan listrik yang berbeda (positif dgn negatif) itu didekatkan, maka mereka berdua akan saling tarik-menarik. Namun, apabila dua muatan listrik yang sejenis (positif dengan positif dan sebaliknya) itu didekatkan, maka mereka akan saling tolak-menolak. Gambar 16.1 Muatan Listrik Muatan listrik itu dapat dinotasikan dgn menggunakan simbol Q dan memiliki satuan coulomb (C). ⊖ ⊖ ⊕ ⊕ ⊖ ⊕ Muatan yang tidak sama saling tolak-menolak Muatan yang sama akan tarik-menarik

16.2 Hukum Kekekalan Muatan Listrik Jumlah total muatan listrik yang dihasilkan pada setiap proses adalah nol Maksudnya, Jika suatu benda atau ruang mendapat muatan listrik tertentu, maka benda di dekatnya atau ruang di sekitarnya akan mempunyai muatan yang berlawanan dalam jumlah yang sama. Benjamin Franklin (1706 - 1790) Jumlah muatan yang dihasilkan pada suatu benda dalam satu proses akan menghasilkan muatan yang berlawanan dalam jumlah yang sama pada benda lainnya.

Misalnya : tembaga, besi, emas, dll 16.3 Konduktor, Isolator, dan Semikonduktor Konduktor  Bahan-bahan yang bersifat konduktor ialah bahan- bahan yang mudah mengalirkan arus listrik jika dihubungkan dengan sumber tegangan.  Misalnya : tembaga, besi, emas, dll  Bahan yang paling baik untuk mengalirkan arus listrik adalah bahan yang banyak mengandung elektron bebas, contohnya emas.

Isolator  Bahan - bahan yang bersifat isolator ialah bahan-bahan yang akan menghambat arus listrik bila dihubungkan dengan sumber tegangan.  Misalnya : gelas, kaca, karet, kayu, dll  Mengapa tidak dapat menghantarkan arus listrik?  Karena dalam bahan yang bersifat isolator seluruh lintasan elektronnya memiliki ikatan yang kuat dengan intinya atau dengan kata lain pada bahan isolator tidak mempunyai elektron bebas sehingga walau diberi tegangan listrik tidak akan membuat elektron-elektronnya bergerak. 

Semikonduktor  Bahan-bahan yang bersifat semikonduktor ialah bahan-bahan yang pada kondisi tertentu akan bersifat sebagai isolator dan pada kondisi lain akan bersifat sebagai konduktor, misalnya : germaniun, silicon, dll  Kapan bahan-bahan semikonduktor dapat bersifat isolator dan bersifat konduktor ?   Bahan-bahan tersebut akan bersifat isolator jika dalam temperatur yang rendah dan akan bersifat konduktor jika dalam temperatur tinggi. Menggapa demikian? Karena pada temperatur rendah seluruh lintasan elektron terisi penuh oleh elektron, dan pada temperatur tinggi  akan ada ikatan-ikatan yang pecah sehingga menyebabkan adanya elektron-elektron bebas.

16.4 Hukum Coloumb Hukum Coulomb adalah hukum yang menjelaskan hubungan antara gaya yang timbul antara dua titik muatan, yang terpisahkan jarak tertentu, dengan nilai muatan dan jarak pisah keduanya. Hukum ini menyatakan Apabila terdapat dua buah titik muatan maka akan timbul gaya di antara keduanya, yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar keduanya.

(16.1) Pada pers. (16.1) q1 dan q2 adalah besar muatan pada partikel 1 dan 2 dengan satuan coulomb. F adalah besar gaya elektrostatik yang bekerja pada partikel 1 dan 2 dengan satuan Newton. r adalah jarak partikel 1 dan 2 dengan satuan meter. Sedangkan k adalah konstanta elektrostatik. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah arah gaya pada masing-masing muatan selalu terletak sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut.

Arah gaya dan Jenis Muatan Listrik Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik muatan saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak, tergantung nilai dari masing-masing muatan. Muatan sejenis (bertanda sama) saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis akan saling tarik-menarik. ⊕ ⊕ q1 q2 r –F F ⊖ ⊖ ⊖ ⊕ q1 q2 ⊕ ⊖ r Gambar 16.2 Arah gaya dan Jenis Muatan Listrik

Konstanta k pada pada pers. (16 Konstanta k pada pada pers. (16.1) sering ditulis dalam bentuk ¼  ∊0, sehingga persamaan (16.1) menjadi (16.2) Pada pers. (16.2) besaran (16.3) Sehingga besaran (16.4) Besaran ∊0 disebut konstanta permisivitas

Jika terdapat n partikel bermuatan, maka partikel-partikel tersebut akan berinteraksi secara berpasangan. Gaya elektrostatik yang bekerja pada partikel, misal pada partikel 1 adalah F1 = F12 + F13 + F14 + F15 + . . . + F1n, (16.5) F1n adalah gaya yang bekerja pada partikel 1 karena adanya partikel n.

muatan proton = muatan elektron = 1,6 x 10–19 C. Penyelesaian Contoh 16.1 Tentukan besar gaya elektrostatik pada elektron di atom hidrogen yang diberikan oleh satu proton q2 = +e yang merupakan intinya. Anggap elektron mengorbit proton pada jarak rata-rata r = 0,53 x 10–10 m dan muatan proton = muatan elektron = 1,6 x 10–19 C. Penyelesaian + q2 q1 r F – Proton Elektron q1 = q2 = 1,6 x 10–19 C r = 0,53 x 10–10 m k = 8,99 x 109 N.m2/C2

Contoh 16.2 Sebuah partikel yang bermuatan +3,00 x 10–6 C mempunyai jarak 12,0 cm terhadap partikel kedua dengan muatan –1,50 x 10–6 C. Tentukan besar gaya pada masing-masing muatan. Penyelesaian q1 = +3,00 x 10–6 C q2 = –1,5 x 10–6 C r = 0,12 m k = 8,99 x 109 N.m2/C2 = 0,624 N

Contoh 16.3 Tiga buah partikel bermuatan disusun dalam satu garis (lihat Gambar). Hitung gaya elektrostatik total pada partikel 3 yang disebabkan oleh dua muatan lainnya. + – 0,30 m 0,20 m q1 = –8,0 C q2 = 3,0 C q3 = –4,0 C x Penyelesaian q1 = –8,0 x 10–6 C q2 = 3,0 x 10–6 C q3 = –4,0 x 10–6 C – q3 F32 F31 F = –F32 + F31

= 1,15 N = 2,7 N F = –F32 + F31 = –2,70 N + 1,15 N = –1,55 N

Latihan Dua buah bola mempunyai muatan yang sama mempunyai jarak 20,0 cm.Selanjutnya kedua bola dipindahkan dan menghasilkan gaya sebesar 3 kali dari gaya sebelum dipindahkan. Berapa jarak kedua bola setelah dipindahkan? Partikel dengan muatan +70, +48, dan –80 C diletakkan pada garis hortizontal, seperti ditunjukkan pada gambar berikut. Hitung gaya total pada setiap muatan yang disebabkan oleh gdua gaya lainnya. + – 0,35 m q1 q2 q3