17. Medan Listrik

Dalam ruang disekitar objek A yang bermuatan listrik positif, kita jumpai beberapa gejala. Sebagai contoh, jika terdapat objek lain, misal B, yang bermuatan positif maka akan bergerak menjauhi, sedangkan objek C yang bermuatan negatif akan mendekati A (Gambar 17.1). Gejala ini disebabkan bekerjanya suatu gaya pada benda bermuatan apa saja yang diletakkan dalam ruang di sekitar benda bermuatan A. Kita sebut gejala dalam ruang di sekitar suatu benda bermuatan lisrik ini sebagai medan listrik.

+ – Gambar 17.1 Gaya yang bekerja pada objek yang bermuatan B Gaya tarik – Gaya tolak C B A Gambar 17.1 Gaya yang bekerja pada objek yang bermuatan

+ – Medan listrik adalah ruang di sekitar objek yang bermuatan listrik Gambar 17.2 Gaya yang bekerja pada objek yang bermuatan

Medan listrik dapat dianalogikan sebagai medan gravitasi disekitar objek yang mempunyai massa tertentu. Gambar 17.3 Medan gravitasi bumi

17. 1 Garis Medan Listrik Garis-garis medan listrik atau garis-garis gaya mempunyai ciri-ciri: Tidak pernah saling berpotongan b) Selalu mengarah radial ke luar menjauhi muatan positif dan dan mengarah radial ke dalam mendekati muatan negatif c) Garis-garis medan listrik yang lebih rapat menyatakan bahwa medan listriknya kuat, sedangkan yang lebih renggang menyatakan medan listriknya lemah.

Medan listrik E di dapat melalui percobaan berikut. Muatan q0 yang bermuatan positif, disebut muatan tes, diletakkan di titik P di sekitar objek yang bermuatan listrik. Objek yang bermuatan + Muatan tes q0 pada titik P F (a) Medan listrik pada titik P E (b) ++++++++++++ Gambar 17.4 Muatan tes positif q0 diletakkan pada titik P di sekitar objek bermuatan listrik

Garis-garis medan listrik dua muatan berbeda Gambar 17.5 Garis-garis medan listrik dua muatan berbeda

Garis-garis medan listrik dua muatan yang sama Gambar 17.6 Garis-garis medan listrik dua muatan yang sama

Medan listrik E didefinisikan sebagai (17.1) Satuan SI untuk E adalah N/C, F adalah N, dan q0 adalah Coulomb.

17. 2 Medan Listrik yang Berasal dari Muatan Titik Untuk mendapatkan medan listrik yang berasal dari muatan titik atau partikel yang bermuatan, kita letakkan muatan tes positif q0 pada jarak r dari muatan titik. Besar gaya elektrostatik F yang bekerja pada q0 adalah (17.2) Arah gaya F menjauhi muatan titik jika muatan tersebut positif, dan mendekati muatan titik jika muatan tersebut negatif.

Sedangkan besar dari medan listrik (17.3) Arah dari medan listrik E sama dengan arah gaya gaya elektrostatik F yang bekerja pada muatan tes. Untuk mendapatkan medan listrik di seluruh ruang di sekitar muatan titik, muatan tes di letakkan pada berbagai posisi di sekitar muatan titik, sehingga Didapat medan listrik seperti Gambar 17.7.

+ Gambar 17.7 Medan listrik di sekitar muatan titik positif

Jika kita letakkan muatan tes positif q0 di sekitar n buah muatan titik q1, q2, q3, . . . , qn, maka gaya elektrostatik netto F0 dari n buah muatan titik yang bekerja pada muatan tes adalah F0 = F01 + F02 + F03 + F04 +. . . + F0n (17.4) Dari persamaan (17.1) didapat (17.5)

Contoh 17.1 Dua buah muatan titik, yaitu –25 C dan +50 C dipisahkan sejarak 10,0 cm. Bagaimana arah dan besar medan listrik pada titik P yang terletak 2,0 cm dari muatan negatif. Jika sebuah elektron diletakkan pada titik P, tentukan percepatannya pada saat awal. Penyelesaian + – –25 C y x  10,0 cm 2,0 cm E1 E2 P a)

Medan yang disebabkan oleh muatan negatif –25 C menunjuk ke kiri, dan medan yang disebabkan oleh muatan positif +50 C juga menunjuk ke kiri. Besar medan listrik

Percepatan a = F/m = q E/m Masa elektron diam = 9,1 x 10–31 kg Muatan elektron = 1,60 x 10–19 C. a = F/m = (1,60 x 10–19 C)(6,3 x 107 N/C)/9,1 x 10–31 kg = 1,1 x 1019 m/detik2.

Contoh 17.2 Dua buah muatan titik, yaitu +8q dan –2q dipisahkan sejauh L. Pada titik manakah medan listrik netto E yang ditimbulkan oleh kedua muatan sama dengan nol? Penyelesaian Misal E1 adalah medan listrik yang diakibatkan oleh muatan titik +8q. Sedangkan E2 adalah medan listrik yang diakibatkan oleh –2q. Agar E = 0, maka dari persamaan (17.4) didapat E = E1 + E2 = 0 atau E1 = –E2 Berarti besar medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan titik 8q = yang ditimbulkan oleh –2q dengan arah yang berlawanan.

– + Percobaan 1 y E1 E2 x –2q +8q L  L E1 E2 Arah berlawanan, akan tetapi E1  E2

Percobaan 2 + – +8q –2q y x  L E1 E2 Arah E1 = E2

– + Percobaan 3 y E2 E1 x  –2q +8q L Arah berlawanan, dan E1 = E2 , jika

Contoh 17.3 Hitung muatan listrik total pada titk A dan titik B yang disebabkan oleh muatan q1 dan q2, seperti pada gambar berikut. y x A 30 cm  B q1 = –50 C q2 = +50 C 26 cm 60 cm 40 cm EA1 EB1

 EA2 EA y EB2 B A EB 300 EA1 EB1 40 cm 30 cm 60 cm 26 cm x q1 = –50 C q2 = +50 C 26 cm 60 cm 40 cm  EA1 EA EB2 EB1 EB

Latihan Medan listrik sebesar 2,0 N/C terletak sejauh 50 cm dari sebuah muatan titik. Berapakah besar muatan titik tersebut? 2. Dua muatan listrik yang sama besar, yaitu 2,0 x 10–7 C diletakkan pada jarak 15,0 cm. Tentukan besar dan arah medan listrik tepat di tengah-tengah kedua muatan tsb.