HUKUM COULOMB, MEDAN LISTRIK dan HUKUM GAUSS Tujuan Instruksional Umum : Setelah mengikuti kuliah ini Anda dapat menjelaskan sifat-sifat muatan dan menentukan gaya interaksi antar muatan listrik dengan Hukum Coulomb serta menentukan medan listrik di sekitar sebaran muatan titik. Tujuan Instruksional Khusus : Setelah mengikuti kuliah ini anda dapat : Menjelaskan sifat-sifat dasar muatan listrik. Membedakan jenis material berdasar sifat-sifat kelistrikannya. Menjelaskan hukum Newton dan menerapkan hukum tersebut untuk menentukan gaya listrik statik pada sebuah partikel bermuatan karena pengaruh muatan yang lain. Menjelaskan konsep medan listrik dan menentukan medan listrik di sekitar sebaran muatan titik. Oleh Hery Purwanto

Materi Sifat-sifat muatan listrik statik Konduktor dan isolator Induksi muatan Hukum Coulomb Prinsip superposisi Medan listrik Fluks Listrik Hukum Gauss Kesetimbangan Elektrostatik Gaya elektromagnetik merupakan salah satu fenomena dasar interaksi antar partikel yang terjadi di alam. Interaksi tersebut terjadi antar partikel bermuatan. Kuliah ini diawali dengan diskusi tentang sifat-sifat muatan listrik statik. Kemudian dilanjutkan dengan perilaku muatan listrik didalam bahan, yang kemudian digunakan untuk membedakan jenis bahan, yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Untuk konduktor dibahas secara khusus proses induksi muatan di dalamnya. Dari sifat-sifat muatan listrik tersebut, kemudian diperkenalkan Hukum Coulomb, yaitu hukum dasar yang menyatakan interaksi antar patikel bermuatan listrik secara kuantitatif. Untuk menentukan gaya interaksi sebuah partikel dengan beberapa partikel bermuatan diperkenalkan prinsip superposisi. Kuliah ini diakhiri dengan menyelesaikan beberapa contoh soal tentang penerapan Hukum Newton dan prinsip superposisi untuk menentukan gaya elektrostatik pada sistem partikel bermuatan.

Sifat-sifat Muatan Listrik Terdapat dua jenis muatan Muatan positip Muatan negatip Benyamin Franklin (1706 - 1790) Antar muatan listrik terjadi interaksi Muatan sejenis tolak-menolak Muatan tak sejenis tarik-menarik Muatan listrik selalu kekal Muatan listrik adalah diskrit Robert Milikan (1868 - 1953) Sifat Kelistrikan Material Konduktor Partikel pembawa muatan listrik di dalamnya mudah bergerak Isolator Partikel pembawa muatan listrik di dalamnya tidak bebas bergerak Semikonduktor Dapat bersifat sebagai konduktor atau isolator, bergantung pada kondisinya Dari contoh gejala di atas, Benyamin Franklin menyimpulkan bahwa terdapat jenis muatan yang masing-masing diberi nama muatan positip dan muatan negatip. Terdapat interaksi antar muatan, yaitu muatan sejenis tolak-menolak dan muatan berlainan jenis tarik-menarik. Dalam rangka menyelidiki sifat-sifat muatan lebih lanjut, Robert Milikan mengemukakan bahwa muatan adalah diskrit, yaitu setiap muatan selalu merupakan kelipatan bulat suatu bilangan elementer. Muatan elementer tersebut kemudian diketahui sebagai muatan elektron e, yaitu partikel bermuatan negatip yang mengelilingi inti atom. Jadi q = Ne, dengan N bilangan bulat.

Arah gaya interaksi tergantung pada jenis muatan yang berinteraksi ! HUKUM COULOMB Vektor Satuan Besar gaya interaksi antara dua muatan : q2 q1 Bagaimana arahnya ? Gaya pada q1 oleh q2 : ? ? Gaya pada q2 oleh q1 : Arah gaya interaksi tergantung pada jenis muatan yang berinteraksi ! Gaya pada q2 oleh q1 Gaya pada q1 oleh q2 +q2 -q1 -q2 -q1 +q2 +q1

Bagaimana interaksinya kalau terdapat lebih dari dua muatan ? PRINSIP SUPERPOSISI Gaya pada salah satu muatan merupakan jumlah vektor gaya yang terjadi karena pengaruh masing-masing muatan yang lain -q1 +q2 ? ? a -q3 ? Untuk N buah muatan , Gaya pada muatan ke k :

MEDAN LISTRIK ? ? ? P +q r + + F Medan Listrik di titik P +qO r Muatan Uji ? Medan Listrik di titik P Muatan yang sedemikian kecil sehingga keberadaannya tidak mempengaruhi medan listrik di sekitarnya. +qo + q + qo q Medan listrik pada suatu titik sejauh r dari sebuah muatan titik q ?

SUPERPOSISI MEDAN LISTRIK Bagaimana jika di dalam suatu ruang terdapat lebih dari sebuah muatan titik ? A. Untuk 2 buah muatan titik Medan listrik di P oleh q2 Resultan medan listrik di P oleh q1 dan q2 P +q1 +q2 Medan listrik di P oleh q2 ? B. Untuk n buah muatan titik ? P +q1 +q2 -q4 -q5 +q3 +qn E4 E2 ? E1 En E3 E5

FLUKS LISTRIK Luas A Medan Listrik homogen E Fluks Listrik F = ? EA

FLUKS LISTRIK PADA BIDANG MIRING Luas A (Normal bidang) q Medan Listrik homogen E Fluks Listrik F = ? Proyeksi bidang tegak lurus medan listrik E

FLUKS LISTRIK PADA BIDANG TERTUTUP Ei q Elemen bidang Luas DAi Untuk seluruh permukaan Fluks listrik pada elemen ke i ? Untuk permukaan tertutup ? ? E cos q

ARAH VEKTOR BIDANG Selalu Keluar DA1 q1 DA3 DA2 q3 q2

Permukaan Gauss (bentuk bola) HUKUM GAUSS Muatan titik Permukaan Gauss (bentuk bola) r Elemen luas permukaan Gauss dA Fluks Listrik pada permukaan Gauss +q E ? Fluks Listrik pada permukaan bola sebanding dengan muatan yang ada di dalamnya ?

Fluks Listrik Pada Sembarang Permukaan Tertutup ? S3 S2 S1 +q Fluks Listrik pada permukaan Gauss tertutup sama dengan muatan yang ada di dalamnya dibagi permitivitas medium

KESETIMBANGAN ELEKTROSTATIK DI DALAM KONDUKTOR Medan listrik di dalam konduktor nol. Muatan tersebar pada permukaanya. Medan listrik di luar konduktor tegak lurus permukaannya dan besarnya s/eo, yang mana s adalah muatan persatuan luas. Untuk konduktor dengan permukaan yang tidak teratur, muatan listrik cenderung mengumpul pada permukaan yang memiliki jari-jari kelengkungan terkecil.