Setelah membahas materi ini dengan tuntas diharapkan siswa dapat: 1. Menjelaskan konsep muatan listrik
2. Menghubungkan benda – banda netral dan bermuatan listrik dengan proton – proton dan elektron – elektron dalam atom
3. Memformulasikan hukum Coulomb dan menggunakannya dalam pemecahan soal – soal.
1.1. Interaksi Elekstrostatik
.
Setiap zat tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut atom. Atom secara umum terdiri atas inti atom yang dikelilingi oleh elektron. Inti atom terdiri dari proton yang bermuatan positif dan netron yang tidak bermuatan (netral). Semua elektron mendapat muatan yang sama, demikian juga proton. Muatan proton memiliki besar persis sama dengan muatan elektron, namun berlawanan tanda. Massa proton jauh lebih kecil dari massa elektron dan hampir sama dengan massa proton.
Besarnya muatan dari partikel elementer adalah: 1 elektron = - 1,6 x 10 -19 coulomb
Oleh karena elektron suatu atom dapat berpindah, maka jumlah muatan positif tidak selalu sama dengan muatan negatif. Untuk itu benda dikatakan
• NETRAL jika jumlah muatan positif (proton) sama dengan jumlah
muatan negatif (elektron)
• NEGATIF : Jumlah muatan negatif (elektron) > jumlah muatan positif
(proton) dengan kata lain Benda menerima elektron dari atom lain • POSITIF : Jumlah muatan positif (proton) > jumlah muatan negatif
(elektron) atau Benda melepaskan elektron kepada atom lain Sebagai contoh jika sebatang penggaris plastik digosokkan pada kain sutra
kemudian didekatkan pada potongan kecil styrofoam, maka potongan-potongan styrofoam itu akan bergerak menjauh. Berbeda halnya jika sebatang kaca yang digosokkan pada kain sutra, kemudian didekatkan pada potongan
styrofoam, maka styrofoam akan bergerak mendekati batang kaca. Batang kaca
bermuatan positif karena ketika digosok dengan kain sutera, elektron-elektron batang kaca bergerak ke kain sutera sehingga batang kaca kekurangan elektron dan kain sutera kelebihan elektron.
Untuk mengetahui jenis muatan listrik suatu benda dapat digunakan suatu alat yang disebut elektroskop. Elektroskop terdiri atas dua batang atau keeping emas yang dapat bergerak, sebuah bola konduktor, dan pemisah bola konduktor dengan bagian lainnya yang terbuat dari bahan isolator.
Pada gambar tersebut tampak jika benda yang tidak bermuatan didekatkan pada bola konduktor elektroskop maka kedua keping elektroskop akan mengembang. Mengapa demikian ?
Pada saat benda bermuatan positif didekatkan pada bola konduktor maka bola tersebut akan bermuatan negatif, karena elektron – elektron terkumpul di bola konduktor sehingga kedua keping akan bermuatan positif. Kedua keping bermuatan sejenis maka kedua keping tersebut akan saling tolak menolak (mengembang). Begitu juga jika yang didekatkan benda yang bermuatan negative, kedua keping akan mengembang. Hal ini karena elektron – elektron dari bola konduktor bergerak ke kedua keping. Bola konduktor menjadi bermuatan positif dan kedua keping jadi bermuatan negatip.
Satuan muatan adalah coulomb (C), yang diambil dari nama fisikawan Perancis, Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806).
Besar muatan listrik 1 Coulomb didefinisikan sebagai muatan listrik yang mengalir setiap detik pada suatu penghantar yang berarus tetap 1 Ampere.
Satuan lain adalah mikro Coulomb (µC) dimana 1 µC = 10-6 C atau
Benda yang tidak bermuatan didekatkan pada elektroskop. Benda yang bermuatan
negatif didekatkan pada elektroskop.
Benda yang bermuatan positif didekatkan pada elektroskop.
Coulomb, Charles Augustin de (1736-1806),
French physicist, pioneer in electrical theory, born in Angoulême. He served as a military engineer for France in the West Indies, but retired to Blois, France, at the time of the French Revolution to continue research in magnetism, friction, and electricity. In 1777 he invented the torsion balance for measuring the force of magnetic and electrical attraction. With this invention, Coulomb was able to formulate the principle, now known as Coulomb's law, governing the interaction between electric charges. In 1779 Coulomb published the treatise Théorie des machines simples (Theory of Simple Machines), an analysis of friction in machinery. After the war Coulomb came out of retirement and assisted the new government in devising a metric system of weights and measures. The unit of quantity used to measure electrical charges, the coulomb, was named for him.
Microsoft ® Encarta ® Reference Library 2005. © 1993-2004 Microsoft Corporation. All rights reserved.
1.2. Hukum Coulomb
.
Gaya Tarik Menarik atau Tolak Menolak antara dua muatan listrik besarnya:
Sebanding dengan besarnya muatan masing-masing
Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan (Charles Augustin de Coulomb, 1784)2 12 r 2 q 1 q k F=
Jika muatan tidak terletak di ruang hampa atau udara melainkan terletak di dalam suatu medium, nila tetapan k akan menjadi lebih kecil.
Oleh karena permitivitas ruang hampa atau udara besarnya adalah ε0 = 8,85 x 10-12 C2/N m2, maka untuk suatu bahan yang
mempunyai permitivitas relatif εr, dimana permitivitas bahan tersebut adalah ε,
ε
=
ε
r
ε
o
,
Maka gaya tarik menariknya :
r 1 vakum F bahan F ε = atau xFvakum r 1 bahan F ε =
Menggambarkan Vektor Gaya Listrik
Gaya Listrik yang bekerja pada suatu muatan akibat muatan lain, digambarkan dengan sebuah vektor. Perhatikan gaya interaksi antara dua muatan berikut!
Pada gambar (a) dan (b), kedua vektor digambarkan saling menjauh karena kedua muatan tersebut sejenis, sehingga vektornya saling bertolakbelakang. Sedangkan pada gambar (c), kedua vektor digambarkan saling mendekat karena kedua muatan tidak sejenis, sehingga vektornya saling tarik menarik
Dimana :
F = Gaya Tarik Menarik atau Tolak Menolak (N) q = Muatan Benda (C) r = jarak muatan (m) k = konstanta Pembanding = 9 2 2 0 C Nm 10 x 9 4 1 − =
π ε (untuk ruang hampa)
q1 q2 r F21 F12 q1 q2 r F21 F12 q1 q2 r F21 F12 (a) (b) (c)
Gaya Coulomb Oleh Lebih Dari Dua Muatan Titik
Oleh karena gaya Coulomb adalah besaran vektor, maka gaya elektrostatis yang dialami oleh sebuah partikel yang dipengaruhi oleh dua atau lebih partikel bermuatan positif merupakan resultan dari vektor-vektor gaya elektrostatis yang mempengaruhinya.
Tanda muatan, positif (+) atau negatif (-), tidak dimasukkan ke dalam proses perhitungan. Tanda tersebut hanya untuk menentukan arah vektor gaya listrik di titik yang di tinjau
Tinjaulah tiga buah muatan titik yang terletak pada satu garis lurus, dimana muatan di titik A adalah positif q1, muatan titik B adalah positif q2, dan muatan di C negatif q3, jarak AB sebesar x dan jarak BC
adalah y, seperti pada gambar berikut
Gambar:
Jika diminta menghitung gaya listrik yang dialami oleh muatan B, maka vektor gaya listrik pada muatan B dapat digambarkan sebagai berikut:
Sedangkan besarnya resultan vektor gaya listrik di B adalah :
F
B= F
21+ F
23Contoh Soal
1
Perhatikan gambar !
Tentukanlah besar gaya listrik yang bekerja pada titik B !
. A B +5μC 10 cm -2μC -4μC 15 cm q1 q2 x q3 y A B q1 q2 x F21 F23 q3 y A
Penyelesaian
Vektor-vektor gaya Listrik pada muatan B adalah FBA dan
FBC yang keduanya mengarah ke muatan A. Hal ini karena
muatan B tarik menarik dengan muatan A dan muatan B tolak menolak dengan muatan C, sehingga:
B C A B C FBA FBC N 12,2 3,2 9 2 1 10 x 1,5 6 10 x 4 . 6 10 x 2 9 10 x 9 2 1 10 6 10 x 5 . 6 10 x 2 9 10 x 9 2 2 r C q B q k 2 1 r A q B q k B F = + = − − − + − − − = + =
Resultan vector gaya di titik B : FB = FBA + FBC.
Jadi besarnya resultan gaya di titik B adalah 12,2 N dengan vektor gayanya mengarah dari titik B ke titik A
Latihan
Soal 1:
1. Dua muatan masing-masing +4 µC dan – 6 µC terpisah pada jarak 30 cm. Tentukan gaya Coulomb yang timbul pada muatan pertama jika
a. kedua muatan berada di dalam ruang hampa (udara)
b. kedua muatan terletak didalam zat yang mempunyai konstanta dielektrikum 60 2. Ada empat partikel bermuatan, yaitu A, B, C
dan D. Jika muatan A tarik menarik dengan muatan B, tetapi tolak menolak dengan muatan C. Muatan C tarik menarik dengan muatan D. Tentukanlah jenis muatan keempat partikel tersebut jika muatan D adalah negatif 3. Dua muatan titik – q dan – 2q tolak menolak
dengan gaya sebesar F. Jika muatan –q ditambahkan ke masing-masng muatan titik itu, dan jarak pisahnya dijadikan dua kali semula, tentukanlah besarnya gaya tolak menolaknya sekarang!
4. Perhatikan gambar berikut
Tentukan resultan gaya Coulomb di titik A., B dan C
5. Pada segi tiga sama sisi yang sisinya 3 cm, diletakkan muatan titik masing-masing +2 µC, – 4 µC dan +6 µC. Tentukan besar gaya Elektrostatis pada masing-masing muatan
6. Dua buah muatan masing-masing + 9µ C dan +16 µC terpisah pada jarak 18 cm. Dimanakah letak muatan ketiga diletakkan agar gaya elektrostatis pada muatan ketiga ini bernilai nol
7. Dua buah muatan masing-masing – 9µ C dan +16 µC terpisah pada jarak 18 cm. Dimanakah letak muatan ketiga diletakkan agar gaya elektrostatis pada muatan ketiga ini bernilai nol
8. Tiga muatan yang sama terletak pada sudut-sudut sebuah segitiga sama sisi. Apabila gaya antara dua muatan itu F, maka hitunglah besarnya gaya pada setiap muatan
9. Pada titik-titik sudut sebuah persegi empat dengan panjang sisi a ditempatkan masing-masing sebuah muatan sama besar yaitu q. Jika gaya interaksi antar dua muatan listrik yang terdekat adalah F, tentukanlah resultan yang bekerja pada sebuah muatan karena pengaruh dari tiga muatan lainnya
10. Sebuah bola kecil bermassa 20 gram digantungkan pada seutas tali yang massanya diabaikan sepanjang 25 cm. Jika bola lain dengan massa yang sama dan muatan yang besarnya sama didekatkan pada muatan pertama, maka muatan pertama akan bergerak mendekati bola kedua hingga pada jarak 3 cm dan tali penggantung menyimpang sejauh 370. Tentukanlah
a. Berat masing-masing bola
b. Besar gaya Coulomb masing-masing bola
c. Muatan listrik masing-masing bola
A B C
+2μC
20 cm
+1μC – 3μC
