Teorema Gauss
Garis Gaya Listrik
Konsep fluks
Teorema Gauss
Penggunaan Teorema Gauss
Medan oleh muatan titik
Medan oleh kawat panjang tak berhingga Medan listrik oleh plat luas tak berhingga
Medan listrik oleh bola isolator dan konduktor Medan listrik oleh silinder isolator dan konduktor
Garis gaya listrik
Garis gaya listrik digunakan untuk
menggambarkan medan listrik
Arah medan listrik menyinggung garis gaya
P
EP
Q
Garis gaya oleh sebuah muatan titik
Oleh muatan titik positip
Garis Gaya oleh muatan negatip
Sebuah muatan negatip
-Garis gaya akibat dipol
Muatan positip dan negatip (dipol)
-Fluks Listrik
Definisi: banyaknya garis gaya listrik yang menembus suatu
permukaan
Untuk permukaan dA yang tegak lurus dengan arah medan,
jumlah garis gaya yang menembus permukaan itu adalah
Total garis gaya yang
menembus permukaan A
EdA
d
dA E A EA dA E EdA d A A
Fluks untuk sembarang permukaan
Untuk sembarang permukaan dA dengan arah
tidak tegak lurus medan
A
d
E
d
dA
SA
d
E
d
Fluks total untuk
permukaan S
E
Contoh soal
Sebuah medan listrik dinyatakan dalam persamaan .
Tentukan fluks yang menembus permukaan
a. b.
c. d.
d. e.
Solusi
Karena medan homogen di seluruh permukaan yang ditinjau, maka fluks dapat dituliskan dalam bentuk
j i E 2 ˆ 4ˆ i S 10ˆ j S 10 ˆ k S 10 ˆ S 10kˆ j S 10 ˆ i S 10ˆ
Solusi contoh soal
a. b. c. d. e. f. 0 ˆ 10 ) ˆ 4 ˆ 2 ( E A i j k 0 ˆ 10 ) ˆ 4 ˆ 2 ( E A i j k 40 ˆ 10 ) ˆ 4 ˆ 2 ( E A i j j 40 ˆ 10 ) ˆ 4 ˆ 2 ( E A i j j 20 ˆ 10 ) ˆ 4 ˆ 2 ( E A i j i 20 ˆ 10 ) ˆ 4 ˆ 2 ( E A i j iFluks,muatan Q,permukaan terbuka S
Fluks yang keluar dari permukaan S 1 ˆn E S
Sn
dS
E
ˆ
1 dSPermukaan tertutup, muatan Q diluar
1 ˆn dA 1 ˆn 2ˆn
2 ˆn 3 ˆnPerhitungan fluks Q diluar permukaan
Perhatikan arah normal permukaan dan arah medan listrik Fluks total pada kubus mempunyai nilai:
0 0 0 0 ) ˆ ( ˆ ) ˆ ( ˆ ) ˆ ( ˆ 1 1 3 3 2 2 1 1
S S S S S S S n dA E n dA E n dA E n dA E n dA E n dA E A d E Permukaan tertutup, Q di dalam
2ˆn
2 ˆn 1 ˆn dA 1 ˆn 3 ˆnPerhitungan fluks Q di dalam
Perhatikan arah normal permukaan dan arah medan listrik Fluks total pada kubus mempunyai nilai:
) ˆ ( ˆ ) ˆ ( ˆ ) ˆ ( ˆ 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 1 1
S S S S S S S n dA E n dA E n dA E n dA E n dA E n dA E A d E Hukum Gauss
Besar fluks atau garis gaya listrik yang keluar dari
suatu permukaan tertutup tergantung muatan
yang dilingkupi oleh luasan tertutup tersebut
Prinsip untuk menggunakan teorema Gauss
dengan mudah
Pilih permukaan yang medan listrik di permukaan tersebut homogen
Tentukan muatan yang dilingkupi permukaan tersebut Tentukan arah medan terhadap arah normal
0
q
S
d
E
Permukaan Gauss Berbentuk Bola
Untuk muatan titik dan bola
dA E
Medan dipermukaan
bola homogen.
Arah medan radial,
searah dengan normal
permukaan bola
Permukaan Gauss Berbentuk Silinder
Kawat dan silinder panjang tak berhingga
Medan homogen di seluruh permukaan selimut silnder.
Arah medan radial searah dengan normal permukaaan dA E
E dA
Permukaan Gauss Berbentuk Silinder/Balok
Plat tipis luas tak berhingga
E
Medan homogen
pada tutup balok,
arah sama dengan
normal tutup balok
Medan akibat sebuah muatan titik
dA E 0 2 0 0 0 4 q E q r E q dA E q EdA q A d E
Konduktor
Di dalam konduktor, muatan bebas bergerak
Jika diberi muatan tambahan dari luar muncul
medan listrik muatan bergerak menghasilkan
arus internal terjadi distribusi ulang muatan
tambahan dari luar hingga tercapai keseimbangan
elektrostatis medan listrik di dalam konduktor
menjadi nol menurut hukum Gauss berarti
muatan di dalam konduktor nol,muatan tambahan
dari luar tersebar di permukaan konduktor
isolator
Di dalam isolator muatan tidak bebas bergerak
Muatan tambahan dari luar akan terdistribusi
Bola konduktor pejal positip
Tinjau suatu bola konduktor pejal dengan jari-jari
R dan muatan Q
dA
E
•Muatan hanya tersebar
di permukaan bola saja
•Medan listrik di dalam
bola (r<R) nol
•Medan di luar bola dapat
dicari dengan cara berikut:
Medan listrik di luar bola konduktor
Buat permukaan Gauss berbentuk bola dengan
jari-jari r >R
Total muatan yang dilingkupi permukaan Gauss
adalah Q
Hukum Gauss untuk kasus bola konduktor
pejal:
2 0 0Q
Q
Q
dS
E
q
S
d
E
Bola isolator pejal
Isolator: muatan tersebar merata di seluruh
volum isolator
Di dalam bola
3 R r r Q R r r E Q R r S d E q S d E 3 0 3 2 3 0 3 0 4 Bola isolator pejal (2)
Medan di luar
0 2 0 0 4 Q E Q r E Q dS E Q S d E
R rq=Q
Medan listrik pada bola isolator berongga
Q R R R r q 3 1 3 4 3 2 3 4 3 1 3 4 3 3 4
R1 R2 r 3 1 3 0 3 1 3 4 3 2 3 4 3 1 3 4 3 3 4 0 1 Q R r E Q R R R r dS E q S d E
Bola bermuatan negatip
Pada prinsipnya sama dengan bola bermuatan positip
hanya arah medan listriknya masuk menuju pusat bola
E dA 0 2 0 0 4 180 cos Q E Q r E Q EdS Q S d E
Dua bola, jenis muatan beda
Sebuah bola tipis jari-jari a bermuatan 2Q. Di
dalam bola tipis diletakkan bola pejal konduktor
berjari-jari b dan bermuatan –3Q.
b
a
Medan untuk daerah r<a
ditentukan dengan cara
yang sama dengan contoh
di slide sebelumnya
0 0 180 cos Q Q Q EdS q S d E
Medan untuk r>a
•Dibuat permukaan Gauss berbentuk bola dengan
jari-jari r>a
•Total muatan yang dilingkupi permukaan Gauss:
q=2Q+(-3Q)=-Q
Medan listrik akibat kawat lurus
Permukaan Gauss berbentuk silinder,
Untuk muatan positip arah medan listrik radial keluar dari
pusat silinder
Untuk muatan negatip arah medan listrik radial masuk
menuju pusat silinder
dA E
Medan akibat kawat tak berhingga
rl E EdS EdS EdS S d E S d E S d E S d E tutup ung se tutup tutup ung se tutup 2 90 cos 0 cos 90 cos lub lub
Fluks medan listrik yang menembus permukaan silinder
Jika panjang kawat L, muatan total Q, maka muatan yang dilingkupi oleh silinder:
l l
Q
Hukum Gauss untuk kawat sangat panjang
Penentuan medan listrik
rL
Q
E
l
L
Q
rl
E
q
S
d
E
0 0 02
2
Contoh soal untuk kawat panjang (1)
Tentukan medan listrik dan gambarkan arahnya pada
titik A dan B yang berjarak 20 cm dari kawat dengan rapat muatan =10 mC/m seperti pada gambar.
Solusi : E 10.10 0,1 0,025 3 A B N/C
Contoh soal untuk kawat panjang (2)
Tentukan medan listrik dan gambarkan arahnya pada
titik A dan B yang berjarak 20 cm dari kawat dengan rapat muatan =-10 mC/m seperti pada gambar.
Solusi : 10.10 3 0,1 0,025 A B N/C
Medan listrik karena dua kawat sejajar
Dua buah kawat pajang tak berhingga diberi muatan
masing-masing dengan rapat muatan dan -2 . Jarak kedua kawat a. Tentukan medan listrik pada titik P yang berjarak b dari kawat -2 .
E
E
E
total
2
-2 b a P E-2 E ) ( 2 2 ) ( 2 2 0 0 2 b a b E E Etotal Medan listrik akibat kawat berbentuk silinder
Misalkan silinder konduktor berjari-jari R ,
panjangnya L, dan bermuatan Q.
Permukaan Gauss berbentuk silinder dengan
jari-jari r dan panjang L seperti kawat panjang tak
berhingga
Untuk muatan positip, medan listrik berarah radial
meninggalkan sumbu pusat silinder
Untuk muatan negatip, medan listrik berarah
Permukaan Gauss pada silinder
Muatan positip E dA
0 0 0 0 cos q dA E q EdA q A d E Permukaan Gauss pada silinder
Muatan negatip E dA
0 0 0 180 cos q dA E q EdA q A d E Medan listrik akibat silinder konduktor pejal
Di dalam konduktor
Muatan yang dilingkupi permukaan Gauss =0 karena pada konduktor muatan hanya tersebar di permukaan konduktor saja. Dengan demikian, medan listrik di
Medan listrik akibat silinder konduktor pejal
Di luar konduktor
Medan akibat silinder konduktor
Medan listrik di luar silinder konduktor
Lr Q E Q rL E Q dA E q A d E 0 0 0 2 2
Medan listrik akibat silinder isolator pejal
Di dalam isolator
Muatan yang dilingkupi permukaan Gauss
Q r Q L r q 2 2
Silinder isolator pejal
Medan listrik di dalam isolator (r<R)
r
Q
R
r
rL
E
Q
R
r
dA
E
q
A
d
E
2 0 2 2 0 2 02
Silinder isolator pejal (2)
Medan di luar silinder (r>R)
Q
E
Q
rL
E
Q
dA
E
q
A
d
E
0 0 02
Silinder Isolator Berongga
Jari-jari dalam silinder a, jari-jari luar b, muatan Q,
Silinder isolator berongga (2)
Untuk r>b, semua muatan terlingkupi oleh permukaan
Gauss ( q=Q), sehingga medan di luar silinder adalah:
Untuk a<r<b, dibuat permukaan Gauss berbentuk
silinder dengan jari-jari a<r<b dan panjang L
Muatan yang dilingkupi
Q a b a r L a L r L a L b Q V q silinder Gauss ) ( ) ( 2 2 2 2 2 2 2 2
Lr
Q
E
02
Bola isolator berongga
Lr a b Q a r E a b Q a r rL E a b Q a r dA E q A d E ) ( 2 ) ( ) ( ) ( 2 ) ( ) ( 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 0
Dua silinder dengan muatan berbeda
Silinder pejal isolator berjari-jari a, panjang c, dan
bermuatan 3Q berada dalam suatu silinder berongga
yang jari-jari dalamnya b, jari-jari luarnya d, panjangnya c, dan bermuatan –Q.
Di dalam isolator (r<a)
Q a r Q c a c r q 3 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 2 3 ) / ( a c Qr E a Qr rc E Q a r S d E
0 0 0 2 2 2 2 2 rc Q E Q rc E Q S d E
Di antara isolator dan konduktor (a<r<b)
Di dalam konduktor (b<r<d): E=0 Di luar konduktor (r>d) 0 0 0 2 3 3 2 3 rc Q E Q rc E Q S d E
Medan listrik Di Sekitar Plat Tipis (1)
Misal: Luas Plat A dan rapat muatan per satuan luas
E
S
S
A
Q
q
A SPerhitungan medan listrik akibat plat tipis (1)
0 0 2
S S E q A d E ES ES ES S d E S d E S d E S dE tutup se ung tutup
2 0 lub
Medan listrik Di Sekitar Plat Tipis (2)
Misal: Luas Plat A dan rapat muatan per satuan luas -
E
S
S
A
Q
q
A SPerhitungan medan listrik akibat plat tipis(2)
0 0 ) 2 (
S S E q A d E ES ES ES S d E S d E S d E S dE tutup se ung tutup
2 0 lub
Medan listrik akibat dua plat tipis
Dua plat tipis luas tak berhingga masing-masing
mempunyai rapat muatan dan - . Medan listrik di sekitar plat tersebut dapat dianalisis seperti gambar di bawah ini 0 2 E E - E1 E2 E3 ) ( ) ˆ ( 0 ) ( ) ˆ ( 2 1 i E i E E i E i E E
Medan akibat 3 plat tipis
Tiga buah plat tipis masing-masing bermuatan , -, dan
2. Medan di sekitar plat bisa dicari dengan cara berikut
- 2 x=2 x=4 x=7
E
E
2E
E
total
Medan listrik akibat 3 plat tipis (2)
i i i i i E i E i E x E ˆ 2 ˆ 2 2 ˆ 2 ˆ 2 ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( ) 2 ( 0 0 0 0 2 i i i i i E i E i E x E ˆ 2 4 ˆ 2 2 ˆ 2 ˆ 2 ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( ) 4 2 ( 0 0 0 0 2 i i i i E i E i E x E ˆ 2 2 ˆ 2 ˆ 2 ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( ) 7 4 ( 0 0 0 2 i i i i E i E i E x E ˆ 2 2 ˆ 2 ˆ 2 ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( ) 7 ( 0 0 0 2 Muatan induksi
Muatan muncul akibat pengaruh medan listrik
eksternal
Di dalam tipis logam: E+E´=0
logam netral - + -+ + + E E E’ -´ ´
’
Logam ditanahkan