Listrik dan Magnet | FISIKA

(1)

Minggu, 12 Februari 2023 Surya Anoraga Justitia Yusman

(2)

1.1 Muatan Listrik 1.2 Hukum Coulomb 1.3 Medan Listrik 1.4 Hukum Gauss

2.1 Integral Garis dan Kuat Medan Listrik 2.2 Energi Potensial dan Potensial Listrik 2.3 Kapasitansi dan Kapasitor

2.4 Dielektrikum

2.5 Pergeseran Listrik, Perluasan Hukum Gauss

3.1 Arus Listrik dan Kerapatan Arus 3.2 Konduktivitas dan Resistivitas 3.3 Rangkaian Arus Searah

3.4 Sumber EMF

4.1 Induksi Magnet dan Flux Magnet 4.2 Gerak Muatan Listrik dalam Medan

Magnet

4.3 Kumparan dalam Medan Magnet 4.4 Pemakaian Medan Magnet

4.5 Alat-Alat Ukur Listrik

4.6 Induksi Magnet oleh Arus Listrik 4.7 Sifat-Sifat Magnet Suatu Bahan

5.1 Penemuan Faraday

5.2 GGL Induksi pada Konduktor yang Bergerak

5.3 GGL Induksi oleh Medan Magnet Berubah Terhadap Waktu

5.4 Induktansi Bolak Balik

5.5 Tenaga Magnet yang Tersimpan dalam Konduktor

5.6 Hukum Lenz

6.1 Induktansi Transien

6.2 Harga Efektif Arus dan Tegangan 6.3 R, L, C dalam Rangkaian Bolak

Balik

6.4 Impedansi

6.5 Rangkaian Arus Bolak Balik

Listrik Statis Listrik Dinamis Magnet

(3)

Minggu, 12 Februari 2023

Week 1 :

HUKUM COULOMB dan MEDAN LISTRIK

Surya Anoraga Justitia Yusman

(4)

Topik Materi Muatan Listrik Sifat kelistrikan bahan

Hukum Coulomb (Gaya Elektrostatik) Medan listrik (definisi dan rumus umum)

Medan Listrik untuk muatan titik

Medan listrik untuk muatan kontinu kawat lurus Medan listrik untuk muatan kontinu kawat bengkok

Medan listrik untuk muatan kontinu cincin Hukum Coulomb dan Medan Listrik

Daftar Materi

(5)

1. Muatan Listrik

1.1 Penemuan Muatan Listrik 1.2 Sifat Kelistrikan Bahan

(6)

Batang kaca yang telah digosok dengan kain sutera akan tarik menarik dengan batang kaca lain yang telah digosok dengan kain sutra juga

Plastik yang telah digosok dengan bulu akan Tarik menarik dengan batang kaca yang telah digosok dengan kain sutra

Oleh Benjamin Franklin batang kaca disebut bermuatan positif dan plastik bermuatan negatif

Fundamental of Physics - Halliday, Resnic 10th Edition (Page 611)

1.1 Penemuan Muatan Listrik

(7)

Elektron ditemukan oleh J.J. Thomson (1897) Proton ditemukan oleh Ernest Rutherford (1909) Neutron ditemukan oleh Chadwick (1932)

Penemuan elektron

Cathode ray tube experiment Oleh J.J. Thomson (1897)

Penemuan besar muatan elektron

Oil drop experiment Oleh Robert Milikan (1909)

(8)

Penemuan proton

Gold foil experiment Oleh Rutherford (1909)

Penemuan neutron

Oleh Chadwick (1932)

(9)

Partikel Massa (Kg) Muatan (C) Proton 1.67 × 10⁻²⁷ +1.6 × 10⁻¹⁹

Neutron 1.67 × 10⁻²⁷ 0

Electron 9.11 × 10⁻³¹ −1.6 × 10⁻¹⁹ Tabel Massa & Muatan Proton, Neutron dan Elektron

Karena besar muatan yang sangat kecil, pada soal-soal terkait muatan biasanya satuan muatan tidak dalam Coulomb, bisa dalam miliCoulomb (mC), mikroCoulomb (𝜇𝐶), nanoCoulomb (nC), dan lainnya.

(10)

Besar muatan selalu kelipatan bulat dari muatan elektron

Contoh Soal

Untuk mengetahui seberapa besar atau kecilnya nilai 1 C, hitunglah berapa jumlah elektron yang diperlukan untuk

menimbulkan muatan 1 C itu!

(Jumlah elektron untuk 1 C muatan)

(11)

1.2 Sifat Kelistrikan Bahan

Suatu material atau bahan memiliki sifat kelistrikan yang ditinjau dari kemampuan muatan listrik untuk bergerak didalamnya

Konduktor Semikonduktor Isolator

Bahan yang dapat menghantar kan arus listrik dengan baik.

Muatan dalam bahan bebas bergerak.

Bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik.

Muatan dalam bahan tidak bebas bergerak.

Bahan dengan

konduktivitas diantara konduktor dan isolator

(12)

2. Hukum Coulomb

2.1 Vektor

2.2 Hukum Coulomb

(13)

2.1 Vektor

Vektor :

• Besaran fisika yang memiliki nilai dan arah

• Vektor digambarkan dengan garis berarah atau panah yang memiliki titik tangkap atau titik pangkal sebagai tempat

permulaan vektor. Nilai vektor ditunjukkan dari panjangnya garis, sedangkan arah vektor ditunjukkan dari arah panah tersebut.

• Dinotasikan dengan panah diatas simbol atau dicetak tebal

𝐴Ԧ atau 𝑨

Contoh :

Seseorang berjalan ke timur sejauh 3 meter kemudian berjalan ke utara sejauh 4 meter. Gambar dan tuliskan vektor perpindahannya

(14)

2.1 Vektor

Vektor Posisi

Posisi suatu benda dinyatakan dalam

vektor yang berpangkal pada pusat koordinat

(15)

2.1 Vektor

Jadi vektor satuan tidak hanya Ƹ𝑖, Ƹ𝑗 dan 𝑘෠ saja.

Vektor Ԧ𝑟 memiliki vektor satuan Ƹ𝑟 yang saling berhimpit dan memiliki arah yang sama.

(16)

2.2 Hukum Coulomb

Partikel dengan muatan sejenis akan tolak menolak

Partikel dengan muatan berbeda sejenis akan tarik menarik

Kedua muatan tersebut akan mengalami gaya yang disebut gaya elektrostatik atau gaya Coulomb

𝐹 ∶ Gaya Coulomb (N) 𝑘 : Konstanta Coulomb

𝑘 = ¹

4𝜋𝜀₀ = 9 × 10⁹𝑁𝑚²/𝐶² 𝑞 : Muatan (C)

𝑟 : Jarak kedua muatan (m) Skalar

Vektor

(17)

2.2 Hukum Coulomb

𝐹₁₂ ∶ Gaya Coulomb yang terjadi pada muatan 1 akibat muatan 2 𝐹₂₁ ∶ Gaya Coulomb yang terjadi

pada muatan 2 akibat muatan 1

(18)

2.2 Hukum Coulomb

𝐹₁₂ ∶ Gaya Coulomb yang terjadi pada muatan 1 akibat muatan 2 𝐹₂₁ ∶ Gaya Coulomb yang terjadi

pada muatan 2 akibat muatan 1

(19)

2.2 Hukum Coulomb Contoh Soal

Dua buah muatan 𝑞₁ = 5𝜇𝐶 dan 𝑞₂ = −2 𝜇𝐶 terpisah sejauh 2 𝑚 . Tentukan gaya Coulomb pada kedua muatan tersebut!

(Gaya Coulomb 1 Dimensi)

Gaya pada muatan 1 mengarah ke kanan dan pada muatan 2 ke kiri

(20)

Jika 𝑎 = 0.1 𝑚, tentukan gaya pada muatan 𝑞₃

(21)

2.2 Hukum Coulomb

(22)

Jika 𝑎 = 0.1 𝑚, tentukan gaya pada muatan 𝑞₃

(23)

Tiga buah muatan 𝑞₁ = +𝑄 di 1,0,1 , 𝑞₂ = −𝑄 di (0,3, −1) dan 𝑞₃ = +2𝑄 di (−1,2,0). Tentukan gaya Coulomb yang dialami oleh muatan 𝑞₃ akibat kedua muatan lainnya

(24)

Tiga buah muatan 𝑞₁ = +𝑄 di 1,0,1 , 𝑞₂ = −𝑄 di (0,3, −1) dan 𝑞₃ = +2𝑄 di (−1,2,0). Tentukan gaya Coulomb yang dialami oleh muatan 𝑞₃ akibat kedua muatan lainnya

(25)

3. Medan Listrik

3.1 Medan Listrik oleh Muatan Diskrit

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu

(26)

Dua buah muatan dapat saling berinteraksi (timbul gaya Coulomb) meskipun tidak saling bersentuhan atau interaksi secara fisik. Konsep untuk menjelaskan interaksi tidak langsung ini disebut dengan medan (field).

Medan merupakan besaran dalam fungsi

ruang. Besar medan berbeda-beda tergantung titik lokasi yang ditinjau.

Suatu muatan sumber Q akan menghasilkan medan listrik, jika terdapat muatan lain

(muatan uji) q, maka muatan q akan

“merasakan” keberadaan muatan sumber.

Secara visual, medan listrik digambarkan berupa garis-garis

medan yang tidak saling berpotongan.

Medan listrik yang dekat dengan sumber muatan lebih besar dari pada yang jauh Medan merupakan besaran vektor

(27)

Garis-garis medan muatan positif adalah

keluar/menjauhi muatan, sedangkan muatan negatif adalah masuk/menujumuatan

Suatu muatan uji q akan mengalami gaya Coulomb akibat medan listrik yang diberikan oleh muatan sumber Q, sehingga gaya

Coulomb yang dialami muatan uji tersebut adalah

Maka medan listrik di titik muatan uji q berada adalah

(28)

Contoh Soal (Medan Listrik satu dimensi)

(29)

3.1 Medan Listrik oleh Muatan Diskrit Contoh Soal

(30)

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu Distribusi muatan kontinu adalah ketika

sejumlah muatan yang sangat banyak

terdistribusi (biasanya merata atau homogen) pada suatu objek berupa garis (1D), bidang (2D), atau ruang (3D).

Distribusi muatan tersebut memiliki rapat muatan

Muatan-muatan yang terdistribusi tersebut akan ditinjau sebagai elemen kecil (𝑑𝑄) yang kemudian dilakukan integrasi

(31)

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu 1 Dimensi (Kawat lurus berhingga)

(32)

(33)

(34)

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu 1 Dimensi (Kawat lurus takhingga)

(35)

1 Dimensi (Cincin dengan Medan Listrik di Pusat Cincin)

(36)

1 Dimensi (Cincin dengan Medan Listrik Tidak di Pusat Cincin)

(37)

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu 2 Dimensi (Cakram)

(38)

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu 2 Dimensi (Cakram)

(39)

3.2 Medan Listrik oleh Distribusi Muatan Kontinu 2 Dimensi (Plat)

(40)

Latihan Soal

(41)

Hukum Coulomb sebagai Gaya Sentripetal 1

Pada model atom hidrogen menurut Bohr, elektron mengorbit mengelilingi inti (proton) dengan lintasan yang dianggap lingkaran dengan jari-jari 5.29 × 10⁻¹¹𝑚.

Berapakah laju gerak elektron mengelilingi proton (inti)?

Bandul Bermuatan 2

Perhatikan gambar dibawah

a) Jika 𝐿 = 1.5 𝑚 dan 𝑚 = 10 𝑔𝑟𝑎𝑚 dan 𝑞 = 0.75𝜇𝐶 Tentukan sudut 𝜃!

b) Jika 𝐿 = 1.5 𝑚 dan 𝑚 = 10 𝑔𝑟𝑎𝑚, 𝑞_{𝑘𝑖𝑟𝑖} = 0.5𝜇𝐶 dan 𝑞_{𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛} = 1𝜇𝐶. Tentukan sudut 𝜃_{𝑘𝑖𝑟𝑖} dan 𝜃_{𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛}

(42)

Elektron bergerak dalam medan listrik 𝐸 = (1000 𝑁/𝐶) Ƹ𝑖 dengan laju awal 𝑣₀ = (2 × 10⁶𝑚/𝑠 ) Ƹ𝑖

Tentukan jarak tempuh elektron sebelum berhenti sesaat!

Elektron dalam Medan Listrik

Elektron ditembakkan dengan laju 𝑣₀ = 5 × 10⁶𝑚/𝑠 dalam ruang antara dua plat yang bermedan listrik 𝐸 = 3.5 × 10³𝑁/𝐶 seperti pada gambar. Dimanakah elektron akan menumbuk plat?

Tentukan medan listrik di titik P akibat batang bermuatan total Q

Elektron bergerak diantara plat

Medan Listrik batang berhingga

(43)

RuangSains.id RuangSains.id