Rangkuman, Soal dan Pembahasan Medan Listrik

Rangkuman Materi Listrik Statis

Jika kita berbicara tentang listrik, sebenarnya kita sudah mendapatkan materi ini pada kelas 9 dengan judul yang sama yaitu listrik statis. materi yang disajikan pun tidak jauh berbeda hanya terdapat penambahan sub bab baru yang sebelumnya tidak ada dalam Materi ini.

untuk lebih lengkapnya yuk langsung saja ya kita pelajari bersama..

HUKUM COULOMB

Menurut Coulomb, dua muatan yang didekatkan akan bekerja gaya tarik atau gaya tolak. Gaya tarik terjadi jika muatan berlainan jenis sedangkan gaya tolakan terjadi pada muatan yang sejenis

Gaya tersebut disebut gaya coulomb yang besarnya sebanding dengan perkalian kedua muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:
F = Gaya Coloumb (N)
k = Konstanta = 9 x 10⁹ Nm² / C²
q₁ = Besar muatan 1 (C)
q₂ = Besar muatan 2 (C)
r = Jarak antar muatan (m)

Kuat Medan Listrik

Medan listrik merupakan daerah di sekitar muatan yang masih merasakan pengaruh gaya Coulomb.

Dari gambar tersebut arah garis garis medan listrik jika muatan positif (+) keluar menuju muatan negatif (-) masuk.
Besarnya medan listrik disebut kuat medan listrik yang dirumuskan sebagai berikut:

atau

Keterangan:
E = Kuat Medan listrik (N/C)
k = konstanta = 9 x 10⁹ Nm²/C²
q = Muatan listrik (C)
r = jarak dari titik ke muatan sumber medan listrik (m)

Energi Potensial Listrik

Energi potensial listrik secara matematis dapat di rumuskan sebagai berikut:

Keterangan:
E_p = energi potensial listrik (joule)
k = konstanta = 9 x 10⁹ N m² / C²
q₁, q₂ = besar muatan listrik (C)
r = jarak antara muatan (m)

Usaha

Merupakan perubahan energi potensial

Keterangan:
W = Usaha (joule)
k = konstanta = 9 x 10⁹ N m² / C²
q₁, q₂ = besar muatan listrik (C)
r₁ = jarak awal (m)
r₂ = jarak akhir (m)

Kekekalan energi

Berlaku dalam medan listrik

Di mana:

Keterangan:
E = kuat medan antar pelat (N/C)
d = jarak antar pelat (m)

Potensial Listrik

Energi potensial merupakan besarnya energi potensial yang dimiliki muatan 1 Coulomb. Dari definisi ini, potensial listrik dapat dirumuskan sebagai berikut.

atau

Keterangan:
V = Potensial listrik (Volt)
k = Konstanta = 9 x 10⁹ N m² / C²
q = besar muatan sumber (C)
r = jarak titik dari muatan (m)

Hukum Gauss

Hukum gauss menyatakan bahwa jumlah garis medan listrik yang menembus suatu permukaan sebanding dengan jumlah muatan listrik yang ada di dalam permukaan tersebut. Hukum ini menghubungkan medal listrik pada permukaan tertutup dengan muatan total di dalam permukaan tersebut. Dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan
f = fluks listrik (weber)
q = muatan total di dalam permukaan (C)
e_o = permitivitas listrik di ruang hampa (8,85 x 10^-12 C²/N m²)
E = medan listrik (N/C)
A = Luas permukaan yang dilingkupi muatan (m²)

q = sudut antara medan listrik dan normal bidang

Penerapan Hukum Gauss

Bola Konduktor Bermuatan

Bola konduktor berongga

Kuat medan di dalam bola ( r < R)
E = 0
Potensial Listrik di dalam bola (r < R)

Kuat Medan di luar bola ( r > R)

Potensial listrik di dalam bola (r > R)

Keterangan
r = Jarak titik ke muatan sumber
R = jari jari bola konduktor

Keping Sejajar Bermuatan

Kuat Medan

Keterangan :
E = Kuat medan listrik di antara keping sejajar (N/C)
q = muatan total di dalam permukaan (C)
e_o = permitivitas listrik di ruang hampa (8,85 x 10^-12 C²/N m²)
A = Luas keping (m²)
σ = rapat muatan keping (C/m²)

Kapasitor

Kapasitor berfungsi sebagai komponen elektronik yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan disebut dengan kapasitas kapasitor. Besarnya kapsitas dari suatu kapasitor di rumuskan sebagai berikut:

Keterangan :
C = kapasitas kapasitor (Farad)
q = muatan yang tersimpan (Coulomb)
V = beda potensial (Volt)
Kapasitor pada umumnya terdiri dari dua keping sejajar yang diletakkan berdekatan tetapi tidak saling bersentuhan.

Rumusan kapasitas kapsitor jika tanpa bahan penyekat :

Jika ada bahan penyekat/dielektrik:

Keterangan:
C_o = kapasitas kapasitor tanpa bahan elektrik (F)
A = luasan penampang plat ()
d = jarak antarplat sejajar (m)
C = Kapasitas kapasitor dengan bahan elektrik (F)
k = konstanta dielektrik bahan

Rangkaian Kapasitor

RANGKAIAN SERI

Sifat-sifat yang dimiliki rangkaian seri sebagai berikut:
Kapasitas pengganti

Muatan kapasitor sama
Q₁ = Q₂ = Q₃ = Q_total
Beda potensial antar kapasitor

RANGKAIAN PARALEL

Sifat-sifat yang dimiliki rangkaian seri sebagai berikut:
Kapasitas pengganti :
C_o = C₁ + C₂ + C₃
Beda potensial tiap kapasitor sama
V₁ = V₂ = V₃
Muatan antar kapasitor
Q₁ : Q₂ : Q₃ = C₁ : C₂ : C₃
Energi yang tersimpan pada kapasitor

Keterangan:
W = energi yang tersimpan dalam kapasitor (Joule)
Q = muatan kapasitor (Coulomb)
V = beda potensial (Volt)
C = Kapasitas Kapasitor (Farad)

Contoh Soal dan Pembahasan Listrik Statis

Soal No. 1
Dua buah partikel bermuatan berjarak R satu sama lain dan terjadi gaya tarik-menarik sebesar F.

Jika jarak antara kedua muatan dijadikan 4 R, tentukan nilai perbandingan besar gaya tarik-menarik yang terjadi antara kedua partikel terhadap kondisi awalnya!

Pembahasan

sehingga

Soal No. 2
Tiga buah muatan A, B dan C tersusun seperti gambar berikut!

Jika Q_A = + 1 μC, Q_B = − 2 μC ,Q_C = + 4 μC dan k = 9 x 10⁹ N m² C^{− 2} tentukan besar dan arah gaya Coulomb pada muatan B !

Pembahasan
Pada muatan B bekerja 2 buah gaya, yaitu hasil interaksi antara muatan A dan B sebut saja F_BA yang berarah ke kiri dan hasil interaksi antara muatan B dan C sebut saja F_BCyang berarah ke kanan. Ilustrasi seperti gambar berikut:

Karena kedua gaya segaris namun berlawanan arah maka untuk mencari resultan gaya cukup dengan mengurangkan kedua gaya, misalkan resultannya kasih nama F_total :

F _total = F_BC - F_BA

F _total = 72 X 10 ^{- 3} - 18 x 10 ^-3 = 54 x 10 ^-3 N

Arah sesuai dengan F_BC yaitu ke kanan.

Soal No. 3
Dua buah muatan tersusun seperti gambar berikut!

Jika Q₁ = + 1 μC, Q₂ = − 2 μC dan k = 9 x 10⁹ N m² C^{− 2} tentukan besar dan arah kuat medan listrik pada titik P yang terletak 4 cm di kanan Q₁ !

Pembahasan

Rumus dasar yang dipakai untuk soal ini adalah

dimana E adalah kuat medan listrik yang dihasilkan suatu muatan, dan r adalah jarak titik dari muatan sumber. Harap diingat lagi untuk menentukan arah E : "keluar dari muatan positif" dan "masuk ke muatan negatif"

Perhatikan ilustrasi pada gambar!

Langkah berikutnya adalah menghitung masing-masing besar kuat medan magnet E₁ dan E₂ kemudian mencari resultannya jangan lupa ubah satuan centimeter menjadi meter. Supaya lebih mudah hitung secara terpisah satu persatu saja,..

Arah ke arah kanan.

NEXT PAGE : 1 2 3