LISTRIK STATIS
Konsep Dasar Listrik Statis
Listrik statis (electrostatic) membahas
muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis
dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan
ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik
menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan
kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik.
Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam
muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Muatan listrik
timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke
benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan
positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron dikatakan bermuatan
negatif. Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik
suatu benda.
Dua buah benda yang memiliki muatan sejenis akan
saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Adapun dua buah
benda dengan muatan yang berbeda (tidak sejenis) akan saling tarik
menarik saat didekatkan satu sama lain. Tarik menarik atau tolak menolak
antara dua buah benda bermuatan listrik adalah bentuk dari gaya listrik
yang dikenal juga sebagai gaya coulomb.
Gaya Coulomb
Gaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara
benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding
besar muatan listrik dari tiap-tiap benda dan berbanding
terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda
bermuatan listrik tersebut.
gaya coulomb antara dua benda
bermuatan listrik
Jika benda A memiliki muatan q1
dan benda B memiliki muatan q2 dan benda A dan
benda B berjarak r satu sama lain, gaya listrik yang timbul di
antara kedua muatan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Dimana
F adalah gaya listrik atau gaya coulomb
dalam satuan newton k adalah konstanta kesebandingan yang
besarnya 9 x 109 N m2 C–2 muatan q
dihitung dalam satuan coulomb (C)
konstanta k juga dapat ditulis dalam
bentuk
dengan ε0 adalah permitivitas
ruang hampa yang besarnya 8,85 x 10–12 C2 N–1
m–2
Gaya listrik merupakan besaran vektor sehingga
operasi penjumlahan antara dua gaya atau lebih harus menggunakan konsep
vektor, yaitu sesuai dengan arah dari masing-masing gaya. Secara umum,
penjumlahan vektor atau resultan dari dua gaya listrik F1
dan F2 adalah sebagai berikut.
- untuk dua gaya yang searah maka resultan gaya sama dengan penjumlahan dari kedua gaya tersebut. Adapun, untuk dua gaya yang saling berlawanan, resultan gaya sama dengan selisih dari kedua gaya
(gambar)
R
= F1 + F2 dan R = F1
– F2
2.
untuk dua gaya yang saling tegak lurus, besar resultan gayanya
adalah
(gambar)
3
untuk dua gaya yang membentuk sudut θ satu sama lain,
resultan gayanya dituliskan sebagai berikut
(gambar)
Untuk penjumlahan lebih dari dua gaya,
perhitungannya dapat menggunakan metode analitis (lihat pembahasan
tentang analisis vektor).
Medan Listrik
Sebuah muatan listrik dikatakan memiliki medan
listrik di sekitarnya. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda
bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Jika muatan lain
berada di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik,
muatan tersebut akan mengalami gaya listrik berupa gaya tarik atau gaya
tolak.
Arah medan listrik dari suatu benda bermuatan
listrik dapat digambarkan menggunakan garis-garis gaya listrik. Sebuah
muatan positif memiliki garis gaya listrik dengan arah keluar dari
muatan tersebut. Adapun, sebuah muatan negatif memiliki garis gaya
listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut.
Gambar
Besar medan listrik
dari sebuah benda bermuatan listrik dinamakan kuat medan listrik. Jika
sebuah muatan uji q’ diletakkan di dalam medan listrik dari
sebuah benda bermuatan, kuat medan listrik E benda tersebut
adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya
dibagi besar muatan uji. Jadi, dituliskan
dan F = E q’
Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda
bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r
dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Di sini kuat medan listrik
dituliskan dalam satuan N/C.
Kuat medan listrik juga merupakan
besaran vektor karena memiliki arah, maka penjumlahan antara dua medan
listrik atau lebih harus menggunakan penjumlahan vektor. Arah
medan listrik dari sebuah muatan positif di suatu titik adalah keluar
atau meninggalkan muatan tersebut. Adapun, arah medan listrik dari
sebuah muatan negatif di suatu titik adalah masuk atau menuju ke muatan
tersebut.
Gambar
Dua plat sejajar
yang bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan
listrik timbul di antara dua plat tersebut. Kuat medan listrik di dalam
dua plat sejajar yang bermuatan listrik adalah
Dimana
σ adalah rapat muatan dari plat yang
memiliki satuan C/m2
ε0 adalah permitivitas ruang
hampa
(gambar) (gambar)
Kita juga dapat
menghitung kuat medan listrik dari sebuah bola konduktor berongga yang
bermuatan listrik, yaitu sebagai berikut.
Di dalam bola (r < R),
E = 0
Di kulit atau di luar rongga (r
> R),
Energi Potensial Listrik
Dua buah benda bermuatan listrik yang terletak
berdekatan akan mengalami gaya listrik di antara keduanya. Suatu usaha
diperlukan untuk memindahkan (atau menggeser) salah satu muatan dari
posisinya semula. Karena usaha merupakan perubahan energi, maka besar
usaha yang diperlukan sama dengan besar energi yang dikeluarkan. energi
dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W)
atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan uji q’
yang dipindahkan dari posisi r1 ke posisi r2
adalah
(gambar)
Dengan demikian, usaha atau energi potensial
untuk memindahkan sebuah muatan uji q’ yang berjarak r
dari sebuah muatan lain q ke jarak tak berhingga dapat
dituliskan sebagai berikut
Dimana tanda minus berarti
usaha yang dilakukan selalu melawan gaya tarik yang ada (biasanya usaha
yang dilakukan adalah usaha untuk melawan gaya tarik antara dua muatan).
Potensial Listrik
Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari
satu posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik
sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian.
Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda
potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang
dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah
Dimana V adalah
potensial listrik dengan satuan volt (V).
Beda potensial dari suatu muatan
listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial
mutlak atau biasa disebut potensial listrik
saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu
titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai
berikut
Dari persamaan di atas tampak
bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan
listrik, yaitu
V = E r
Gambar
Berbeda dengan gaya listrik dan
kuat medan listrik, potensial listrik merupakan besaran skalar yang
tidak memiliki arah. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa
muatan sumber dihitung menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n
muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.
Catatan: tanda (+) dan (–) dari
muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.
Hubungan antara gaya
listrik, kuat medan listrik, usaha atau energi potensial listrik, dan
potensial listrik dapat digambarkan dalam diagram berikut ini.
0 komentar: