YAYASAN WIDYA BHAKTISMA SANTA ANGELA

Jl. Merdeka 24, Bandung 4214714

LISTRIK STATIK

MATA PELAJARAN : FISIKA STANDAR KOMPETENSI : Menerapkan konsep kelistrikan dan

kemagnetan dalam berbagai penyelesaian masalah dan produk tehnologi.

KOMPETENSI DASAR : Memformulasikan gaya listrik, kuat medan listrik, fluks, potensial listrik serta penerapannya pada keping sejajar.

KELAS / PROGRAM : XII/IPA

Listrik Statik mempelajari muatan listrik yang berada dalam keadaan diam, sedangkan listrik dinamik mempelajari mutan listrik yang bergerak yang disebut arus listrik

A. Interaksi Elektrostatik antara muatan listrikMuatan Listrik dibagi dua jenis, muatan positif dan negatifDua benda sejenis tolak menolak dan benda bermuatan tak sejenis tarik menarik. Dua benda sejenis tolak menolak dan benda bermuatan tak sejenis tarik menarik. 1. Terjadinya muatan listrik

Contoh: a. Batang kaca digosok dengan kain sutera bermuatan listrik

negatifb. Batang plastik digosok dengan wol menjadi bermuatan listrik

positifBagaimana kita menjelaskan hal ini?a. Ketika batang kaca digosok dengannkain sutera elektron-

elektron batang kaca menuju kain sutera sehingga batang kaca kekurangan elektron dan batang kaca menjadi bermuatan positif

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 1

Susana Endah

b. Ketika batang plastik digosok dengan wol, elektron-elektron wol menuju ke batang plastik sehingga batang plastim menjadi bermuatan negatif.

2. Interaksi muatan-muatan listrikAda empat buah muatan A, B,C dan D. A menolak B, A menarik C, C menolak D dan D bermuatan positif. Tentukan jenis muatan-muatan lainnya.Jawab : C menolak D berarti C sejenis dengan D. Jika D positif maka C negatif. A menarik C berarti A tidak sejenis dengan C. Jika C positif maka A negatif. A menolak B berarti A sejenis dengan B. Jika A negatif maka B negatif.

B. Gaya Coulomb antara dua muatan titikAdalah gaya tarik atau gaya tolak berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua bola bermuatan. Secara matematis dirumuskan

F= k

Keterangan: F = gaya coulomb (N)Q1 dan Q2 = muatan masing masing partikel dalam colomb (C)r = jarak pisah antara kedua muatan(m)

= permitivitas vakum atau uadara 8,85 x 10-12 C2N-1 m-2

k = = 9 x 109 Nm2C-2

C. Kuat Medan Listrik (E)Adalah ruang disekitar benda bermuatan listrik dimana benda-benda bermuatan listrik lainnya dalam ruang ini akan merasakan atau mengalami gaya listrik.Arah medan listrik menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif.

Kuat medan Listrik adalah hasil bagi gaya coulom yang bekerja pada muatan uji dengan besar muatan uji tersebut

E=

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 2

E= k

D. Kurva Gaya Coulomba. Kurva F sebagai fungsi r

Fhiperbola

rb. Kurva F sebagai fungsi q

F

parabola

r

E. Gaya Coulomb dalam Bahan =

Fbahan = x

Fbahan = x Fvakum

F. Gaya Coulomb dan keseimbangan partikel

θ

Tcos θ

θ

T sinθq q F q

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 3

rw=mg

Buktikan bahwa q2=

G. Energi Potensial Listrik

Ep= k

H. Potensial Listrik

V= k

I. Hukum GaussFluks Listrik adalah jumlah garis medan yang menembus tegak lurus suatu biadang atau hasil kali antara kuat medan E dengan luas biadang A yang tegak lurus suatu bidang A yang tegak luirus dengan medan listrik. Secara matematis dirukuskuan Φ = E x A apabila menembus bidang tidak secara tegak lurus maka

Φ = E x A cos θ =

J. Medan Listrik pada konduktor dua keping sejajarRapat muatan listrik =Jumlah garis medan yang menembus keping adalah

Φ = E x A cos θ = sehingga persamaannya menjadi E x A =

E =

K. Medan Listrik pada konduktor beronggar <R didalam bola tidak ada muatan sehingga E=OBila dikulit atau diluar bola E= k

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 4

L. Susunan KapasitorSebuah Kapasitor terdiri atas dua keeping konsuktor yang ruang di antaranya diisi oleh dielektrik (penyekat), misalnya udara atau kertas. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas (atau kapasitansi). Satuan SI dari kapasitas adalah farad(F), namun ukuran kapasitas kapasitor yang sering digunakan dinyatakan dalam microfarad (µF), nanofarad (nF), dan pikofarad (pf)

Jenis- Jenis Kapasitora. Kapasitor Kertas

Kertas berfungsi sebagai bahan penyekat diantara kedua pelat. Kapasitor jenis ini memiliki kapasitas 0,1 µF

b. Kapasitor ElektrolitPada kapaitor elektrolit, bahan penyekatnya adalah aluminium oksida. Kapasitor elektrolit memiliki kapasitas paling besar, yaitu sampai dengan 100.000 pF.

c. Kapasitor VariabelKapasitor Variabel adalah kapasitor dengan nilai kapasitas dapat diubah-ubah, sehingga digunakan untuk memilih frekuensi gelombang pada radio penerima. Penyekatnya adalah udara, dengan nilai maksimum kapasitasnya sampai dengan 500 pF (0,0005 µF)

KapasitansiKapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron.

Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :

q = CV …………….(1)

q : muatan elektron dalam C (coulombs)C : nilai kapasitansi dalam F (farads)V : besar tegangan dalam V (volt)

1 F = 1 coulumb/volt

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 5

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut :

C = (8.85 x 10-12) (k A/t) ...(2)

KAPASITOR Pada awal penyelidikan listrik tidak ada cara untuk dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu yang lama. Bahkan ketika benda bermuatan diletakkan pada tempat berisolasi pun, muatan cenderung bocor.

Pada tahun 1746 di Universitas Leyden, Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) mencoba menyimoan sejumlah besar muatan listrik. Hasilnya adalah suatu peralatan yang secara luas dikenal sebagai botol Leyden. Botol Leyden adalah sebuah botol kaca dengan dinding dalam dan luarnya dilapisi oleh daun logam.

Botol Leyden menjadi dasar dari penelitian-penelitian listrik selama 50 tahun berikutnya. Botol Leyden adalah “condenser” pertama atau yang sekarang kita sebut kapasitor, yaitu suatu peralatan yang dapat menyimpan muatan dan energy listrik.

1. Mengenal KapasitorSebuah Kapasitor terdiri atas dua keeping konsuktor yang ruang di antaranya diisi

oleh dielektrik (penyekat), misalnya udara atau kertas. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas (atau kapasitansi). Satuan SI dari kapasitas adalah farad(F), namun ukuran kapasitas kapasitor yang sering digunakan dinyatakan dalam microfarad (µF), nanofarad (nF), dan pikofarad (pf).

1 µF = 10-6 F ; 1 nF = 10-9 F ; 1 pF = 10-2 F

Formulasi Kapasitas Kapasitor Keping Sejajar

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 6

Untuk menghitung kapasitas kapasitor, kita tentukan dahulu kuat medan listrik homogen, E, dalam ruang antara kedua keeping, kemudian kita hitung V dan E. Kuat medan listrik, E, dalam ruang antarkeping sejajar adalah E = σ/є0, dengan rapat muatan σ = q/A. dengan demikian,

Kapasitas Kapasitor Keping

ε0 : permitivitas vakum/udara = 8,85 x 10-12 dalam SIA : luas tiap keepingd : jarak pisah antarkeping

Pengaruh Dielektrikum terhadap Kapasitas Kapasitor

Dielektrik adalah suatu bahan isolasi, seperti kertas, karet, kaca, atau plastik. Ketika sebuah dielektrik disisipkan dalam ruang antara keeping-keping sebuah kapasitor, kapasitas kapasitor akan meningkat. Kapasitas kapasitor dalam dielektrik, CD, adalah

Primitivitas Relatif dielektrik adalah perbandingan antara kapasitas kapasitor dalam dielektrik dengan kapasitas kapasitor dalam vakum (tanpa dielektrik).Penyisipan dielektrik dalam ruang antara kedua keeping menyebabkan kapasitas kapasitor meningkat.

a. Pengaruh Dielektrik untuk Baterai Tidak DihubungkanKarena hubungan dengan baterai diputuskan, maka ketika disisipkan dielektrik, beda potensial antarkeping diperbolehkan berubah. Prinsip untuk kasus ini : muatan yang tersimpan dalam kapasitor adalah

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 7

tetap. Berarti muatan sesudah penyisipan dielektrik (qD) sama dengan muatan sebelum penyisipan dielektrik (q0). qD = q0

Karena єr > 1, maka beda potensial antarkeping setelah disisipi dielektrik akan berkurang (VD > V0).

b. Pengaruh Dielektrik untuk Baterai Tetap DihubungkanKarena kedua keping dihubungkan secara tetap dengan baterai, maka beda potensial antarkeping tidak berubah, yaitu sama dengan beda potensial baterai. Pada kasus ini, prinsip yang harus kita pegang adalah : beda potensial antarkeping adalah tetap. Berarti, beda potensial sesudah penyisipan dielektrik (VD) sama dengan beda potensial sebelum penyisipan dielektrik (V0). VD = V0

qD = єr q0 Karena єr > 1, maka muatan pada keping setelah disisipi dielektrik mengalami kenaikan (qD > q0).

Rangkaian Kapasitor

Susunan kapasitor yang paling sederhana yaitu susunan seri dan susunan parallel. Susuan seri digunakan jika diinginkan kapasitas yang lebih kecil dan susunan parallel digunakan jika diinginkan kapasitas yang lebih besar.

a. Susunan Seri Kapasitor

Kapasitas ekivalen, Cek dari susunan seri didefinisikan sebagai kapasitas dari sebuah kapasitor tunggal, yang memiliki muatan yang sama dengan muatan kapasitor yang digantikannya, yaitu q, ketika diberi beda potensial V yang sama.

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 8

Pada rangkaian kapasitor seri, berlaku rumus:

tegangan total : V = V1 + V2 + … + Vn

Muatan Total : Q = Q1 = Q2 = Qn

Kapasitas ekivalen seri

Kebalikan dari kapasitor ekivalen dari susunan seri kapasitor sama dengan jumlah kebalikan dari tiap-tiap kapasitas. Beda potensial tiap kapasitor umumnya tidak sama.

Susunan Paralel Kapasitor

Kapasitas ekivalen, Cek, dari susunan paralel didefinisikan sebagai kapasitas dari sebuah kapasitor tunggal.

q = CekV

hasil ini dapat diperluas untuk sejumlah kapasitor yang disusun parallel

Pada rangkaian kapasitor paralel, berlaku rumus:

Tegangan tiap kapasitor sama besar V1 = V2 =V3 = Vn

Muatan Total :Q = Q1 + Q2 + Q3 + Qn

Kapasitor Ekivalen Paralel Cek = C1 + C2 + C3+…

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 9

Kapasitas ekivalen dari susunan parallel sama dengan jumlah dari tiap-tiap kapasitas. Beda potensial tiap kapasitor dalam susunan parallel adalah sama, yaitu sama dengan beda potensial kapasitor ekivalennya, namun muatan kapasitor umumnya tidak sama.

M. SOAL SOAL LATIHAN

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 10

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 11

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 12

ESSAY

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 13

11. Keping-keping sebuah kapasitor sejajr memiliki luas 40 cm2 dan terpisah pada jarak 1,0mm.(ε0 = 8,85 x 10-12 C2 N-1 m-2)

a) Berapa kapasitasnya?b) Ketika kapasitor dihubungkan ke baterai 45V, berapa muatan pada tiap keping?

12. Dua keping sejajar memiliki keping berbentuk persegi dengan sisi 10cm dan terpisah pada jarak 2cm. Tentukan kapasitas keping sejajar tersebut jika ruang antara kedua kepingnya a) berisi udara, dan b) berisi mika (εr = 7,0).13. Luas keping-keping dari sebuah kapasitor keping sejajar adalah 50 cm2 dan terpisah sejauh 1,0 mm.a) Tentukan kapasitasnya.b) Ketika kapasitor dihubungkan dengan baterai 60V, berapakah muatan pada tiap kepingnya?c) Baterai dilepaskan dan ruang antara keping-kepingnya diisi dengan bakelit (εr = 5,0). Tentukan : kapasitas, muatan, beda potensila, dan kuat medan listrik kapasitor itu sekarang (ambil (ε0 = 9,0 x 10-12 C2 N-1 m-2).14. Sebuah kapasitor dengan ruang antarkepingnya berisi udara, dihubungkan ke sebuah baterai, sehingga tiap kepingnya bermuatan 100 µC. Tanpa melepas baterai, ruang antarkeping diisi dengan minyak, dan ternyata muatan tambahan 150 µC mengalir lagi dari baterai menuju ke keping. Tentukan permitivitas relatif minyak.15. Sebuah kapasitor keping sejajar memiliki luas tiap keping 2,00 cm2 dan teerpisah 2,00 mm, dengan air berada dalam ruang antarkepingnya (εr = 80). Sebuah baterai 6,00 V dihubungkan terus pada kedua keping. Hitung: a) besar kuat medan listrik di antara kedua keping, b) muatan pada tiap keping, dan c) muatan pada tiap keping jika air dibuang dan digantikan oleh udara.16. Dua buah kapasitor masing-masing kapasitasnya 20µF dan 50µF disusun seri, dan ujung-ujungnya dihubungkan ke baterai yang beda potensialnya 14 V.

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 14

Hitung :a) Kapasitas ekivalen,b) Muatan ekivalen,c) Muatan dan beda potensial masing-masing kapasitor.17. Kapasitor 20µF dan 100µF disusun paralel dan ujung-ujungnya dihubungkan pada sumber tegangan 5V. Hitung: a) kapasitas ekivalen, b) muatan ekivalen, dan c) muatan dan beda potensial masing-masing kapasitor.18. Berapa banyak kapasitor 1,00 µF harus dihubungkan paralel untuk dapat menyimpan muatan 1,00 C, jika diberi beda potensial 110 V pada ujung-ujung kapasitor?

Daftar Pustakawww. Fisika study centre.comMarten Kanginan(2006). Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta Penerbit ErlanggaHalliday dan Resnick (19910 jilid 2 (Terjemahan).Jakarta Penerbit Erlangga.

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 15

Modul fisika XII-IPA/Listrik Statik HALAMAN 16