bab 1 distribusi muatan listrik

TANPA ALASAN ATAU TUJUAN YANG KUAT, APAPUN DALAM HIDUP INI ADALAH SULIT

( ROBERT T KIYOSAKI)

Materi :

Sumber : www.hyperphysics.com

KONTRAK KULIAH• Tugas mandiri : 15 % • Praktikum : 25 % • UTS : 30 % • UAS : 30 %• Kehadiran : minimal 75 %• Kehadiran min = 75 % x 16• Keterlambatan = tidak diperkenankan

Graduates = A

Bayangkan hidup tanpa listrik.

PENDAHULUANManfaat listrik rumah tangga

industri ipteks, dll

Listrik (berasal dari: bahasa Yunani)elektron berarti batu amber (fossil).

Thales (seorang filsuf Yunani), memperhatikan:sesuatu yang aneh akan terjadi kalau ia menggosok sepotong batu amber dengan kain wol. Batu amber, sebagai akibat gesekan menjadi bersifat menarik benda-benda yang ringan (seperti: partikel debu, jerami, bulu dan sobekan kecil kain).

“Pembuatan Listrik”Kita tidak dapat membuat suatu muatan listrik tetapi kita hanya

dapat menciptakan kondisi, tempat muatan listrik dapat terkumpul atau arus listrik dapat mengalir.

Pembuatan / cara menghasilkan listrik :1. Listrik statis (statis berarti diam / tetap)

(apabila muatan listrik dihasilkan dengan cara menggosok suatu benda dengan benda lain)

2. Listrik arus (listrik mengalir melalui kawat)

Contoh Listrik Statis• Mesin ini menghasilkan listrik

statis.

• Sebuah logam berbentuk sirip menyerupai sisir yang yang bermuatan menginduksi muatan positif ke sabuk yang berjalan.

• Ketika sabuk mencapai kubah logam, ia akan menghapus elektron dari kubah logam tsb sehingga kubah bermuatan positif yang sangat banyak.

Van de Graaff Generator

Contoh Listrik Statis

A favorite demonstration with the Van de Graaf is to make someone's hair stand on end.

Contoh Listrik Statis• Listrik statis yang sangat

hebat di dalam awan tebal menginduksi muatan positif di bumi.

• Dapat terjadi, listrik dilepaskan dari dasar awan ke tanah dan kembali lagi (kilat menyambar) atau di dalam awan (biasanya “geledek”)

Halilintar

Contoh Listrik statis

Muatan listrik :Kamus Lengkap Fisika (TaswaE.S):

sifat-sifat dasar pada partikel-partikel elementer darimateri.

Kamus Lengkap Fisika ( Oxford): sifat yang dimiliki beberapa partikel elementer yang menyebabkan interaksi antara partikel- partikel ini dan akibatnya menimbulkan fenomena bahan yang dinyatakan sebagai kelistrikan.

KONSEP MUATAN

• Dalam ILMU MEKANIKA kandungan inti materibiasa disebut massa.

• Dalam ILMU LISTRIK konsep dasarnya adalah

muatan.

m = 10 kg

-+

+ +-

- +

+

Sumber : www. Radon. com

Benjamin Franklin (1706 – 1790)

• Menyebutkan dua jenis muatan. • Muatan positif dan negatif• e disebut satuan dasar muatan

Sumber: www. Hyperphysics.com

Charge and Mass of the Electron, Proton and Charge and Mass of the Electron, Proton and Neutron.Neutron.

ParticleParticle Charge ( C)Charge ( C) Mass (kg)Mass (kg)

ElectronElectron -1.60 x 10-1.60 x 10-19-19 9.11 x 109.11 x 10-31-31

ProtonProton +1.60 x 10+1.60 x 10-19-19 1.67 x 101.67 x 10-27-27

NeutronNeutron 00 1.67 x 101.67 x 10-27-27

Arus Listrik:

• Suatu aliran muatan listrik.

Contoh Soal: Sebuah uang tembaga (Cu) mempunyai massa 3 gram. Nomor atom tembaga Z =

29 dan nomor massanya = 63,5 g/mol. Berapa jumlah muatan total elektron-elektron yang ada di dalam uang tembaga tsb?

Jawab:

1 mol Cu mengandung atom sejumlah bil. Avogadro.Jumlah atom dlm 3 gram Cu adalah:

N = (3 g) (6,02 x 1023 atom/mol) = 2,84 x 1022 atom 63,5 g/mol

Setiap atom mengandung Z = 29 elektron, jadi jumlah muatan total Q adalah:Q = N z e = (2,84 x 1022 atom) (29) (-1,60 x 10 -19 C / elektron) = -1,32 x 10 5 C

Latihan:• Soal no 3 hal 29 (Buku: Tipler jilid 2)

Berapa Coulomb dari muatan positif yang ada di dalam 1 kg karbon? 12 gram karbon mengandung atom sebanyak bilangan Avogadro, dimana setiap atom mengandung enam proton dan enam elektron.

• Jawab:12 gram C mengandung atom sejumlah bil. Avogadro.Jumlah atom dlm 1 kg C adalah:

N = (1000g) (6,02 x 1023 atom/mol) = 5,01 x 1025 atom 12 g/mol

Setiap atom mengandung Z = 12 proton, jadi jumlah muatan positif adalah:Q = N z e = (5,01 x 1025 atom) (6) (+1,60 x 10 -19 C / elektron) = + 4,8 x 10 7 C

Konduktor ? Isolator?

Konduktor• Listrik hanya dapat mengalir melalui logam yang

disebut: konduktor.

• Konduktor adalah:material yang mengandung elektron bebas yang bergerak bebas.

• Contoh konduktor: tembaga, perak dan alumunium.

Isolator• Material dimana semua elektron terikat kuat pada

atom-atomnya dan tidak dapat bergerak bebas.

• Contoh isolator:karet, mika, gelas, porselin, kayu, plastik

• Plastik adalah:isolator yang baik dan digunakan untuk melindungi kawat-kawat konduktor.

Energy Bands for Solids

Semikonduktor ?? Superkonduktor??

Semikonduktor:bahan yang bersifat sebagai isolator ketika dingin

dan konduktor ketika panas.Contoh: Silikon & Germanium

Superkonduktor:logam-logam dan beberapa keramik yang menjadikonduktor yang sangat baik pada temperatur yangmendekati titik nol mutlak.

Titik Nol Mutlak ???

Hukum CoulombGaya yang dilakukan oleh satu muatan titik pada muatan titik lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tsb. Besarnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan dan berbanding lurus dengan hasil kali muatan.

Gaya bersifat tolak menolak jika kedua muatan mempunyai tanda yang sama dan tarik-menarik jika tandanya berbeda.

K = tetapan Coulomb = 8,99 x 10 9 N.m2/C2

Contoh soal: Dua muatan titik masing-masing sebesar 0,05 C dipisahkan pada

jarak 10 cm.Carilah: besarnya gaya yang dilakukan oleh satu muatan pada muatan lainnya.

Jawab:Dari hukum Coulomb

F = 2,25 x 10-3 N

Latihan:• Pada atom Hidrogen, elektron terpisah dari proton rata-rata sejauh 5,3x10-11

m. Hitung besarnya gaya elektrostatik yang dilakukan proton terhadap elektron.(Latihan hal 12 buku Tipler jilid 2)

• q1 = -1.60x10-19 C

• q2 = +1.60x10-19 C

• r = 5.3x10-11

2

2

22 19

9 822 11

1.6 108.99 10 8.2 10

5.3 10

Nme e C

CeF k N

r m

Prinsip Superposisi• q1 dan q2 merupakan dua muatan titik

yang terpisah sejauh r12 yang merupakan besar vektor r12 yang mengarah dari q1 ke q2.

• Gaya F12 yang dilakukan q1 pada q2 adalah:

F12 = k q1 q2 r12

r212

r12 = vektor satuan yang mengarah dari q1 ke q2

q1

q2

r12 = r2 – r1

r1r2

Contoh soal:• Tiga muatan titik terletak pada sumbu x.

q1=25 nC yang terletak pada titik asalq2= -10 nC berada pada x = 2 mq0= 20 nC berada pada x = 3,5 m.Carilah gaya total pada q0 akibat q1 dan q2.

+2 43

+-q1= 25 nC

q2= -10 nC

qo= 20 nC

X, m

Y, m

Jawab Gaya pada qo akibat q1, berada pada jarak 3,5 m.

F10 = k q1 q0 r10

r210

= (8,99 x 109 N.m2/C2)(25 x 10-9 C) (20 x 10-9 C) i(3,5 m)2

= (0,367 N) i

Gaya pada qo akibat q2, berada pada jarak 1,5 m. F20 = k q2 q0 r20

r220

= (8,99 x 109 N.m2/C2)(-10 x 10-9 C) (20 x 10-9 C) i(1,5 m)2

= (-0,799 N)iGaya total pada muatan qo akibat muatan q1 dan q2 adalah:

F10 + F20 = (0,367 N)i - (0,799 N)i = (-0,432 N) i

• Contoh 18-5 hal 13Muatan q1= +25 nC berada pada titik asal, muatan q2 = -15 nC pada sumbu x = 2 m dan muatan q0 = +20 nC pada x = 2 m y = 2 m. Carilah gaya pada q0.

• Jawab:

1 2 3 4

1

2

3

+

+

-

F10

F20

F10 + F20 = F net

X,m

Y,mq2 dan q0 mempunyai tanda ygBerlawanan maka gaya yg di-Lakukan oleh q2 pada q0 adalahTarik menarik dan searah dengan y.

q1= 25 nC q2= -15 nC

q0= 20 nC

F20 = k q2 q0 r20

r220

= (8,99 x 109 N.m2/C2)(-15 x 10-9 C) (20 x 10-9 C) j = (-6,74 x 10-7 N) j (2 m)2

Jarak antara q1 dan q0 adalah 22 m (buktikan dgn teor phytagoras)

F10 = k q1 q0 r10

r210

= (8,99 x 109 N.m2/C2)(25 x 10-9 C) (20 x 10-9 C) r10 = (5,62 x 10-7 N) r10

(22 m)2

r10 = vektor satuan yang mengarah sepanjang garis dari q1 dan qo.

Jumlah vektor kedua gaya dapat dicari dengan cara:Menguraikan gaya-gaya tsb ke dalam komponen-komponennya.

• F10 membentuk sudut 45 dengan sumbu x dan y maka F10x = F10y = F10 / 2

F10x = F10y = 5,62 x 10-7 N = 3,97 x 10-7 N 2

Komponen-komponen gaya total pada sumbu x dan y adalah: Fx = F10x + F20x Fy = F10y + F20y

Besar gaya total:F =

• Soal no 8 hal 29Dua buah muatan yang sama besar yaitu 3,0 C terletak pada sumbu y, yang satu terletak pada pusat koordinat dan lainnya pada y = 6 m. Muatan ketiga q3 = 2,0 C terletak pada sumbu x dengan x = 8 m. Carilah gaya pada muatan q3.

• Tinjau tiga muatan titik, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dapatkan resultan gaya di q3.q1 = 6.00 x 10-9 C

q2 = -2.00 x 10-9 C

q3 = 5.00 x 10-9 C

+ x

y

- +q2

q1

3.00 m

4.00 m

q3

F32

F31

37.0o

Medan Listrik• Daerah tempat sebuah muatan

listrik mengalami gaya,umumnya akibat distribusi muatan-muatan lain

• Vektor yang menggambarkan keadaan di dalam ruang yang dibentuk oleh sistem muatan.

• Diperkenalkan oleh: Michael Faraday (1791-1867).

Besarnya beberapa medan listrik yang ada di alam

SumberSumber E, N/CE, N/CDi dalam kabel rumahDi dalam kabel rumah 1010-2-2

Di dalam gelombang radioDi dalam gelombang radio 1010-1-1

Di atmosferDi atmosfer 101022

Di matahariDi matahari 101033

Di bawah suatu awan mendungDi bawah suatu awan mendung 101044

Di dalam suatu ledakan petirDi dalam suatu ledakan petir 101044

Di dalam tabung sinar-XDi dalam tabung sinar-X 101066

Pada elektron di dalam atom hidrogenPada elektron di dalam atom hidrogen 6 x 106 x 101111

Pada permukaan inti uraniumPada permukaan inti uranium 2 x 102 x 102121

Kuat Medan Listrik

• Gaya per satuan muatan yang dialami oleh suatu muatan kecil yang diletakkan pada titik tsb

o

FE

q

Garis-garis Medan Listrik• Medan listrik dapat digambarkan dengan cara menggambarkan garis-garis

yang menunjukkan arah medan pada setiap titik.• Garis-garis medan listrik (a) muatan positif (b) muatan negatif.

+ q

a)

- q

b)

Garis-garis medan listrikGaris-garis medan listrik untuk sebuah Garis-garis medan listrik untuk sebuah dipoledipole..

Dipole adalah: dua muatan yang sama besar namun Dipole adalah: dua muatan yang sama besar namun

berlawanan tanda yang terpisahkan oleh suatu jarakberlawanan tanda yang terpisahkan oleh suatu jarak

+ -

Garis-garis Medan Listrik

Garis-garis medan listrik untuk sebuah Garis-garis medan listrik untuk sebuah dipoledipole..

Tugas Mandiri:

1. Selesaikan soal pada contoh 18-5 hal 232. No. 6 hal 293. No. 7 hal 294. No. 11 hal 305. N0. 12 hal 306. No. 17 hal 307. No. 18 hal 30