Besar gaya elektrostatis yang dialami oleh setiap muatan listrik disebut

A. Muatan Listrik, Gaya Coulomb, dan Kuat Medan Listrik

1. Muatan Listrik

Listrik statis juga mempelajari adanya muatan listrik. Muatan lisrik terbagi menjadi muatan listrik positif dan negatif. Seiring dengan berkembangnya pemahaman tentang atom, gejala listrik statis pin mudah dipahami. Setiap benda tersusun dari banyak atom. Atom terdiri dari proton dan neutron yang menyusun inti atom serta elektron yang bergerak mengelilingi inti. Proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, sedangkan neutron netral atau tidak bermuatan. Pada atom yang bersifat netral, jumlah proton dan jumlah elektron sama. Ketika sebuah atom berinteraksi dengan atom lainnya, elektron terluar akan pindah dari satu atom ke atom yang lainnya. Perpindahan tersebut menyebabkan benda bermuatan listrik.

2. Gaya Listrik

Muatan listrik terbagi menjadi muatan listrik positif dan muatan listrik negatif. Bagaimana jika dua buah beda didekatkan? Apa yag akan terjadi? Dua buah muatan yang sejenis apabila didekatkan akan tolak-menolak, sedangkan apabila dua buah benda bermuatan yang berlainan jenis didekatkan akan tarik-menarik. Tolak-menolak maupun tarik-menarik merupakan jenis gaya yang terjadi pada benda bermuatan.

Fisikawan Prancis, Charles Coulomb melakukan eksperimen dengan suatu perlengkapan yang dinamakan neraca puntir.

Neraca puntir menunjukkan adanya gaya elektrostatik. Ketika bola A dan B diberikan muatan sejenis, keduanya akan tolak-menolak. Ketika terjadi peristiwa tolak-menolak, beban bola A dan cermin akan berputar sehingga tempat jatuhnya sinar pantul akan berubah. Bermin berguna untuk menentukan pergeseran sinar pantul. Charles Coulomb memiliki argumen bahwa jika sebuah bola bermuatan disentuhkan dengan sebuah bola yang tidak bermuatan dan identik, muatan bola akan terbagi rata pada keduanya. Berdasarkan percobaannya, Charles Coulomb berhasil mengetahui perbandingan besar muatan tiap bola dan menyimpulkan bahwa gaya elektrostatis:

a. Berbanding lurus dengan hasil kali kedua muatan;

b. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan.

Apabila hubungan tersebut dituliskan secara matematis akan ditunjukkan melalui persamaan berikut.

Ket:

k = tetapan Coulomb (9 × 109 Nm2/C2)

q1 dan q2 = besar muatan 1 dan muatan 2 (Coulomb)

r = jarak antara kedua muatan (meter)

satuan muatan listrik disepakati dengan satuan Coulomb dan digunakan sebagai salah satu satuan Sistem Internasional sebagai penghormatan atas jasa Coulomb berupa hasil eksperimennya. Sementara itu tetapan Coulomb yang disimbulkan k dapat dihubungkan dengan konstanta lain yaitu ɛ0 yang diartikan sebagai permitivitas ruang hampa. Nilai ɛ0 sebesar 8,55 × 10-12 C2/Nm2 dan memiliki hubungan tetapan Coulomb (k) yaitu k, sehingga persamaan Coulomb dapat dituliskan seperti berikut.

Gaya elektrostatik tidak hanya terjadi akibat adanya dua buah muatan yang saling bersinggungan, melainkan juga terjadi akibat adanya banyak muatan yang saling bersinggungan. Apabila dalam suatu tempat atau bidang terdapat beberapa muatan listrik, akan dihasilkan banyak gaya elektrostatik. Gaya merupakan salah satu besaran vektor sehingga besar maupun arahnya perlu diperhitungkan. Apabila terdapat banyak gaya dalam satu tempat, nilai gaya pada tempat tersebut adalah nilai resultan dari seluruh gaya.

Besar gaya Coulomb di q2 adalah nilai F­2. Jika F­23 > F­21, F­2 = F­23 - F­21. Apabila F­23 dan F­21 membentuk sudut α, besar gaya Coulomb di q2 dapat ditentukan dengan perhitungan seperti berikut.

3. Kuat Medan Listrik

Medan listrik adalah ruang atau daerah di sekitar muatan listrik yang mempengaruhi muatan listrik lain di daerah tersebut sehingga mampu menarik maupun menolak muatan disekelilingnya. Benda bermuatan yang menghasilkan medan listrik dinamakan muatan sumber. Sementara itu =, muatan yang diletakkan dalam pengaruh medan listrik dinamakan muatan uji. Besar kecilnya gaya Coulomb yang dialami oleh muatan uji di dalam medan listrik disebut kuat medan listrik E.

Ket:

E = kuat medan di suatu titik (N/C)

r = jaraj titik ke sumber medan (m)

q = muatan sumber (C)

q0 = muatan uji (C)

k = tetapan Coulomb = 9 × 109 Nm2/C2

ɛ0 = permitivitas hampa udara = 8,85 × 10-12 C 2/Nm 2

Untuk arah kuat medan listrik yang berlawanan:

E0 = E2 – E1

4. Hukum Gauss

Hukum Gauss menyatakan jumlah seluruh garis medan listrik yang menembus suatu permukaantertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tersebut.

Φ = E . A Cos θ = q / ɛo

Ket:

Φ = jumlah garis medan/fluks listrik (Weber atau Nm2/C)

E = kuat medan listrik pada permukaan tertutup (N/C)

A = luas permukaan tertutup (m2)

q = muatan yang dilingkupi permukaan tertutup (N/C)

ɛo = permitivitas hampa udara (8,85 × 10= 10-12C2/Nm 2)

θ = sudut antara E dan garis normal bidang

5. Kuat Medan Listrik Medan Tertentu

a. Kuat Medan Listrik dalam Pelat Bermuatan

Suatu keping sejajar memiliki luas dan tiap-tiap keping diberi muatan sama, tetapi berlawanan jenis sehingga keping sejajar tersebut memiliki rapat muatan listrik (σ) dengan persamaan.

σ = q / A

Ket:

σ = rapat muatan listrik (C/m2)

q = muatan listrik (C)

A = luas penampang tiap keping (m2)

b. Kuat Medan Listrik dalam Konduktor Bola Pejal dan Kulit Bola Bermuatan

                Besar medan listrik dapat ditinjau dari tiga posisi, yaitu di luar bola, di permukaan, dan di dalam bola.                 Besar medan pada tiap-tiap posisi berbeda.

B.      Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik

1.    Energi Potensial Listrik

Jika gaya gravitasi dan gaya Coulomb merupakan gaya konservatif, usaha dapat dinyatakan dalam bentuk energi potensial.

WAB = EpB – EpA

2.    Potensial Listrik

Potensial listrik didefinisikan sebagai perubahan potensial per satuan muatan. Jika energi potensial dituliskan dalam persamaan:

Potensial listrik sebuah muatan uji q`0 dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.

Besar beda potensial pada medan magnet homogen dirumuskan:

V = -E Δs cos q

Ket:

ΔE = beda potensial listrik antara dua titik yang bermuatan (Volt)

E = kuat medan listrik dalam medan istrik homogen (N/C)

Δs = perpindahan muatan positif untuk menghasilkan ΔV

B.           C.    Kapasitor

Perbandingan antara muatan tiap keping dan beda potensial juga dinamakan kapasitansi. Apabila dirumuskan seperti berikut.

Ket:

c = kapasitas kapasitor (farad)

q = jumlah muatan tiap keping (Coulomb)

V = beda potensial (Volt)

1.    Kapasitas Kapasitor Keping Sejajar

Kapasitas keping sejajar terdiri dari dua keping konduktor yang dipisahkan oleh bahan dielektrik.

Kapasitas kapasitor yang disisipi bahan dielektrik dapat dituliskan dalam persamaan berikut.

                 Sementara itu, beda potensial kedua keping sesudah bahan penyekat selain udara dapat dituliskan                      dalam persamaan berikut. 

Ket:

C = kapasitas kapasitor keping sejajar (F)

ɛo = permitivitas udara/vakum (8,85 × 10-12 C2­/Nm2)

K = permitivitas relatif bahan penyekat

ɛ = permitivitas bahan (C2/Nm2)

A = luas tepi keping pelat (m2)

d = jarak pisah kedua keping (m)

Cb = kapasitas kapasitor dengan penyekat selain udara (F)

Vb = beda potensial kedua keping kapasitor dengan bahan penyekat selain udara (V)

2.    Kapasitas Kapasitor Bola

Kapasitas kapasitor bola terisolasi dirumuskan melalui persamaan berikut.

C = 4πɛ0R =