Medan listrik-WPS Office [PDF]

Citation preview

Medan listrik



Teori Dasar



2.1.1 Medan Listrik



Medan adalah suatu besaran yang mempunyai harga pada tiap titik dalam ruang. Atau secara matematis, medan merupakan sesuatu yang merupakan fungsi kontinu dari posisi dalam ruang. (Resnick, Halliday. 2006 : 60)



Medan Listrik merupakan daerah atau ruang di sekitar benda yang bermuatan listrik dimana, jika sebuah benda bermuatan lainnya diletakkan pada daerah itu masih mengalami gaya elektrostatis (disebut juga gaya coulomb). (Resnick, Halliday. 2006 : 62)



Gaya listrik adalah gaya yang dialami oleh obyek bermuatan yang berada dalam medan listrik. Rumusan gaya listrik kadang sering dipertukarkan dengan hukum Coulomb, padahal gaya listrik bersifat lebih umum ketimbang hukum tersebut, yang hanya berlaku untuk dua buah muatan titik. Jadi suatu titik dikatakan berada dalam medan listrik apabila suatu benda yang bermuatan listrik ditempatkan pada titik tersebut akan mengalami gaya listrik. (Giancoli. 2005 : 48)



Gaya listrik, sebagaimana umumnya gaya, dilambangkan dengan huruf F atau biasa d iberi indeks kecil di bawah E (electric) atau L (listrik).



F = qE



Dengan :



q = muatan listrik (coulomb)



E = medan listrik (N/C) (Giancoli. 2005 : 48)



Medan Listrik sering juga di pakai istilah kuat medan listrik atau intensitas medan listrik. Kuat medan listrik di suatu titik adalah gaya yang diderita oleh suatu muatan percobaan yang diletakkan dititi itu dibagi oleh besar muatan percobaan. Adanya medan gaya listrik digambarkan oleh Garis Medan Listrik (Lines of Force) yang mempunyai sifat:



Garis Medan listrik keluar dari muatan positif menuju ke muatan negatif. Garis medan listrik antara dua muatan tidak pernah berpotongan. Jika medan listrik di daerah itu kuat, maka garis medan listriknya rapat dan sebaliknya.



Medan ada dua macam yaitu :



Medan Skalar, misalnya temperatur, potensial dan ketinggian.



Medan vektor, misalnya medan listrik dan medan magnet.



Ada dua jenis muatan listrik yang diberi nama positif dan negatif. Muatan listrik selalu merupakan kelipatan bulat dari satuan muatan dasar e. Muatan dari elektron adalah – e dan proton + e. Benda menjadi bermuatan akibat adanya perpindahan muatan dari satu benda ke benda lainnya, biasanya dalam bentuk elektron. Muatan bersifat kekal. Muatan tidak diciptakan maupun dimusnahkan pada proses pemberian muatan, tetapi hanya berpindah tempat. (Resnick, Halliday.2006)



Gaya yang dilakukan oleh satu muatan kepada muatan lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan muatan-muatan. besarnya gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatanmuatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Gaya akan tolak menolak jika muatanmuatan mempunyai tanda yang sama dan akan tarik menarik jika mempunyai tanda yang tidak sama. Hasil ini dikenal sebagai Hukum Coulomb :



Dimana :



F = gaya tarik (N)



r = jarak muatan q1 dan q2 (m)



k = tetapan Coulumb = 8,99×109 (N.m2 /C2)



q1 dan q2 = muatan listrik (Coulumb). (Soedojo. 2007 : 20-21)



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. (Suryatmo. 2010 : 57-58)



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 medanlistrik E benda tersebut adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya dibagi besar muatan uji. Jadi, dituliskan:



F = E q’



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.



Medan listrik tidak perlu hanya ditimbulkan oleh satu muatan listrik, melainkan dapat pula ditimbulkan oleh lebih dari satu muatan listrik, bahkan oleh distribusi muatan listrik baik yang diskrit maupun kontinu. Contoh-contoh distribusi muatan listrik misalnya:



kumpulan titik-titik muatan. kawat panjang lurus berhingga dan tak-berhingga. lingkaran kawat. pelat lebar berhingga atau tak-berhingga. cakram tipis dan cincin.



Garis-garis Medan Listrik



Memvisualisasikan pola-pola medan listrik adalah dengan menggambarkan garis-garis dalam arah medan listrik. Vector medan listrik di sebuah titik titik, tangensial terhadap garis-garis medan listrik. Jumlah garis-garis per satuan luas permukaan yang tegak lurus garis-garis medan listrik, sebanding dengan medan listrik di daerah tersebut. (Suryatmo. 2010 : 58-60)



Gaya Coulomb di sekitar suatu muatan listrik akan membentuk medan listrik. Dalam membahas medan listrik, digunakan pengertian kuat medan. Untuk medan gaya Coulomb, kuatmedan listrik adalah vektor gaya Coulomb yang bekerja pada satu satuan muatan yang kita letakkan pada suatu titik dalam medan gaya ini, dan dinyatakan dengan E (r). (Alonso. 2005 : 49)



Muatan yang menghasilkan medan listrik disebut muatan sumber. Misalkan muatan sumber berupa muatan titik q. Kuat medan listrik yang dinyatakan pada suatu vektor posisi terhadap muatan sumber tsb, adalah medan pada satu satuan muatan uji. Bila kita gunakan muatan uji sebesar q’→0 pada vektor posisi r relatif terhadap muatan sumber, kuat medan harus sama dengan E(r ) dimana adalah vektor satuan arah radial keluar.



Medan gaya listrik yaitu Gaya elektrostatik yang dialami oleh satu satuan muatan positif yang diletakkan di titik itu setiap satuan muatannya. Didefinisikan sebagai hasil bagi gaya listrik yang bekerja pada suatu muatan uji dengan besar muatan uji tersebut.



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. (Suryatmo. 2010 : 65-66)



Kuat Medan Listrik



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. (Giancoli. 2005 : 42)



Di Suatu Titik Akibat Suatu Muatan Sumber Misalkan ada Sebuah Titik P yang berjarak r dari suatu muatan sumber q, maka arah kuat medan listrik di titik P searah dengan gaya elektrostatis yang dialami oleh sebuah muatan uji q’ yang bermuatan positif yang diletakkan di titik tersebut, dan digambarkan sebagai berikut:



Akibat Beberapa Muatan Medan listrik adalah gaya listrik persatuan muatan. Karena gaya listrik mengikuti prinsip superposisi secara vektor, demikian juga yang terjadi pada medan listrik. Hal ini berarti kuat medan listrik dari beberapa muatan titik adalah jumlah vektor kuat medan listrik dari masing – masing muatan titik. Misalkan dua buah muatan listrik +q1 dan –q2 terletak seperti terlihat dalam gambar:



Kuat medan listrik di P akibat muatan +q1 adalah E1 yang arahnya menjauhi q1 dan kuat medan listrik di P akibat ,muatan – q2 adalah E2 yang menuju q2. Dengan metode penjumlahan vektor, maka kuat medan listrik total di titik P ( Ep ) adalah :



Fluks Listrik



Apabila terdapat garis-garis gaya dari suatu medan listrik homogen yang menembus tegak lurus suatu bidang seluas A, maka hasil kali antara kuat medan listrik E dan luas bidang A yang tegak lurus dengan medan listrik itu disebut dengan fluks listrik (Φ). (Soedojo, Peter.2007)



Di mana



Φ = fluks medan listrik (N/C m2 = weber = Wb).



E = kuat medan listrik (N/C).



A = luas bidang yang ditembus listrik (m2).



θ = sudut antara vektor E dan garis normal bidang.



Penerapan Medan Listrik



Generator Van de Graff



Muatan listrik yang diperoleh melalui cara menggosok. Untuk memperoleh muatan listrik yang sangat besar digunakan generator Van de Graff. Gesekan antara pita karet dan roda pemutar menyebabkan pita karet bermuatan listrik. Muatan listrik ini ditampung pada bola logam.Distribusi muatan listrik ini terdapat pada permukaan luar bola yang berongga. Dilaboratorium-laboratorium penelitan biasa dipakai mesin pembangkit listrik yang bernama Generator Van de Graff. Generator inilah contoh kedua penerapan listrik statis dalam kehidupan sehari-hari karena merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan listrik statis tersebut. Cara kerjanya adalah dengan metode gesekan, yaitu gosokan antara silinder bagian bawah dengan sabuk karet yang menjadikan adanya muatan listrik negatif di sabuk karetnya.



Cat Semprot Butiran cat dari aerosol menjadi bermuatan ketika bergesekan dengan mulut pipa semprot dan udara. Bila benda yang dicat diberi muatan berlawanan, maka butiran cat akan tertarik ke badan benda. Metode ini sangat efektif, efisien, dan murah.



Mesin Fotokopi Mesin fotokopi menggunakan daya tarik muatan listrik berbeda. Suatu pola muatan positif pada pelat tadi, mencitrakan bidang hitam yang akan digandakan, menarik partikel bermuatan negatif dari bubuk hitam halus yang disebut toner, toner tersebut jadi bermuatan negatif karena berhubungan dengan butir-butir gelas kecil di baki pengembang. Pola toner dipindahkan ke atas secarik kertas kosong dan dipanggang di atasnya.



Printer Laser Ketika drum yang bermuatan positif berputar, laser bersinar melintasi permukaan yang tidak bermuatan. Laser akan menggambar pada kertas yang bermuatan negatif. Setelah melewati drum yang berputar kertas akan melewati fuser. Pada bagian fuser ini kertas akan mengalami pemanasan, hal ini yang menyebabkan kertas terasa panas pada saat keluar dari printer. Printer laser lebih cepat, lebih akurat, dan lebih ekonomis.



Pengendap elektrostatis atau penggumpal asap



Alat ini berfungsi untuk membersihkan partikel-partikel abu hasil pembakaran gas pada cerobong asap, sehingga mengurangi pencemaran udara. Terdiri dari 2 pelatlogam datar dan kawat vertikal yang terbentang diantaranya. Pelat-pelat logam yang ditanahkan, tetapi kawat-kawat diantara pelat dijaga bermuatan sangat kuat. Dengan demikian, ada medan listrik kuat dalam daerah diantara kawat dan kepin. Listrik kuat ini menyebabkan ion-ion terbentuk dalam udara di anatara kawat. Ion positif udara ditarik ke kawat bermuatan negatif, tetapi ion negatif udara ditang partikel polutan. Partikel polutan bermuatan positif ini kemudian bergerak menuju pelat logam dan terkumpul dibagian dasar.



Elektrokardiograf



Elektrokardiograf yaitu alat yang digunakan untuk merekam perubahan jantung manusia. sedangkan hasil remakannya di sebut elektrokardiogram. Setiap kali jantung manusia berdetak, terjadi perubahan potensial listrik pada permukaannya. Hal ini dapat di deteksi dengan menggunakan logam kontak yang di pasang pada kulit. Perubahan potensial ini sangat kecil, hanya dalam orde milivolt (mV). Perubahan potensial ini dapat di tampilkan sebagai grafik, baik pada kertas maupun pada layar tabung sinar katoda (CRT).



Penangkal Petir



Ketika terpadapat awan yang bermuatan listrik terbentuk di dekat gedung yang mempunyai pengangkal petir, maka batang logam penangkal petir itu akan memancarkan muatan listrik dari Bumi yang berlainan jenis untuk menetralkan awan. Jika awan bermuatan positif maka bumi akan menyuplai muatan listrik negatif begitupun sebaliknya.Dengan demikian awan akan menjadi netral dan tidak terjadi petir. Akan tetapi sering terjadi muatan listrik di awan menjadi besar, kemudian terjadi lompatan muatan lisrtik dari awan ke bumi melalui batang logam dan kawat penghantar dari pengkal petir. Jadi, bangunan tetap aman karena muatan listrik dari awan akan dialirkan ke air tanah lewat kawat penghantar tanpa mengenai benda-benda di sekitarnya.



Silinder politilen



Dibagian lain, gesekan diantara silinder politilen bagian atas dan sabuk karet akan menimbulkan muatan listrik positif disabuk karet lainnya tersebut. Kemudian gerakan dari sabuk karet menuju atas akan membawa muatan negatif yang dihasilkan mengalir melalui bagian ujung yang lancip dibagian atas kekubah . Sampai sini elektron disebar kepermukaan kubah, namun kubah dibagian dalam tidak mengandung elektron. Bersamaan dengan itu, terjadi gerakan dari sabuk karet kebawah dengan membawa muatan listrik positif. Muatan listrik postif ini akan mengalir ketanah untuk dinetralkan melalui ujung lancipnya. Proses terakhirnya adalah, silinder logan bagian bawah berjalan memakan motor listrik hingga sabuk karetnya bergerak terus dan hasilnya adalah muatan listrik negatif yang mengalir kekubah. Proses ini bisa menghasilkan muatan listrik yang sangat besar di kubah generator Van de Graff, yakni bisa berjumlah 200.000.000 volt.



Elektroskop



Elektroskop adalah alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya muatan listrik pada suatu benda.Prinsip kerja elektroskop berdasarkan induksi listrik, yaitu jika sebuah benda bermuatan listrik disentuhkan kepala elektroskop maka muatan yang sejenis dengan benda bermuatan listrik tadi akan ke daun elektroskop. Akibatnya kedua daun elektroskop akan bermuatan sejenis sehingga tolak menolak(daun elektroskop membuka).



Mesin Fotocopy Elektrostatik



Mesin fotocopy bekerja berdasarkan prinsip gaya tarik menarik antar muatan yang tidak sejenis. Muatan positif di berikan pada silinder almumunium (Al) berlapis selenium (Se). selanjutnya silinder di sinari dengan proyeksi gambar/naskah yang akan di kopi. Selenium merupakan Foto konduktor, yaitu materi yang bersifat isolator dalam keadaan gelap dan bersifat konduktor jika mendapat cahaya. Bagian Se yang terkena sinar akan bersifat konduktif dan akan menghantarkan elektron dari Al untuk menetralkan muatan positif di bagian tersebut. Bagian Se yang tidak mendapat sinar tetap bermuatan positif. Partikel toner akan menempel pada lapisan Se yang bermuatan positif. Selembar kertas di beri muatan positif di lewatkan pada silinder itu sehingga partikel toner yang bermuatan negatif akan di tarik menuju kertas yang bermuatan positif. Pola partikel toner pada kertas akan membentuk bayangan naskah/gambar



yang di kopi. Toner akan melekat pada kertas yang selanjutnya di lewatkan di antara pelat penggulung yang panas. ( Suryatmo.2010)



Kesimpulan Listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif. Dengan listrik arus searah jika kita memegang hanya kabel positif (tapi tidak memegang kabel negatif), listrik tidak akan mengalir ke tubuh kita (kita tidak terkena setrum). Demikian pula jika kita hanya memegang saluran negatif. Listrik dapat disimpan, misalnya pada sebuah aki atau baterai. Listrik yang kecil, misalnya yang tersimpan dalam baterai, tidak akan memberi efek setrum pada tubuh. Pada aki mobil yang besar, biasanya ada sedikit efek setrum, meskipun tidak terlalu besar dan berbahaya. Listrik mengalir dari kutub positif baterai/aki ke kutub negatif. Medan adalah suatu besaran yang mempunyai harga pada tiap titik dalam ruang. Atau secara matematis, medan merupakan sesuatu yang merupakan fungsi kontinu dari posisi dalam ruang. Medan Listrik merupakan daerah atau ruang di sekitar benda yang bermuatan listrik dimana jika sebuah benda bermuatan lainnya diletakkan pada daerah itu masih mengalami gaya elektrostatis. Gaya listrik adalah gaya yang dialami oleh obyek bermuatan yang berada dalam medan listrik. Rumusan gaya listrik kadang sering dipertukarkan dengan hukum Coulomb, padahal gaya listrik bersifat lebih umum ketimbang hukum tersebut, yang hanya berlaku untuk dua buah muatan titik. Adanya Medan Listrik digambarkan oleh Garis Medan Listrik (Lines of Force) yang mempunyai sifat: 1. Garis Medan listrik keluar dari muatan positif menuju ke muatan negatif 2. Garis medan listrik antara dua muatan tidak pernah berpotongan 3. Jika medan listrik di daerah itu kuat, maka garis medan listriknya rapat dan sebaliknya. Arah medan gaya listrik * Jika muatan sumber muatan positif maka arah garis medan listrik adalah menuju keluar. * Jika muatan sumber adalah negatif maka arah garis medan adalah masuk ke dirinya sendiri. Kuat medan gaya listrik yaitu Gaya elektrostatik yang dialami oleh satu satuan muatan positif yang diletakkan di titik itu setiap satuan muatannya. Didefinisikan sebagai hasil bagi gaya listrik yang bekerja pada suatu muatan uji dengan besar muatan uji tersebut.