Medan Listrik; Potensial Listrik

1. Ada dua jenis muatan listrik, positif dan negatif. Tanda-tanda ini harus diperhitungkan secara aljabar – artinya, setiap muatan merupakan plus atau minus sekian Coulomb (C), dalam satuan SI.

2. Mutan listrik bersifat kekal: jika sejumlah tertentu dari satu jenis muatan dihasilkan pada suatu proses, jumlah yang sama dari jenis yang berbeda juga dihasilkan; dengan muatan total yang dihasilkan adalah nol.

3. Menurut teori atom, listrik berasal dari atom, yang terdiri dari inti yang bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Setiap elektron memiliki muatan .

4. Konduktor adalah materi di mana banyak elektron bergerak bebas, sementara isolator listrik adalah materi di mana hanya ada beberapa elektron yang bergerak bebas.

5. Sebuah benda bermuatan negatif jika mempunyai kelebihan elektron, dan bermuatan positif jika mempunyai lebih sedikit elektron dari jumlah normalnya. Dengan demikian, muatan pada semua benda merupakan kelipatan bilangan bulat dari atau ; yaitu, muatan terkuantisasi.

6. Sebuah benda bisa menjadi bermuatan dengan menggosoknya (di mana elektron dipindahkan dari satu materi ke yang lainnya), dengan konduksi (yang merupakan perpindahan muatan dari satu benda bermuatan ke yang lainnya dengan cara bersentuhan), atau dengan induksi (pemisahan muatan di dalam benda yang diakibatkan oleh dekatnya benda lain yang juga bermuatan, tetapi tanpa bersentuhan).

7. Mutan listrik memberikan gaya satu sama lain. Jika dua muatan memiliki jenis yang berbeda, satu positif dan satu negatif, mereka akan saling memberikan gaya tarik. Jika kedua muatan tersebut berjenis sama, keduanya akan saling menolak.

8. Besar gaya yang diberikan satu muatan titik pada yang lainnya sebanding dengan hasil kali muatan-muatan tersebut, dan berbanding terbalik dengna kuadrat jarak di antaranya:
(1)
ini merupakan hukum Coulomb. Dalam satuan SI, sering kali dituliskan sebagai .

9. Kita menganggap medan listrik berada di ruang sekitar muatan atau sekumpulan muatan. Gaya pada benda bermuatan lainnya dikatakan, disebabkan oleh medan listrik yang ada di lokasi tersebut.

10. Medan listrik, , pada semua titik di ruang yang disebabkan oleh satu atau lebih muatan, didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan yang bekerja pada muatan tes yang diletakkan pada titik itu:
(2)

11. Medan listrik pada titik akibat suatu muatan titik pada titik adalah:

di mana adalah jarak dari muatan ke titik dan adalah vektor satuan yang mengarah dari ke . Medan listrik akibat beberapa muatan merupakan jumlah vektor dari medan akibat masing-masing muatan:

12. Medan litrik digambarkan dengan garis-garis medan listrik yang dimulai pada muatan positif dan berakhir pada muatan negatif. Arahnya menunjukkan arah gaya pada suatu muatan tes kecil yang diletakkan pada sutau titik. Garis-garis tersebut dapat digambarkan sedemikian sehingga jumlah per satuan luas sebanding dengan besar .

13. Medan listrik statis (yaitu, tidak ada muatan yang bergerak) di dalam konduktor yang baik adalah nol, dan garis-garis medan listrik di luar konduktor yang bermuatan tegak lurus terhadap permukaannya.

14. Beda potensial didefinisikan sebagai negatif dari kerja per satuan muatan yang dilakukan oleh medan listrik ketika muatan uji bergerak dari titik ke .

Untuk perpindahan takhingga ditulis menjadi

Karena hanya beda potensial listrik sajalah yang dipandang penting, kita dapat menganggap potensial nol di semua titik yang kita inginkan. Potensial pada suatu titik adalah energi potensial muatan dibagi dengan muatan :

15. Potensial listrik pada semua titik pada ruang didefinisikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan.

16. Beda potensial listrik antara dua titik didefinisikan sebagai kerja yang dilakukan untuk memindahkan muatan listrik 1 C antara dua titik. Beda potensial diukur dalam volt (1 V = 1 J/C) dan kadang-kadang disebut sebagai tegangan. Dalam hubungan satuan ini, satuan untuk medan listrik dapat dinyatakan 1 N/C = 1 V/m

17. Satuan energi yang sesuai pada fisika atom dan nuklir adalah electron volt (eV), di mana energi potensial partikel muatan di suatu titik potensialnya 1 volt. Elektron volt dihubungkan dengan joule oleh 1 eV = 1,6 x 10-19 J

18. Perubahan EP muatan q ketika bergerak melalui beda potensial Vba adalah
(3)

19. Beda potensial V antara dua titik di mana terdapat medan listrik seragam E dinyatakan dengan
(4)
di mana d adalah jarak antara kedua titik tersebut.

20. Garis maupun permukaan ekipotensial keduanya berada pada potensial yang sama, dan tegak lurus terhadap medan listrik pada semua titik.

21. Potensial listrik yang disebabkan satu muatan titik Q, relatif terhadap potensial nol pada jarak takhingga, dinyatakan dengan
(5)
22. Untuk system muatan titik, potensial diberikan oleh

23. di mana jumlah diambil untuk semua muatan dan adalah jarak dari muatan ke ke titik P di mana potensial dicari.

Contoh soal:
1. Garis listrik pada elektron oleh proton. Tentukan besar gaya listrik pada elektron di atom hidrogen diberikan oleh satu proton ( ) yang merupakan intinya. Anggap elektron “mengorbit” proton pada jarak rata-rata m.

2. Tiga muatan pada satu garis. Tiga partikel bermuatan disusun dalam satu garis. Hitung gaya elektrostatik total pada petikel 3 (muatan 4 C di sebelah kanan) yang disebabkan oleh dua muatan yang lain.

3. Gaya listrik dengan menggunakan komponen-komponen vektor. Hitung gaya elektrostatik total pada muatan sebagaimana ditunjukkan pada gambar yang disebabkan oleh muatan-muatan dan .

4. Medan listrik satu muatan titik. Hitung besar dan arah medan listrik pada titik P yang terletak 30 cm di sebelah kanan muatan titik .

5. E di antara dua muatan titik. Dua muatan titik dipisahkan oleh jarak 10 cm. Yang satu memiliki muatan 25 C dan yang lainnya 50 C. (a) Bagaimana arah dan besar medan listrik pada titik P yang terletak di antara keduanya, yaitu 2 cm dari muatan yang negatif? (b) Jika sebuah elektron diletakkan dalam keadaan diam pada P, berapa percepatannya (arah dan besar) pada saat awal?

6. E di bawah dua muatan titik. Hitung medan listrik total (a) pada titik A dan (b) pada titik B dalam gambar yang disebabkan oleh kedua muatan, dan .

Soal latihan:
1. Berapa banyak elektron yang terdapat pada muatan 30 C?

2. Dua partikel asap yang bermuatan saling memberikan gaya sebesar N. Berapa besar gaya jika keduanya dipindahkan sehingga hanya berjarak seperdelapan dari semula?

3. Partikel dengan muatan 70, 48, dan 80 C diletakkan pada garis. Yang berada ditengah berjarak 0,35 m dari dua yang lainnya. Hitung gaya total pada setiap muatan yang disebabkan oleh dua yang lainnya.

4. Sebuah proton dilepaskan pada medan listrik seragam, dan mengalami gaya listrik sebesar N menuju selatan. Berapa besar dan arah medan listrik?

5. Hitung medan listrik pada pusat bujur sangkar dengan sisi 60 cm jika satu sudut diisi dengan muatan 45 C dan tiga sudut lainnya diisi dengan muatan-muatan 31 C.