HUKUM COULOMB DAN MEDAN LISTRIK

1. Muatan Listrik

Muatan listrik terdiri atas:

Elektron yang membawa muatan negatif

Proton yang membawa muatan positif

Muatan 1 elektron = - 1,6 . 10-19 Coulomb

Muatan 1 proton = 1,6 . 10-19 Coulomb

Muatan lisrik dari suatu benda ditentukan oleh jumlah proton dan elektronnya.
*Bila benda kelebihan elektron ( ∑ elektron >   ∑ proton), maka benda bermuatan negatif.
*Bila benda kekurangan elektron ( ∑ elektron   < ∑ proton), maka benda bermuatan positif.
*Bila  ∑ elektron = ∑ proton, maka benda  tidak   bermuatan ( netral ).

Sifat muatan listrik
* Muatan sejenis akan tolak menolak
* Muatan tidak sejenis akan tarik-menarik

Hukum Coulomb yang dinyatakan oleh Charles Augustin de Coulomb (1786) adalah sebagai berikut :

“ Gaya tarik menarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan”

Secara matematis Hukum Coulomb dirumuskan sebagai berikut :

Dengan :

F = gaya Coulomb ( Newton )

q = muatan listrik ( Coulomb )

r = jarak kedua muatan ( meter )

k = konstanta =              =  9 . 109 N.m2/C2

Ԑ0 = permitivitas listrik dalam ruang hampa udara

     = 8,85 . 10-12  C2/Nm2

Maka gaya Coulomb dalam zat/bahan tersebut menjadi :

Medan Listrik 

Medan listrik adalah suatu daerah/ruang di sekitar muatan listrik yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik. Medan listrik digambarkan dengan garis gaya listrik yang arahnya keluar (menjauhi) muatan positif dan masuk (mendekati) muatan negatif.
Kuat medan listrik adalah besarnya gaya Coulomb untuk tiap satu satuan muatan.

Secara matematis dinyatakan :

Dengan :

E = kuat medan listrik ( N/C )

F = gaya Coulomb ( N )

q = muatan uji ( C )

Kuat Medan Listrik oleh Muatan Listrik
Q = sumber muatan positif
q = muatan uji positif
 



Q = sumber muatan positif
q = muatan uji negatif

Q = sumber muatan negatif
q = muatan uji positif

Q = sumber muatan negatif
q = muatan uji positif
 



Besarnya gaya Coulomb antara muatan sumber Q dan muatan uji q adalah sebagai berikut :

Kuat medan listriknya adalah :

Dengan :
E = besar kuat medan listrik ( N/C )
Q = muatan sumber ( C )
r = jarak muatan uji terhadap muatan sumber ( m )

Kuat medan listrik di suatu titik akibat beberapa muatan sumber adalah jumlah vektor (resultan) dari vektor-vektor kuat medan listrik yang dihasilkan oleh tiap muatan sumber pada titik tersebut.

Kuat Medan Listrik oleh Beberapa Muatan

1. Resultan Medan Listrik yang Segaris

Titik B berada di antara muatan  Q1 dan Q2 yang letaknya satu garis. E1 adalah kuat medan listrik karena pengaruh muatan Q1, E2 adalah kuat medan listrik karena pengaruh muatan Q2.

Besar kuat medan listrik di B adalah resultan vektor E1 dan E2 yang ditentukan dengan rumus :

2. Resultan Medan Listrik yang tak Segaris

 

Titik A berada dalam pengaruh medan listrik dari muatan Q1 dan Q2.

Besarnya kuat medan listrik di A adalah resultan vektor E1 dan E2 yang ditentukan dengan rumus :

 
Dengan Ө adalah sudut apit E1 dan E2 

Fluks listrik Melalui Bidang





Jika terdapat garis-garis gaya (fluks) dari suatu medan listrik homogen yang menembus tegak
lurus bidang seluas A, maka fluks listrik (Ф ) yang melalui bidang tersebut adalah :
  Ф = E . A
Satuan  Ф adalah Weber atau NC-1m2

Persamaan fluks listrik untuk medan listrik yang menembus bidang tidak tegak lurus adalah :
  
Ф = E . A . cos Ө
 Dengan :
Ф = fluks listrik ( Weber )
E = kuat medan listrik ( N/C )
A = luas bidang yang ditembus oleh medan listrik
   ( m2 )
Ө = sudut antara E dan garis normal bidang

Hukum Gauss
Menyatakan “ Jumlah garis gaya dari suatu medan listrik yang menembus suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu”.
Secara matematis dinyatakan dengan :

Dengan:

Q = muatan yang dilingkupi permukaan tertutup

Ԑ0 = permitivitas udara

Kuat Medan Listrik oleh Bola Konduktor Bermuatan
Jika sebuah bola konduktor bermuatan dengan jari-jari R diberi muatan listrik, maka muatan listrik itu akan tersebar pada permukaan bola.
R = jari-jari bola konduktor
r = jarak suatu titik ke pusat konduktor ( variabel )
Kuat Medan Listrik
*Untuk r  < R ( di dalam bola ) : E = 0
*Untuk r = R ( di permukaan bola ) :
 

*Untuk r > R ( di luar bola ) :

Grafik hubungan antara kuat medan listrik ( E ) dengan jarak ( r ) dapat digambarkan sebagai berikut.

Rapat muatan didefinisikan sebagai besarnya muatan per luas permukaan bola, sehingga rapat muatan pada bola konduktor yang bermuatan Q dan berjari-jari R dapat dinyatakan dengan rumus berikut :



Dengan :  τ = rapat muatan ( C/m2 )

Kuat Medan Listrik pada Konduktor Dua Keping Sejajar






E = kuat medan listrik karena dua keping sejajar
  ( N/C )
A = luas penampang keping ( m2 )
Q = muatan masing-masing keping ( C )

Besarnya rapat muatan pada masing-masing keping :




Besar kuat medan listrik untuk medium udara :


 

Besar kuat medan listrik untuk medium bukan udara :