Rangkuman Materi Listrik Statis

Materi listris statis adalah kajian mengenai interkasi medan listrik yang menghasilkan gaya listrik. Medan listrik dihasilkan oleh benda-benda yang memiliki muatan baik positif maupun negatif.

Daftar Isi

Listrik Statis

A. Konsep Listrik Statis

Listrik statis adalah listrik yang tidak mengalir dan berupa muatan listrik pada suatu benda.
Struktur atom terdiri atas:
1. Neutron, bermuatan netral dan terletak pada inti atom, tidak berpindah.
2. Proton, bermuatan positif dan terletak pada inti atom, tidak berpindah.
3. Elektron, bermuatan negatif dan terletak pada kulit atom, dapat berpindah dengan menerima atau melepas energi.
Muatan listrik muncul akibat adanya perbedaan jumlah elektron dan proton pada atom benda.
1. Jika proton = elektron, benda netral.
2. Jika proton > elektron, benda positif.
3. Jika elektron > proton, benda negatif.
Muatan listrik dapat ditentukan menggunakan elektroskop.

B. Hukum Coloumb

Interaksi benda bermuatan listrik:
1. Konduksi, proses perpindahan elektron benda ke benda lain dengan sentuhan. Elektron berpindah ke benda yang kekurangan elektron.
2. Induksi, proses pemisahan muatan listrik benda dengan benda lain tanpa sentuhan. Elektron mendekat ke benda yang kekurangan elekton.
Interaksi benda bermuatan listrik di atas terhadap benda netral akan mengubah muatan.
Contoh: kaca + sutra = positif, plastik/ebonit + wol = negatif.
Hukum Coulumb menyatakan bahwa terdapat gaya listrik/Coulumb pada dua atau lebih benda bermuatan listrik yang berinteraksi:

Di Udara

\[F=k\frac{q_1q_2}{r^2}\]

Pada Medium Selain Udara

\[F=k\frac{q_1q_2}{ε_0r^2}\]

Konstanta dieletrik

\[k=\frac{1}{r4πε_0}\]

k = tetapan Coulumb (9 x 109Nm2/C2)
εo = permitivitas medium (C2/Nm2)
= 8,85 x 10-12 C2/Nm2 (vakum/udara)
F = gaya Coulumb (N)
q = besar muatan listrik (C)
r = jarak antar muatan (m)

Sifat-sifat muatan listrik:
1. Muatan listrik sejenis akan tolak-menolak.
2. Muatan listrik berbeda akan tarik-menarik.
Resultan gaya Coulumb jika terdapat lebih dari dua benda bermuatan:
Muatan segaris

F_total= F₁ + F₂ + F₃ + … + F_n

Muatan membentuk sudut siku-siku pada benda 1

\[F_{total}=\sqrt{F_1^2+F_2^2}\]

Muatan tidak membentuk sudut siku-siku pada benda 1

\[F_{total}=\sqrt{F_1^2+F_2^2+2F_1F_2.cos \theta}\]

C. Medan Listrik, Energi Potensial dan Potensial Listrik

Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan yang masih dipengaruhi gaya Coulumb.
Kuat medan listrik (E) menunjukkan tingkat kekuatan gaya listrik di sekitar benda bermuatan, dapat dirumuskan:

Pada suatu titik

\[E = k\frac{Q}{r^2}\]

Pada Muatan Uji

\[E = \frac{F}{q}\]

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

Resultan kuat medan listrik jika terdapat lebih dari satu muatan sumber:

E_total = E₁ ± E₂ ± E₃ ± … E_n

Energi potensial listrik (Ep) adalah energi yang dimiliki suatu benda bermuatan bila didekatkan suatu muatan uji.

\[E_p = k \frac{Qq}{r}\]

Q = besar muatan listrik (C)
q = besar muatan uji (C)
r = jarak antar muatan (m)

Usaha listrik (W) adalah usaha yang digunakan untuk memindahkan muatan uji yang berada dalam suatu medan listrik:

\[W = ΔEp = k.Q.q. [\frac{1}{r_2}+\frac{1}{r_1}] = q.(V_2 – V_1)\]

r2 = jarak tujuan ke sumber muatan (m)
r1 = jarak asal ke sumber muatan (m)
V2 = potensial tujuan (V)
V1 = potensial asal (V)

Potensial/beda potensial listrik (V) adalah usaha listrik tiap satuan muatan yang terjadi ketika muatan uji dipindahkan ke suatu titik.

Pada suatu titik

\[V = k\frac{Q}{r}\]

Pada muatan uji

\[v=\frac{w}{q}\]

Q = besar muatan listrik (C)
q = besar muatan uji (C)
r = jarak antar muatan (m)

Resultan potensial listrik jika terdapat lebih dari satu muatan sumber:

V_total = V₁ ± V₂ ± V₃ ± … V_n

Kuat medan listrik dan potensial listrik pada beberapa keadaan:

Pada bola konduktor berongga

Pada bola berongga, muatan tersebar merata di permukaannya saja.

Kuat medan listrik Dalam bola (r<R)

E = 0

Luar bola (r≥R)

\[E = k\frac{Q}{r^2}\]

Potensial listrik Dalam bola (r<R)

\[V = k\frac{Q}{R}\]

Luar bola (r≥R)

\[V = k\frac{Q}{r}\]

Q = muatan bola berongga (C)
R = jari-jari bola konduktor (m)
r = jarak titik terhadap pusat bola (m)

Antara dua keping sejajar

Kuat Medan Listrik dan Potensial Listrik Pada Keping Sejajar

Dua keping sejajar merupakan dua buah logam yang memiliki muatan berbeda.
Pada dua keping sejajar, muatan tersebar merata di seluruh bagian dalamnya, membentuk rapat muatan.

\[σ = \frac{q}{A}\]

σ = rapat muatan (C/m2)
q = muatan keping (C)
A = luas permukaan keping (m2)

Selama dalam keping sejajar, gaya Coulumb yang terjadi adalah sama.

Kuat medan listrik:

Luar keping (r>d)

E = 0

Dalam keping (r<d)

\[E =\frac{σ}{ε_0}\]

σ = rapat muatan (C²/m²)
ε₀ = permitivitas medium (C²/N·m²)
= 8,85 x 10-12 C²/N·m²
(vakum/udara)

Potensial listrik:

Luar keping (r>d)

V = E.d

Dalam keping (r<d)

V = E.r

E = kuat medan listrik dalam keping (N/C)
d = jarak antar keping (m)
r = jarak titik ke keping = 1/2 d (m)

D. Hukum Gauss

Garis-garis gaya listrik adalah visualisasi vektor medan listrik yang tidak pernah berpotongan dan kerapatannya menyatakan kekuatan medan.
Garis-garis gaya listrik:

Hukum Gauss menjelaskan tentang jumlah garis-garis gaya listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup.

Ilustrasi Hukum Gauss Gaya Medan Menembus BIdang

Φ = E.A.cosθ

\[Φ =\frac{Σq}{ε_0}\]

Φ = fluks listrik (Weber)
A = luas permukaan tertutup (m²)

E. Kapasitas Kapasitor

Kapasitor adalah alat penyimpan muatan dan energi listrik, yang terbuat dari dua keping konduktor dengan muatan sama besar, namun berlawanan.
Muatan kapasitor dapat dihitung: q = C.V
Kapasitor biasanya diisi oleh bahan dielektrik atau isolator, seperti kertas, kaca, atau plastik, yang mempengaruhi kapasitansi.
Kapasitansi adalah kapasitas muatan yang didapat disimpan kapasitor, dapat dihitung:
Dielektrik vakum/udara

\[C = \frac{q}{V}\] \[C = \varepsilon_0 \cdot \frac{A}{d}\]

C = kapasitansi (C/V atau farad)
εo = permitivitas medium (C2/Nm2)
= 8,85 x 10-12 C2/Nm2
(vakum/udara)
A = luas permukaan keping (m2)
d = jarak antar keping (m)

Dielektrik selain udara

\[C = \varepsilon_r \varepsilon_0 \cdot \frac{A}{d}\]

εr = permitivitas relatif
medium (C2/Nm2)