HUKUM NEWTON

Jika seseorang mendorong sebuah meja, menarik sebuah balok dengan tali atau memukul sebuah kaleng maka meja dan balok tersebut akan bergerak sedangkan kaleng tersebut akan penyok (berubah bentuk). Jadi gaya adalah suatu dorongan atau tarikan yang menyebabkan suatu benda mengalami gerak atau berubah bentuk. Salah satu cara untuk mengukur besarnya gaya adalah dengan menggunakan neraca pegas. Gaya diberi notasi F dan satuan gaya adalah Newton (N). Gaya merupakan besaran vektor yaitu besaran yang memiliki besar dan arah. Fisikawan mengenal empat gaya di alam yang disebut gaya-gaya fundamental yaitu :

1. Gaya gravitasi.
2. Gaya elektromagnetik.
3. Gaya nuklir kuat.
4. Gaya nuklir lemah.

Konsep Gaya

Gaya gravitasi adalah gaya yang bekerja antara bumi dengan sebuah benda yang berada di dekat permukaan bumi, gaya ini disebut berat benda. Gaya gravitasi juga bekerja antara matahari dengan bumi dan planet planet yang lain. Gaya elektromagnet meliputi gaya listrik dan gaya magnet. Gaya nuklir kuat dan lemah bekerja diantara partikel-partikel yang terpisah di dalam ruang.

Dalam mekanika dikenal empat gaya populer, antara lain berat benda, gaya gesek, tegangan tali dan gaya normal. Berat benda adalah gaya yang dialami oleh suatu benda karena pengaruh gaya tarik bumi yang arahnya menuju pusat bumi. Gaya gesek adalah gaya yang dialami oleh suatu benda yang bergerak di atas lintasan yang kasar, yang arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Tegangan tali adalah gaya yang bekerja pada tali jika suatu benda digantung dengan tali karena pengaruh dari gaya berat. Dan gaya normal adalah gaya yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang benda berada.

Hukum-hukum Newton Tentang Gerak

 

1). Hukum I Newton (Hukum Kelembaman) Hukum ini menyatakan bahwa suatu benda akan cenderung mempertahankan keadaan diam atau bergerak lurus beraturan jika tidak ada gaya yang bekerja pada benda tersebut atau gaya total yang bekerja pada benda tersebut sama dengan nol. Atau dikatakan bahwa benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. Pernyataan Hukum I Newton ini secara matematis dapat dituliskan sebagai: ?F = 0 (Jumlah dari semua gaya yang bekerja sama dengan nol.)

2). Hukum II Newton Hukum Newton ini menyatakan bahwa resultan gaya yang bekerja pada suatu benda akan menghasilkan percepatan yang arahnya sama dengan arah resultan gaya tersebut dan berbanding lurus dengan besar gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda. Atau dapat dikatakan bahwa percepatan suatu benda dengan resultan gaya dan berbanding terbalik dengan massanya. Secara matematis dituliskan sebagai :

Gaya dinyatakan dalam satuan Newton, massa dalam satuan kg dan percepatan dalam satuan meter per detik. Semakin besar massa benda maka semakin besar gaya yang diperlukan dan semakin besar percepatan suatu benda maka gaya yang diperlukan juga akan semakin besar Hukum II Newton ini dapat pula dinyatakan dengan laju perubahan momentum sebuah benda yang bergerak sebanding dan searah dengan gaya yang mempengaruhinya dan diformulasikan sebagai:

F = d(mv) / dt

Gaya merupakan turunan dari fungsi momentum suatu benda terhadap waktu. Jika massa benda adalah tetap maka:

F = m dv/dt

Gaya merupakan hasil kali antara massa benda dengan turunan fungsi kecepatan suatu benda terhadap waktu.

3). Hukum III Newton Hukum III Newton disebut juga sebagai hukum aksi-reaksi, karena hukum ini membahas tentang gaya reaksi yang disebabkan oleh gaya aksi. Syarat berlakunya hukum III Newton ini adalah gaya aksi-reaksi harus bekerja pada dua benda yang berlainan dan arah kedua gaya tersebut adalah berlawanan. Hukum ini menyatakan jika suatu benda mengerjakan gaya pada benda lain, maka benda yang kedua ini akan mengerjakan gaya pada benda pertama yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. Secara matematis dituliskan sebagai:

F_aksi = -F_reaksi

Besarnya gaya reaksi sama dengan besarnya gaya aksi. Tanda negatif menyatakan bahwa arah gaya reaksi berlawanan dengan arah gaya aksi.

Penerapan hukum-hukum Newton

Di bawah ini contoh penerapan hukum newton :

 

1) Benda di atas bidang datar licin, dipengaruhi gaya yang membentuk sudut tertentu terhadap arah gerak benda. Besarnya percepatan suatu benda yang ditarik dengan gaya yang membentuk sudut ? tergantung dari gaya dan massa benda. Semakin besar sudutnya maka percepatan benda akan semakin kecil karena nilai cos sudut tersebut semakin kecil, semakin besar gaya maka percepatan akan semakin besar dan semakin besar massa benda maka nilai percepatan akan semakin kecil.

 

2) Dua buah benda dihubungkan dengan tali yang melalui katrol licin, dengan salah satu benda berada di atas bidang datar licin dan yang lainnya tergantung. Besarnya percepatan dari dua balok yang dihubungkan oleh katrol licin, satu balok terletak pada bidang datar dan yang lain tergantung dapat ditentukan dengan membagi massa balok yang tergantung dengan jumlah massa kedua balok. Tegangan tali merupakan hasil kali antara massa balok yang terletak pada bidang datar dengan percepatan. Tegangan tali dinyatakan dalam satuan Newton.

 

3) Dua buah benda dihubungkan dengan tali yang melalui katrol yang licin, kedua benda dalam keadaaan tergantung ( m2 > m1 ). Percepatan kedua balok dapat ditentukan dengan membagi selisih massa kedua balok dengan jumlah massa kedua balok kemudian hasilnya dikalikan dengan percepatan gravitasi bumi. Percepatan gravitasi bumi dinyatakan dengan satuan m/det2. Tegangan tali dapat ditentukan dengan mengalikan massa m1 dengan jumlah dari nilai percepatan gravitasi bumi dengan percepatan .

 

4) Benda berada di bidang miring licin yang membentuk sudut tertentu. Besarnya percepatan suatu balok yang meluncur pada bidang miring tergantung dari nilai sinus sudutnya dikalikan besarnya percepatan gravitasi bumi, semakin besar sudutnya maka percepatannya akan semakin besar. Percepatan balok tidak tergantung pada massa balok.

 

5) Gaya normal atau berat benda/orang yang berada di dalam lift. (a) Lift diam atau bergerak lurus beraturan Besarnya gaya normal orang atau berat orang sama dengan massa dikalikan percepatan gravitasi. Gaya normal orang atau berat orang dinyatakan dalam satuan newton. (b). Lift bergerak ke bawah dengan percepatan a Gaya normal orang yang berada di dalam lift yang bergerak ke bawah sama dengan selisih antara percepatan gravitasi dengan percepatan lift dikalikan massa. Semakin besar percepatan benda maka besarnya gaya normal akan semakin kecil. (c). Lift bergerak ke atas dengan percepatan a Gaya normal orang yang berada di dalam lift yang bergerak ke atas sama dengan jumlah percepatan gravitasi dengan percepatan lift dikalikan dengan massa. Semakin besar percepatan lift maka besarnya gaya normal akan semakin besar pula. (d). Tali lift putus atau lift bergerak ke bawah dengan percepatan g Gaya normal orang yang berada di dalam lift yang bergerak ke bawah dengan percepatan g adalah sama dengan nol, artinya terjadi gerak jatuh bebas.

BEDA POTENSIAL DAN POTENSIAL LISTRIK

       Beda Potensial dan Potensial Listrik. Jika muatan uji q_o ditempatkan pada daerah medan listrik E yang dihasilkan oleh distribusi muatan sumber, gaya listrik yang bekerja pada muatan uji tersebut adalah q_oE. Gaya ini bersifat konservatif karena gaya di antara dua muatan seperti yang digambarkan oleh Coulomb adalah konservatif.
    Jika muatan uji digerakkan di dalam medan listrik oleh beberapa pengaruh luar, usaha yang dilakukan oleh medan tersebut pada muatan uji sama dengan negatif usaha yang dilakukan oleh sumber-pengaruh luar yang menyebabkan terjadinya perpindahan. Ini merupakan analogi pada kegiatan mengangkat benda bermassa dalam medan gravitasi (usaha yang dilakukan pengaruh luar adalah mgh dan usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah – mgh)

Dalam menganalisis medan listrik dan medan magnet, lebih praktis menggunakan notasi ds untuk menyatakan vektor perpindahan yang sangat kecil yang arahnya menyinggung lintasan melalui ruang. Lintasan ini dapat berupa garis lurus atau kurva, dan integral sepanjang lintasan itu disebut integral lintasan atau integral garis.

Untuk perpindahan muatan ds yang sangat kecil, usaha yang dilakukan oleh medan listrik pada muatan tersebut adalah F × ds = q_oE × ds. Karena ini adalah usaha yang dilakukan oleh medan, maka energi potensial medan-muatan tersebut berubah sebesar dU = - q_o E × ds. Jika muatan berpindah dari titik A ke titik B, perubahan energi potensial sistem adalah 

DU = U_B – U_A

Integrasi dilakukan sepanjang lintasan yang dilalui oleh muatan qo selama bergerak dari A ke B. Oleh karena q_oE konservatif, integral garis ini tidak bergantung pada bentuk lintasan yang digunakan dari A ke B.

Untuk posisi tertentu dari mautan uji di dalam medan tersebut, sistem medan-muatan memiliki energi potensial U relatif terhadap susunan sistem yang didefenisikan U = 0. Dengan membagi energi potensial dengan muatan uji akan meghasilkan suatu besaran fisis yang hanya bergantung pada distribusi muatan sumber. Energi potensial per satuan muatan U/q_o tidak bergantung pada nilai q_o dan memiliki nilai pada setiap titik di dalam medan listrik tersebut. Besaran U/q_o inilah yang disebut potensial listrik atau potensial saja (V). Dengan demikian, potensial listrik pada suatu titik di dalam medan listrik adalah 

Kenyataan bahwa energi potensial adalah skalar menunjukkan pula bahwa potensial listrik juga adalah skalar.

Jika suatu pengaruh luar memindahkan suatu muatan uji dari A ke B tanpa mengubah energi kinetik muatan uji tersebut, pengaruh luar tersebut melakukan usaha yang mengubah energi potensial sistem : W = DU. Muatan uji q_o digunakan sebagai unsur hayal untuk mendefinisikan potensial listrik. Andaikan terdapat muatan sebarang q yang ditempatkan di dalam sebuah medan listrik. Dari persamaan 25.3 , usaha yang dilakukan oleh pengaruh luar dalam memindahkan muatan q melalui pada medan magnet dengan kecepatan konstan adalah

W = q DV

Karena potensial listrik merupakan ukuran energy potensial per satuan muatan, satuan SI untuk potensial listrik dan beda potensial adalah joule per coulomb, yang didefenisikan sebagai volt (V) :

1 V ≡ 1 J/C

Ini berarti bahwa usaha 1 J harus dilakukan untuk memindahkan sebuah muatan 1 C pada beda potensial 1 V.

Persamaan 25.3 menunjukkan bahwa satuan untuk beda potensial juga adalah satuan medan listrik dikali jarak. Dengan demikian satuan SI untuk medan listrik juga dapat dinayatakan dalam volt per meter :

1 N/C = 1 V/m

Jadi, dapat disimpulkan bahwa medan listrik merupakan ukuran laju perubahan potensial listrik.

Satuan energy yang umumnya digunakan dalam fisika atom dan fisika nuklir adalah elektron volt (eV), yang didefenisikan sebagai energi sebuah sistem medan-muatan yang menerima atau melepaskan sebuah muatan sebesar e (dapat berupa electron atau proton) yang dipindahkan pada beda potensial 1 V. Karena 1 V = 1 J/C dan muatan dasar e adalah 1,60 x 10^-19 C, hubungan antara elektron volt dan joule adalah :

1 eV = 1,60 x 10^-19 C.V = 1,60 x 10^-19 J

Sebagai contoh, sebuah elektron dalam berkas tabung gambar televisi dapat memiliki kelajuan 3,0 x 10⁷ m/s. Ini bersesuaian dengan energi kinetik 4,1 x 10^-16 J, yang ekivalen dengan 2,6 x 10³ eV. Untuk mencapai laju seperti, elektron seperti ini harus dipercepat dari keadaan diam pada beda potensial 2,6 kV.

PENGERTIAN LISTRIK STATIS DAN DINAMIS

Listrik telah ditemukan sejak manusia mulai mengamati efek yang timbul dari dua buah benda yang saling digosokkan. Hal ini juga tampak pada pesta anak-anak, misalnya dengan trik menggosok-gosok balon dan menempelkannya di langit-langit. Bahkan, mungkin kita pernah merasakan seperti sengatan pada kaki kita setelah berjalan di atas karpet yang terbuat dari nilon.

Dengan penalaran yang lebih mendalam, beberapa pertanyaan berikut ini akan muncul di benak kita. Gaya apakah yang menyebabkan elektron tetap pada orbimya mengelilingi inti atom? Gaya apakah yang menyebabkan gedung-gedung pencakar langit atau hamparan gunung tetap tegak kokoh? Gaya apakah yang menimbulkan kilat dan badai petir?

Peristiwa-peristiwa tersebut di atas merupakan gejala dari listrik statis. Listrik statis adalah gejala tentang interaksi rnuatan listrik yang tidak bergerak atau tidak bergerak secara permanen.
Listrik statis adalah gejala tentang interaksi rnuatan listrik yang tidak bergerak atau tidak bergerak secara permanen.

Muatan Listrik

Muatan listrik adalah suatu sifat dasar alam. Dengan mempelajari interaksi elektrostatis, kita dapat memperoleh pengertian akan rnuatan listrik.

Jika batang politen didekatkan pada batang perspeks yang tergantung, kedua batang akan tarik-menarik. Akan tetapi, jika batang politen didekatkan pada batang politen lain yang juga telah digosok dengan kain wol kering maka keduanya akan tolak-menolak. Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa rnuatan listrik pada politen dan perspeks berlainan jenis.

Benjamin Franklin memberi penandaan pada kedua jenis rnuatan listrik sebagai muatan positif dan muatan negatif. Hal ini hanya merupakan penandaan yang dirasa mudah, bukan pengertian lebih kecil dari nol untuk muatan negatif. Muatan positif dan negatif adalah sifat yang saling melengkapi atau komplementer.

Untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau tidak, digunakan alat yang dinamakan elektroskop.

Dalarn suatu atom atau benda, apabila jumlah muatan positif (berasal dari proton) sama dengan muatan negatif (berasal dari elektron), maka atom atau benda tersebut tidak bermuatan (netral). Akan tetapi, mengingat elektron suatu atom atau benda dapat berpindah, maka dalarn suatu atom bisa terjadi jumlah muatan positif (proton) tidak sama dengan jumlah muatan negatif (elektron).

Dengan perkataan lain, muatan dari suatu benda ditentukan oleh jumlah proton dan elektronnya.
Sebuah balon yang digosok-gosokkan pada sehelai kain akan menempel pada badan kita. Dua buah balon yang digosok-gosokkan pada kain yang sama akan tolak-menolak. Hal ini merupakan bukti fundamental bahwa muatan yang sejenis akan tolak-menolak, sedangkan muatan yang tidak sejenis akan tarik-menarik. Pakaian yang saling menempel pada saat diainbil dari pengering, debu yang menempel pada layar TV atau komputer, kejutan kecil pada saat memegang gagang pintu dari logam, merupakan contoh listrik statis.

Gaya listrik yang merupakan tarikan atau tolakan ini pertama kali diselidiki oleh seorang fisikawan besar Perancis bernama Charles Coulomb (1736 1806) pada akhir abad 18. Dia menemukan bahwa gaya antara muatan bekerja sepanjang garis yang menghubungkan keduanya dengan besar yang sebanding dengan besar kedua tnuatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Hasil pengamatan ini melahirkan hukum Coulomb yang secara matematis ditulis sebagai

dengan:
F = gaya coulomb (N),

ql, q2 = muatan masing-masing partikel (C),

r = jarak antara kedua muatan (m),

k = tetapan elektrostatis untuk ruang hampa

MEDAN LISTRIK

Medan listrik adalah suatu daerah (ruang) di sekitar muatan yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik. Oleh Michael Faraday medan listrik digambarkan sebagai garis medan listrik yang dimulai (keluar) dari muatan positif dan diakhiri (masuk) pada muatan negatif.

Kuat medan listrik yang semakin besar digambarkan dengan garis medan yang semakin rapat.

Kuat medan Listrik

Pada setiap titik di dalam medan listrik ada suatu kuantitas yang menyatakan tingkat kekuatan medan tersebut, yang disebut kuat medan lishik. Atas dasar ini, kuat medan listrik dapat didefinisikan sebagai berikut.

Kuat medan listrik (E) di sebuah titik adalah gaya per satuan muatan yang dialami oleh sebuah muatan di titik tersebut.

 Energi Potensial Listrik

Sebagaimana medan gravitasi burni, medan listrik dari distribusi muatan yang statis juga bersifat kekal. Dengan demikian, kerja yang diperlukan untuk memindahkan sebuah muatan titik di dalam medan listrik juga tidak tergantung pada lintasan. Medan seperti ini disebut sebagai medan konservatif.
Karena medan listrik bersifat koservatif, maka kita dapat menghubungkannya dengan energi potensial. Kerja yang dilakukan untuk memindahkan sebuah muatan melawan gaya listrik akan tersimpan sebagai potensial muatan.

Definisi Energi Potensial :

Energi potensial suatu muatan di suatu titik adalah usaha untuk memindahkan suatu muatan uji dari tempat yang jauh tak terhingga ke suatu tempat di sekitar muatan sumber.



    Potensial Listrik

    Setiap titik di dalarn medan listrik selalu mempunyai gaya listrik, kuat medan listrik, dan potensial listrik. Gaya listrik dan kuat medan listrik adalah besaran vektor sedangkan potensial listrik adalah besaran skalar. Jadi, potensial listrik tidak memiliki arah. Potensial listrik diperoleh dari energi potensial per satuan muatan.

    Definisi Potensial Listrik :

    Potensial listrik di suatu titik pada medan listrik adalah besarnya usaha yang diperlukan untuk memindahkan satu satuan muatan listrik dari tak terhingga ke titik tersebut.

    Menghitung superposisi dari beberapa gaya listrik dan kuat medan listrik harus dilakukan secara vektor karena keduanya adalah besaran vektor.
Kapasitor

Di dalarn peralatan listrik elektronika, energi umumnya disimpan di dalam sepasang konduktor bermuatan yang dipisahkan oleh lapisan isolator. Alat penyimpan energi tersebut adalah kapasitor. Kapasitor digunakan untuk menyimpan energi dalam waktu yang singkat untuk kemudian dibebaskan kernbali dengan cepat. Sebagian besar peralatan elektronik seperti radio, TV, komputer dan lain sebagainya tidak mungkin bekerja tanpa pertolongan kapasitor.

LISTRIK DINAMIS

Listrik dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. Cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis dengan cara muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik. Kuat arus pada rangkaian bercabang sama dengan kuat arus yang masuk dengan kuat arus yang keluar.

Kuat Arus Listrik
Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu. Secara matematis dituliskan :

keterangan :
I = Kuat arus listrik (ampere)
Q = muatan listrik (coulomb)
t = waktu (sekon)

Arus listrik hanya mengalir pada rangkaian tertutup. Sehingga, ketika saklar dimatikan maka arus listrik akan terhenti.

Beda Potensial Listrik 
Beda Potensial listrik adalah banyaknya energi untuk memindahkan muatan listrik dari satu titik ke titik lain. Secara matematis dituliskan :
 
V = beda potensial (volt) 
W = energi listrik (joule) 
Q = muatan listrik (coulomb) 

Rangkaian sumber tegangan 
a. Rangkaian tunggal 
 
pada rangkaian tunggal sumber tegangan berlaku persamaan : 
 
atau
 


b. Rangkaian seri 
 
pada rangkaian seri sumber tegangan berlaku persamaan : 
 

c. Rangkaian paralel 
 
pada rangkaian paralel sumber tegangan berlaku persamaan : 

keterangan : 
E = GGL sumber tegangan (volt) 
I = Kuat arus listrik (ampere) 
R = Hambatan luar (ohm) 
r = hambatan dalam (ohm) 
n = jumlah GGL/baterai 

Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan bahwa kuat arus listrik yang mengalir dalam suatu penghantar sebanding dengan beda potensial pada ujung-ujung penghantar. 
 
keterangan : 
V = beda potensial (volt) 
I = kuat arus listrik (ampere) 
R = hambatan listrik (ohm) 

Hukum I Kirchoff
Hukum I Kirchoff menyatakan “Jumlah kuat arus yang masuk pada rangkaian bercabang besarnya sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan” 
 
secara matematis dituliskan : 
 
                 I = I₁ + I₂ + I₃ = I’ 

Rangkaian Hambatan  
a. Rangkain Seri 
 
pada rangkaian hambatan seri berlaku persamaan : 
 

b. Rangkaian Paralel 
 
pada rangkaian hambatan paralel berlaku persamaan :
  
keterangan : 

I = kuat arus total (A)
I₁ = kuat arus pada R₁ (A)
I₂ = kuat arus pada R₂ (A)
I₃ = kuat arus pada R₃ (A)

V = tegangan total (A)
V₁ = tegangan pada R₁ (A)
V₂ = tegangan pada R₂ (A)
V₃ = tegangan pada R₃ (A)

Rs = Hambatan pengganti seri (ohm)
R_p = Hambatan pengganti parallel (ohm)


Cara CEPAT !!!
Jika 2 buah hambatan dirangkai paralel, maka hambatan penggantinya : 

MUATAN LISTRIK

1.         Muatan listrik

Setelah digosok dengan kain, kaca bisa menarik kripik. Setelah digosok pada rambut kering, sisir bisa menarik potongan-potongan kertas. Setelah digosokkan dengan kain, dua batang plastik yang didekatkan satu sama lain, saling bergerak menjahui atau tolak menolak. Sebaliknya batang plastik dan batang kaca yang didekatkan satu sama lain bergerak mendekati atau saling menarik… Bagaimana menjelaskan hal ini ?

Sebelum adanya teori atom atau kajian mengenai struktur materi, para ilmuwan mengatakan bahwa kaca atau plastik atau amber atau sisir atau benda apapun yang menunjukkan gejala yang sama dikatakan “bermuatan” akibat adanya proses penggosokan. Setelah mengalami proses penggosokan, benda seperti sisir atau plastik atau kaca sepertinya “memuati” sesuatu sehingga bisa bertingkah aneh Kalau tidak digosok, sisir atau plastik atau kaca tampak bisa-biasa saja. Nah, orang yunani kuno lebih dahulu mengamati gejala ini pada amber dan berdasarkan eksperimen, gejala yang ditunjukkan oleh plastik atau kaca juga mirip seperti yang dialami oleh amber, maka para ilmuwan menamakannya “muatan listrik”. Kata listrik (electric) di sini berasal dari kata yunani elektron, yang berarti amber. Dinamakan sesuai nama benda yang menunjukkan gejalanya. Jadi adanya proses penggosokan menyebabkan benda seperti kaca atau plastik atau amber mempunyai “muatan listrik” total.

2.         Jenis muatan listrik

Apakah muatan listrik yang dimiliki kaca dan plastik sama ? berdasarkan percobaan di atas, ketika dua batang plastik yang bermuatan didekati satu sama lain, keduanya saling menolak atau saling menjahui. Demikian juga ketika dua batang kaca yang bermuatan didekatkan satu sama lain, keduanya juga saling menolak atau saling menjahui. Sebaliknya ketika batang kaca yang bermuatan didekatkan dengan batang plastik yang bermuatan, keduanya saling tarik menarik atau saling mendekati.

Karena jenis bendanya sama, yakni plastik, maka kita bisa menyimpulkan bahwa jenis muatan listrik pada kedua batang plastik pasti sama. Demikian juga karena bendanya sama, yakni kaca, maka kita bisa menyimpulkan bahwa jenis muatan listrik pada kedua batang kaca pasti sama. Dalam hal ini, ada dua jenis muatan yang berbeda, yakni muatan listrik seperti pada plastik yang digosok dan muatan listrik seperti pada kaca yang digosok.

Dua batang kaca yang didekatkan, saling menjahui atau tolak menolak, demikian juga dua batang plastik yang didekatkan, saling menjahui atau tolak menolak, maka bisa disimpulkan bahwa muatan yang sejenis tolak menolak. Sebaliknya batang kaca dan plastik yang didekatkan saling tarik menarik atau bergerak mendekati satu sama lain maka bisa disimpulkan bahwa muatan yang tak sejenis saling tarik menarik.

Apakah benar hanya ada dua jenis muatan listrik ? mungkinkah ada jenis muatan listrik lain ? untuk mengetahui hal ini, tentu harus dilakukan eksperimen. Dirimu bisa melakukan berbagai eksperimen untuk mengetahui hal ini. Sesuai dengan eksperimen yang dilakukan para ilmuwan, diketahui bahwa hanya ada dua jenis muatan listrik, yakni muatan listrik seperti pada kaca yang digosok dan muatan listrik seperti pada plastik yang digosok. Mengapa hanya ada dua jenis muatan listrik ?

Seorang negarawan, filsuf dan ilmuwan Amerika serikat, yakni Benjamin Franklin (1706 – 1790) mengemukakan sebuah model untuk menjelaskan hal ini. Menurutnya, secara normal setiap benda memiliki sejumlah muatan listrik. Apabila sebuah benda digosokkan dengan benda lainnya maka akan terjadi perpindahan muatan listrik dari satu benda ke benda lainnya. Karena adanya perpindahan muatan listrik maka salah satu benda menjadi kelebihan muatan listrik, sedangkan benda lainnya menjadi kekurangan muatan listrik dalam jumlah yang sama. Om Franklin menggambarkan muatan listrik yang dihasilkan pada proses penggosokan dengan tanda positif dan tanda negatif. Dia memilih muatan listrik seperti pada kaca yang digosok dengan kain sebagai muatan positif. Jadi ketika kaca digosok dengan kain, kaca menerima muatan positif sedangkan kain menerima muatan negatif, dalam jumlah yang sama. Jenis muatan pada kaca berbeda dengan jenis muatan pada plastik;  karena muatan pada kaca bertanda positif maka muatan pada plastik bertanda negatif. Jadi ketika plastik digosok dengan kain, plastik menerima muatan negatif sedangkan kain menerima muatan positif dalam jumlah yang sama.

3.         Muatan listrik dan Struktur materi

Pemahaman mengenai muatan listrik disempurnakan setelah munculnya kajian mengenai struktur materi. Setiap materi di alam semesta tersusun dari atom-atom yang bersifat netral secara kelistrikan (tidak ada muatan listrik total). Setiap atom tersusun dari tiga partikel, yakni proton yang bermuatan positif, neutron yang bermuatan netral dan elektron yang bermuatan negatif. Setiap atom mempunyai suatu inti kecil yang padat, yang tersusun dari proton dan neutron. Bayangkan saja jika diameter atom beberapa kilometer maka ukuran inti atom kira-kira seperti bola pimpong. Inti atom yang netral dikelilingi oleh elektron yang jumlahnya sama dengan jumlah proton.

Muatan proton dan elektron sama besar dan berlawanan tanda. Dalam atom netral, jumlah muatan proton dan elektron sama dengan nol. Banyaknya proton atau elektron dalam sebuah atom netral suatu unsur dinamakan nomor atom (Z) dari unsur tersebut. Apabila satu atau lebih elektron dalam sebuah atom dihilangkan (maksudnya dipindahkan ke atom lain) maka atom tersebut dinamakan ion positif. Sebaliknya jika sebuah atom mendapatkan tambahan satu atau lebih elektron maka atom tersebut dinamakan ion negatif. Proses di mana suatu atom mendapat tambahan elektron atau kehilangan elektron dinamakan ionisasi. Sekian dulu ulasan mengenai atom…

Apabila jumlah proton dalam suatu benda, misalnya kaca atau plastik atau sisir, sama dengan jumlah elektron dalam benda tersebut, maka benda tersebut bersifat netral secara kelistrikan. Untuk membuat sebuah benda menjadi bermuatan negatif, maka kita bisa menambahkan sejumlah elektron pada benda tersebut. Sebaliknya untuk membuat sebuah benda bermuatan positif maka kita bisa menghilangkan sejumlah elektron dari benda tersebut. Mengapa kita menambahkan atau menghilangkan elektron, bukan proton ? Hal ini disebabkan karena elektron lebih mudah berpindah-pindah. Dalam pembahasan sebelumnya sudah dijelaskan bahwa proton berada dalam inti atom, sebaliknya elektron berada di luar inti atom. Karena berada di luar maka elektron lebih mudah berpindah-pindah atau dipindahkan.

Sekarang kita kembali ke pembahasan awal. Dalam ulasan sebelumnya dijelaskan bahwa ketika kaca digosokkan dengan kain, kaca menjadi bermuatan positif sedangkan kain menjadi bermuatan negatif. Perhatikan bahwa pada mulanya kaca atau kain bersifat netral secara kelistrikan. Ini berarti jumlah proton dan elektron dalam kaca sama besar. Demikian juga jumlah proton dan elektron dalam kain sama besar. Nah, setelah kaca digosokkan dengan kain, kaca menjadi bermuatan positif sedangkan kain menjadi bermuatan negatif. Ini bisa diartikan bahwa ketika kaca digosokkan dengan kain, sejumlah elektron pada kaca berpindah menuju kain. Karena kaca kehilangan sejumlah elektron maka kaca menjadi bermuatan positif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada kaca adalah positif. Sebaliknya kain menerima tambahan elektron sehingga kain menjadi bermuatan negatif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada kain adalah negatif.

Sebelumnya dijelaskan juga bahwa ketika plastik digosokkan dengan kain, plastik menjadi bermuatan negatif, sedangkan kain menjadi bermuatan positif. Pada mulanya plastik dan kain bersifat netral secara kelistrikan. Artinya jumlah proton dan elektron pada plastik sama besar. Demikian juga jumlah proton dan elektron pada kain sama besar. Setelah plastik digosokkan dengan kain, plastik menjadi bermuatan negatif sedangkan kain menjadi bermuatan positif. Hal ini bisa diartikan bahwa ketika plastik digosokkan dengan kain, sejumlah elektron pada kain berpindah menuju plastik. Karena plastik mendapat tambahan sejumlah elektron maka plastik menjadi bermuatan negatif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada plastik adalah negatif. Sebaliknya kain kehilangan sejumlah elektron sehingga kain mejadi bermuatan positif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada kain adalah positif.

4.         Kekekalan muatan listrik

Ketika benda saling bergesekkan, elektron berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Akibatnya benda yang menerima sejumlah elektron menjadi bermuatan negatif (muatan listrik totalnya negatif) sedangkan benda yang kehilangan sejumlah elektron menjadi bermuatan positif (muatan listrik totalnya positif). Perhatikan bahwa pada mulanya benda-benda ini bersifat netral secara kelistrikan (muatan listrik total = 0). Setelah bergesekkan, salah satu benda mendapat muatan positif sedangkan benda yang lain mendapat muatan negatif. Walaupun tandanya berbeda tetapi jumlah muatan listrik total yang dimiliki masing-masing benda tersebut sama. Tahu dari mana kalau jumlah muatan listrik total yang dimiliki masing-masing benda sama ? karena jumlah elektron yang berpindah sama.

Dalam proses ini muatan tidak diciptakan, dalam arti muatan tidak muncul dari ketiadaan. Muatan sudah dimiliki oleh masing-masing benda tersebut, yang pada mulanya netral secara kelistrikan (muatan listrik totalnya nol). Walaupun setelah bergesekkan, salah satu benda menjadi bermuatan positif sedangkan benda yang lain menjadi bermuatan negatif, tetapi karena jumlah muatannya sama, sedangkan tandanya berbeda, maka jika dijumlahkan hasilnya nol. Muatan listrik tidak diciptakan, muatan listrik hanya mengalami perpindahan. Dalam hal ini, muatan listrik selalu kekal. Ini dikenal dengan julukan Hukum kekekalan muatan listrik. Btw, bedakan antara muatan listrik dengan muatan listrik total 

5.         Distribusi muatan listrik

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
• bentuk-bentuk lain

-       Kumpulan titik-titik muatan

Untuk titik-titik muatan yang tersebar dan berjumlah tidak terlalu banyak, medan listrik pada suatu titik (dan bukan pada salah satu titik muatan) dapat dihitung dengan menjumlahkan vektor medan listrik di titik tersebut akibat oleh masing-masing muatan. Dalam kasus ini lebih baik dituliskan

Yang dibaca, medan listrik di titik akibat adanya muatan  yang terletak di . Dengan demikian medan listrik di titik akibat seluruh muatan yang tersebar dituliskan sebagai

 

 

di mana N    adalah jumlah titik muatan. Sebagai ilustrasi, misalnya ingin ditentukan besarnya medan listrik pada titik P yang merupakan perpotongan kedua diagonal suatu bujursangkar bersisi R, di mana terdapat oleh empat buat muatan titik yang terletak pada titik sudut-titik sudut bujursangkar tersebut. Untuk kasus ini misalkan bahwa q1=q2 =+Q dan q1=q2 = -Q dan ambil pusat koordinat di titik P (0,0) untuk memudahkan. Untuk kasus dua dimensi seperti ini, bisa dituliskan pula

 

yang akan memberikan

 

 

 

 

 

 

 

 

      sehingga

 

 

 

yang menghasilkan bahwa medan listrik pada titik tersebut adalah nol.

-          Kawat panjang lurus

 

Kawat panjang lurus merupakan salah satu bentuk distribusi muatan yang menarik karena bila panjangnya diambil tak-hingga, perhitungan muatan di suatu jarak dari kawat dan terletak di tengah-tengah panjangnya, menjadi amat mudah.

Untuk suatu kawat yang merentang lurus pada sumbu X, pada jarak z di atasnya, dengan kawat merentang dari  -α sampai b dari titik proyeksi P pada kawat, medan listrik di titik tersebut dapat dihitung besarnya, yaitu:

Seperti telah disebutkan di atas, apabila dan maka dengan menggunakan dalil L'Hospital diperoleh

Atau bila kawat diletakkan sejajar dengan sumbu-z dan bidang x-y ditembus kawat secara tegak lurus, maka medan listrik di suatu titik berjarak r dari kawat, dapat dituliskan medan listriknya adalah

dengan  ρ adalah vektor satuan radial dalam koordinat silinder:

 

di mana ϕ adalah sudut yang dibentuk dengan sumbu-x positif.

Referensi :
Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I  (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
Tipler, P.A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penebit Erlangga.
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2002. Fisika Universitas (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.