Slide 1

FISIKA (untuk SMK)Bahan Ajar Semester 4tunjungprianto@yahoo.com1SMKN 2PADANGSIDEMPUANBAB VLISTRIK STATIS2Ada dua jenis muatan listrik; muatan positip (+) dan muatan negatip (-).Muatan-muatan sejenis saling tolak menolak, muatan-muatan tidak sejenis saling tarik-menarik.Satuan untuk muatan listrik adalah coulomb (C).Muatan Listrik33Atom terdiri dari inti atom yang berisi muatan positip dikelilingi oleh sejumlah elektron yang bermuatan negatip.Secara keseluruhan atom tidak bermuatan (netral); jumlah muatan positip sama banyaknya dengan jumlah muatan negatip.Inti atom dibentuk oleh proton yang bermuatan positip dan netron yang tidak bermuatan.Atom44Model Atom+++Inti AtomelektronprotonnetronModel Atom Lithium . Jumlah proton (partikel bermuatan positip) sama dengan jumlah elektron (partikel bermuatan negatip).

5Charles Augustin de Coulomb (1736 1806) mengukur besarnya gaya interaksi (gaya tarik atau gaya tolak) antar muatan-muatan listrik, menggunakan neraca puntir.Coulomb menyimpulkan bahwa besarnya gaya interaksi antara dua muatan listrik sebanding dengan hasilkali kedua muatan itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya.

Hukum Coulomb

Nm2/C2

r66

rFF

rFF

rFF

7Dua buah muatan listrik masing-masing 5 x 10-5 C dan 9,8 x 10-5 C berada di udara dan terpisah sejauh 7 cm. Hitunglah gaya coulomb yang timbul antara kedua muatan itu.Contohsoal (1)

N8Penyelesaian:Contohsoal (2)Segitiga ABC siku-siku di B (lihat gambar). Pada masing-masing titik sudut terdapat muatan-muatan listrik; di A = 15 C (positip), di B = 4 C (negatip) dan di C = 80 C (positip). Hitung besarnya dan tentukan arahnya:Gaya Coulomb di B oleh muatan A.Gaya Coulomb di B oleh muatan C.Gaya Coulomb total di B.ACB60 cm30 cm9PenyelesaianABFBACBFBC

NN

10Gaya total di BABFBACFBCFB

newton

11Dua muatan listrik masing-masing 1C dan 2 C terpisah jarak 3 cm di udara. Tentukan gaya interaksi elektrostatik antara kedua muatan tersebut.Dua buah muatan terpisah jarak r di udara, menimbulkan gaya interaksi 20 N. Berapakah besar gaya interaksi antara kedua muatan itu jika jaraknya diubah menjadi a) 0,5r b) 2r c) 3rABC segitiga samasisi dengan panjang sisi 9 cm. Pada ketiga titik sudut sigitiga terdapat muatan listrik masing-masing 3 C. Hitunglah gaya elektrostatik total yang dialami oleh salah satu muatan.Titik A dan B yang berjarak 50 cm masing-masing berisi muatan listrik 9 C dan 64 C. Titik C berisi muatan listrik 5 C berada pada jarak 30 cm dari A dan 40 cm dari B. Hitunglah gaya elektrostatik total yang dialami oleh muatan di C.

Soal-soal Latihan12Daerah (ruangan) di sekitar muatan listrik.Arah medan listrik menjauhi (meninggalkan) muatan positip dan mendekati (menuju) muatan negatip.Arah medan listrik dapat dilukiskan dengan garis-garis gaya listrik.Medan Listrik

1313Setiap titik pada daerah medan listrik memiliki kuat medan.Kuat medan listrik di suatu titik P yang jaraknya r dari muatan sebesar q adalah:

E : Kuat Medan Listrik (N/C)Kuat Medan Listrik

Prq

E14Jika terdapat lebih dari satu muatan yang menimbulkan medan listrik di suatu titik, maka kuat medan totalnya adalah:

Pq1

q2r1r2E1E2E

15Konduktor (penghantar) berbentuk bola berrongga yang diberi muatan listrik Q.Medan listrik di permukaan bola adalah:R : jari-jar i bola

Medan listrik di luar bola pada jarak r dari pusat bola adalah:

r > R

Medan listrik di semua titik di dalam bola (r < R) adalah NOL.Medan ListrikPada Bola Konduktorr

R

1616ContohsoalSegitiga ABC siku-siku di B (lihat gambar).Di titik A dan Titik C terdapat muatan masing-masing +1,2 C dan 3,6 C. Tentukan kuat medan listrik di B.

ACB60 cm30 cm17PenyelesaianABEACBEC

N/CN/C18

AEACBE

N/C

Medan Listrik total di titik B adalah:EC19

Dua muatan listrik +2C dan 4C terpisah jarak 6 cm di udara. Titik P terletak di tengah-tengah antara kedua muatan itu. Tentukan (besar dan arah) medan listrik di titik P.Sebuah muatan listrik positip menghasilkan medan listrik 100 N/C pada jarak 3 cm dari muatan itu. Tentukan:Kuat medan listrik pada jarak 9 cm dari muatan itu.Besar muatan listrik itu.

Soal-soal Latihan (1)Titik P berada di tengah-tengah antara dua muatan positip q1 = 25C dan q2 = 100C. Jarak antara kedua muatan itu 10 cm. Tentukan:Kuat medan listrik di titik P.Letak titik R dimana kuat medan listriknya nol.

Sebuah bola konduktor berrongga, diameternya 4 cm diberi muatan +3,2 C, tentukanlah kuat medan listrikDi permukaan bola.Di luar bola, 2 cm dari permukaan.21Soal-soal Latihan (2)q110 cmq2PPotensial listrik merupakan besaran skalar (tidak memiliki arah)Satuannya VOLT.Setiap titik dalam daerah medan listrik memiliki potensial listrik.Potensial listrik pada suatu titik P yang jaraknya r dari muatan listrik q adalah:Potensial ListrikPrq

2222Muatan positip menimbulkan potensial positip, muatan negatip menimbulkan potensial negatip.Jika suatu titik dipengaruhi oleh lebih dari satu muatan listrik, maka potensial totalnya adalah jumlah aljabar dari potensial listrik tiap muatan.

q2Pq1q3r2r1r3

+23Potensial listrik di titik P yang dipengaruhi oleh 3 muatan listrik adalah:

ContohsoalPersegi panjang ABCD (lihat gambar).Di titik B, C dan D terdapat muatan masing-masing +1,2 C, +2,4 C dan 3,6 C. Tentukan potensial listrik di titik A.

DBC30 cm+A40 cm+24PenyelesaianPotensial di A oleh muatan B:

Potensial di A oleh muatan C:BC

voltArABrAC

volt++

25Potensial di A oleh muatan D:

Potensial total di A oleh ketiga muatan (B, C, D):

volt

voltDrADBCArABrAC++

26Potensial listrik sama di semua titik di dalam bola sampai ke permukaan, yaitu:R : jari-jari bolaQ : muatan pada bola

Potensial listrik di luar bola pada jarak r dari pusat bola (r > R) adalah:Potensial ListrikPada Bola Konduktorr

R2727Dua muatan listrik q1 = +4 C dan q2 = 1 C berada di ruang hampa, terpisah jarak 5 cm. Tentukan potensial listrik di sebuah titik P pada garis penghubung kedua muatan itu dan berjarak 1 cm dari q1.

Sebuah bola konduktor berrongga berjari-jari 3 cm diberi muatan 25 C. Tentukan potensial listrik pada titik:Di pusat bolaDi permukaan bola2 cm di luar permukaan bolaSoal-soal Latihan28q15 cmq2PSuatu komponen elektrik yang berfungsi menyimpan muatan (energi) listrik.kemampuan (daya tampung) sebuah kapasitor disebut kapasitas atau kapasitansi (C).Satuan dari kapasitas kapasitor adalah farad (F).Kapasitor terdiri dari dua plat konduktor yang diberi muatan listrik sama besar tetapi berlawanan jenis, dan dipisahkan oleh suatu bahan isolator yang disebut dielektrik.Kapasitor atau Kondensator2929Kapasitas Kapasitor (C)Kapasitas dapat diartikan sebagai daya tampung sebuah kapasitor untuk menyimpan muatan (energi) listrik.Kapasitas kapasitor didefinisikan sebagai perbandingan antara muatan q yang tersimpan, dengan tegangan V antara kedua konduktornya.atau

q:muatan (coulomb)V:tegangan (volt)C:kapasitas kapasitor (farad)

30

Contoh gambar berbagai jenis kapasitor31Kapasitor PolarKedua kakinya tidak sama panjang, untuk membedakan kutub (+) dan (-) yang harus diperhatikan saat memasang dalam rangkaian.Simbol dalam rangkaian:Kedua kakinya sama panjang, tanpa kutub (+) atau (-), sehingga dapat dipertukarkan saat dipasang dalam rangkaian.Simbol dalam rangkaian:Kapasitor Polar dan Non-polarKapasitor Non-polar3232Kapasitor variabelYaitu kapasitor yang kapasitasnya dapat diubah.Disebut juga varco (variable condensator)Simbol dalam rangkaian:Ada 3 cara (prinsip) pembuatan kapasitor, yaitu:Prinsip keping sejajarPrinsip bola sepusatPrinsip silinder coaksialPrinsip pembuatan Kapasitor33Kapasitor Keping SejajarTerdiri dari dua keping (plat) konduktor yang dipasang sejajar dan berdekatan.Untuk meningkatkan kapasitasnya, diantara kedua plat diselipkan bahan dielektrik.Biasanya kapasitor diberi nama menurut jenis bahan dielektriknya, misalnya kapasitor mika, kapasitor keramik, kapasitor kertas, dsb.++++++++++dielektrik+QQ3434Jika luas plat masing-masing adalah A dan jarak antara kedua plat adalah d maka besarnya kapasitas kapasitor adalah:

(tanpa dielektrik)

(dengan dielektrik)

K:konstanta dielektrik0:permeativitas ruang hampa0 = 8,85 x 10-12 C2/N.m2++++++++++dAAKAPASITASKapasitor Keping Sejajar

K

3535Konstanta Dielektrik (K)Penggunaan bahan dielektrik pada kapasitor bertujuan untuk meningkatkan kapasitas kapasitor.Konstanta dielektrik adalah perbandingan antara kapasitas sebuah kapasitor menggunakan bahan dielektrik tertentu, dengan kapasitasnya tanpa bahan dielektrik.BahanKRuang hampa1Udara1,0006Parafin2,1 2,5Polysyrene2,6Karet6,7Plastik2 - 4Kertas3,7Quartz4,3Minyak4Kaca5Porselen6 - 8Mika7Air803637Contohsoal (1)Sebuah kapasitor menyimpan muatan 0,6 C jika dipasang pada tegangan 3 volt.Berapa kapasitasnya?Berapa muatan kapasitor ini jika dipasang pada tegangan 12 volt?Penyelesaian:

a.

b.

Contohsoal (2)contoh 5.5 (hal. 118)Kapasitor keping sejajar menggunakan plat yang luasnya masing-masing 2,25 cm2 dan jarak antara plat 2,5 mm. o = 8,85 x 10-12 C2/Nm2.Berapa kapasitas kapasitor ini, jika:tanpa dielektrik.menggunakan porselen (K = 7) sebagai dielektrik.38PenyelesaianTanpa dielektrik.Dengan dielektrik.

39Sebuah kapasitor yang dimuati oleh baterai 8 mV dapat menyimpan muatan 4 pC. Tentukan:Kapasitas kapasitor.Muatan kapasitor, jika dihubungkan dengan baterai 20 mV.Sebuah kapasitor keping sejajar menggunakan plat yang luasnya masing-masing 500 cm2 dengan celah 0,25 cm antara kedua plat. Setelah disisipkan suatu bahan dielektrik dan dihubungkan dengan tegangan 2 kV kapasitor dapat menyimpan muatan 20 C. Tentukan:Kapasitas kapasitor tanpa bahan dielektrik.Konstanta bahan dielektrik.Soal-soal Latihan40Rangkaian KapasitorBeberapa kapasitor dapat disusun dalam suatu rangkaian untuk mendapatkan kapasitas yang kita inginkan.Pada dasarnya ada dua cara merangkai kapasitor, yaitu rangkaian seri dan rangkaian paralel.

4141Rangkaian tiga buah kapasitor yang disusun seperti gambar di atas disebut rangkaian seri.

Rangkaian SeriKetiga kapasitor dapat digantikan oleh sebuah kapasitor pengganti.Jika kapasitas ketiga kapasitor masing-masing C1 , C2 dan C3, maka kapasitas kapasitor penggantinya Cp dapat dihitung dengan:

C1C2C3

Cp42Kapasitas kapasitor pengganti Cp untuk tiga kapasitor yang tersusun secara paralel adalah:Jika susunan ketiga kapasitor seperti gambar di atas, disebut rangkaian paralel.Rangkaian ParalelC1C2C3Cp

43Contohsoal 1Tentukan kapasitas pengganti untuk rangkaian kapasitor berikut.C1 = 10 FC2 = 20 FC3 = 30 F44PenyelesaianParalel C1 dan C2 digantikan dengan satu kapasitor C12 :

Kapasitas pengganti untuk ketiga kapasitor adalah seri dari C12 dan C3 :

C1 = 2 FC2 = 3 FC3 = 5 FC12 = 5 FC3 = 5 F

45Contohsoal 2(contoh 5.9 hal 121)Lima buah kapasitor disusun seperti gambar di samping, tentukan kapasitas kapasitor pengganti untuk rangkaian tersebut.C1 = 1 pFC2 = 3 pFC3 = 2 pFC4 = 4 pFC5 = 6 pF46PenyelesaianParalel C1 dan C2 digantikan oleh C12 :

Paralel C3 dan C4 digantikan oleh C34 :

C3 = 2 pFC4 = 4 pFC5 = 6 pFC12 = 4 pFC34 = 6 pFC5 = 6 pFC1 = 1 pFC2 = 3 pF

47Seri C34 dan C5 digantikan oleh C345 :

Akhirnya, kapasitas total (pengganti) dari lima kapasitor tersebut Cp adalah paralel dari C12 dan C345:

C12 = 4 pFC34 = 6 pFC5 = 6 pF

C12 = 4 pFC345 = 3 pF

Cp = 7 pF48Jika kapasitas pengganti untuk rangkaian kapasitor ini adalah 2,5 F, berapakah kapasitas C4?

Jika kapasitas masing-masing kapasitor adalah 30 nF, hitunglah kapasitas pengganti dari rangkaian-rangkaian berikut ini.

Soal-soal LatihanC3 = 4 FC1 = 2 FC2 = 2 FC449Sebelum dihubungkan dengan sumber tegangan, kapasitor tidak berisi muatan listrik (kosong).Bila kaki-kaki kapasitor dihubungkan dengan suatu sumber tegangan (misalnya baterai) maka kapasitor akan terisi muatan listrik sampai beda potensial dalam kapasitor sama dengan beda potensial baterai (dikatakan bahwa kapasitor penuh).Jika sekarang hubungan dengan baterai dilepaskan, kapasitor masih tetap menyimpan muatan (energi potensial) yang dapat dikeluarkan sewaktu-waktu dalam bentuk arus listrik. Energi Yang TersimpanDALAM KAPASITOR50Karena:

Maka:Karena:

Maka:Jika tegangan sumber V dan kapasitas kapasitor C maka besarnya energi yang dapat tersimpan dalam kapasitor adalah:

51

Sebuah kapasitor 25 pF dipasang pada tegangan 6 volt. Setelah penuh, tentukan muatan listrik dan energi yang tersimpan dalam kapasitor.

Penyelesaian:Muatan:

Energi yg tersimpan:Contohsoal (contoh 5.10 hal 122)

(pikocoulomb)

(pikojoule)52Sebuah kapasitor bertuliskan label 2pF; 6V. Jika kapasitor dihubungkan dengan tegangan 6 volt, hitunglah:Muatan yang tersimpan dalam kapasitor.Energi yang tersimpan dalam kapasitor.Energi yang tersimpan dalam kapasitor jika dihubungkan dengan tegangan 3 volt.Dua kapasitor 1 F dan 2 F disusun paralel dan dihubungkan dengan tegangan 6 volt. Hitunglah energi yang tersimpan dalam tiap kapasitor.Latihan 5.6 No. 4 (Hal 123)53Soal-soal LatihanKetika ditanya tentang berapa banyak melakukan percobaan sampai menemukan listrik, secara spontan Thomas Alfa Edison menjawab : 9999 kali!54