Fisika Kelas 12: Listrik Statis

Pendahuluan

• Fokus bahasan: listrik statis
• Materi utama: gaya listrik, medan listrik, fluks listrik, potensial listrik, energi potensial listrik

Permitivas Listrik dan Konstanta Dielektrik

Permitivas Listrik

• Definisi: Ukuran bagaimana bahan mempengaruhi atau dipengaruhi medan listrik
• Formula: (\epsilon = \epsilon_r \cdot \epsilon_0)
  • (\epsilon_0): permitivas vakum/hampa udara (8,85 x 10^-12 Coulomb^2/(N·m^2))
  • (\epsilon_r): permitivas relatif (bahan dibandingkan vakum)
• \(\epsilon_r = \frac{\epsilon}{\epsilon_0}\)

Konstanta Dielektrik

• Lambang: k
• Formula untuk medium udara: (k = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \approx 9 x 10^9 N·m^2/C^2)
• Formula untuk medium lain: (k = \frac{1}{4\pi\epsilon})

Gaya Listrik

• Muatan sejenis tolak-menolak, berlainan tarik-menarik
• F12: gaya oleh muatan ke-2 pada muatan pertama
• F21: gaya oleh muatan pertama pada muatan ke-2
• Formula: (F = k \frac{Q1 \cdot Q2}{r^2})
  • k: konstanta dielektrik (9 x 10^9 N·m^2/C^2)
  • Q1, Q2: muatan pertama dan kedua
  • r: jarak kedua muatan
• Tanda muatan tidak diikutkan dalam perhitungan gaya, hanya menentukan arah

Medan Listrik

Definisi dan Arah

• Definisi: Daerah di sekitar muatan yang mengalami gaya listrik
• Arah: Keluar dari muatan positif, menuju muatan negatif
• Formula: (E = \frac{F}{Q})
  • F: gaya Coulomb
  • Q: muatan uji

Medan Listrik pada 2 Keping Sejajar

• Formula: (E = \frac{\sigma}{\epsilon_0})
  • (\sigma): rapat muatan (Q/A)

Medan Listrik pada Bola Konduktor

• Di dalam bola ((r < R)): E = 0
• Di permukaan bola ((r = R)): (E = k \frac{Q}{R^2})
• Di luar bola ((r > R)): (E = k \frac{Q}{r^2})

Fluks Listrik (Hukum Gauss)

• Definisi: Jumlah garis gaya listrik yang menembus bidang
• Formula: (\Phi = E \cdot A \cdot \cos \alpha)
  • (\Phi): Fluks listrik (Weber, Wb)
  • E: medan listrik (N/C)
  • A: luas bidang (m^2)
  • (\alpha): sudut antara medan listrik dan normal bidang

Potensial Listrik

• Formula: (V = k \frac{Q}{r})
  • V: potensial listrik (Volt)

Potensial Listrik pada 2 Keping Sejajar

• Formula: (V = E \cdot d)
  • d: jarak antar-keping

Potensial Listrik pada Bola Konduktor

• Di dalam bola ((r < R)): (V = k \frac{Q}{R})
• Di permukaan bola ((r = R)): (V = k \frac{Q}{R})
• Di luar bola ((r > R)): (V = k \frac{Q}{r})

Energi Potensial Listrik

• Formula: (U = q \cdot V)
  • U: energi potensial listrik (Joule)
  • q: muatan uji
  • V: potensial listrik

Usaha Memindahkan Muatan

• Formula: (W = q \cdot \Delta V = q \cdot (V2 - V1))
  • W: usaha (Joule)
  • V2, V1: potensial listrik akhir dan awal

Hukum Kekekalan Energi Listrik

• Energi total = energi potensial + energi kinetik
• Rumus: (\frac{1}{2}mv_1^2 + qV_1 = \frac{1}{2}mv_2^2 + qV_2)
  • m: massa
  • v: kecepatan

Ringkasan

• Gaya listrik dan medan listrik adalah besaran vektor
• Potensial listrik dan energi potensial adalah besaran skalar
• Tanda muatan penting pada potensial dan energi potensial, tidak pada gaya dan medan

Rumus Penting

• Gaya listrik: (F = k \frac{Q_1 \cdot Q_2}{r^2})
• Medan listrik: (E = \frac{F}{Q})
• Potensial listrik: (V = k \frac{Q}{r})
• Energi potensial: (U = q \cdot V)

Catatan:

• Massa elektron: 9,1 x 10^-31 kg
• Muatan elektron: 1,6 x 10^-19 Coulomb

Tugas:

• Praktikan rumus-rumus di atas dengan contoh soal nyata
• Pastikan mengerti perbedaan konsep besaran vektor dan skalar