Muatan Listrik, Gaya Listrik, dan Medan Listrik
Listrik Statis
Fisika SMA — Muatan Listrik, Gaya Coulomb, Medan Listrik, Fluks Listrik, Hukum Gauss, dan Soal Literasi
Daftar Isi
A. Benda Bermuatan Listrik
Bayangkan situasi ini:
"Saat kamu menggosok penggaris plastik dengan kain wol, penggaris menjadi bermuatan listrik dan dapat menarik potongan kertas kecil. Inilah contoh benda menjadi bermuatan listrik karena adanya perpindahan elektron."
"Saat kamu menggosok penggaris plastik dengan kain wol, penggaris menjadi bermuatan listrik dan dapat menarik potongan kertas kecil. Inilah contoh benda menjadi bermuatan listrik karena adanya perpindahan elektron."
Definisi:
Suatu benda dikatakan bermuatan listrik jika benda tersebut memiliki kelebihan atau kekurangan elektron.
Suatu benda dikatakan bermuatan listrik jika benda tersebut memiliki kelebihan atau kekurangan elektron.
Cara Membuat Benda Bermuatan Listrik
1. Menggosok
Menggosok dua benda berbeda jenis
Contoh: Plastik digosok wol → plastik bermuatan negatif
Contoh: Plastik digosok wol → plastik bermuatan negatif
2. Induksi
Pemindahan muatan tanpa sentuhan langsung
Contoh: Elektroskop didekati benda bermuatan
Contoh: Elektroskop didekati benda bermuatan
3. Konduksi
Pemindahan muatan melalui sentuhan
Contoh: Bola logam disentuh benda bermuatan
Contoh: Bola logam disentuh benda bermuatan
B. Jenis Muatan Listrik
Muatan Positif (+):
Benda yang kekurangan elektron.
Interaksi:
Benda yang kekurangan elektron.
Interaksi:
- + dengan + → tolak-menolak
- + dengan − → tarik-menarik
Muatan Negatif (−):
Benda yang kelebihan elektron.
Interaksi:
Benda yang kelebihan elektron.
Interaksi:
- − dengan − → tolak-menolak
- − dengan + → tarik-menarik
Hukum Elektrostatika:
- Muatan sejenis → tolak-menolak
- Muatan tidak sejenis → tarik-menarik
- Muatan dapat berpindah melalui konduktor
C. Contoh Benda Bermuatan dalam Kehidupan Sehari-hari
Penggaris Plastik
Digosok kain wol → menarik kertas kecil
Kain Wol
Digosok dengan plastik → bermuatan positif
Awan Petir
Gesekan antar awan → muatan listrik
Sisir Rambut
Sisir plastik digosok rambut → menarik rambut
Pulpen
Digosok baju → menarik kertas kecil
Baterai
Memiliki muatan positif dan negatif
D. Gaya Listrik (Gaya Coulomb)
Hukum Coulomb:
"Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan hasil kali kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan."
"Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan hasil kali kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan."
\[
F = k \times \frac{q_1 \times q_2}{r^2}
\]
- \(F\) = gaya Coulomb (N)
- \(k = 9 \times 10^9\) N·m²/C² (konstanta Coulomb)
- \(q_1, q_2\) = besar muatan (C)
- \(r\) = jarak antar muatan (m)
1. Gaya Coulomb Tiga Muatan dalam Satu Garis Lurus
\[
F_{total} = F_{12} + F_{13}
\]
(Perhatikan arah: gaya tarik menarik jika muatan berbeda, tolak menolak jika sejenis)
2. Gaya Coulomb Tiga Muatan dalam Segitiga
\[
\vec{F}_{total} = \vec{F}_{12} + \vec{F}_{13}
\]
Besar resultan: \[ F_{total} = \sqrt{F_{12}^2 + F_{13}^2 + 2F_{12}F_{13} \cos \theta} \]
Besar resultan: \[ F_{total} = \sqrt{F_{12}^2 + F_{13}^2 + 2F_{12}F_{13} \cos \theta} \]
E. Medan Listrik
Definisi Medan Listrik:
Medan listrik adalah daerah di sekitar muatan listrik yang masih mempengaruhi muatan lain.
Medan listrik adalah daerah di sekitar muatan listrik yang masih mempengaruhi muatan lain.
\[
E = \frac{F}{q}
\]
\[
E = k \times \frac{Q}{r^2}
\]
- \(E\) = medan listrik (N/C)
- \(F\) = gaya Coulomb (N)
- \(q\) = muatan uji (C)
- \(Q\) = muatan sumber (C)
- \(r\) = jarak dari muatan sumber (m)
Gambar Medan Listrik
Muatan Positif
Garis medan keluar dari muatan positif
Arah medan menjauhi muatan
Arah medan menjauhi muatan
Muatan Negatif
Garis medan masuk ke muatan negatif
Arah medan menuju muatan
Arah medan menuju muatan
Medan Listrik Tiga Muatan
Satu Garis Lurus
\(E_{total} = E_1 + E_2 + E_3\)
Perhatikan arah vektor medan
Perhatikan arah vektor medan
Segitiga
\(\vec{E}_{total} = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 + \vec{E}_3\)
Resultan menggunakan vektor
Resultan menggunakan vektor
F. Fluks Listrik dan Hukum Gauss
Fluks Listrik (\(\Phi_E\)):
Fluks Listrik adalah jumlah garis medan listrik yang menembus suatu permukaan.
Fluks Listrik adalah jumlah garis medan listrik yang menembus suatu permukaan.
\[
\Phi_E = E \times A \times \cos \theta
\]
- \(\Phi_E\) = fluks listrik (N·m²/C)
- \(E\) = medan listrik (N/C)
- \(A\) = luas permukaan (m²)
- \(\theta\) = sudut antara \(E\) dan garis normal permukaan
Hukum Gauss:
"Fluks listrik total yang melalui suatu permukaan tertutup sama dengan muatan total yang dilingkupi permukaan tersebut dibagi dengan permitivitas ruang hampa."
"Fluks listrik total yang melalui suatu permukaan tertutup sama dengan muatan total yang dilingkupi permukaan tersebut dibagi dengan permitivitas ruang hampa."
\[
\Phi_E = \oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \frac{Q_{tertutup}}{\varepsilon_0}
\]
- \(\varepsilon_0 = 8,85 \times 10^{-12}\) C²/N·m²
- \(Q_{tertutup}\) = muatan total dalam permukaan Gauss
Fluks Listrik pada Plat Sejajar
Plat Sejajar
Medan listrik seragam antara dua plat sejajar:
\[ E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} \] \[ \sigma = \frac{Q}{A} \]
\(\sigma\) = rapat muatan permukaan
\[ E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} \] \[ \sigma = \frac{Q}{A} \]
\(\sigma\) = rapat muatan permukaan
Bola Konduktor
Medan listrik pada bola konduktor:
\[ E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \times \frac{Q}{r^2} \]
Di dalam bola (r < R): \(E = 0\)
Di luar bola (r ≥ R): \(E \propto \frac{1}{r^2}\)
\[ E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \times \frac{Q}{r^2} \]
Di dalam bola (r < R): \(E = 0\)
Di luar bola (r ≥ R): \(E \propto \frac{1}{r^2}\)
G. Contoh Soal Literasi
Literasi:
Soal-soal berikut disajikan dalam bentuk cerita kehidupan sehari-hari untuk melatih kemampuan literasi sains dan penerapan konsep listrik statis dalam kehidupan nyata.
Soal-soal berikut disajikan dalam bentuk cerita kehidupan sehari-hari untuk melatih kemampuan literasi sains dan penerapan konsep listrik statis dalam kehidupan nyata.
Soal Literasi 1 (Gaya Coulomb)
Cerita:
Dua muatan listrik \(q_1 = 2 \times 10^{-6}\) C dan \(q_2 = 4 \times 10^{-6}\) C terpisah sejauh 0,2 m. (\(k = 9 \times 10^9\) N·m²/C²)
Berapa besar gaya Coulomb antara kedua muatan?
Dua muatan listrik \(q_1 = 2 \times 10^{-6}\) C dan \(q_2 = 4 \times 10^{-6}\) C terpisah sejauh 0,2 m. (\(k = 9 \times 10^9\) N·m²/C²)
Berapa besar gaya Coulomb antara kedua muatan?
N
Jawaban Benar:
\(F = 1,8\) N
Penyelesaian:
\(F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{2 \times 10^{-6} \times 4 \times 10^{-6}}{0,2^2}\)
\(F = 9 \times 10^9 \times \frac{8 \times 10^{-12}}{0,04} = 9 \times 10^9 \times 2 \times 10^{-10} = 1,8\) N
\(F = 1,8\) N
Penyelesaian:
\(F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{2 \times 10^{-6} \times 4 \times 10^{-6}}{0,2^2}\)
\(F = 9 \times 10^9 \times \frac{8 \times 10^{-12}}{0,04} = 9 \times 10^9 \times 2 \times 10^{-10} = 1,8\) N
Soal Literasi 2 (Fluks Listrik)
Cerita:
Medan listrik seragam 500 N/C menembus bidang seluas 2 m² dengan sudut 60° terhadap garis normal.
Berapa fluks listrik yang menembus bidang?
Medan listrik seragam 500 N/C menembus bidang seluas 2 m² dengan sudut 60° terhadap garis normal.
Berapa fluks listrik yang menembus bidang?
N·m²/C
Jawaban Benar:
\(\Phi_E = 500\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = E \times A \times \cos \theta = 500 \times 2 \times \cos 60°\)
\(\Phi_E = 1000 \times 0,5 = 500\) N·m²/C
\(\Phi_E = 500\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = E \times A \times \cos \theta = 500 \times 2 \times \cos 60°\)
\(\Phi_E = 1000 \times 0,5 = 500\) N·m²/C
Soal Literasi 3 (Hukum Gauss)
Cerita:
Sebuah permukaan Gauss berbentuk bola berjari-jari 0,1 m memiliki muatan total \(4 \times 10^{-8}\) C. (\(\varepsilon_0 = 8,85 \times 10^{-12}\) C²/N·m²)
Berapa fluks listrik yang melalui permukaan tersebut?
Sebuah permukaan Gauss berbentuk bola berjari-jari 0,1 m memiliki muatan total \(4 \times 10^{-8}\) C. (\(\varepsilon_0 = 8,85 \times 10^{-12}\) C²/N·m²)
Berapa fluks listrik yang melalui permukaan tersebut?
N·m²/C
Jawaban Benar:
\(\Phi_E = 4.519,77\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = \frac{Q}{\varepsilon_0} = \frac{4 \times 10^{-8}}{8,85 \times 10^{-12}} = 4.519,77\) N·m²/C
\(\Phi_E = 4.519,77\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = \frac{Q}{\varepsilon_0} = \frac{4 \times 10^{-8}}{8,85 \times 10^{-12}} = 4.519,77\) N·m²/C
H. Latihan Soal Interaktif
Kerjakan soal-soal berikut dengan mengisi kotak jawaban,
lalu klik Cek Jawaban untuk mengetahui kebenarannya!
Panduan Menambahkan Soal Baru & Gambar:
1. Menambahkan Gambar:
Ganti URL gambar pada tag
Ganti URL gambar pada tag
<img src="URL_GAMBAR_ANDA" alt="Deskripsi Gambar">
2. Menambahkan Soal Baru:
Copy blok
Copy blok
<div class="soal-interaktif" id="soalX">, ganti X dengan nomor soal,
dan tambahkan fungsi JavaScript sesuai pola.
Skor Anda
0 / 9
1 Gaya Coulomb
Dua muatan \(q_1 = 3 \times 10^{-6}\) C dan \(q_2 = 6 \times 10^{-6}\) C terpisah 0,3 m.
(\(k = 9 \times 10^9\) N·m²/C²) Berapa gaya Coulomb?
N
Jawaban Benar:
\(F = 1,8\) N
Penyelesaian:
\(F = 9 \times 10^9 \times \frac{3 \times 10^{-6} \times 6 \times 10^{-6}}{0,3^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{18 \times 10^{-12}}{0,09} = 1,8\) N
\(F = 1,8\) N
Penyelesaian:
\(F = 9 \times 10^9 \times \frac{3 \times 10^{-6} \times 6 \times 10^{-6}}{0,3^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{18 \times 10^{-12}}{0,09} = 1,8\) N
2 Medan Listrik
Muatan \(Q = 5 \times 10^{-6}\) C pada jarak 0,2 m. (\(k = 9 \times 10^9\) N·m²/C²)
Berapa medan listrik?
N/C
Jawaban Benar:
\(E = 1.125.000\) N/C
Penyelesaian:
\(E = 9 \times 10^9 \times \frac{5 \times 10^{-6}}{0,2^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{5 \times 10^{-6}}{0,04} = 1.125.000\) N/C
\(E = 1.125.000\) N/C
Penyelesaian:
\(E = 9 \times 10^9 \times \frac{5 \times 10^{-6}}{0,2^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{5 \times 10^{-6}}{0,04} = 1.125.000\) N/C
3 Fluks Listrik
Medan listrik 200 N/C menembus bidang 3 m² dengan sudut 0° (tegak lurus).
Berapa fluks listrik?
N·m²/C
Jawaban Benar:
\(\Phi_E = 600\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = E \times A \times \cos \theta = 200 \times 3 \times 1 = 600\) N·m²/C
\(\Phi_E = 600\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = E \times A \times \cos \theta = 200 \times 3 \times 1 = 600\) N·m²/C
4 Hukum Gauss
Muatan \(2 \times 10^{-7}\) C dilingkupi permukaan Gauss.
(\(\varepsilon_0 = 8,85 \times 10^{-12}\) C²/N·m²)
Berapa fluks listrik?
N·m²/C
Jawaban Benar:
\(\Phi_E = 22.598,87\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = \frac{Q}{\varepsilon_0} = \frac{2 \times 10^{-7}}{8,85 \times 10^{-12}} = 22.598,87\) N·m²/C
\(\Phi_E = 22.598,87\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = \frac{Q}{\varepsilon_0} = \frac{2 \times 10^{-7}}{8,85 \times 10^{-12}} = 22.598,87\) N·m²/C
5 Medan Listrik Bola Konduktor
Bola konduktor berjari-jari 0,05 m memiliki muatan \(3 \times 10^{-6}\) C.
(\(k = 9 \times 10^9\) N·m²/C²) Berapa medan listrik pada jarak 0,1 m dari pusat bola?
N/C
Jawaban Benar:
\(E = 2.700.000\) N/C
Penyelesaian:
\(E = k \frac{Q}{r^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{3 \times 10^{-6}}{0,1^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{3 \times 10^{-6}}{0,01} = 2.700.000\) N/C
\(E = 2.700.000\) N/C
Penyelesaian:
\(E = k \frac{Q}{r^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{3 \times 10^{-6}}{0,1^2} = 9 \times 10^9 \times \frac{3 \times 10^{-6}}{0,01} = 2.700.000\) N/C
6 Jenis Muatan
Benda yang kekurangan elektron memiliki muatan...
Jawaban Benar:
Positif
Penjelasan:
Benda yang kekurangan elektron bermuatan positif. Benda yang kelebihan elektron bermuatan negatif.
Positif
Penjelasan:
Benda yang kekurangan elektron bermuatan positif. Benda yang kelebihan elektron bermuatan negatif.
7 Medan Listrik - Garis Medan
Garis medan listrik pada muatan positif memiliki arah...
Jawaban Benar:
Keluar dari muatan
Penjelasan:
Garis medan listrik pada muatan positif keluar dari muatan, sedangkan pada muatan negatif masuk ke muatan.
Keluar dari muatan
Penjelasan:
Garis medan listrik pada muatan positif keluar dari muatan, sedangkan pada muatan negatif masuk ke muatan.
8 Fluks Listrik - Sudut
Medan listrik 100 N/C menembus bidang 2 m² dengan sudut 60° terhadap normal.
Berapa fluks listrik?
N·m²/C
Jawaban Benar:
\(\Phi_E = 100\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = E \times A \times \cos \theta = 100 \times 2 \times \cos 60° = 200 \times 0,5 = 100\) N·m²/C
\(\Phi_E = 100\) N·m²/C
Penyelesaian:
\(\Phi_E = E \times A \times \cos \theta = 100 \times 2 \times \cos 60° = 200 \times 0,5 = 100\) N·m²/C
9 Medan Listrik Plat Sejajar
Dua plat sejajar memiliki rapat muatan \(\sigma = 2 \times 10^{-6}\) C/m².
(\(\varepsilon_0 = 8,85 \times 10^{-12}\) C²/N·m²)
Berapa medan listrik antar plat?
N/C
Jawaban Benar:
\(E = 225.988,7\) N/C
Penyelesaian:
\(E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} = \frac{2 \times 10^{-6}}{8,85 \times 10^{-12}} = 225.988,7\) N/C
\(E = 225.988,7\) N/C
Penyelesaian:
\(E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} = \frac{2 \times 10^{-6}}{8,85 \times 10^{-12}} = 225.988,7\) N/C