MATA KULIAH KODE MK Dosen
: FISIKA DASAR II : EL-122 : Dr. Budi Mulyanti, MSi
Pertemuan ke-1 CAKUPAN MATERI 1. MUATAN LISTRIK 2. HUKUM COULOMB
SUMBER-SUMBER: 1. Frederick Bueche & David L. Wallach, Technical Physics, 1994, New York, John Wiley & Sons, Inc 2. Tipler, Fisika Untuk sains dan Teknik (terjemah oleh Bambang Soegijono), Jakarta, Penerbit Erlangga, 1991 3. Gancoli Douglas C, Fisika 2 (terjemah), 2001, Penerbit Erlangga, Edisi 5. 4. Sears & Zemansky, Fisika Untuk Universitas 3 (Optika & Fisika Modern), 1991, Jakarta-New York, Yayasan Dana Buku Indonesia 5. Frederick J. Bueche, Seri Buku Schaum Fisika, 1989, Jakarta, Penerbit Erlangga 6. Halliday & Resnick, Fisika 2, 1990, Jakarta, Penerbit Erlangga 7. Sutrisno, Seri Fisika Dasar (Fisika Modern), 1989, Bandung, Penerbit ITB
ELEKTROSTATIKA
1.1 MUATAN LISTRIK Pada tahun 500 SM, orang Yunani menemukan bahwa batu ambar yang digosok dapat menarik benda-benda kecil. Batu ambar tersebut memperoleh muatan listrik dengan cara digosok. Asal kata ‘electricity’ (listrik) adalah dari elektron, yang artinya batu ambar. Selain batu ambar benda yang bermuatan listrik statik adalah sisir, kertas dalam mesin cetak. Macam muatan listrik: -
muatan positif
-
muatan negatif
Muatan yang sejenis akan tolak menolak, sedangkan muatan yang tidak sejenis tarik menarik. Disamping ada gaya tarik menarik yang disebabkan oleh muatan yang berlawanan, bekerja pula gaya gravitasi. Namun gaya gravitasi ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan gaya elektrostatiska. Proses mendapatkan muatan listrik Pada akhir abad
XIX, disimpulkan bahwa muatan listrik diperoleh karena
berpindahnya elektron dari satu atom ke atom lainnya, jadi ada atom yang kehilangan dan ada atom yang memperoleh elektron, sehingga dikatakan elektron sebagai pembawa muatan.
Struktur Atom
Atom terdiri dari partikel-partikel: - elektron (bermuatan negatif) - proton (bermuatan positif) - netron (netral/tidak bermuatan)
Proton dan netron terletak di dalam inti atom, sehingga muatan inti atom positif.
Diameter inti atom : ± 10 −12 cm.
Di luar inti, terdapat elektron, dengan diameter lintasan 2 − 3 x10 −8 cm.
Atom dikatakan netral, jika: jumlah proton = jumlah elektron
Proses ionisasi adalah proses berkurang/bertambahnya elektron di dalam atom. -
ion negatif: ion yang memperoleh tambahan elektron
-
ion positif: ion yang kehilangan/melepaskan elektron
Massa elektron
Elektron memiliki massa yan jauh lebih kecil dibandingkan dengan massa proton/massa netron. Massa proton = massa netron = 1840 x massa elektron, sehingga seluruh massa atom dapat dikatakan terpusat dalam inti atom.
Untuk menghitung massa proton, digunakan atom H. Untuk 1 mol H massanya l gram. 1 mol H terdiri dani 6,02 x 1023 partikel H sehingga: massa 1 atom H =
1 x 1 gram 6.02 x10 23
= 1,67 x 10-24 gram
karena dalam 1 atom H hanya ada 1 proton dan 1 elektron, maka dapat disimpulkan massa proton = 1,67 X 10-24 gram, sedangkan massa elektron = 9,11 x 10-28 gram.
1.2 HUKUM COULOMB Charles A. de Coulomb (17 84) menghitung secara kuantitatif gaya tarik / tolak antara 2 muatan titik. Yang dimaksud dengan muatan titik adalah jika ukuran benda yang bermuatan jauh lebih kecil dibandingkan dengan jarak yang memisalhkan muatan- muatan tersebut. Hukum Coulomb: gaya tarik menarik / tolak menolak antara 2 muatan titik adalah berbanding lurus dengan hasil kali kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan titik tersebut. Secara matematis: Fe = k
dengan: k =
1 4πε o
qq ′ r2
= 9 x10 9 Nm 2 C − 2
atau ε 0= 8,85x10-12C2/Nm2 (permitivitas vacuum) Muatan 1 coulomb :
karena muatan 1 elektron = 1,6 x 10-19 C, maka 1 coulomb adalah muatan dari:
1 = 6,25 × 1018 elektron. 1.6 x10 −19 Contoh: Bandingkan besar gaya elektrosatatik dan gaya gravitasi antara 2 atom Helium yang terionisasi, He Æ He++ muatan He++ = +3,2 x 10-19 C massa He = 6,68 × 10 −27 kg Fe = k
(
)(
−19 qq ′ 3,2 × 10 −19 9 3,2 × 10 = 9 × 10 r2 r2
Fg = G
(
)
)(
−27 m1 m2 6,68 × 10 −27 −11 6,68 × 10 = 6 , 7 × 10 r2 r2
Maka perbandingan:
)
Fe k q2 = = 3,1 × 10 35 Fg G m 2
sehingga Fe » Fg Disamping adanya gaya elektrostatik dan gaya gravitasi ada gaya nuklir yang mengikat proton dan neutron membentuk inti atom. Gaya nuklir ini jauh lebih besar dibandingkan dengan gaya elektrostatik. Gaya tarik elektrostatik antara proton dan elektron menimbulkan gaya sentripetal yang menahan elektron tetap pada orbitnya. Soal-soal: 1. Pada gambar di bawah ini terdapat 3 buah muatan : q1, q2 dan q3.
Gambar Menghitung gaya yang bekerja pada muatan q1 oleh q2 dan q3 Jika diketahui:
q1 = 2,0x10-6 C q2 = 3,0x10-6 C q3 = -1,0x10-6 C Berapakah gaya yang bekerja pada q1. Jika diketahui : Muatan q1 terletak di pusat koordinat. Jarak antara muatan q1 dan q2 adalah: γ12 =15 cm Dan jarak antara muatan q1 dan q3 adalah γ13 = 20 cm Dan sudut antara sumbu x dengan γ13, θ = 60° 2. Jika jarak γ antara elektron dan proton di dalam atom H adalah
5,3x10-11m,
berapakah besar : a.Gaya listrik kedua partikel tersebut b.Gaya gravitasi kedua partikel tersebut Jika diketahui : qe= -1,6x10-19 C
qp= 1,6x10-19 C
me= 9,1x10-31 kg
mp= 1,7x10-27 kg
3. Gaya elektrostatik di antara 2 ion yang serupa yang dipisahkan oleh jarak 5x10-10 m adalah 3,7x10-9N. a.Berapakah muatan pada tiap ion b.Berapakah elektron yang hilang dari setiap ion
