TUGAS MANDIRI 3-FISIKA DASAR-KAMPUS ITBI MILENIAL
Nama: falensius mendrofa
Kelas: pagi
Jurusan: teknik industri s1
Elektrostatika adalah cabang fisika yang berkaitan dengan gaya yang dikeluarkan oleh medan listrik statik (tidak berubah/bergerak) terhadap objek bermuatan yang lain.

Konsep-konsep dasar elektrostatika
Sejarah kelistrikan diawali dengan diamatinya bahan ambar atau resin yang dalam bahasa Yunani berarti Elektron, yang apabila bahan tersebut digosok dengan kulit binatang berambut akan dapat menarik benda–benda halus yang ringan yang setelah menempel padanya lalu ditolaknya. Sifat demikian ternyata tertularkan pada benda lain yang disinggungkan atau yang ditempelkan padanya, yang oleh karenanya benda itu lalu dikatakan bermuatan “keambaran” atau resinious. Hal yang sama ternyata terjadi pula pada kaca yang digosok dengan kain sutera, yang penularannya menjadikan benda lain yang ditempelkan padanya bermuatan “kekacaan” atau vitrious. Pada tahun 1733,Francois du Fay menemukan kenyataan bahwa di alam hanya ada dua jenis muatan saja, yaitu muatan resinious dan vitrious, dan dua benda yang muatannya sama akan tolak–menolak dan sebaliknya dua benda akan tarik–menarik jika muatannya berbeda. Kemudian Benjamin Franklin(1706–1790) menemukan kenyataan bahwa dua jenis muatan resinious dan vitrious itu kalau digabungkan akan saling meniadakan seperti halnya dengan bilangan positif dan negatif. Sejak itu muatan resinious disebut muatan listrik negatif dan vitrious disebut dengan muatan listrik positif. Melanjutkan percobaan Michelson dan Carlisle tentang elektrolisa, Michael Faraday (1791–1867)pada tahun 1883 mengemukakan terkuantisasinya muatan listrik menjadi unit–unit muatan, yang kemudian oleh Stoney pada tahun 1874, yang diperkuat oleh J.J. Thomson pada tahun 1897, dihipotesiskan adanya partikel pembawa muatan listrik yang lalu dinamakan elekron. Sebagai resin, elektron dikatakan menghasilkan muatan listrik negatif maka elektron pun akan bermuatan listrik negatif.
Hukum Coulomb
Meskipun J.C. Maxwell (1831-1879) berhasil memadukan semua hukum dan rumus kelistrikan dalam bentuk empat persamaan yang lalu dikenal sebagai persamaan maxwell sedemikian hingga semua gejala kelistrikan selalu dapat diterangkan berdasarkan atau dijabarkan dari keempat persamaan itu, pada hakikatnya keempat persamaan itu dapat dipadukan menjadi atau dapat dijabarkan dari hukum Coulomb: yakni yang menyatakan bahwa gaya antara dua muatan listrik q1 dan q2 akan sebanding dengan banyaknya muatan listrik masing–masing serta berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara kedua muatan listrik tersebut, serta tergantung pada medium di mana kedua muatan itu berada, yang dalam perumusannya ditetapkan oleh suatu tetapan medium k. Jadi hukum Coulomb merupakan hukum yang fundamental dalam ilmu kelistrikan, yang mendasari semua hukum dan rumus kelistrikan, seperti halnya hukum 'inisial Newton' dalam mekanika yang mendasari semua hukum dan rumus mekanika. Dalam sistem satuan m.k.s, tetapan medium k tertuliskan sebagai 1/(4 π ε ), sehingga hukum Coulomb menjadi berbentuk:
dan ε disebut permitivitas medium. Dengan F positif berarti gaya itu tolak-menolak dan sebaliknya F negatif berarti tarik–menarik.
Medan Listrik
Adanya muatan listrik di dalam ruang akan menyebabkan setiap muatan listrik yang ada di dalam ruangan itu mengalami gaya elektrostatis Coulomb, yaitu yang menurutkan hukum Coulomb di atas. Oleh sebab itu dikatakan bahwa muatan listrik akan menimbulkan medan listrik disekitarnya. Medan listrik dikatakan kuat apabila gaya pada muatan listrik di dalam ruangan bermedan listrik itu besar. Tetapi gaya coulomb itu besar terhadap muatan listrik yang banyak sehingga didefinisikan kuat medan listrik sebagai gaya pada satu satuan muatan listrik. Jadi dari hukum Coulomb di atas, kuat medan listrik oleh titik muatan listrik q adalah:
Di mana r ialah vektor satuan arah radial dari titik muatan q .
Sebagaimana gaya adalah besaran vektormaka begitu juga kuat medan listrik sehingga kuat medan listrik oleh beberapa titik muatan listrik q1, q2, q3, … sama dengan jumlah vektor–vektor kuat medan listrik oleh masing–masing titik muatan listrik, yaitu:
Garis Gaya Medan Listrik
Garis gaya medan listrik bukanlah besaran nyata melainkan suatu abstraksi atau angan–angan atau gambaran yang menyatakan arah medan listrik di berbagai tempat di dalam ruang bermedan listrik, yakni yang polanya menyatakan distribusi arah medan listrik. Arah medan listrik setempat, yaitu pada arah garis gaya di tempat itu, sudah tentu menyinggung garis gaya di tempat tersebut. Pada hakikatnya memang setiap titik pasti dilalui suatu garis gaya, sehingga garis–garis gaya akan memenuhi seluruh ruangan. Tetapi seandainya semua garis gaya kita gambarkan, maka sistem pola garis dari gaya itu tidak akan tampak. Oleh sebab itu banyak garis gaya yang dilukis harus dibatasi, misalnya sebanyak muatan yang memancarkannya; artinya, banyak garis gaya yang digambarkan, yang memancar dari titik muatan listrik q adalah juga sebanya q saja, agar pola sistem garis gaya itu tampak dan memiliki makna, yang kecuali menyatakan distribusi arah medan listrik juga memperlihatkan distribusi kuat medan listrik di mana yang bagian garis gayanya rapat, medan listriknya juga rapat. Untuk medan listrik oleh titik muatan q, menurut hukum coulomb, kuat medan listriknya berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Tetapi dengan melukis sebanyak q garis gaya yang memancarkan radial merata dari titik muatan q, suatu permukaan bola berjari–jari r yang berpusat di q akan ditembus tegak lurus leh flux garis gaya yang sebanyak q, yakni
sama dengan q, sehingga rapat garis gaya yang didefinisikan sebagai banyaknya garis gaya yang menembus suatu satuan luas permukaan tegak lurus pada permukaan bola itu diberikan oleh:
dengan D yang disebut induksi elektrik. Jadi induksi elektrik setempat diberikan oleh rapat flux garis gaya medan listrik di tempat itu yaitu:
Yang berarti kuat medan listrik setempat sebanding dengan rapat flux garis gaya medan listrik di tempat itu. Dengan definisi serta pengertian garis gaya medan listrik seperti yang diutarakan di atas, maka garis gaya tersebut memiliki sifat–sifat sebagai berikut:
- Tidak berpotongan satu sama lain, sebab arah medan listrik setempat adalah pasti.
- Kontinu, sebab medan listrik ada di setiap titik di dalam ruang.
- Seolah–olah ditolak oleh muatan positif dan sebaliknya ditarik oleh muatan negatif.
- Dipotong tegak lurus oleh bidang–bidang equipotensial sebab usaha yang dilakukan satu satuan muatan listrik dari sutu titik ke titik lain di bidang equipotensial adalah nol karena tidak ada perubahan tenaga potensial, yang harus berarti arah gaya medannya, yaitu arah garis gaya medannya, selalu tegak lurus bidang equipotensial tersebut.
Potensial Listrik
Sejalan dengan tenaga potensial dalam mekanika, potensial listrik didefinisikan sebagai yang sedemikian hingga turunnya tenaga potensial dari suatu titik A ke titik B sama dengan usaha yang dilakukan oleh satu satuan muatan listrik selama bergerak dari A ke B. Untuk medan listrik yang oleh satu titik muatan q turunnya potensial listrik itu menjadi: yang dengan mengambil VB = 0 untuk rB =
, yakni dengan menyatakan potensial listrik itu di tempat yang jauh tak terhingga dari q adalah nol, sejalan dengan tiadanya potensi untuk melakukan usaha sebab kuat medan listrik E di r =
adalah nol, kita dapat merumuskan potensial listrik oleh titik muatan listrik q di tempat sejauh r dari titik muatan itu sebagai:
yang sama dengan usaha yang sama dengan oleh satu satuan muatan listrik yang bergerak dari tempat sejauh r dari q, ke tempat tak terhingga jauhnya dari q, atau dapat juga dikatakan sama dengan usaha yang diperlukan untuk mengambil satu satuan muatan listrik dari tempat jauh tak terhingga ke tempat sejauh r dari titik muatan q. Selanjutnya didefinisikanlah satuan potensial volt. Jikalau usaha yang dilakukan oleh 1 coulomb muatan listrik adalah 1 joule maka turunan potensial adalah 1 volt, di mana muatan listrik satu coulomb adalah yang pada pemindahannya dalam pengendapan elektrolit mengendapkan 1,118 miligram Ag dari larutan elektrolit AgNO3. jelaslah bahwa untuk Q coulomb muatan yang melintasi benda potensial V volt, diperlukan usaha sebesar QV joule yang berarti coulomb Volt = joule. Lebih lanjut, dalam hukum Coulomb, satuan permitivitas medium adalah yang sedemikian hingga apabila satuan untuk muatan listrik q adalah coulomb dan satuan untuk jarak adalah meter, maka satuan untuk gaya elektrostatika Coulomb adalah Newton. Jadi untuk satuan permitivitas medium itu ialah coulomb2/ (newton meter) Sejalan dengan yang berlaku dalam mekanika di mana gaya F = - gradien potensial, maka dalam elektrostatika juga berlaku hubungan kuat medan listrik E = - gradien potensial listrik V atau dirumuskan:
] Di mana
ialah operator deferensial vektor nabla Laplace, yaitu:
Dengan i, j, k, adalah vektor–vektor satuan panjang sumbu–sumbu koordinat X, Y, Z di dalam sisitem koordinat cartesius.
Tenaga Sistem Titik-titik Muatan Listrik
Yang dimaksud dengan tenaga sistem atau himpunan titik–titik muatan listrik di sini ialah tenaga yang diperlukan untuk menghimpun ataupun tenaga yang dikandung sistem titik–titik muatan listrik tersebut, yang adalah sama dengan usaha yang dilakukan oleh titik–titik muatan itu seandainya dibiarkan berserakan menuju jauh tak terhingga. Untuk menjelaskan penjabaran rumusnya, kita perhatikan Gambar 1.3 yang memeperlihatkan himpunan titik–titik muatan q1 yang berada di tempat potensial V1, q2 di tempat potensial listrik V2 dan seterusnya. U1 = 0 U2 = q2V21 U3 = q3V31 + q3V32 U4 = q4V41 + q4V42 + q4V43 U = U1 + U2 + U3 + U4 Misalkan penghimpunan titik–titik muatan itu kita mulai dengan mengambil titik muatan q1 dari tempat jauh tak terhingga. Untuk ini tidak perlu melakukan usaha, sebab tidak ada tidak ada medan listrik yang harus diatasinya. Tetapi untuk mengambil q2 dari tempat jauh tak terhingga ke tempatnya yang diperlukan usaha karena diperlukan gaya untuk mengatasi medan listrik yang ditimbulkan oleh q1 dan usaha itu adalah sebesar U2 = q2V21 di mana V21 adalah potensial listrik di tempat q2 karena adanya muatan listrik q1, demikian seterusnya secara umum kita dapat menulis: dan
Di mana U adalah tenaga sistem yang dimaksud. Adapun potensial listrik di tempat qi diberikan oleh jumlah yang ada pada masing–masing muatan lainnya, yaitu:
Di lain pihak qiVij = qjVji
Elektrostatika Untuk Terapi
Yang dimaksud dengan elektrostatika untuk terapi adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, yang statis (tidak berubah/bergerak) seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya dengan tegangan 9000 Volt yang bisa digunakan untuk kesehatan (Terapi Medan Elektrostatis). Secara sederhana energi elektrostatis dapat dihasilkan dengan menggosok dua buah isolator. Gaya elektrostatis yang timbul dapat menarik potongan kertas atau rambut berdiri. Terapi elektrostatis merupakan terapi yang dapat menciptakan tekanan seimbang ion dalam tubuh, terutama zat ion (ion postasium, sodium, magnesium, kalsium, dll.) dalam tubuh yang akan membuat tubuh menjadi lebih rileks. Terapi ini menggunakan tegangan listrik sebesar 9000 Volt dengan getaran 50x/detik (frekuensi 50 Hz) yang akan mampu untuk menggetarkan kotoran-kotoran yang menggumpal dan menempel pada dinding-dinding pembuluh darah, sehingga akan merontokkannya secara perlahan-lahan dan dalam kurun waktu 1 minggu dengan terapi 1 jam per 1 kali terapi untuk keluhan hipertensi akan berkurang atau bahkan sembuh dengan mengembalikan elastisitas pembuluh darah dengan vibrilasi yang timbul akibat stimulus listrik dengan menjadikan ruptur plak dalam pembuluh darah serta energi panas yang memvasodilatasi pembuluh darah. Manfaat dari terapi medan elektrostatis ini antara lain membersihkan saluran darah, dengan getaran 50x/detik dengan tegangan listrik 9000 volt yang akan dikeluarkan melalui saluran pembuangan kita yaitu: urine, keringat dan juga kotoran (BAB), meningkatkan daya tahan tubuh, menambahkan Ion negatif dalam tubuh, membuang sel yang tidak baik (sel yang sudah mati), mempercepat pertumbuhan tulang dan mengurangi keropos tulang, meningkatkan produksi kalsium dalam tubuh, mempertahankan PH tubuh, menghacurkan lemak, kolesterol jahat dalam tubuh, mempercepat pemecahan gula dalam darah, kolesterol dalam darah, menguatkan otot jantung, fungsi paru-paru, tanpa efek samping, tanpa menggunakan obat-obatan, dan tanpa suntikan. Biasanya penggunaan terapi medan elektrostatis ini akan terasa khasiatnya terhadap tubuh setelah dilakukan 7 kali atau 1 minggu. (Baik dilakukan berturut-turut ataupun tidak)Terapi ini juga termasuk ke dalam terapi komplementer karena selain menstabilkan ion tubuh, medan magnet yang ditimbulkan oleh terapi ini akan bervibrasi sehingga timbul panas. Terkait materi selengkapnya ada dalam Biolistrik.
Dielektrik
Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrikyang dapat dikutubkan (polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti bahan konduktor, tetapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun.[1] Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, tetapi juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik.[2]
Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknya rendah, seperti "dielektrik", tetapi istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya mengubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor.[2]
Penelitian tentang sifat-sifat bahan dielektrik berhubungan erat dengan kemampuannya menyimpan dan melepaskan energi listrik dan magnetik.[3] Sifat-sifat dielektrik sangat penting untuk menjelaskan berbagai fenomena dalam bidan elektronika, optika, dan fisika zat padat.
Istilah "dielektrik" pertama kali dipergunakan oleh William Whewell (dari kata "dia" dari yunani yang berarti "lewat" dan "elektrik") sebagai jawaban atas permintaan dari Michael Faraday.[4]
Kapasitor.
Kapasitor yang diproduksi untuk komersial biasanya menggunakan bahan dielektrik padat yang memiliki permitivitas tinggi sebagai pemisah antara muatan positif dan negatif yang disimpan. Bahan ini sering pula disebut sebagai "dielektrik kapasitor".[6]
Keuntungan yang jelas terlihat jika menggunakan bahan dielektrik semacam ini adalah mencegah dua plat konduktor yang mana terdapat muatan listrik saling berhubungan langsung. Dan yang lebih penting, permitivitas tinggi memungkinkan lebih banyak muatan listrik yang tersimpan pada potensial yang sama. Kerapatan muatan listrik σε yang bisa disimpan jika menggunakan bahan dielektrik linear dengan permitivitas ε dan ketebalan d untuk memisah dua konduktor dapat dihitung dengan
dan kapasitansi per satuan luas adalah
Dari sini, bisa kita lihat bahwa semakin besar ε makin besar pula muatan yang disimpan (σε) dan akhirnya makin besar pula nilai kapasitansinya.
Bahan dielektrik yang digunakan dalam kapasitor juga dipilih yang sulit terionisasiagar kapasitor dapat dipergunakan pada potensial tinggi tanpa khawatir bahan dielektrik terionisasi dan mengalirkan arus (arus bocor).
2.konsep energi elektrostatik
TEORI DASAR
11.1 Teori Elektrostatik
Di alam terdapat dua jenis muatan listrik, yaitu muatan listrik positif dan
muatan listrik negatif Suatu benda dikatakan bermuatan listrik bila benda
tersebut memiliki kelebihan elektron (bermuatan negatif) atau kekurangan
elektron (bermuatan positif).
Dua muatan titik q dan Q yang diam satu sama lain dan berada pada posisi
rl dan r2 dari jar& 0, jar& muatan q dan muatan Q adalah r = rl - r2. Menurut
hukum Coulomb kedua muatan titik tersebut melakukan gaya satu sama lain
yang besarnya berbanding lurus dengan besar muatannya dan berbanding
terbalik dengan jar& antara kedua muatan-muatan tersebut. Sehingga muatan q
akan mengalami gaya Coulomb sebesar:
Persamaan 2.1 dapat diperluas untuk sistem muatan yang terdiri dari N
buah titik muatan, yaitu: ql, q2, ..., q~ yang berada pada posisi rl, r2, ..., r~.. Sistem muatan yang terdiri dari N buah titik muatan
Besarnya gaya Coulomb yang diderita muatan ke i yang disebabkan oleh
titik-titik muatan lainnya adalah:
Untuk sistem muatan yang homogen dimana muatan terdistribusi secara
merata pada beberapa bagian yang sama, gaya Coulomb dapat ditentukan dengan
mengunakan konsep rapat muatan. Untuk muatan yang beradaltersebar
disepanjang garis, dilambangkan dengan h (muatan persatuan panjang).
& A = lim -
N-*O A/
Untuk muatan yang terdistribusi di dalam suatu volume, dilambangkan dengan p(rapat muatan volume) dinyatakan dengan:p = lirn -
Dan muatan yang tersebar pada permukaan dapat dinyatakan dengan rapat
muatan permukaan yang dilambangkan dengan o:
Acl o = lim -
&-to AQ
Dengan membagi ke dalam daerah yang sangat kecil sebagai muatan
sumber dan dengan menyatakan qi sebagai o(r') da' dan p(r') dv' (variabel r'
digunakan untuk menyatakan suatu titik pada muatan yang terdistribusi pada
permukaan atau volume) maka gaya Coulomb untuk muatan yang terdistribusi
tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:
Adanya gaya F yang dialami oleh muatan q pada persamaan 2.1 dapat
dipandang bahwa dalam ruangan di mana q berada terdapat medan listrik yang
dibangkitkan oleh muatan Q. Besarnya kuat medan listrik E pada suatu titik r
didefinisikan sebagai limit dari rasio besarnya gaya yang diderita muatan, qdengan besarnya muatan tersebut.
-L .-. A
Atau I', E=lim-
q-to q.Dari definisi di atas dapat dinyatakan bahwa muatan q hams dipilih
sedemikian kecilnya sehingga kehadiran q tidak menganggu distribusi muatan Q.
Hal ini akan menyebabkan medan listrik yang dibangkitkan oleh muatan Q tidak
berubah, sehingga hat medan listrik pada titik r adalah:
Untuk kuat medan listrik pada titik yang dibangkitkan oleh N buah titik
muatan yang mempunyai distribuasi muatan yang rapat volumenya p(r') dan
rapat pennukaannya o(r'), dapat ditulis:
Dari teorema divergensi diketahui bahwa jika curl dari suatu vektor sama
dengan nol, maka vektor tersebut merupakan gradien dari fhngsi skalar. Vektor
medan listrik E(r) memenuhi kriteria ini yaitu V x E(r)=O. Fungsi skalar untuk
kuat medan disebut Potensial Elektrostatik (V). Secara umum dinyatakan
dengan:
i(?) = -v V(?)
V(F) = -J ~(?)dr
Potensial elektrostatik untuk muatan q dapat dinyatakan sebagai berikut:Sedangkan untuk potensial listrik yang dibangkitkan oleh N buah titik muatan
dan untuk distribusi muatan kontiniu didapat :
Dari persamaan 2.7, F = qE maka dapat dikatakan bahwa hat medan (E) adalah
gaya Coulomb (F) untuk q = 1 satuan muatan, sehingga potensial elektrostatik
V(r) tidak lain adalah energi potensial untuk satu satuan muatan. Sehingga
potensial elektrostatik dapat dinyatakan dalam bentuk potensial skalar yang
diberikan dalam bentuk densitas muatan sebagai berikut:

Komentar
Posting Komentar