BAB 23 MEDAN LISTRIK: KARAKTERISTIK MUATAN LISTRIK

Bab 23

Medan listrik

23.1 Karakteristik Muatan Listrik

23.2 Pengisian Muatan Objects oleh Induksi

23.3 Hukum Coulomb

23.4 Medan Listrik

23,5 Medan Listrik dari Distribusi Muatan Kontinue

23.6 Medan Listrik Garis

23,7 Gerak dari partikel bermuatan di Medan Listrik Uniform (Seragam)

Dalam bab ini, kita mulai mempelajari elektromagnetisme. Hubungan ke penelitian kita sebelumnya adalah melalui konsep gaya. Gaya elektromagnetik antara partikel bermuatan adalah salah satu gaya dasar alam. Kita mulai dengan menjelaskan beberapa sifat dasar salah satu manifestasi dari gaya elektromagnetik, yaitu gaya listrik. Kita kemudian mendiskusikan hukum Coulomb, yang merupakan hukum dasar yang mengatur gaya listrik antara dua partikel bermuatan. Selanjutnya, kita memperkenalkan konsep medan listrik terkait dengan distribusi muatan dan menjelaskan efeknya pada partikel bermuatan lainnya. Kita kemudian menunjukkan bagaimana menggunakan hukum Coulomb untuk menghitung medan listrik untuk distribusi muatan yang diberikan. Bab ini diakhiri dengan diskusi tentang gerak partikel bermuatan dalam medan listrik seragam.

23.1 Karakteristik Muatan Listrik

Sejumlah percobaan sederhana menunjukkan adanya gaya listrik. Misalnya, setelah menggosok balon pada rambut Anda pada hari kering, Anda akan menemukan bahwa balon menarik potongan kertas. Gaya yang menarik kertas cukup kuat untuk menangguhkan kertas dari balon.

Ketika bahan berperilaku dengan cara ini, mereka dikatakan menimbulkan listrik atau telah menjadi bermuatan listrik. Anda dapat dengan mudah menggemparkan tubuh Anda dengan penuh semangat menggosok sepatu Anda di atas karpet wol. Bukti muatan listrik pada tubuh Anda dapat dideteksi dengan menyentuh ringan (dan mengejutkan) teman. Dalam kondisi yang tepat, Anda akan melihat percikan saat Anda menyentuh dan Anda berdua akan merasa tergelitik sedikit. (Eksperimen seperti ini bekerja terbaik pada hari kering karena jumlah berlebihan kelembaban di udara dapat menyebabkan muatan yang Anda bangun "bocor" dari tubuh Anda ke bumi.)

Dalam serangkaian percobaan sederhana, ditemukan bahwa ada dua jenis muatan listrik, yang diberi nama positif dan negatif oleh Benjamin Franklin (1706-1790). Elektron yang diidentifikasi memiliki muatan negatif, dan proton yang bermuatan positif. Untuk memverifikasi bahwa ada dua jenis muatan, misalkan batang karet keras yang telah digosokkan pada bulu ditangguhkan oleh senar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 23.1. Ketika batang kaca yang telah digosok pada sutra didekatkan ke batang karet, keduanya menarik satu sama lain (Gambar 23.1a). Di sisi lain, jika dua batang karet bermuatan (atau dua batang kaca bermuatan) didekatkan satu sama lain seperti yang ditunjukkan pada Gambar 23.1b, keduanya saling tolak. Pengamatan ini menunjukkan bahwa karet dan kaca memiliki dua jenis muatan pada mereka. Berdasarkan pengamatan ini, kita menyimpulkan bahwa muatan dengan tanda yang sama tolak-menolak satu sama lain dan muatan dengan tanda-tanda yang berlawanan saling menarik satu sama lain.

Menggunakan konvensi yang disarankan oleh Franklin, muatan listrik pada batang kaca disebut muatan positif dan pada batang karet disebut muatan negatif. Oleh karena itu, setiap objek bermuatan tertarik ke batang karet bermuatan (atau ditolak oleh batang kaca bermuatan) harus memiliki muatan positif, dan benda bermuatan ditolak oleh batang karet bermuatan (atau tertarik pada batang kaca bermuatan) harus memiliki muatan negatif .

Aspek penting lainnya dari listrik yang muncul dari pengamatan eksperimen adalah bahwa muatan listrik selalu dikonservasi dalam sebuah sistem yang terisolasi. Artinya, ketika salah satu objek digosok terhadap yang lain, muatan tidak diciptakan dalam proses. Keadaan yang menimbulkan listrik adalah karena transfer muatan dari satu objek ke objek yang lain. Satu objek kelebihan beberapa jumlah muatan negatif sedangkan objek yang lain kelebihan jumlah muatan positif. Sebagai contoh, ketika sebuah batang kaca digosok pada sutra seperti pada Gambar 23.2, sutra memperoleh muatan negatif sama besarnya dengan muatan positif pada batang kaca. Kita sekarang tahu dari pemahaman kita tentang struktur atom bahwa elektron ditransfer dalam proses menggosok dari kaca ke sutra. Demikian pula, ketika karet digosokkan pada bulu, elektron ditransfer dari bulu ke karet, karet memberikan muatan negatif dan bulu bermuatan positif. Proses ini bekerja karena (sistem) netral, materi bermuatan mengandung banyak muatan positif (proton dalam inti atom) sebagai muatan negatif (elektron).

Pada tahun 1909, Robert Millikan (1868-1953) menemukan bahwa muatan listrik selalu terjadi sebagai kelipatan jumlah fundamental muatan e (lihat Bagian 25,7). Dalam istilah modern, muatan listrik q dikatakan terkuantisasi, di mana q adalah simbol standar yang digunakan untuk muatan sebagai variabel. Artinya, muatan listrik sebagai diskrit "paket," dan kita dapat menulis q = ± Ne, di mana N adalah beberapa integer. Percobaan lain pada periode yang sama menunjukkan bahwa elektron memiliki muatan -e dan proton memiliki muatan yang sama besarnya tetapi berlawanan tanda +e. Beberapa partikel, seperti neutron, tidak memiliki muatan. (Serway, 2010 : 658-660)