materi fisika kelas 12

Hukum Kekekalan Mekanik dan Medan Listrik

Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya, contohnya perubahan energi listrik menjadi kimia, cahaya, dan sebagainya. Contoh yang lain seperti yang dilakukan oleh Anton berikut ini. Anton membuat pembangkit listrik mini bertenaga angin di rumahnya. Mula-mula dia membuat sebuah baling-baling yang dihubungkannya dengan motor listrik. Motor listrik tersebut dapat berputar kencang karena adanya tenaga angin. Oleh karena baling-balingnya berputar, maka Anton dapat menghidupkan lampu di rumahnya walaupun masih dalam skala kecil. Nah, kasus yang dialami Anton tersebut menggambarkan bagaimana sifat kekekalan energi.
Selain itu, konsep hukum kekekalan energi mekanik juga terjadi pada meteor. Meteor yang jatuh ke bumi mengalami gerak jatuh bebas. Meteor dengan massa tertentu melesat memasuki atmosfer bumi karena ada gaya gravitasi bumi. Pada peristiwa tersebut energi potensial yang dimiliki meteor berubah menjadi energi kinetik. Agar kalian lebih jelas memahami konsep hukum kekekalan mekanik dan medan listrik, simak ulasan berikut.

Pada topik sebelumnya, kalian telah berhasil menyelesaikan soal-soal tentang gerak partikel bermuatan dalam medan listrik di antara dua keping sejajar menggunakan persamaan umum gerak. Gerak partikel bermuatan (seperti proton dan elektron) dalam medan listrik juga dapat diselesaikan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik. Jika gesekan-gesekan udara diabaikan (misal ruang hampa) dan tidak terdapat gaya lain yang bekerja pada partikel bermuatan---kecuali gaya Coulomb---, maka menurut hukum kekekalan energi mekanik berlaku hubungan berikut. Jumlah energi potensial dan energi kinetik pada partikel bermuatan adalah tetap.

$E P + E K = t e t a p$

$E P_{1} + E K_{1} = E P_{2} + E K_{2}$

Energi potensial listrik EP = qV dan energi kinetik EK =

\frac{1}{2}

mv2 sehingga:

$q V_{1} + \frac{1}{2} m {v_{1}}^{2} = q V_{2} + \frac{1}{2} m {v_{2}}^{2}$

Keterangan:
v1 dan v2 = kecepatan muatan mula-mula dan akhir (m/s);
V1 dan V2 = potensial di titik mula-mula dan akhir dalam (J/C atau V);
m = massa partikel bermuatan (kg); dan
q = muatan partikel (C).

Untuk meningkatkan pemahaman kalian tentang hukum kekekalan energi mekanik, cermati contoh soal berikut.

Kuat Medan Listrik akibat Sebuah Muatan Titik dan Beberapa Muatan

Pernahkah kalian bermain magnet? magnet biasa digunakan untuk menarik benda-benda yang terbuat dari logam. Coba kalian ambil sebuah magnet bekas yang sudah tidak terpakai. Kemudian dekatkan dengan jarum atau paku, lihat apa yang terjadi? pasti jarum atau paku akan tertarik oleh magnet.

Lalu sekarang coba jauhkan magnet dari jarum atau paku, apa yang terjadi? Semakin lama, pasti paku akan terlepas dari magnet. Mengapa terjadi keadaan demikian? Karena jarum yang masih berada di daerah medan magnet, akan mendapat gaya magnet. Ternyata hal itu juga terjadi pada sebuah muatan yang berada di daerah medan listrik. Muatan yang berada di daerah medan listrik akan mendapatkan pengaruh gaya listrik. Nah kalian mau tahu lebih jauh tentang kuat medan listrik akibat muatan listrik dan beberapa muatan? Simak ulasan berikut.

A. Kuat Medan Listrik Akibat Sebuah Muatan Titik

Apakah medan listrik itu? medan listrik adalah daerah di sekitar muatan listrik yang masih dipengaruhi gaya listrik. Apabila sebuah muatan uji q diletakkan dalam pengaruh medan listrik muatan sumber Q, maka muatan uji tersebut akan mendapat gaya Coulomb. Besar gaya yang dialami oleh muatan uji pada jarak r dari muatan sumber per satuan muatan uji sama dengan besar medan listrik yang dihasilkan muatan sumber tersebut, seperti yang tampak pada Gambar 1. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut.

$E = \frac{F}{q}$

Jadi, besar kuat medan listrik akibat sebuah muatan titik dirumuskan sebagai berikut.

$E = k \frac{Q}{r^{2}} = \frac{1}{4 π ε_{\circ}} \frac{Q}{r^{2}}$

Keterangan:
r = jarak titik terhadap muatan sumber (m);
Q = muatan sumber (C); dan
E = besar kuat medan listrik (N/C).

Dua hal yang perlu diperhatikan untuk menggambar vektor kuat medan listrik di suatu titik adalah sebagai berikut.

1. Vektor E menjauhi muatan sumber positif (+Q) dan gaya (F) mengarah ke kanan karena saling tolak-menolak, muatan Q dan q sejenis (lihat Gambar 1.a)
2. Vektor E mendekati muatan sumber negatif (-Q) dan gaya (F) mengarah ke kiri karena saling tarik-menarik, muatan Q dan q tak sejenis (lihat Gambar 1.b)
3. Vektor E memiliki garis kerja sepanjang garis hubung antara muatan sumber dengan titik yang akan dilukis vektor kuat medannya.

Perhatikan Gambar 2, kuat medan listrik termasuk besaran vektor seperti halnya gaya Coulomb. Oleh karena itu, besar kuat medan listrik di suatu titik akibat beberapa muatan sumber adalah jumlah vektor dari vektor-vektor kuat medan listrik yang dihasilkan oleh tiap muatan sumber pada titik tersebut.

Misalkan ada dua buah muatan sumber q1, dan q2, masing-masing menghasilkan kuat medan listrik E1, dan E2 pada muatan uji di titik P. Kuat medan listrik di titik P merupakan resultan dari kedua vektor kuat medan listrik tersebut. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut.

$E_{P} = E_{1} + E_{2} + . . .$

Potensial Listrik pada Bola Konduktor Berongga

Suatu hari di musim libur sekolah, Johan, Kiko, dan Dika pergi ke taman pintar Jogja untuk melihat generator Van de Graff. Tanpa berpikir panjang, Johan menyentuhkan tangannya ke generator tersebut. Tiba-tiba rambut kepala Johan menjadi berdiri. Seketika itu Kiko dan Dika tertawa karena raut muka Johan menjadi lucu. “Kiko dan Dika ayo coba”, seru Johan kepada mereka berdua, lalu si Kiko dan Dika mencoba generator tersebut secara bergantian. Kata Kiko, “ Wah asik juga ya bermain dengan generator ini, terasa bulu di tubuhku pada berdiri ni, hehe.” Kalian mau tahu potensial listrik bola konduktor itu apa? Simak ulasan berikut.

Sebuah bola logam berongga dengan jari-jari R diberi muatan homogen sebesar +q yang tersebar merata pada permukaannya.

Di dalam bola tidak ada muatan (q = 0). Pada topik sebelumnya telah dibahas bahwa di dalam bola (r < R), E = 0, dan di kulit dan di luar bola (r

\geq

R), E ≠ 0. Potensial listrik di suatu titik adalah beda potensial antara titik itu terhadap titik yang sangat jauh. Untuk titik-titik di luar bola (r > R), beda potensial listriknya dirumuskan sebagai berikut.

$V = k \frac{Q}{r} = \frac{1}{4 π ε_{\circ}} \frac{Q}{r}$

Apa yang terjadi apabila muatan q dipindahkan dari kulit bola (titik C) dengan potensial V ke titik di dalam bola (titik D)? Usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan, dirumuskan sebagai berikut.

$W_{C D} = q V_{C D}$

$W_{C D} = q (V_{D} - V_{C})$

Oleh karena E = 0 (di dalam bola), maka usaha yang diperlukan dari titik C ke D:

$W_{C D} = q (0) (V_{D} - V_{C})$

$W_{C D} = 0$

sehingga dapat kita peroleh hubungan berikut.

$0 = q (V_{D} - V_{C})$

$0 = q V_{D} - q V_{C}$

$- q V_{D} = - q V_{C}$

$V_{D} = V_{C}$

Jadi, potensial listrik pada bola konduktor berongga bermuatan ditentukan sebagai berikut.

1. Di dalam dan di kulit bola (r ≤ R) = VC = VD =

V = k \frac{Q}{R} = \frac{1}{4 π ε_{\circ}} \frac{Q}{R}

2. Di luar bola (r > R) = VB =

V = k \frac{Q}{r} = \frac{1}{4 π ε_{\circ}} \frac{Q}{r}

.
dimana R adalah jari-jari bola konduktor (m) dan r jarak titik ke pusat bola.

Berdasarkan persamaan di atas, potensial listrik di dalam bola sama dengan di kulit bola atau disebut bidang ekipotensial, yaitu setiap titik pada bidang bola memiliki potensial listrik sama.

materi fisika kelas 12

Kamis, 03 Agustus 2017

Hukum Kekekalan Mekanik dan Medan Listrik

$E P + E K = t e t a p$

$E P_{1} + E K_{1} = E P_{2} + E K_{2}$

$q V_{1} + \frac{1}{2} m {v_{1}}^{2} = q V_{2} + \frac{1}{2} m {v_{2}}^{2}$

Kuat Medan Listrik akibat Sebuah Muatan Titik dan Beberapa Muatan

$E = \frac{F}{q}$

$E = k \frac{Q}{r^{2}} = \frac{1}{4 π ε_{\circ}} \frac{Q}{r^{2}}$

$E_{P} = E_{1} + E_{2} + . . .$

Potensial Listrik pada Bola Konduktor Berongga

$V = k \frac{Q}{r} = \frac{1}{4 π ε_{\circ}} \frac{Q}{r}$

$W_{C D} = q V_{C D}$

$W_{C D} = q (V_{D} - V_{C})$

$W_{C D} = q (0) (V_{D} - V_{C})$

$W_{C D} = 0$

$0 = q (V_{D} - V_{C})$

$0 = q V_{D} - q V_{C}$

$- q V_{D} = - q V_{C}$

$V_{D} = V_{C}$

Hukum Kekekalan Mekanik dan Medan Listrik

Laporkan Penyalahgunaan

kedlinjcu

exo