Fakultas keguruan dan ilmu pendidikan universitas muhammadiyah prof. Dr. Hamka jakarta selatan

“BerisiTentang Muatan Listrik, Striktur Atom, Elektroskop Daun, Konduktor dan Isolator, Muatan Dengan Induksi, dan Hukum Coulomb”

Disusun oleh:

1001135038

1001135046

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA 5B

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PROF. DR. HAMKA

JAKARTA SELATAN

2013 M/1433

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum wr.wb

Puji serta syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahamt dan nikmatnnya kepada kami yang salah satunnya adalah nikmat sahat wal ‘afiat, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah kami yang berjudul “Hukum Coulomb” tepat waktu. shalawat serta salam tak lupa kami haturkan keharibaan baginda Nabi Muhammad SAW yang kami kagumi kearifannya dan kami coba contoh akhlaknya yang mulia.

Pertama-tama kami mengucapkan terima kasih kepada bunda yulia rahmadhar, M.pd selaku dosen kami dalam mata kuliah Listrik Magnet, perpustakaan UHAMKA yang mempermudah kami mendapatkan buku-buku referensi untuk makalah kami ini dan beberapa pihak yang tidak bisa kami sebutkan namannya satu persatu, tapi tetap tidak mengurangi rasa trimkasih kami atas bantuan dan masukannya.

Kami berharap makalah ini dapat bermanfaat dan bisa menjadi sedikit pengetahuan baik untuk kami khususnya dan teman-teman yang membaca umumnya.tapi seperti kata pepatah “tiada yang sempurna selain Allah swt” kami sangat menyadari bahwa makalah kami ini memiliki banyak kekurangan, baik dari segi isi ataupun sistematika penulisan yang kami gunakan. Karena itu kami mohon dibukakan pintu maaf apa bila ada ketidak sesuaian dalam makalah kami ini, masukan dari teman sekalian pastinya akan sangat membantu untuk kami.

Wassalamu’alaikum wr. Wb

Jakarta, Januari 2013

DAFTAR ISI

COVER ………………..…………………………………………………..i

KATA PENGANTAR …………………………………………………..ii

DAFTAR ISI ..………………………………………………………………….iii

BAB I PENDAHULUAN

1. 
   LATAR BELAKANG …………………………………………..1
   

1. 
   PEMBATASAN MASALAH ………...………………………..1
   

1. 
   TUJUAN ………………………………………..…………………..1
   

2. 
   MUATAN LISTRIK ……………………….………………….2
   

2. 
   STRUKTUR ATOM ……………………………………….….4
   

2. 
   ELEKTROSKOP DAUN dan ELEKTROMETER …….…………..7
   

2. 
   KONDUKTOR dan ISOLATOR ……………………...…………..8
   

2. 
   MEMUAT DENGAN INDUKSI ……………………...…………..9
   

2. 
   HUKUM COULOMB ……………………………...………….12
   

2. 
   KESIMPULAN …………………………………………………14
   

1. 
   Latar Belakang
   

Studi awal mengenai listrik telah dilakukan jauh di zaman kuno, tetapi baru pada dua abad terakhir dilakukan studi lengkap mengenai listrik. Pertama kita akan membahas mengenai Hukum Coulomb. Hukum Coulomb adalah hukum yang menjelaskan hubungan antara gaya yang timbul antara dua titik muatan, yang terpisahkan jarak tertentu, dengan nilai muatan dan jarak pisah keduanya.

1. 
   Pembatasan Masalah
   

1. 
   Tujuan
   

1. 
   Adapun tujuandalam pembuatan makalah ini adalah
   
2. 
   Mengetahui apa yang dimaksud dengan muatan listrik
   
3. 
   Mengetahui apa yang dimaksud dengan Hukum Coulomb
   

2. 
   Muatan Listrik
   

Untuk peragaan biasanya digunakan karet keras dan bulu. Jika, setelah digosok dengan bulu, sebatang karet dimasukkan ke dalam sebuah piring yang berisi potongan kecil-kecil kertas tipis dan ringan, kertas itu banyak akan melekat pada karet tersebut, tetapi setelah beberapa detik akan terlepas kembali. Tolakan yang terjadi sesudah tarikan itu ialah akibat suatu gaya yang selalu ada apabila dua benda mendapat muatan listrik secara tersebut di atas. Misalkan dua bola kecil sangat ringan yang terbuat dari empelur (pith) tergantung saling berdekatan pada seutas benang sutera halus. Mula-mula kedua bola itu akan tertarik ke sepotong karet bermuatan dan akan menempel padanya. Saat kemudian, keduanya akan ditolak oleh karet itu dan keduanya pun akan saling menolak.

Percobaan seperti ini dengan sebatang tongkat dari gelas yang telah digosok dengan sutera menimbulkan peristiwa yang serupa, bola-bola empelur berukuran kecil yang bermuatan, apabila bersentuhan dengan tongkat gelas semacam itu selain akan ditolak tongkat ini juga akan saling tolak-menolak. Sebaliknya, apabila sebuah bola empulur yang telah disentuhkan pada karet bermuatan ditempatkan dekat sebuah bola empulur yang telah disentuhkan pada gelas bermuatan, maka kedua bola tersebut akan tarik-menarik. Jadi, dapat diambil kesimpulan bahwa ada dua macam muatan listrik, yaitu, seperti yang dipunyai karet yang telah dogosok dengan bulu, disebut muatan negatif, dan seperti yang dipunyai gelas yang telah digosok dengan sutera, disebut muatan positif. Percobaan dengan bola empulur seperti diterangkan di atas membuktikan dua hal pokok, yaitu bahwa:

1. 
   muatan yang sama jenisnya, tolak-menolak.
   
2. 
   Muatan yang berlainan jenisnya, tarik-menarik
   

Selain gaya tarik atau gaya tolak tadi, antara muatan listrik ada pula gaya lain yang bergantung kepada gerak relatifnya. Gaya inilah yang ada sangkut-pautnya dengan fenomena magnetik. Betahun-tahun lamanya gaya tarik atau gaya tolak antara dua batang magnet diterangkan berdasarkan teori yang mengatakan tentang adanya sesuatu yang ada kesamaannya dengan muatan listrik, yang dimaksud dengan sesuatu itu disebut “kutub magnet”. Akan tetapi, seperti kita semua tahu, efek magnetik itu juga dapat disekeliling kawat yang mengandung arus. Tetapi arus tak lain hanyalah gerak muatan listrik, dan menurut yang kita ketahui sekarang, semua efek magnetik terjadi sebagai akibat gerak relatif muatan listrik. Karena itu kemagnetan dan kelistrikan bukan dua subyek yang terpisah, tetapi merupakan dua fenomena yang ada hubungannya satu sama lain dan timbul berkat sifat muatan listrik.

Misalkan sebatanag karet digosok dengan bulu, kemudian disentuhkan pada sebuah bola empulur yang tergantung. Baik karet maupun bola ini bermuatan negatif. Jika bulu itu lalu didekatkan pada bola, bola itu akan tertarik, yang menandakan bahwa bulu itu bermuatan positif. Jadi, apabila karet digosok dengan bulu, maka akan timbul muatan yang berlawanan pada kedua benda ini. Hal ini akan selalu terjadi bila benda apa saja digosok dengan sembarang benda lain. Jadi, gelas menjadi positif dan sutera yang digunakan untuk menggosoknya menjadi negatif. Hal ini sangat memperkuat dugaan bahwa muatan listrik bukanlah sesuatu yang dapat dibangkitkan atau diciptakan, tetapi bahwa proses mendapatkan muatan listrik itu ialah berpindahnya barang sesuatu dari benda yang satu ke benda yang lain, sehingga benda yang satu kelebihan barang sesuatu itu dan benda yang lainnya kekurangan. Baru pada akhir abad kesembilan belas diketahui bahwa barang sesuatu itu adalah benda sangat kecil dan ringan yang kelistrikannya negatif, yang sekarang disebut elektron.

2. 
   Struktur Atom
   

Partikel subatom yang membentuk atom ada tiga macam, elektron yang bermuatan negatif, proton yang bermuatan positif, dan neutron yang netral. Besar muatan negatif elektron sama dengan besar muatan positif proton dan tidak ada muatan yang lebih kecil dari muatan kedua partikel ini, Muatan proton atau muatan elektron merupakan satuan muatan alami yang terkecil.

Tata letak partikel-partikel subatom dalam semua atom umumnya sama. Proton dan neutron selalu mengelompok rapat dan erat, kelompok ini disebut inti atom. Karena adanya proton itu, inti atom mempunyai muatan netto positif. Kalau inti atom kita ibaratkan seperti bola, garis tengahnya hanya kira-kira 10^-12 cm. Di luar intinya, pada jarak yang relatif jauh dari inti ini, terdapat elektron yang jumlahnya sama dengan jumlah proton di dalam inti. Jika tidak terusik, dan tak ada elektron yang berpindah dari ruang di sekitar inti, atom sebagai suatu keutuhan secara listrik netral. Jika satu atau lebih elektronnya terambil, struktur bermuatan positif yang tertinggal disebut ion positif. Sedangkan ion negatif ialah sebuah atom yang memperoleh tambahan satu atau lebih elektron. Proses berkurang atau bertambahnya elektron disebut ionisasi.

Menurut model atom yang dikemukakan Niels Bohr, seorang sarjana fisika asal Denmark, dalam tahun 1913, elektron dibayangkannya mengitari inti menurut suatu lintasan yang berbentuk lingkaran atau elips. Sekarang model atom seperti demikian dianggap tidak seluruhnya benar, tetapi masih berguna untuk menggambarkan struktur atom. Garis tengah lintasan elektron itu, yang menentukan ukuran atom sebagai suatu keutuhan, kira-kira 2 atau 3x10^-8 cm, atau kira-kira sepuluh ribu kali garis tengah inti. Atom menurut model Bohr tersebut ibarat sistem matahari dalam bentuk kecil, dengan gaya listrik sebagai ganti gaya gravitasi. Inti bermuatan positif yang terletak di tengah-tengah atom diumpamakan matahari dan elektron yang berputar-putar disekelilingnya akibat efek gaya tarik listrik inti terhadapnya, diumpamakan planet yang mengitari matahari karena pengaruh gaya tarik gravitasi.

Massa proton dan massa neutron hampir sama, dan massa masing-masing 1840 kali massa elektron. Jadi praktis seluruh massa atom terpusat di intinya. Karena satu kilomol hidrogen beratom tunggal terdiri atas 6,02x10²⁶ partikel (bilangan Avogadro) dan massanya 1.008 kg, maka massa atau atom hidrogen ialah

Atom hidrogen adalah satu-satunya pengecualian dari dalil bahwa setiap atom terjadi dari tiga macam partikel subatom. Inti atom hidrogen hanya sebuah proton, dikitari oleh satu elektron. Sebab itu, dari seluruh massa atom hidrogen, 1/1840 bagian adalah massa elektron dan selebihnya merupakan massa proton, Dinyatakan dengan tiga angka penting,

dan karena massa proton dan massa neutron hampir sama,massa neutron = 1,67x10^-27 kg.

Dalam daftar berkala, unsur berikutnya setelah hidrogen ialah helium. Inti helium terdiri atas dua proton dan dua neutron, dan dikitari oleh dua elektron. Kalau kedua elektron ini tidak ada, maka terdapatlah ion helium bermuatan positif ganda, yang adalah inti helium itu sendiri dan lazimnya disebut partikel alpha atau partikel – α. Unsur berikutnya, litium, mempunyai tiga proton dalam intinya dan intinya ini mempunyai muatan sebanyak tiga satuan. Dalam keadaan tidak terionisasi, litium mempunyai tiga elektron di luar intinya. Jumlah proton dalam inti tidak sama pada tiap unsur dan karena itu muatan positif inti pun tidak sama. Dalam daftar berkala, tiap unsur ditulis dalam satu petak dan di bawahnya sebuah bilangan, yang disebut nomor atom. Nomor atom menunjukkan banyaknya proton dalam inti, atau dalam keadaan tidak terusik, banyaknya elektron di luar inti. Bila jumlah total proton keadaan tidak terusik, banyaknya elektron di luar inti. Bila jumlah total proton sama dengan jumlah total elektron, maka benda yang bersangkutan sebagai suatu keutuhan netral secara listrik.

Misalkan kita ingin melebihkan muatan negatif suatu benda. Ini dapat dilakukan dengan dua cara. Cara pertama: tambahkan sejumlah muatan negatif pada benda netral. Cara kedua: ambil sejumlah muatan positif dari benda tersebut. Begitu pula, kalau muatan positif ditambahkan atau bila muatan negatif dikurangkan, maka akan terjadi kelebihan muatan positif. Dalam kebanyakan kejadian, muatan negatiflah (elektron) yang ditambahkan atau dikurangi, dan benda yang disebut “bermuatan positif” ialah benda yang jumlah normal muatan elektronnya berkurang.

Yang dimaksud dengan “muatan” suatu benda adalah muatan lebihnya. Dibandingkan dengan jumlah muatan positif atau muatan negatif dalam benda itu, muatan-lebih tersebut selalu sangat sedikit jumlahnya.

2. 
   Elektroskop Daun dan Elektrometer
   

Jika salah satu ujung baterai yang beda potensialnya beberapa ratus volt dihubungkan ke tombol sebuah elektroskop dan ujungnya yang satu lagi ke kotak elektrop tersebut, maka daun-daunnya akan saling menjauhi, tak ubahnya seperti jikalau daun-daun ini beroleh muatan dari sebuah benda yang terelektrifikasi karena persentuhan. Pada umumnya tidak ada perbedaan antara “listrik statis” dan “listrik arus”. Sebutan “arus” menunjuk kepada mengalirnya muatan, sedangkan “listrik statis” terutama berhubungan dengan interaksi antara muatan dalam keadaan diam. Muatan itu sendiri dalam dua hal ini adalah muatan elektron atau muatan proton.

Sebuah elektroskop mula-mula dalam keadaan netral dengan jumlah muatan positif dan negatif sama, sehingga daun yang terdapat pada kaki-kakinya menguncup. Ketika sebuah benda bermuatan negatif didekatkan pada kepalanya maka muatan pada elektroskop terinduksi. Muatan positif menuju atas dan muatan negatif menjauh dari kepala elektroskop menuju kaki-kakinya sedemikian sehingga seluruhnya bermuatan negatif , kaki daun tersebut terbuka.

Keunggulan dari elektroskop daun ini terletak pada kepekaannya yang lebih tinggi, sehingga mampu “merasakan” muatan yang lebih kecil kuantitasnya dari yang dapat “dirasakan” elektroskop daun. Elektrometer adalah semacam elektroskop yang ada kalibrasinya, sehingga bukan hanya mampu mendeteksi adanya muatan, tetapi dapat pula menunjukkan besar muatan yang dideteksinya.

2. 
   Konduktor dan Isolator
   

Logam pada umumnya merupakan penghantar yang baik, sedangkan bukan logam merupakan penyekat. Valensi positif logam dan bahwasannya logam membentuk ion positif dalam larutan, menandakan bahwa atom logam mudah melepaskan satu atau lebih elektron luarnya. Dalam konduktor logam,, misalnya berupa kawat tembaga, elektron luarnya akan terlepas beberapa buah dari tiap atomnya dan dapat bebas bergerak didalamnya, boleh dikatakan sama seperti molekul gas dapat bergerak bebas dalam ruang diantara butir-butir yang ditempatkan dalam sebuah bejana. Bahkan sampai-sampai elektron yang bebas bergerak itu sering disebut “gas elektron”. Inti yang positif dan elektron yang tersisa tidak berubah posisinya. Sebaliknya, di dalam isolator tidak ada (sedikit sekali) elektron bebas ini.

Fenomena memberi muatan melalui persentuhan tidak terbatas pada karet dengan bulu saja, atau bahkan pada isolator pada umumnya. Setiap dua bahan yang tidak sama memperlihatkan efek tersebut, tetapi pada konduktor harus ada pegangan yang terbuat dari bahan yang bersifat menyekat, sebab kalau tidak muatan akan hilang.

2. 
   Memuat Dengan Induksi
   

Dalam bagian (a) dua bola logam netral bersinggungan, dan masing – masing di sangga oleh penopang dari bahan isolator. Jika sebuah batang karet bermuatan negatif didekatkan pada salah satu bola itu tanpa menyinggungnya, seperti pada bagian (b), elektron bebas dalam kedua bola itu akan tertolak dan seluruh awan gas elektron didalam kedua bola beranjak sedikit menjauhi batang karet arah kekanan. Karena elektron tidak dapat keluar dari kedua bola, terjadilah penumpukan kelebihan muatan negatif pada permukaan kanan bola yang terletak di sebelah kanan. Perpindahan ini menyebabkan kekurangan muatan negatif, atau kelebihan muatan positif pada permukaan sebelah kiri bola yang terletak di kiri. Muatan lebih ini disebut muatan terinduksi.

Jangan artikan bahwa semua elektron bebas tersebut akan bergerak ke permukaan bola yang jana. Begitu ada muatan induksi timbul, muatan ini juga mengerjakan gaya terhadap elektron bebas dalam kedua bola. Gaya ini mengarah kekiri (tolakan oleh muata induksi negatif dan tarikan oleh muatan induksi positif). Dalam waktu yang sangat singkat sistem mencapai tingkat ekuilibrium dalam mana, di setiap titik dalam kedua bola, gaya terhadap elektron yang mengarah kekanan (di kerjakan oleh batang bermuatan tadi tetapi diimbangi oleh gaya yang mengarah ke kiri).

Muatan induksi ini akan tetap berada pada permukaan kedua bola selama batang karet masih berada di dekatnya. Jika batang itu disingkirkan, awan elektron di kedua bola akan bergerak kekiri dan kembalilah keadaan seperti semula.

Misalkan letak kedua bola di jarangkan sedikit, seperti dalam bagian (c), sedangkan batang karet ini didekatnya. Bila batang ini disingkirkan, seperti dalam (d), maka kita akan memperoleh dua bola logam yang muatannya berlawanan tanda.karena muatan – muatan ini tarik menarik, letak kedua bola akan sangat berdekatan. Hanya apabila kedua bola terpisah oleh jarak yang jauh, seperti dalam (e), kedua muatan itu akan terbagi merata. Harus dicatat bahwa batang karet yang bermuatan negatif itu, dai (a) sampai (e), tidak kehilangan muatan.

Cara lain untuk menginduksi muatan total pada benda logam adalah dengan cara menghubungkannya dengan kawat penghantar ketanah (ground). Sebagaimana ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Bagian (a) sampai bagian (e) melukiskan dengan jelas suatu proses. Dalam gambar ini, sebuah bola logam (dengan penopang dari bahan isolator) dimuat secara induksi. Lambang “tanah” dalam bagian (b) berarti bahwa bola itu dihubungkan dengan tanah (“diardekan”). Dalam (c), elektron ditolak ke tanah melalui sebuah kawat yang menghantar. Dengan demikian tanah memperoleh muatan negatif yang sama jumlahnya dengan muatan positif induksi yang tertinggal pada bola.

2. 
   Hukum Coulomb
   

Walaupun peralatan yang khusus untuk mengukur muatan listrik tidak ada pada masa Coulomb, ia bisa menyiapkan bola – bola kecil dengan besar muatan yang berada dimana rasio muatan diketahui. Ia mengajukan argumen bahwa jika sebuah bola penghantar bermuatan disentuhkan dengan bola tidak bermuatan yang identik, muatan bola pertama akan terbagi rata pada keduanya karena adanya simetri.

Dengan demikian ia memiliki cara untuk menghasilkan muatan yang sama dengan bagian, bagian, dan seterusnya dari muatan awal. Walaupun ia mendapatkan kesulitan dengan muatan induksi, Coulomb dapat mengajukan argumen bahwa gaya yang diberikan satu benda kecil bermuatan pada benda kecil bermuatan yanf kedua berbanding lurus dengan muatan pada masing – masing benda tersebut. Artinya, jika muatan pada salah satu benda digandakan, gaya digandakan, dan jika muatan pada kedua benda digandakan, gaya akan naik menjadi empat kali lipat nilai awalnya. Hal ini berlaku jika jarak antara kedua muatan tersebut tetap sama. Jika jarak antara keduanya bertambah, gaya berkurang terhadap kuadrat jarak tersebut. Artinya, jika jarak digandakan, gaya berkurang menjadi seperempat nilai awalnya. Dengan demikian, Coulomb menyimpulkan, gaya yang diberikan satu benda kecil bermuatan pada muatan kedua sebanding dengan hasil kali besar muatan benda pertama, Q₁, dengan besar muatan benda kedua, Q₂, dan berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak r di antaranya. Sebagai persamaan, kita dapat menuliskan Hukum Coulomb sebagai berikut:

Atau

Di mana k adalah konstanta pembanding yang besarannya bergantung kepada satuan untuk menyatakan F, Q₁, Q₂, dan r. Bagaimanapun satuan yang paling sering digunakan saat ini adalah coulomb (C). Pada satuan SI, k memiliki nilai

Satuan muatan yang alami ialah muatan satu elektron atau muatan satu proton. Hasil pengukuran paling seksama atas muatan e ini sampai sekarang ialah

Hukum Coulomb mendeskripsikan gaya antara dua muatan ketika berada dalam keadaan diam. Ketika menghitung dengan hukum Coulomb, kita biasanya mengabaikan tanda muatan – muatan dan menentukan arah berdasarkan pada apakah gaya tersebut tarik menarik atau tolak menolak.

Konstanta k sering ditulis dalam konstanta lain, , yang disebut permitivitas ruang hampa. Konstanta ini dihubungkan dengan . Dengan demikian hukum Coulomb dapat dituliskan

Dimana

Persamaan ini tampak lebih rumit, tetapi persamaan fundamental yang lain akan lebih sederhana bila dinyatakan dalam dari pada dengan k. Tentu saja tidak menjadi masalah mengenai bentuk apa yang digunakan, karena kedua persamaan tersebut ekivaken.