MEDAN ELEKTROSTATIK
A Tujuan
1 Mengamati fenomena medan listrik statis
2 Memahami gambaran medan listrik melalui pengamatan garis-garis gaya listrik
B Teori
Banyak percobaan dalam fisika telah menunjukkan adanya gaya tarik-menarik atau tolak menolak antara benda-benda atau partikel-partikel yang bermuatan listrik yang bernama gaya Coulomb atau gaya elektrostatik. Demikian pula antara partikel-partikel bermasa bekerja gaya gravitasi, bahkan antara elemen-elemen aruspun bekerja gaya elekromagnetik. Semua gaya tersebut tetep bekerja meski tanpa tersentuh (action at a distance). Gaya demikian boleh dinamakan gaya medan, yaitu gaya yang bekerja pada suatu benda karena ia berada di dalam medan benda yang lain. Jelas bahwa bila suatu benda bermasa m mengalami gaya gravitasi apabila berada di dalam medan gravitasi benda lain bermasa M. Demikian pula suatu benda bermuatan listrik Q akan mengalami gaya elektrostatik apabila ia berada dalam pengaruh medan elektrostatik benda lain yang bermuatan, misalkan, q.
Terkait dengan besarannya medan terpilah dalam dua macam yakni medan skalar dan medan vektor. Medan skalar merupakan daerah yang mengandung besaran medan skalar yang berubah harganya pada setiap titik dengan posisi , dan diungkapkan dengan . Contoh medan skalar adalah medan suhu, medan tekanan (dalam fluida) atau medan potensial skalar.
Medan vektor merupakan daerah yang mengandung besaran medan vektor yang berubah sekaligus arah dan besarnya pada setiap titik ruang, ditulis sebagai fungsi . Contoh medan vektor adalah medan gaya, medan listrik, medan potensial vektor magnetik.
Konsep medan membantu upaya pemahaman sifat dan perilaku suatu besaran fisis dan kaitannya dengan besaran lain. Hubungan ini dirumuskan dengan ekspresi matematis dalam bentuk persamaan. Perubahan medan vektor di dalam ruang memberikan gambaran apakah suatu medan menyebar ataukah berputar, yang terkait dengan operator nabla yang beroperasi terhadap medan vektor.
Dalam permasalahan medan elektrostatik, operator nabla beroperasi pada medan listrik bertindak sebagai divergensi. Divergensi suatu medan vektor dinyatakan dengan
(1)
yang sesuai dengan persamaan Gauss ekspresi diferensial ,
(2)
dengan merupakan rapat muatan. Yang berarti divergensi medan vektor merupakan medan skalar dan memberikan gambaran aliran yang menyebar. Bila persamaan (2) menghasilkan nilai positif medan divergen dan sebaliknya bila hasilnya negatif medan konvergen.
Pada kasus sederhana, sebuah muatan tunggal q di titik awal koordinat, menimbulkan medan listrik
(2)
dimana medan listrik, adalah permitivitas dalam hampa dan merupakan posisi pengamatan. Dari persamaan (1) tampak bahwa besar medan mengikuti nilai , vektor-vektor memendek (besarnya menurun) seiring dengan menjauhnya r dari pusat, vektor-vektor ini menjauh atau menuju titik pusat secara radial (gambar 1). Cara termudah untuk mendiskripsikan medan listrik ini adalah dengan menghubungkan vektor-vektor tersebut membentuk garis-garis medan (gambar 1).
Gambar 1.Vektor-vektor medan listrik karena muatan q.
Gambar 2. Garis-garis medan karena muatan q.
Garis-garis medan listrik yang ditimbulkan muatan positif menghasilkan pola menyebar (divergen), layaknya sebuah sumber medan (source) gambar 3. Sementara garis-garis medan yang timbul karena muatan negatif berbentuk konvergen, seolah bertindak sebagi penyedot medan (sink) seperti tampak pada gambar 4, yang hal ini sesuai dengan pola divergensi medan vektor.
Gambar 2. Garis-garis medan dengan sumber muatan positif.
Gambar 4. Garis-garis medan dengan sumber muatan negatif
Besar dari medan diindikasikan dengan densitas garis-garis medan yang terhitung berdasar banyaknya garis persatuan luas yang tertembus garis-garis medan tersebut.
Untuk menentukan besarnya gaya pada muatan titik Q oleh muatan titik q yang terpisah sejarak r, diekspresikan dengan gaya Coulomb,
(3)
yaitu
(4)
Yang tentu saja dalam satuan SI gaya adalah Newton (N), jarak dalam meter (m) dan satuan muatan listrik dalam Coulomb (C).
Peralatan yang digunakan dalam praktikum ini memungkinkan pengamatan garis-garis gaya listrik (bandingkan dengan garis-garis medan!) meski gambaran arah garis-garis medan gaya harus diimajinasikan secara mandiri (tak terdiskripsi secara langsung dari peralatan praktikum). Peralatan ini menghasilkan garis-garis gaya listrik ketika medan elektrostatik eksternal dikenakan pada tangki pengamatan plastik.
| 