Listrik Statis

MEDIA MENGAJAR

UNTUK SMA/MA KELAS XII

FISIKA

Smoody_Thengils 2024

Sumber: pxhere.com

LISTRIK STATIK

Bab

1

Bagaimana smartphone yang biasa
Anda genggam dan menjadi barang
primer, ternyata memanfaatkan listrik
statik? Konsep apa yang mendasari hal
tersebut? Mari kita pelajari secara
mendalam mengenai Listrik Statik.

LISTRIK STATIK DAN MUATAN LISTRIK

A

▪ Atom tersusun atas inti atom dan muatan negatif (elektron).

▪ Pada inti atom, terdapat muatan positif (proton) dan muatan netral (neutron).

Batu ambar dapat menarik potongan kertas yang

membuktikan bahwa batu tersebut bermuatan

listrik setelah digosokkan dengan kain wol.

Sumber: Fisika SMA Kelas XII, Penerbit Erlangga

▪ Gejala muatan listrik pertama kali diamati

oleh Thales of Miletus, menggunakan batu
ambar yang digosokkan dengan kain wol,
sehingga batu ambar menjadi bermuatan.

▪ Fenomena ini kemudian dikenal dengan

nama listrik statik.

▪ Ketika dua benda saling digosokkan, elektron pada kedua benda tersebut akan

saling pindah satu sama lain sehingga benda tersebut akan bermuatan listrik.

HUKUM COULOMB

B

▪ Hukum Coulomb menyatakan bahwa:

𝐹 = 𝑘 𝑞1𝑞2

𝑟2

Arah gaya Coulomb untuk (a) muatan

yang tidak sejenis dan (b) sejenis

a

b

Gaya interaksi antara dua benda bermuatan listrik
berbanding lurus dengan hasil kali masing-masing

muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak

antara kedua benda tersebut.

▪ Charles Augustin de Coulomb, pertama kali menyelidiki hubungan antarmuatan

listrik menggunakan alat yang bernama neraca puntir untuk mengukur gaya tolak
atau gaya tarik antara dua benda bermuatan listrik.

▪ Hukum Coulomb dapat dinyatakan dengan persamaan

berikut.

HUKUM COULOMB

B

▪ Gaya Coulomb yang bekerja pada

sebuah benda bermuatan adalah
resultan dari gaya-gaya yang bekerja
pada muatan tersebut, akibat interaksi
dengan muatan-muatan yang ada di
sekitarnya.

▪ Besar gaya Coulomb pada 𝑞3 dapat

dinyatakan dengan persamaan berikut.

Tiga muatan yang berbeda jenis

berada dalam satu garis

Bagaimana menentukan gaya
Coulomb pada sebuah benda

bermuatan jika dipengaruhi oleh dua
atau lebih benda bermuatan lainnya?

𝐹3 = 𝐹13 + 𝐹23

𝐹3 = 𝑘 𝑞1𝑞3

𝑟12 + 𝑘 𝑞2𝑞3

𝑟22

Sumber: pxhere.com

MEDAN LISTRIK

C

▪ Medan listrik dapat digambarkan dengan garis-

garis gaya listrik yang keluar dari muatan positif
dan masuk ke muatan negatif.

▪ Kerapatan garis-garis gaya listrik menunjukkan

kuat medan listrik. Makin berdekatan jarak
antara satu garis gaya listrik dengan garis lainnya,
menandakan makin besar kuat medan listriknya.

Arah medan listrik untuk muatan (a)

positif dan (b) negatif.

a

b

▪ Medan listrik adalah area, ruang, atau daerah yang masih

dipengaruhi oleh gaya listrik.

▪ Besaran yang menyatakan medan listrik disebut dengan

kuat medan listrik.

▪ Jika muatan uji mendapatkan gaya, dapat dikatakan

di daerah tersebut ada medan listrik, dan sebaliknya.

▪ Besarnya kuat medan listrik (𝐸) yang dihasilkan

muatan uji dapat didefinisikan sebagai hasil bagi
antara gaya Coulomb yang bekerja pada muatan uji
dan besarnya muatan uji tersebut.

Arah medan listrik pada muatan
uji akibat (a) muatan positif dan

(b) muatan negatif.

a

b

𝐸 = 𝐹

𝑞
𝐸 = 𝑘𝑞

𝑟2
atau

▪ Efek medan listrik dari suatu sumber muatan dapat ditinjau dengan meletakkan

muatan titik di sekitar sumber muatan, yang disebut dengan muatan uji.

Muatan uji yang diapit oleh
dua muatan yang (a) tidak

sejenis dan (b) sejenis.

a

b

▪ Jika muatan uji terletak di antara dua muatan yang

sejenis, kuat medan listrik di titik P dinyatakan dengan
persamaan berikut.

▪ Jika muatan uji (titik P) diapit oleh dua muatan tidak

sejenis, resultan kuat medan listrik di titik P dinyatakan
dengan persamaan berikut.

𝐸 = 𝐸1 + 𝐸2 = 𝑘 𝑞1

𝑟12 + 𝑘 𝑞2

𝑟22

𝐸 = 𝐸1 − 𝐸2 = 𝑘 𝑞1

𝑟12 − 𝑘 𝑞2

𝑟22

Kuat medan listrik pada salah

satu titik sudut segitiga.

𝐸𝐶 =

𝐸𝐴

2 + 𝐸𝐵

2 + 2𝐸𝐴𝐸𝐵 cos 𝛼

Jika pada titik sudut segitiga ABC terdapat muatan
masing-masing di titik A sebesar +𝑞1 dan di titik B
sebesar −𝑞2, kuat medan listrik pada titik C dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut.

▪ Fluks listrik didefinisikan sebagai banyaknya garis-

garis gaya listrik atau kuat medan listrik homogen
yang menembus tegak lurus suatu bidang.

▪ Fluks listrik (Φ) juga dapat didefinisikan sebagai

perkalian skalar antara vektor kuat medan listrik
dengan vektor luas permukaan yang ditembus oleh
medan listrik tersebut.

Φ = 𝑬 ∙ 𝑨 = 𝐸𝐴 cos 𝜃

Φ = 𝐸𝐴

Jika fluks maksimum

Garis-garis gaya listrik (a) menembus
tegak lurus bidang dan (b) membentuk

sudut 𝜃 terhadap garis normal.

b

a

Sumber: Fisika SMA Kelas XII,

Penerbit Erlangga

▪ Carl Friedrich Gauss menemukan hubungan antara muatan listrik dengan medan

listrik. Konsep ini dikenal dengan nama hukum Gauss, yang berbunyi:

Φ =𝑞

𝜀0

Jumlah garis-garis gaya listrik yang menembus suatu

permukaan tertutup, sebanding dengan jumlah muatan
listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup tersebut.

▪ Hukum Gauss dinyatakan dengan persamaan berikut.

▪ Penerapan hukum Gauss digunakan untuk menentukan kuat medan listrik yang

dihasilkan oleh benda simetri, salah satunya simetri bola.

𝐸 = 0

a) Kuat medan listrik di dalam bola (r < R)

b) Kuat medan listrik di permukaan bola (r = R)

c) Kuat medan listrik di luar bola (r > R)

𝐸 = 𝑘𝑞

𝑅2 =
𝑞

4𝜋𝜀0 𝑅2 = 𝑞

𝐴𝜀0

𝐸 =
1

4𝜋𝜀0

𝑞
𝑟2 = 𝑘 𝑞

𝑟2

Menentukan medan listrik pada bola konduktor di (a)

dalam bola, (b) permukaan bola, dan (c) luar bola.

b

a

c

▪ Besar muatan listrik masing-masing keping tiap satuan luas disebut rapat

muatan, yang dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

𝜎 = 𝑞

𝐴

Arah medan listrik pada dua

keping sejajar yang tidak sejenis.

Sumber: Fisika SMA Kelas XII,
Penerbit Erlangga

▪ Kuat medan listrik di antara dua keping sejajar bermuatan

berbanding lurus dengan rapat muatan atau berbanding
lurus dengan besar muatan tiap satuan luas permukaan
yang ditempatinya.

𝐸0 = 𝜎

𝜀0

= 𝑞

𝜀0𝐴
𝐸 = 𝜎

𝐾𝜀0

=
𝑞

𝐴𝐾𝜀0

di ruang vakum

di medium (K)

▪ Benda-benda bermuatan listrik memiliki energi potensial listrik yang dapat

diubah menjadi energi kinetik.

𝑊𝑎𝑏 = −𝑘𝑞𝑞′
1
𝑟𝑏

−1

𝑟𝑎

ENERGI POTENSIAL DAN POTENSIAL LISTRIK

D

Pemindahan muatan uji (q’)

dari posisi a ke b.

▪ Besar energi potensial (𝐸) yang timbul pada muatan

q’ sebanding dengan usaha (𝑊) yang diperlukan
untuk melawan gaya Coulomb dari titik a ke titik b.

𝐸𝑃 = 𝑘 𝑞𝑞′

𝑟

▪ Potensial listrik (V) didefinisikan sebagai energi potensial tiap satuan muatan uji.

ENERGI POTENSIAL DAN POTENSIAL LISTRIK

D

▪ Satuan potensial listrik dalam Sl adalah Joule per Coulomb (J/C) atau Volt (V).

𝑉 = 𝑘𝑞

𝑟

▪ Hubungan antara usaha untuk memindahkan muatan uji (q’) dari titik a ke

titik b dengan beda potensial listrik dinyatakan dengan persamaan berikut.

𝑊𝑎𝑏 = 𝑞′∆𝑉

▪ Potensial total di suatu titik akibat dari beberapa muatan listrik yang berbeda

merupakan penjumlahan secara aljabar dari potensial listrik masing- masing
muatan tersebut.

a) Potensial listrik pada muatan titik

Potensial listrik beberapa

muatan yang berbeda posisi.

▪ Besar potensial total di titik P dapat

dinyatakan dengan persamaan berikut.

𝑉𝑃 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3

𝑉𝑃 = 𝑘 𝑞1

𝑟1

+ 𝑘 𝑞2

𝑟2

+ 𝑘 𝑞3

𝑟3

b) Potensial listrik pada bola konduktor

Potensial listrik pada

bola berongga.

𝑉𝐴 = 𝑘𝑞

𝑅

▪ Potensial listrik di dalam bola konduktor (r < R)

▪ Potensial listrik pada permukaan bola konduktor (r = R)

▪ Potensial listrik di luar bola konduktor (r > R)

𝑉𝐵 = 𝑘𝑞

𝑅

𝑉𝐶 = 𝑘 𝑞

𝑟

▪ Terdapat dua pelat konduktor sejajar dengan luas masing-

masing keping A dan terpisah sejauh d.

▪ Kedua pelat tersebut memiliki besar muatan yang sama,

tetapi jenisnya berbeda, serta kuat medan listrik antara
kedua keping sebesar E.

▪ Beda potensial pada dua keping sejajar adalah sebagai

berikut.

c) Potensial listrik pada dua keping sejajar

Dua pelat konduktor sejajar.

Sumber: Fisika SMA Kelas XII, Penerbit Erlangga

𝑉 =
𝑞𝑑

𝐴𝐾𝜀0

𝑉 = 𝐸𝑑

▪ Usaha yang dilakukan gaya listrik untuk

memindahkan muatan besarnya sama
dengan perubahan energi kinetik yang
dialami muatan tersebut.

ENERGI POTENSIAL DAN POTENSIAL LISTRIK

D

Hukum Kekekalan Energi Mekanik dalam Medan Listrik

▪ Usaha untuk memindahkan muatan listrik

yang bergerak dalam medan listrik merupakan
selisih energi potensial listrik.

▪ Hukum kekekalan energi mekanik

berlaku jika suatu muatan listrik
bergerak dalam medan listrik dan
tidak dipengaruhi oleh gaya luar.

𝑊12 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1

𝑊12 = 𝐸𝑃2 − 𝐸𝑃1

𝐸𝑀 = 𝑘 𝑞1𝑞2

𝑟
+ 1

2 𝑚𝑣2

KAPASITOR

E

▪ Kapasitor merupakan komponen listrik yang dapat menyimpan muatan listrik.

▪ Kemampuan kapasitor menyimpan muatan listrik disebut kapasitansi atau

kapasitas kapasitor.

▪ Satuan dari kapasitas kapasitor adalah farad (F).

Jenis-jenis kapasitor.

Sumber: commons.wikimedia.org

▪ Kapasitas suatu kapasitor (C) didefinisikan

sebagai perbandingan antara muatan listrik yang
tersimpan dalam kapasitor dengan beda potensial
antara dua permukaan konduktor yang besarnya
selalu tetap.

𝐶 = 𝑞

𝑉

▪ Kapasitor

pelat

sejajar

terdiri

atas

dua

pelat

konduktor yang sejajar dan terpisah sejauh 𝑑 yang
masing- masing pelat diberikan muatan yang besarnya
sama, tetapi jenisnya berbeda, yaitu +𝑞 dan −𝑞.

Kapasitor pelat sejajar.

Sumber: Fisika SMA Kelas

XII, Penerbit Erlangga

▪ Persamaan kapasitas kapasitor pelat sejajar adalah

sebagai berikut.

▪ Nilai kapasitas kapasitor dapat diperbesar

dengan cara memperbesar luas pelat, atau
memperpendek jarak antara kedua pelat,
serta menyisipkan bahan dielektrik.

Kapasitor pelat
sejajar yang disisipi
bahan dielektrik.

Sumber: Fisika SMA Kelas

XII, Penerbit Erlangga

𝐶 =𝐴𝜀0

𝑑
𝐶 = 𝐾𝜀0

𝐴
𝑑

▪ Bola konduktor dapat juga berfungsi sebagai kapasitor.

▪ Bola konduktor diberi muatan listrik q, sehingga timbul

beda potensial sebesar V.

▪ Kapasitas kapasitor bola konduktor dapat dinyatakan

dengan persamaan berikut.

𝐶 = 𝑞

𝑉

𝐶 = 𝐴𝜀0

Kapasitor bola konduktor.

Jika tiga kapasitor 𝐶1, 𝐶2, 𝐶3, disusun secara seri berlaku persamaan berikut.

a) Susunan Seri

Tiga buah kapasitor yang

disusun secara seri.

𝑞𝑎𝑏 = 𝑞1 = 𝑞2 = 𝑞3

▪Besar muatan yang tersimpan pada masing-masing kapasitor bernilai sama besar.

▪Besar potensial listrik pengganti pada rangkaian seri sama dengan penjumlahan
dari besar potensial listrik pada masing-masing kapasitor.

▪Kapasitansi total atau kapasitansi pengganti dari rangkaian
kapasitor yang disusun secara seri adalah sebagai berikut.

𝑉𝑎𝑏 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3

1
𝐶𝑠

= 1

𝐶1

+ 1

𝐶2

+ 1

𝐶3
𝐶𝑠 = 𝐶

𝑁

Jika tiga kapasitor 𝐶1, 𝐶2, 𝐶3, disusun secara paralel berlaku persamaan berikut.

b) Susunan Paralel

𝑞𝑎𝑏 = 𝑞1 + 𝑞2 + 𝑞3

▪Besar muatan gabungan pada rangkaian paralel adalah penjumlahan
muatan pada masing-masing kapasitor.

▪Besar potensial listrik pengganti pada rangkaian paralel sama
dengan besar potensial listrik pada masing-masing kapasitor.

▪Kapasitansi total atau kapasitansi pengganti dari rangkaian
kapasitor yang disusun secara paralel adalah sebagai berikut.

𝑉𝑎𝑏 = 𝑉1 = 𝑉2 = 𝑉3

Tiga buah kapasitor yang
disusun secara paralel.

𝐶𝑃 = 𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3 + ⋯ + 𝐶𝑛
𝐶𝑃 = 𝑁𝐶

▪ Salah satu fungsi kapasitor adalah menyimpan energi listrik.

▪ Energi yang tersimpan dalam kapasitor atau besar usaha

yang diperlukan untuk mengisi muatan pada kapasitor dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut.

𝑊 = 1

2

𝑞2

𝐶

𝑊 = 1

2 𝐶𝑉2

Grafik pengisian kapasitor.

TERIMA
KASIH