Gaya Elektrostatik

Gaya elektrostatik adalah besarnya gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak pada dua buah benda yang bermuatan lisrik ketika didekatkan. Salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengukur besar gaya tarik atau gaya tolak pada benda yang bermuatan listrik adalah neraca puntir. Seorang ilmuwan melakukan percobaan bernama Charles Augustin Coulumb (1736-1806), hasil percobaannya menunjukkan bahwa:

Besar gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak pada dua buah benda yang bermuatan listrik sebanding dengan besar muatan masing-masing benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut.

Hasil penemuan tersebut dikenal dengan nama Hukum Coulumb yang dapat dirumuskan sebagai berikut.

Ket:

F : gaya tarik atau gaya tolak elektrostatik / gaya Coulumb (N)

q : muatan listrik (C)

r : jarak antar dua benda (m)

k : konstanta pembanding = 9 x 10⁹ Nm²C^-2

Medan Listrik

Medan listrik adalah daerah di sekitar muatan listrik. Jika muatan listrik lain di letakkan dalam daerah tersebut, maka akan mengalami gaya elektrostatik. Dalam medan listrik terdapat garis-garis gaya listrik. Garis-garis gaya digambarkan sebagai anak panah. Garis gaya listrik menunjukkan jalan yang ditempuh  muatan listrik positif yang bergerak bebas pada suatu medan listrik. Berikut ini gambar  medan listrik yang memperlihatkan garis gaya listrik bermuatan positif dan bermuatan negatif.

Arah garis gaya listrik muatan positif dan muatan negatif

Berikut ini gambar garis gaya yang menunjukkan garis gaya listrik di antara dua muatan listrik yang berdekatan

Garis gaya listrik di antara dua buah benda yang bermuatan sejenis dan garis gaya litsrik di antara dua buah benda yang tidak sejenis

Kuat medan listrik dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut.

Ket:

E : kuat medan listrik (N/C)

F : gaya elektrostatik (N)

q : muatan listrik (C)

Potensial Listrik

Sebuah benda yang memiliki muatan listrik diletakkan di dalam medan listrik  akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak. Misalnya, benda A yang bermuatan positif diletakkan dalam medan listrik yang ditimbulkam oleh benda B yang bernuatan positif juga. Dapat dilihat pada gambar ilustrasi berikut.

Potensial listrik

Bila muatan A dipindahkan dari suatu titik ke titik lain dalam arah yang berlawanan dengan arah gaya listrik tersebut, maka diperlukan usaha. Sedangkan untuk melakukan suatu usaha diperlukan energi. Hal ini menunjukkan bahwa muatan listrik memperoleh energi potensial listrik. jadi, energi potensial listrik adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda bermuatan listrik yang berada di sekitar medan listrik.

Dua titik dalam medan listrik  dikatakan berada pada potensial listrik yang berbeda jika untuk memindahkan benda yang bermuatan listrik tersebut dari satu titik ke titik yang lain diperlukan usaha. Beda potensial antara dua titik didefinisikan sebagai besarnya usaha yang harus dilakukan untuk menggerakkan muatan listrik positif sebesar satu coulumb dari titik yang satu ke titik yang lain. Beda potensial listrik sering juga disebut sebagai tegangan listrik. beda potensial listrik dapat dirumuskan sebagai berikut.

Ket:

W : usaha yang dilakukan (joule)

q : muatan listrik yang dipindahkan (coulomb)

V : beda potensial (joule/coulomb atau volt)

 

Perhatika gambar di bawah ini, dua buah benda diletakkan berdampingan, benda A memiliki muatan listrik positif yang rendah dibandingkan dengan muatan listrik benda B. Jadi dapat disimpulkan bahwa potensial listrik A lebih rendah dibandingkan dengan potensial listri B. Bila benda A dan benda B dihubungkan dengan kawat atau penghantar, maka elektron-elektron A akan mengalir ke B. Elektron-elektron mengalir sampai kedua benda memiliki potesial sama. Jadi elektron-elektron selalu mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi

Elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi

Rujukan

Sri Sukabdiyah. 2007. Kontekstual Sains Fisika. Jakarta: Yudhistira 

Continue Reading →

Hukum Newton tentang Gravitasi

Orang Yunani kuno berpendapat bahwa sebuah benda yang jatuh sedang mencari tempat yang seharusnya ia tempati. Selain itu, mereka juga berpendapat bahwa planet digerakkan oleh sebuah bundaran kristal yang tidak dilihat kasat mata. Pada tahun 1609, Johannes Kepler mengemukakan bahwa planet dalam tata surya bergerak mengelilingi sebuah lintasan yang berbentuk elips dan planet-planet tersebut disanggah oleh sebuah benda yang tidak dapat dilihat kasat mata oleh manusia. Selanjutnya, pada tahun 1687 Isaac Newton membawa pandangan baru tentang teori gravitasi yang dijelaskan serta dibuktikan dalam bukunya yang berjudul Principia, didalam buku tersebut ia mengemukakan bahwa planet-planet mengitari matahari karena adanya medan gravitasi yang menyebabkan planet tertarik ke arah matahari. Newton juga mengemukakan bahwa besar gaya gravitasi antara matahari dan planet bergantung pada jarak dan massa diantara kedua benda langit tesebut.

Dalam kajian ilmu fisika, medan dapat dibagi menjadi dua jenis yakni medan skalar dan medan vektor. Medan gravitasi termasuk dalam medan vektor, maksudnya jika sebuah benda dietakkan pada medan gravitasi maka pada benda tersebut akan bekerja sebuah gaya. Medan vektor dibagi menjadi dua jenis yakni medan gaya konservatif dan medan gaya tak konservatif. Medan gaya dikatakan konservatif jika sebuah benda setelah menempuh suatu lintasan dan setelah itu kembali kekedudukan semula besar usahanya sama dengan nol. Medan gaya dikatakan tak konservatif jika sebuah benda setelah menempuah suatu lintasan besar usahanya tidak sama dengan nol. Oleh karena itu, Medan gravitasi termasuk dalam kategori medan gaya konservatif, karena jika kita melempar sebuah bola secara vertikal ke atas, bola tersebut akan kembali kekedudukan semula, sementara itu kita ketahui bahwa kecepata bola saat dilempar dan saat jatuh kembali kecepatannya sama, sehingga dapat dikatakan energi bola saat dilempar ke atas sama dengan energi bola saat jatuh ke bawah dapat dikatakan usahanya sama dengan nol.

Semua benda yang berada di atas permukaan bumi maka akan dipengaruhi oleh medan gravitasi. Medan gravitasi dapat digambarkan sebagai garis-garis medan yang menuju pusat bumi.

Arah medan gravitasi bumi

Isaac Newton mempunyai gagasan bahwa gravitasi bumi lah yang menyebabkan bulan tetap berada pada lintasannya. Newton berusaha menentukan besar gaya gravitasi yang diberikan bumi pada bulan. Dari hasil perhitungannya, Newton menyimpulkan  bahwa gaya gravitasi yang diberikan bumi pada sembarang benda berkurang terhadap kuadrat jaraknya (R) dari bumi

Gaya aksi-reaksi oleh bumi dan bulan

Percepatan gravitasi pada sebuah benda tidak hanya bergantung pada jarak, tetapi juga pada bendanya. Menurut hukum II Newton, ketika bumi memberika gaya gravitasi ke bulan, bulan tersebut akan memberikan gaya yang sama besar tetapi berlainan arah. Dengan demikian, besar gaya gravitasi sebanding dengan kedua massa

Setelah menganalisis gaya gravitasi bumi dan bulan Newton juga mengadakan penelitian tentang lintasan planet. Dari hasil penelitiannya, Newton menyimpulkan bahwa untuk mempertahankan planet agar tetap berada pada lintasannya dalam mengililingi matahari diperlukan gaya. Newton mengusulkan hukum gravitasi universal yang dinyatakan “semua partikel di dunia ini menarik semua partikel lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan hasil kali massa partikel itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak diantaranya. Gaya ini bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua partikel itu”

F           = gaya gravitasi (N)

G          = ketetapan gravitasi = 6,67 x 10^-11 Nm²/kg²

m₁ ; m₂ = massa benda 1 dan 2 (kg)

R          = jarak kedua benda

 

Gaya gravitasi menimbulkan percepatan yang disebut percepatan gravitasi bumi. Besar percepatan akibat gravitasi bumi pada sebuah benda bermassa m yang terletak pada jarak r  dari pusat bumi dapat diturunkan sebagai berikut

Hukum II Newton, F = ma sehingga

Percepatan gravitasi umumnya diberikan simbol g maka

Percepatan gravitasi dapat juga dinyatakan sebagai kuat medan gravitasi bumi. Jika benda terletak di permukaan bumi atau dekat permukaan bumi, r  dapat dianggap sebagai jari-jari bumi, maka

R = jari-jari bumi = 6.375 km

Jka benda terletak jauh di atas permukaan bumi dengan ketinggian h,

Hukum gravitasi Newton bersifat universal, tidak hanya berlaku pada bumi saja, tetapi berlaku juga untuk semua benda yang ada di jagad raya. Sehingga persamaan-persamaan di atas  juga berlaku pada bulan, planet, matahari dll. Dengan demikian, besaran M dapat diganti dengan massa bulan, planet dll.

 

Rujukan

Purwanto, Budi. 2009. Theory and Application of Physics 2. Solo: PT Tiga Serangkai.

Continue Reading →