Sebelum zamannya Faraday, maka yang bekerja di antara partikel-partikel bermuatan dipikirkan sebagai sebuah interaksi sesaat yang langsung di antara kedua-dua partikel tersebut. Pandangan aksi pada suatu jarak (action ata distance) ini berlaku juga untuk gaya magnetik dan gaya gravitasi. Sekarang ini kita lebih suka memikirkan gaya tersebut di alam medan-medan listrik sebagai berikut:

  1. Muatan q1 di dalam gambar 27.1 membangun (menimbulkan) sebuah medan listrik di dalam ruang di sekitarnya. Medan ini dinyatakan dengan bayangan di dalam gambar tersebut; kelak kita akan memperlihatkan bagaimana menyatakan medan-medan listrik secara lebih konkret;
  2. Medan tersebut bekerja pada muatan q2 hal ini terlihat di dalam gaya F yang dialami oleh q2

Medan tersebut memainkan peranan perantara di dalam gaya-gaya di antara muatan-muatan. Ada dua soal terpisah; 1) menghitung medan-medan yang dibangun oleh distribusi muatan yang diberikan; dan 2) menghitung gaya-gaya yang akan dikerahkan pada muatan-muatan oleh medan-medan yang diberikan yang ditempatkan di dalam medan-medan tersebut. Kita memikirkannya di dalam pengertian dan bukan, seperti di dalam pandangan aksi pada suatu jarak, di dalam pengertian.

Materi Fisika SMA Medan Listrik

Muatan  =  muatan

Kita dapat juga membayangkan bahwa q2 membangun sebuah medan dan bahwa medan ini bekerja pada q1, yang menghasilkan sebuah gaya F pada q1 tersebut sesuai dengan hukum Newton yang ketiga. Situasi tersebut sepenuhnya adalah simetris, setiap muatan dicelupkan di dalam sebuah medan yang diasosiasikan dengan muatan lain.

Jika satu-satunya persoalan di dalam elektromagnetisme adalah persoalan mengenai gaya-gaya di antara muatan-muatan stasioner, maka pandangan medan dan pandangan aksi pada suatu jarak akan seluruhnya ekivalen terhadap satu sama lain. Akan tetapi, misalkan bahwa q1 di dalam gambar 27.1. tiba-tiba bergerak dengan percepatan ke arah kanan. Berapa cepatkah muatan q2 mempelajari (mengetahui) bahwa q1 telah pindah dan  bahwa gaya yang dialami q2 harus bertambah besar? Teori elektromagnetik meramalkan bahwa q2 mempelajari mengenai gerakan q1 dengan sebuah gangguan medan (field disturbance) yang berasal dari q1, dan yang merambat dengan laju sinar cahaya. Pandangan aksi pada suatu jarak mengharuskan bahwa informasi mengenai percepatan q1, diteruskan (dikomunikasikan) pada saat  itu juga (instantaneously) kepada q2; hal ini tidak sesuai dengan eksperimen. Elektron-elektron yang bergerak dengan percepatan di dalam antena pemancar radio mempengaruhi elektron-elektron di dalam antena penerima di tempat yang jauh hanya setelah waktu l/c dimana / adalah jarak pemisah antena-antena dan c adalah laju sinar cahaya.

Medan Listrik E

Untuk mendefinisikan medan listrik secara operasional, kita menampilkan sebuah muaan uji yang kecil q0 ( untuk memudahkan maka kita menganggap q0 positif) pada titik di dalam ruang yang akan diselidiki, dan kita mengukur gaya listrik F (jika ada)  yang bekerja pada benda ini. Medan listrik E pada titik tersebut didefinisikan sebagai:

E = F/q0

Di sini E adalah sebuah vektor karena F adalah sebuah vektor dan q0 adalah sebuah skalar. Arah E adalah arah F, yakni yang menyatakan di dalam arah mana sebuah muatan positif yang diam yang ditempatkan pada titik tersebut akan cenderung bergerak.

Definisi medan gravitasi g sangat mirip dengan definisi medan listrik, kecuali bahwa massa benda uji dan bukan muatannya adalah sifat yang dipergunakan untuk mendefinisikan medan gravitasi tersebut. Walaupun satuan-satuan g biasanya dituliskan sebagai m/s2, namun satuan-satuan tersebut dapat juga dituliskan sebagai N/kg (persamaan 27.1); satuan-satuan untuk E adalah N/C (persamaan 27.2). jadi kedua-dua g dan E dinyatakan  sebagai sebuah gaya dibagi oleh sebuah  sifat (massa atau muatan) benda uji tersebut;

Contoh;

Berapakah besarnya sebuah medan listrik E supaya sebuah elektron yang ditempatkan di dalam medan tersebut akan mengalami sebuah gaya listrik yang sama dengan beratnya?

Dari persamaan 27.2 dengan menggantikan q0 dengan e dan F dengan mg, di mana m adalah massa elektron, maka kita peroleh; E = F/q0 = mg/e

Ini adalah sebuah medan listrik yang sangat lemah. Ke arah manakah E harus menuju jika gaya listrik harus menghilangkan gaya gravitasi?

Di dalam memakaikan persamaan 27.2 kita harus menggunakan sebuah muatan uji yang sekecil mungkin. Sebuah muatan uji yang besar dapat mengganggu muatan-muatan primer yang bertanggung jawab menghasilkan medan tersebut, yang berarti akan mengubah kuantitas yang kita coba mengukurnya. Tepatnya, persamaan 27.2 harus diganti oleh;

E = Lim q -> 0 (F/q0)

Persamaan ini mengharuskan kita untuk menggunakan muatan uji q0 yang semakin bertambah kecil, dengan menghitung perbandingan F/q0 pada setiap langkah. Maka medan listrik E tersebut adalah batas (limit) perbandingan ini jika ukuran muatan uji tersebut mendekati nol.

Konsep medan listrik sebagai sebuah vektor tidaklah dihargai oleh Michel Faraday, yang selalu memikirkan medan listrik di dalam bentuk garis-garis gaya (lines of  force). Garis-garis gaya tersebut masih merupakan sebuah cara yang memudahkan  untuk memandang pola-pola medan listrik. Kita akan menggunakan garis-garis gaya tersebut untuk maksud ini tetapi kita tidak akan memakaikannya secara kuantitatif.

Hubungan di antara garis-garis gaya (imajiner) dan vektor medan listrik adalah;

  1. Gara singgung kepada sebuah garis gaya pada setiap titik memberikan arah E pada titik tersebut;
  2. Garis-garis yang digambarkan sehingga banyaknya garis persatuan luas penampangan (yang tegak lurus pada garis-garis tersebut) adalah sebanding dengan besarnya (magnitude) E. di tempat dimana garis-garis tersebut dekat satu sama lain maka E adalah besar dan di tempat di mana garis-garis tersebut jauh satu sama lain maka E adalah kecil.

Tidaklah jelas bahwa kita mungkin menggambarkan kumpulan kontinyu dari garis yang memenuhi persyaratan-persyaratan ini. Sesungguhnya, didapatkan bahwa jika seandainya hukum Coulumb tidak benar, maka kita tidak mungkin melakukan demikian; lihat soal 7.

Gambar 27.2 memperlihatkan garis-garis gaya untuk selembar muatan positif yang uniform. Kita menganggap bahwa lembaran ini tidak terhingga besarnya, yang untuk sebuah lembaran yang dimensinya berhingga, adalah ekivalen dengan hanya meninjau titik-titik yang jaraknya dari lembar tersebut adalah kecil dibandingkan terhadap jarak terdekat lembar tersebut. Sebuah muatan uji positif, yang dilepaskan di depan lembar seperti itu, akan bergerak menjauhi lembar sepanjang sebuah garis tegak lurus. Jadi vektor medan listrik pada setiap titik didekat lembar tersebut haruslah tegaklurus kepada lembar. Garis-garis gaya mempunyai antara yang uniform (uniformly spaced), yang berarti bahwa E mempunyai besar yang sama untuk semua titik di dekat lembar tersebut.

Gambar 27.3 memperlihatkan garis-garis gaya untuk sebuah bola bermuatan negatif. Dari simetri, maka garis-garis tersebut harus terletak sepanjang jari-jari. Garis-garis tersebut menuju ke arah dalam karena sebuah muatan positif akan dipercepat di dalam arah ini. Medan listrik E tidaklah konstan tetapi berkurang dengan semakin besarnya jarak dari muata. Hal ini jelas di dalam garis-garis gaya, yang lebih jauh terpisah satu sama lain pada jarak yang lebih besar. Dari simetri, E adalah sama untuk semua titik yang terletak pada sebuah jarak yang diberikan dari titik pusat muatan tersebut.

Contoh 2

Di dalam gambar 27.3 bagaimanakah E berubah dengan jarak r dari pusat bola bermuatan tersebut?

Misalkan bahwa N garis berakhir pada bola tersebut. Gambarkanlah sebuah bola konsentris yang imajiner yang jari-jarinya r; banyaknya garis per satuan luas penampang pada setiap titik pada bola adalah N/4.phi.r2. Karena E adalah sebanding kepada ini, maka kita dapat menuliskan bahwa;  E = 1/r2

Kita menurunkan sebuah relasi yang tepat (eksak) di dalam bagian 27.4 bagaimanakah E berubah dengan jarak dari sebuah silinder muatan uniform yang panjangnya tak berhingga?

Gambar 27.4 dan 27.5 berturut-turut memperlihatkan garis-garis gaya untuk dua muatan sejenis yang sama dan untuk dua muatan tak sejenis yang sama. Michael Faraday, seperti telah kita katakan, sangat banyak menggunakan garis gaya di dalam cara berpikirnya. Garis-garis gaya tersebut lebih nyata untuknya dari pada untuk kebanyakan sarjana ilmu pengetahuan dan para insinyur sekarang ini. Adalah mungkin untuk bersimpati dengan pandangan Faraday. Tidakkah kita hampir dapat ‘melihat’ muatan-muatan yang sedang terdorong menjauhi satu sama lain di dalam gambar 27.4. dan yang sedang tertarik mendekati satu sama lain di dalam gambar 27.5 oleh garis-garis gaya. Bandingkanlah gambar 27.5 dengan gambar 18-14, yang menyatakan sebuah medan aliran. Gambar 27.6 memperlihatkan sebuah representasi garis-garis gaya di sekitar penghantar bermuatan, yang menggunakan benih rerumputan yang digantungkan di dalam sebuah cairan isolasi.

Garis-garis gaya memberikan gambaran yang hidup mengenai cara E berubah melalui sebuah daerah ruang yang diberikan. Akan tetapi, persamaan-persamaan elektromagnetisme (lihat tabel 40.2) dituliskan di dalam medan listrik E dan vektor-vektor medan yang lain dan bukan di dalam garis-garis gaya. Medan listrik E berubah dengan cara kontinyu yang sempurna sewaktu setiap jalan (path) di dalam medan tersebut dilintasi; lihat gambar 27.7.

Anda suka dengan artikel Materi Fisika SMA Medan Listrik ini?! Jangan lupa share ya ... Baca juga tentang Nasikh Mansukh Dalam Al-Qur’an | Nasikh Mansukh Dalam Hadits. Semoga bermanfaat...

plusone  twitter  facebook Share

Baca juga Artikel Terkait "Materi Fisika SMA Medan Listrik" :