Pada awalnya, konsep bidang mungkin tampak sedikit abstrak. Apa benda tak terlihat misterius yang mengisi ruang? Itu bisa terdengar seperti sesuatu yang keluar dari fiksi ilmiah!
Tetapi medan sebenarnya hanyalah konstruksi matematis, atau cara menetapkan vektor ke setiap wilayah ruang yang memberikan indikasi seberapa kuat atau lemah suatu efek di setiap titik.
Definisi Medan Listrik
Sama seperti benda bermassa menciptakan medan gravitasi, benda bermuatan listrik menciptakan medan listrik. Nilai bidang pada titik tertentu memberi Anda informasi tentang apa yang akan terjadi pada objek lain ketika ditempatkan di sana. Dalam kasus medan gravitasi, ini memberikan informasi tentang gaya gravitasi apa yang akan dirasakan oleh massa lain.
SebuahMedan listrikadalah medan vektor yang memberikan setiap titik dalam ruang sebuah vektor yang menunjukkan gaya elektrostatik per satuan muatan di lokasi itu. Setiap item dengan muatan menghasilkan medan listrik.
Satuan SI yang terkait dengan medan listrik adalah Newton per Coulomb (N/C). Dan besarnya medan listrik akibat muatan sumber titik
Qdiberikan oleh:E=\frac{kQ}{r^2}
Dimanaradalah jarak dari muatanQdan konstanta Coulombk = 8.99 × 109 Nm2/C2.
Berdasarkan kesepakatan, arah medan listrik menunjuk secara radial menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif. Cara lain untuk memikirkannya adalah bahwa ia selalu menunjuk ke arah bahwa muatan uji positif akan bergerak jika ditempatkan di sana.
Karena medan adalah gaya per satuan muatan, maka gaya pada muatan uji titikqdi lapanganEhanya akan menjadi produk dariqdanE:
F=qE=\frac{kQq}{r^2}
Yang merupakan hasil yang sama yang diberikan oleh Hukum Coulomb untuk gaya listrik.
Medan pada titik tertentu karena beberapa muatan sumber atau distribusi muatan adalah jumlah vektor medan karena masing-masing muatan secara individual. Misalnya, jika medan yang dihasilkan oleh muatan sumberQ1sendirian di titik tertentu adalah 3 N/C ke kanan, dan medan yang dihasilkan oleh muatan sumber sourceQ2sendiri di titik yang sama adalah 2 N/C ke kiri, maka medan pada titik itu karena kedua muatan akan menjadi 3 N/C - 2 N/C = 1 N/C ke kanan.
Garis Medan Listrik
Seringkali medan listrik digambarkan dengan garis kontinu di ruang angkasa. Vektor-vektor medan bersinggungan dengan garis-garis medan pada suatu titik tertentu, dan garis-garis ini menunjukkan jalur yang akan dilalui oleh muatan positif jika dibiarkan bergerak bebas di dalam medan.
Intensitas medan atau kuat medan listrik ditunjukkan dengan jarak antar garis. Medan lebih kuat di tempat-tempat di mana garis-garis medan lebih rapat dan lebih lemah di tempat-tempat yang lebih menyebar. Garis-garis medan listrik yang terkait dengan muatan titik positif, terlihat seperti berikut ini:
Garis-garis medan dipol mirip dengan muatan titik di tepi luar dipol tetapi sangat berbeda di antaranya:
•••wikimedia commons
Bisakah Garis Medan Listrik Berlintasan?
Untuk menjawab pertanyaan ini, pertimbangkan apa yang akan terjadi jika garis medan bersilangan.
Seperti disebutkan sebelumnya, vektor medan selalu bersinggungan dengan garis medan. Jika dua garis medan bersilangan, maka pada titik perpotongannya akan ada dua vektor medan yang berbeda, masing-masing menunjuk ke arah yang berbeda.
Tapi ini tidak mungkin. Anda tidak dapat memiliki dua vektor medan yang berbeda pada titik yang sama dalam ruang. Ini menunjukkan bahwa muatan positif yang ditempatkan di lokasi ini entah bagaimana akan bergerak ke lebih dari satu arah!
Jadi jawabannya tidak, garis medan tidak bisa bersilangan.
Medan Listrik dan Konduktor
Dalam konduktor, elektron bebas bergerak. Jika ada medan listrik di dalam konduktor, maka muatan ini akan bergerak karena gaya listrik. Perhatikan bahwa begitu mereka bergerak, redistribusi muatan ini akan mulai berkontribusi pada medan bersih.
Elektron akan terus bergerak selama medan bukan nol ada di dalam konduktor. Oleh karena itu, mereka bergerak sampai mereka telah mendistribusikan diri sedemikian rupa untuk membatalkan bidang interior.
Untuk alasan yang sama, setiap muatan bersih yang ditempatkan pada konduktor selalu terletak pada permukaan konduktor. Ini karena muatan sejenis akan tolak menolak, mendistribusikan diri mereka secara merata dan sejauh mungkin, masing-masing berkontribusi pada bidang interior bersih sedemikian rupa sehingga efeknya saling membatalkan di luar.
Oleh karena itu dalam kondisi statis, medan di dalam konduktor selalu nol.
Sifat konduktor ini memungkinkan untukpelindung listrik. Artinya, karena elektron bebas dalam konduktor akan selalu mendistribusikan diri mereka sendiri sehingga mereka membatalkan medan di dalam, maka apa pun yang terkandung di dalam jaring penghantar akan terlindung dari listrik eksternal pasukan.
Perhatikan bahwa garis-garis medan listrik selalu masuk dan meninggalkan permukaan konduktor secara tegak lurus. Ini karena setiap komponen medan yang paralel akan menyebabkan elektron bebas di permukaan bergerak, yang akan mereka lakukan sampai tidak ada lagi medan bersih ke arah itu.
Contoh Medan Listrik
Contoh 1:Berapakah medan listrik di tengah antara muatan +6 C dan muatan +4 C yang terpisah sejauh 10 cm? Berapakah gaya yang akan dirasakan oleh muatan uji +2 atC di lokasi ini?
Mulailah dengan memilih sistem koordinat di mana positifxsumbu -menunjuk ke kanan, dan biarkan muatan +6 C terletak di titik asal sedangkan muatan +4 C terletak dix= 10cm Medan listrik bersih akan menjadi jumlah vektor medan karena muatan +6 C (yang akan mengarah ke kanan) dan medan yang disebabkan oleh muatan +4 C (yang akan mengarah ke kiri):
E = \frac{(8,99\times 10^9)(6\times 10^{-6})}{0,05^2} - \frac{(8,99\times 10^9)(4\times 10^{- 6})}{0.05^2}=7.19\times10^6 \text{ T/C}
Gaya listrik yang dirasakan oleh muatan +2 C adalah:
F=qE=(2\times10^{-6})(7.19\times10^6)=14.4\text{ N}
Contoh 2:Sebuah muatan sebesar 0,3 C berada di titik asal dan muatan sebesar -0,5μC ditempatkan pada x = 10 cm. Temukan lokasi di mana medan listrik bersih adalah 0.
Pertama, Anda dapat menggunakan penalaran untuk menentukan bahwa itu tidak mungkinantaradua muatan karena medan bersih di antara keduanya akan selalu nol dan mengarah ke kanan. Itu juga tidak bisa keBaikdari muatan -.5 C karena medan bersih akan ke kiri dan bukan nol. Oleh karena itu harus kekirimuatan 0,3 C.
Membiarkand= jarak ke kiri muatan 0,3 C di mana medannya 0. Ekspresi untuk medan bersih didaku s:
E = -\frac{k (0,3 \text{ C})}{d^2} +\frac{ k (0,5 \text{ C})}{(d+.1)^2} = 0
Sekarang Anda memecahkan untukd,pertama dengan membatalkank's:
-\frac{0.3 \text{ C}}{d^2}+\frac{ 0.5 \text{ C}}{(d+.1)^2} = 0
Kemudian Anda mengalikan untuk menghilangkan penyebut, menyederhanakan dan membuat rumus kuadrat:
5d^2 - 3(0.1+d)^2= 2d^2 - 0.6d - 0,03 = 0
Memecahkan kuadrat memberikand= 0,34 m.
Oleh karena itu, medan bersih adalah nol pada lokasi 0,34 m di sebelah kiri muatan 0,3 C.