Muatan, medan, dan potensial

Yang akan kamu pelajari

• Muatan listrik
• Hukum Coulomb
• Medan listrik
• Potensial listrik
• Tegangan listrik

Pahami konsepnya

Muatan sejenis tolak-menolak dan berlainan jenis tarik-menarik. Muatan total sistem tertutup kekal. Dua muatan titik diam di vakum mengalami F=k|q₁q₂|/r² sepanjang garis penghubung.

Medan E=F/q_uji didefinisikan dengan muatan uji positif yang cukup kecil. Medan beberapa sumber dijumlah sebagai vektor. Potensial V=U/q adalah skalar; untuk muatan titik dengan acuan nol di tak hingga, V=kq/r.

Beda potensial ΔV=−∫E·dl dalam elektrostatika. Volt adalah joule per coulomb.

Analisis lanjut

Untuk distribusi kontinu, E(r)=k∫ρ(r′)(r−r′)/|r−r′|³ d³r′. Hukum Gauss ∮E·dA=Q_dalam/ε₀ berlaku umum, tetapi hanya simetri tertentu membuatnya mudah menentukan E. Persamaan Poisson ∇²V=−ρ/ε₀ diperoleh dari E=−∇V dan Gauss.

Potensial dapat digeser dengan konstanta tanpa mengubah medan. Pada medan magnet berubah waktu, E tidak selalu murni gradien skalar.

Pendalaman: Simetri dan hukum Gauss

Untuk bola bermuatan homogen berjari-jari R, pilih permukaan Gauss sferis radius r. Di luar, E4πr²=Q/ε₀ sehingga E=kQ/r². Di dalam, muatan terkurung Q(r/R)³ menghasilkan E=kQr/R³: medan tumbuh linear dari nol, bukan divergen.

Jika distribusi tidak sferis, hukum Gauss tetap benar tetapi tidak otomatis menentukan E di setiap titik permukaan. Jangan menarik E keluar integral tanpa alasan simetri.

Contoh terurai

Muatan +2 μC menghasilkan medan pada r=0,3 m sebesar sekitar 9×10⁹×2×10⁻⁶/0,09=2×10⁵ N/C menjauhi muatan. Muatan uji −1 μC mendapat gaya 0,2 N menuju sumber. Tanda gaya ditentukan muatan uji, bukan perubahan arah definisi E.

Coba, amati, jelaskan

Di lab medan listrik, buat dua muatan sejenis lalu pasangan berlainan jenis. Bandingkan arah medan di tengah. Jangan menganggap kerapatan garis gambar sebagai angka ukur tanpa kalibrasi.

Buka percobaan terkait di laboratorium

Cek pemahaman

Muatan negatif ditempatkan dalam medan E ke kanan. Gaya listriknya ke mana?

• Ke kanan
• Ke kiri
• Selalu nol

Jawab dan baca pembahasannya di aplikasi.