Medan Listrik

Medan listrik memberi tahu Anda gaya yang akan dirasakan muatan uji positif kecil pada suatu titik di ruang. Jika Anda mengetahui medannya, Anda mengetahui besar dorongan atau tarikan sekaligus arahnya.

Definisinya adalah

$$E = \frac{F}{q}$$

dengan $F$ adalah gaya listrik pada muatan uji dan $q$ adalah muatan uji itu sendiri. Ini penting karena medan merupakan sifat ruang di sekitar muatan sumber. Muatan uji hanya menunjukkan apa yang dilakukan medan di titik tersebut.

Untuk muatan titik $Q$ di vakum, besar medan pada jarak $r$ adalah

$$E = k \frac{|Q|}{r^2}$$

dengan $k \approx 8.99 \times 10^9\ \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$. Arah medan menjauhi muatan sumber positif dan menuju muatan sumber negatif.

Arti Medan Listrik Dalam Bahasa Sederhana

Medan listrik memungkinkan Anda menjelaskan pengaruh listrik tanpa harus mengulang seluruh cerita gaya untuk setiap muatan baru. Setelah Anda mengetahui medan di suatu titik, Anda dapat memprediksi gaya pada muatan apa pun yang ditempatkan di sana.

Jika muatan yang Anda tempatkan di titik itu adalah $q$, maka

$$\vec{F} = q\vec{E}$$

Jadi, muatan yang lebih besar merasakan gaya yang lebih besar dalam medan yang sama. Muatan negatif merasakan gaya yang berlawanan dengan arah medan.

Kapan Rumus Medan Listrik $E = k|Q|/r^2$ Berlaku

Rumus

$$E = k \frac{|Q|}{r^2}$$

berlaku tepat untuk muatan titik di vakum. Rumus ini juga berlaku untuk titik-titik di luar distribusi muatan yang simetris bola, ketika distribusi itu bertindak seolah-olah seluruh muatannya terkonsentrasi di pusat.

Jika distribusi muatannya menyebar dan tidak simetris bola, biasanya satu rumus substitusi langsung tidak cukup. Dalam kasus itu, medan ditentukan dengan menjumlahkan kontribusi dari banyak bagian kecil muatan.

Contoh Soal: Cari Medan Lalu Gayanya

Misalkan sebuah muatan titik $Q = +2.0 \times 10^{-6}\ \mathrm{C}$ menghasilkan medan. Tentukan medan listrik pada titik yang berjarak $0.50\ \mathrm{m}$, lalu tentukan gaya pada muatan uji $q = +3.0 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$ yang ditempatkan di sana.

Langkah 1: cari besar medan.

$$E = k \frac{|Q|}{r^2}$$ $$E = (8.99 \times 10^9)\frac{2.0 \times 10^{-6}}{(0.50)^2}$$ $$E = (8.99 \times 10^9)\frac{2.0 \times 10^{-6}}{0.25} \approx 7.19 \times 10^4\ \mathrm{N/C}$$

Karena muatan sumber bernilai positif, arah medan menjauhi sumber.

Langkah 2: gunakan medan untuk mencari gaya pada muatan uji.

$$F = (3.0 \times 10^{-9})(7.19 \times 10^4) \approx 2.16 \times 10^{-4}\ \mathrm{N}$$

Muatan uji juga positif, jadi arah gaya sama dengan arah medan: menjauhi sumber. Jika muatan uji bernilai negatif, medannya tetap sama tetapi arah gayanya berbalik.

Kesalahan Umum pada Medan Listrik

• Tertukar antara muatan sumber $Q$ dan muatan uji $q$.
• Lupa bahwa $E = F/q$ mendefinisikan medan, sedangkan $F = qE$ memberikan gaya pada muatan tertentu.
• Menggunakan rumus kuadrat terbalik untuk situasi yang tidak cocok dimodelkan sebagai muatan titik atau distribusi simetris bola.
• Mengabaikan arah. Medan listrik adalah besaran vektor, bukan sekadar angka.
• Lupa bahwa muatan uji negatif merasakan gaya yang berlawanan dengan arah medan.

Di Mana Medan Listrik Digunakan

Medan listrik adalah salah satu gagasan inti dalam elektrostatika. Konsep ini muncul dalam soal tentang muatan titik, bola bermuatan, kapasitor, dan gerak partikel bermuatan.

Medan listrik juga menjadi jembatan antara hukum Coulomb dan gagasan lanjutan seperti potensial listrik serta hukum Gauss. Jika medan listrik sudah terasa jelas, banyak bagian elektromagnetisme dasar menjadi lebih mudah dipahami.

Coba Soal Serupa

Ubah hanya satu hal pada contoh tadi: jadikan muatan uji bernilai negatif, bukan positif. Medan di lokasi itu tetap sama, tetapi arah gayanya berubah. Cobalah versi Anda sendiri dengan muatan dan jarak yang berbeda, lalu periksa apakah Anda bisa memprediksi arahnya sebelum menghitung besarnya.