Buka menu utama
Contoh medan listrik yang timbul dari muatan listrik dan

Medan listrik adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya. Medan listrik memiliki satuan N/C atau dibaca Newton/coulomb. Medan listrik umumnya dipelajari dalam bidang fisika dan bidang-bidang terkait, dan secara tak langsung juga di bidang elektronika yang telah memanfaatkan medan listrik ini dalam kawat konduktor (kabel).

Asal medan listrikSunting

Rumus matematika untuk medan listrik dapat diturunkan melalui Hukum Coulomb, yaitu gaya antara dua titik muatan:\

 

Menurut persamaan ini, gaya pada salah satu titik muatan berbanding lurus dengan besar muatannya. Medan listrik didefinisikan sebagai suatu konstan perbandingan antara muatan dan gaya[1]:

 
 

Maka, medan listrik bergantung pada posisi. Suatu medan, merupakan sebuah vektor yang bergantung pada vektor lainnya. Medan listrik dapat dianggap sebagai gradien dari potensial listrik. Jika beberapa muatan yang disebarkan menghasiklan potensial listrik, gradien potensial listrik dapat ditentukan.

Konstanta kSunting

Dalam rumus listrik sering ditemui konstanta k sebagai ganti dari   (dalam tulisan ini tetap digunakan yang terakhir), di mana konstanta   tersebut bernilai [2]:

  N m2 C-2

yang kerap disebut konstanta kesetaraan gaya listrik [3].

Menghitung medan listrikSunting

Untuk menghitung medan listrik di suatu titik   akibat adanya sebuah titik muatan   yang terletak di   digunakan rumus [4]

 

Penyederhanaan yang kurang tepatSunting

Umumnya untuk melakukan penyederhanaan dipilih pusat koordinat berhimpit dengan titik muatan   yang terletak di   sehingga diperoleh rumus seperti telah dituliskan pada permulaan artikel ini, atau bila dituliskan kembali dalam notasi vektornya:

 

dengan vektor satuan  

 

Disarankan untuk menggunakan rumusan yang melibatkan   dan   karena lebih umum, dan dapat diterapkan untuk kasus lebih dari satu muatan dan juga pada distribusi muatan, baik distribusi diskrit maupun kontinu. Penyederhanaan ini juga kadang membuat pemahaman dalam menghitung medan listrik menjadi agak sedikit kabur. Selain itu pula karena penyederhanaan ini hanya merupakan salah satu kasus khusus dalam perhitungan medan listrik (kasus oleh satu titik muatan di mana titik muatan diletakkan di pusat koordinat).

Tanda muatan listrikSunting

Muatan listrik dapat bernilai negatif, nol (tidak terdapat muatan atau jumlah satuan muatan positif dan negatif sama) dan negatif. Nilai muatan ini akan memengaruhi perhitungan medan listrik dalam hal tandanya, yaitu positif atau negatif (atau nol). Apabila pada setiap titik di sekitar sebuah (atau beberapa) muatan dihitung medan listriknya dan digambarkan vektor-vektornya, akan terlihat garis-garis yang saling berhubungan, yang disebut sebagai garis-garis medan listrik. Tanda muatan menentukan apakah garis-garis medan listrik yang disebabkannya berasal darinya atau menuju darinya. Telah ditentukan (berdasarkan gaya yang dialami oleh muatan uji positif), bahwa

  • muatan positif (+) akan menyebabkan garis-garis medan listrik berarah dari padanya menuju keluar,
  • muatan negatif (-) akan menyebabkan garis-garis medan listrik berarah menuju masuk padanya.
  • muatan nol ( ) tidak menyebabkan adanya garis-garis medan listrik.

Gradien potensial listrikSunting

Medan listrik dapat pula dihitung apabila suatu potensial listrik   diketahui, melalui perhitungan gradiennya [5]:

 

dengan

 

untuk sistem koordinat Kartesius.

Energi medan listrikSunting

Medan listrik menyimpan energi. Rapat energi suatu medan listrik diberikan oleh [6]

 

dengan

  adalah permittivitas medium di mana medan listrik terdapat, dalam vakum  .
  adalah vektor medan listrik.

Total energi yang tersimpan pada medan listrik dalam suatu volum   adalah

 

dengan

  adalah elemen diferensial volum.

Distribusi muatan listrikSunting

Medan listrik tidak perlu hanya ditimbulkan oleh satu muatan listrik, melainkan dapat pula ditimbulkan oleh lebih dari satu muatan listrik, bahkan oleh distribusi muatan listrik baik yang diskrit maupun kontinu. Contoh-contoh distribusi muatan listrik misalnya:

  • kumpulan titik-titik muatan
  • kawat panjang lurus berhingga dan tak-berhingga
  • lingkaran kawat
  • pelat lebar berhingga atau tak-berhingga
  • cakram tipis dan cincin
  • bentuk-bentuk lain

Kumpulan titik-titik muatanSunting

Untuk titik-titik muatan yang tersebar dan berjumlah tidak terlalu banyak, medan listrik pada suatu titik (dan bukan pada salah satu titik muatan) dapat dihitung dengan menjumlahkan vektor medan listrik di titik tersebut akibat oleh masing-masing muatan. Dalam kasus ini lebih baik dituliskan

 

yang dibaca, medan listrik di titik   akibat adanya muatan   yang terletak di  . Dengan demikian medan listrik di titik   akibat seluruh muatan yang tersebar dituliskan sebagai

 

di mana   adalah jumlah titik muatan. Sebagai ilustrasi, misalnya ingin ditentukan besarnya medan listrik pada titik   yang merupakan perpotongan kedua diagonal suatu bujursangkar bersisi  , di mana terdapat oleh empat buat muatan titik yang terletak pada titik sudut-titik sudut bujursangkar tersebut. Untuk kasus ini misalkan bahwa   dan   dan ambil pusat koordinat di titik   untuk memudahkan. Untuk kasus dua dimensi seperti ini, bisa dituliskan pula

 

yang akan memberikan

 
 
 
 

sehingga

 
 
 

yang menghasilkan bahwa medan listrik pada titik tersebut adalah nol.

Kawat panjang lurusSunting

Kawat panjang lurus merupakan salah satu bentuk distribusi muatan yang menarik karena bila panjangnya diambil tak-hingga, perhitungan muatan di suatu jarak dari kawat dan terletak di tengah-tengah panjangnya, menjadi amat mudah.

Untuk suatu kawat yang merentang lurus pada sumbu  , pada jarak   di atasnya, dengan kawat merentang dari   sampai   dari titik proyeksi   pada kawat, medan listrik di titik tersebut dapat dihitung besarnya, yaitu:

 

Seperti telah disebutkan di atas, apabila   dan   maka dengan menggunakan dalil L'Hospital diperoleh

 

Atau bila kawat diletakkan sejajar dengan sumbu-z dan bidang x-y ditembus kawat secara tegak lurus, maka medan listrik di suatu titik berjarak   dari kawat, dapat dituliskan medan listriknya adalah

 

dengan   adalah vektor satuan radial dalam koordinat silinder:

 

di mana   adalah sudut yang dibentuk dengan sumbu-x positif.

Pranala luarSunting

CatatanSunting

  1. ^ Andrew Duffy, Electric field, PY106/Electricfield.html, 7-7-99.
  2. ^ Reference Tables for Physical setting/Physics, 2002 Edition, The University of The State of New York, 2002.
  3. ^ J.S. Covacs, Coulomb's Law, PhysNet, MISN-0-114, hal 3
  4. ^ Tulisan ini menggunakan dua jenis notasi vektor yang berbeda untuk merujuk hal yang sama:
    • vektor   (dengan panah di atasnya), dan
    • vektor   (dicetak tebal).
    Lihat: Vector Notation, vec-not-prae, revised 6/02.
  5. ^ Carl R. Nave, Electric Field as Gradient, HyperPhysics, electric/efromv.html#c2, 2006.
  6. ^ David Land, Electrostatic field energy, ELMAG305/em8a/sld006.htm, 18.10.1999 17:05:51.