MODUL LISTRIK STATIS KELAS XII

MODUL FISIKA KELAS XII
LISTRIK STATIS

LLIISTTRRIKIKSTSATTIAS TIS

I. Peta Konsep

1

II. Materi

A. LISTRIK STATIS

Studi tentang listrik dibagi atas dua bagian, yaitu listrik statis (elektro statics) dan listrik
dinamis (elektro dinamics). Listrik statis mempelajari muatan listrik yang berada dalam
keadaan diam. Listrik dinamis mempelajari muatan listrik yang bergerak, yang disebut arus
listrik. Listrik statik mempelajari muatan listrik yang berada dalam keadaan diam .

Muatan listrik dibagi menjadi dua :

1. Muatan positif berupa proton (terdapat dalam inti atom)
2. Muatan negatif berupa elektron (mengelilingi inti atom )

Dapat disimpulkan bahwa :

− Muatan listrik terdiri dari dua kelompok, yaitu muatan positif dan muatan negatif
− Dua benda yang bermuatan sejenis akan tolak menolak, sedangkan dua benda yang

bermuatan tidak sejenis akan tarik menarik.
Berdasarkan jumlah muatan positif dan negatifnya , benda terbagi menjadi dua :

1. Benda netral = benda yang muatan positifnya berjumlah sama dengan muatan
negatifnya .

2. Benda bermuatan listrik = benda yang muatan positifnya tidak berjumlah sama
dengan benda dengan muatan negatifnya .
a) Benda bermuatan listrik positif , jika jumlah muatan positifnya lebih banyak
dari jumlah muatan negatif .
b) Benda bermuatan listrik negatif , jika jumlah muatan positif lebih sedikit
daripada jumlah muatan negatif .

Benda bermuatan positif , misalnya : Kaca digosok dengan kain sutra

Benda bermuatan negatif , misalnya : Plastik digosok dengan kain wool dua benda yang
bermuatan sejenis : tolak-menolak , sedang benda yang bermuatan tidak sejenis : tarik
menarik.

2

Batang kaca digosok dengan sutera akan bermuatan positif. Batang plastik yang digosok
dengan kertas akan bermuatan negatif. Untuk menjelaskan terjadinya benda bermuatan
tersebut, terlebih dahulu meninjau interaksi antara satu atom dengan atom yang lainnya.

Elektron berperan sekali karena elektron dapat keluar atau masuk ke dalam susunan atom,
khususnya elektron terluar yang disebut elektron valensi. Jika elektron keluar dari susunan
atom, maka jumlah muatan positif atom akan lebih besar dari jumlah muatan negatif dan
dikatakan atom bermuatan positif. Sebaliknya jika elektron dari atom lain datang pada
susunan atom maka jumlah muatan positif akan lebih kecil dari jumlah muatan negatif, dan
dikatakan atom bermuatan negatif.

Ketika batang plastik digosok dengan kertas, menjadi bermuatan negatif. Karena beberapa
elektron dari atom kertas pergi ke batang plastik sehingga batang plastik kelebihan elektron
dan akibatnya plastik bermuatan negatif.

Jika batang gelas digosok dengan kain sutera, beberapa elektron meninggalkan atom-atom
dalam batang gelas. Batang gelas akan kekurangan elektron, akibatnya batang gelas
bermuatan positif.

B. Gaya Listrik

Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan adanya gaya interaksi antara dua buah benda yang
bermuatan listrik, terjadi gaya tarik-menarik antara dua buah muatan yang tidak sejenis, begitu
juga sebaliknya. Yang menjadi pertanyaan adalah: faktor-faktor apa yang mempengaruhi besar
gaya ini?
Seorang fisikawan Perancis Charles Coulomb (1736 – 1806( menyelidiki adanya gaya listrik pada
tahun 1780-an dengan menggunakan pengimbang torsi. Walaupun peralatan yang khusus yang
mengukur muatan listrik tidak ada pada masa Coulomb, ia menyiapkan bola bola kecil dengan
muatan yang berbeda dan rasio kedua muatan diketahui. Hasil eksperimennya menyimpulkan
bahwa:
− Gaya tarik atau tolak adalah sebanding dengan muatannya

F  q1 q2

3

− Gaya tarik atau tolak adalah berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua bola
bermuatan.
F 1
r2

Penemuan Coulomb baru dapat ditulis dengan persamaan berikut.

F  q1q2
r2

Di sini F adalah gaya antara q1 dan q2, dan r adalah jarak antara dua muatan. Hukum Coulomb
tersebut agak mirip dengan Hukum Newton tentang Gravitasi, bedanya dalam hukum
Newton hanya dikenal gaya tarik menarik saja tanpa gaya tolak, karena dalam hukum
Newton tidak dikenal istilah massa negatif, hanya dikenal massa positif. Sedangkan dalam
hukum Coulomb dikenal istilah muatan positif maupun muatan negatif. Pada persamaan di
atas, setelah ditemukan konstanta yang dikenal dengan k dan besarnya adalah 9 x 109
N.m2/C2, dapat ditulis sebagai berikut.

F = k q1q2
r2

Dalam elektromagnetik dikenal konstanta permitivitas ruang hampa o yang mempunyai
hubungan dengan k sebagai berikut.

k= 1
4 o

Gaya listrik merupakan besaran vektor, sehingga penerapannya menggunakan prinsip
superposisi atau resultan penjumlahan vektor. Sehingga Hukum Coulomb dapat ditulis
sebagai berikut.

F = q1q2 , k= 1
2 4. 0
r

F = 1 q1q2
4 o r 2

εo = 8,85.10-12 C 2 Nm 2

4

Bila medium tempat muatan berada bukan udara (vakum), misalkan bahan tertentu yang
mempunyai tatapan dielektrikum K, maka permitivitasnya, menjadi :

 = K o sehingga

F = k q1q2
r2

F = 1 q1q2
4 r 2

F = k q1q2
K r2

K = tetapan dielektrikum bahan .

Gambar 1. Dua buah muatan berjarak R

Keterangan: :

q1 dan q2 = muatan partikel (c)

R= jarak antar muatan (m)

 0 = permitivitas ruang hampa = 8,85.10-12 C2/N.m2

F= gaya tarik atau tolak (N)
k= konstanta pembanding = 9.109.N m/C2
Gaya F pada hukum Coulomb menyatakan besar gaya listrik yang diberikan masing-masing benda
bermuatan kepada yang lainnya, dan hukum ini hanya berlaku untuk muatan yang diam. Arah gaya
listrik selalu sepanjang garis yang menghubungkan ke dua benda tersebut. Jika ke dua benda
muatannya sejenis, maka gaya pada masing-masing benda berarah menjauhi muatan (tolak-
menolak). Sebaliknya jika ke dua benda muatannya tidak sejenis, maka gaya pada masing-masing
benda mempunyai arah menuju benda yang lain (tarik-menarik), seperti yang ditunjukkan dalam
Gambar 2.

5

Gambar 2. Arah gaya tergantung jenis muatan (a) sejenis (b) tidak sejenis

C. Gaya Coulomb oleh Banyak Muatan

Gaya coulomb pada sebuah muatan yang diakibatkan oleh beberapa muatan lain dapat
diperhitungkan menggunakan prinsip superposisi. Misalkan terdapat 4 muatan, yaitu q1, q2, q3,
dan q4, gaya coulomb pada muaytan q1 dapa ditentukan berdasarkan penjumlahan gaya – gaya
coulomb yang diakibatkan oleh q2, q3, dan q4 secara vektor.
Gaya coulomb pada muatan q1 akibat muatan q2, q3, dan q4 adalah:

F1 = F12 + F13 + F14
Secara umum pada sistem n muatan dengan q1, q2,q3, ..., qn, gaya coulomb pada muatan q1 dapat
ditentukan dengan rumus:

F1 = F12 + F13 + ...+ F1n

Gaya coulomb pada sebuah muatan yang diakibatkan oleh beberapa muatan lain dalam satu garis
dapat diperhitungkan dengan superposisi vektor satu dimensi.

Gambar gaya muatan oleh muatan segaris
Sumber: http://minardikitong.files.wordpress.com/2010/08/r-22.jpg

6

Tiga buah muatan titik masing – masing +q1, +q2, dan + q3 terletak segaris. Besarnya gaya
coulomb yang dialami q3 merupakan pengaruh dari muatan q1 dan q2 yang besarnya :

C.2 Gaya Cuolomb oleh Muatan Tak Segaris
Gaya coulomb pada sebuah muatan akibat muatan – muatan lain yang letaknya tidak

segaris dapat dianalisis menggunakan konsep vektor.

Gambar gaya muatan oleh muatan tak segaris
Sumber: http://minardikitong.files.wordpress.com/2010/08/r-22.jpg

Tiga buah muatan masing – masing q1, q2, dan q3 yang terdistribusi seperti gambar di atas, maka
gaya coulomb yang dialami q3, adalah:

7

D. Medan Listrik

Bila didekatkan suatu muatan q2 pada suatu muatan tetap q1 maka muatan q2 akan ditarik
atau ditolak oleh muatan q1. ini berarti disekitar muatan tetap q1 terdapat medan listrik.
Medan listrik adalah daerah sekitar muatan tetap ( yang tidak bergerak) yang masih
mengalami gaya listrik. Kita dapat menggambarkan vektor-vektor medan listrik disekitar
suatu muatan statis, yang menunjukkan besar dan arah dari medan listrik, pada titik-titik
disekitar muatan tersebut. Besar suatu medan listrik juga disebut kuat medan listrik.
Vektor-vektor kuat medan listrik mengarah keluar untuk muatan tetap positif dan menuju
ke dalam untuk muatan tetap negatif.
Sebagai pengganti dari gambar-gambar vektor-vektor medan listrik, sering suatu medan
listrik digambarkan dengan sejumlah garis-garis gaya. Tempat dimana garis-garis gaya rapat
menggambarkan medan listrik yang kuat, sedang tempat dimana garis-garis gaya renggang
menggambarkan medan listrik yang lemah.
Kesimpulan :
1. Garis-garis medan listrik tidak pernah berpotongan.
2. Garis-garis medan listrik selalu mengarh radial keluar menjauhi muatan positif dan

radial kedalam mendekati muatan negative.
3. Tempat dimana garis-garis medan rapat menyatakan medan listrik yang kuat,

sebaliknya tempat dimana garis-garis medan renggang menyatakan medan listrik yang
lemah.

8
+−

−+ +−

Kuat Medan Listrik

Bila muatan q2 diletakkan dalam pengaruh medan listrik q1, maka muatan q2 akan mendapat

gaya Coulomb. Besar gaya Coulomb yang dialami oleh partikel selalu tergantung pada

muatan partikel yang didekatkan dan muatan tetap q1.

Gaya per satuan muatan disebut kuat medan listrik. Di beri notasi  . Jadi
E

E=F
q

+ rE E
P − rP

Untuk muatan positif maka arah gaya Coulomb searah dengan arah kuat medan listrik, dan
untuk muatan negatif maka arah gaya Coulomb berlawanan dengan arah kuat medan listrik.

Karena gaya Coulomb F = K qq q2
r2

Maka E= F = qqq2
E= q2 q2

1q
4 0 r 2

E = Kq
r2

Dimana : r = jarak antara titik dan muatan tetap (m)

9

E = kuat medan listrik (N/c)
Untuk menggambar vektor kuat medan listrik E perlu memperhatikan
1. Arah E adalah menjauhi muatan sumber positif dan mendekati muatan sumber negatif.
2. Vektor E mempunyai garis kerja yang sama dengan garis hubung antara muatan sumber

q dan titik yang akan digambar vektor E nya
Jika medan listrik ditimbulkan oleh beberapa muatan maka serupa dengan gaya pada gaya
Coulomb, kuat medan listrik yang dialami titik haruslah ditentukan dengan menjumlah
vektor-vektor kuat medan listrik dari masing-masing muatan sumber.

E. Potensial listrik oleh beberapa muatan titik

Potensial listrik adalah besaran skalar (tidak memiliki arah) sehingga potensial listrik total di suatu

titik akibat beberapa muatan lainnya merupakan penjumlahan aljabar biasa dari potensial listrik

masing-masing muatan tersebut. Secara matematis persamaannya dapat ditulis sebagai berikut

= 1 + 2 + 3 + ⋯

= 1 + 2 + 3 + ⋯
1 2 3

Potensial Listrik di antara Dua Pelat Sejajar

Gambar di atas menunjukkan dua pelat konduktor sejajar

yang luas setiap pelatnya A dan terpisah sejauh d dengan kuat

medan listrik di antara pelat E. Beda potensial V antara kedua pelat

sejajar tersebut dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan

usaha.

Usaha yang diperlukan untuk memindahkan sebuah

muatan q dari pelat bermuatan negatif ke pelat bermuatan positif adalah

12 = ( 2 − 1)
Usaha untuk memindahkan muatan q sejauh d dengan gaya F adalah

12 =

dengan = sehingga 12 =

10

Dari kedua persamaan usaha tersebut diperoleh

12 = ( 2 − 1) = = 2 − 1

Beda potensial 2 − 1 dapat ditulis sebagai beda potensial antara kedua pelat.

= =



F. KAPASITOR

a. Rangkaian Seri Kapasitor
Untuk memperoleh nilai kapasitas kapasitor yang lebih kecil daripada

kapasitas semula adalah dengan menyusun beberapa kapasitor secara seri.
Apabila rangkaian kapasitor seri diberi beda potensial, pada setiap kapasitor
memperoleh jumlah muatan yang sama, meskipun besar kapasitasnya berlainan.

q1 = q2 = q3 = qtotal ………………………………………………………………. (i)

Apabila beda potensial kapasitor seri tersebut VAB = VS berlaku persamaan:

VAB = VS = V1 + V2 + V3 …………………………………………………………….. (ii)

Karena V = qC, maka:

qtotal = q1 + q2 + q
CS C1 C2 C3

Berdasarkan persamaan (i), maka:

q qqq
CS = C1 + C2 + C3

Kedua ruas dibagi q, akan diperoleh:

1 = 1 + 1 + 1 ………………………………………………………….. (iii)
CS C1 C2 C3

11

Untuk n kapasitor yang dihubungkan secara seri, persamaan (i) menjadi:

1 111 1
CS = C1 + C2 + C3 + ⋯ + Cn ……………………….. (iv)

Bentuk rangkaian kapasitor yang disusun seri ditunjukkan pada gambar 1

Gambar 1. Rangkaian seri kapasitor

b. Rangkaian Paralel Kapasitor
Kapasitor yang dirangkai paralel, apabila diberi tegangan V setiap

kapasitor akan memeperoleh tegangan yang sama, yaitu V, sehingga pada
rangkaian kapasitor parallel berlaku:
Vtotal = V1 = V2 = V3 ……………………………………………………….. (v)

12

Dengan menggunakan persamaan = , maka akan diperoleh:
qtotal = q1 + q2 + q3 ……………………………………………………… (vi)
Ctotal. Vtotal = C1. V1 + C2. V2 + C3. V3
Berdasarkan persamaan (v), maka diperoleh:
CP = C1 + C2 + C3 …………………………………………………………… (vii)

Apabila terdapat n kapasitor, maka:

CP = C1 + C2 + C3 + ⋯ + Cn

…………. (viii)

Gambar 2 memperlihatkan bentuk rangkaian pada kapasitor yang disusun
parallel.

Gambar 2. Rangkaian seri kapasitor
G. ENERGI KAPASITOR

13

Muatan listrik menimbulkan potensial listrik dan untuk memindahkannya
diperlukan usaha. Untuk memberi muatan pada suatu kapasitor diperlukan
usaha listrik, dan usaha listrik ini disimpan di dalam kapasitor sebagai energi.
Pemberian muatan dimulai dari nol sampai dengan q coulomb. Potensial keping
kapasitor juga berubah dari nol sampai dengan V secara linier. Maka beda
potensial rata-ratanya adalah:

V+0
V= 2

V = q + 0 = 1 q
C 2 2 C

Usaha, W= q.V

1q
W = q2C

q2 ………………………………………….. (ix)
W = 2C

Berdasarkan persamaan C = Vq, maka akan diperoleh:
1 (CV)2

W=2 C

Jadi energi yang tersimpan pada kapasitor adalah:

W = 1 CV2
2

………………………………………….. (x)

14

SOAL EVALUASI

1. Sebuah benda dikatakan bermuatan positif apabila benda tersebut …
A. kelebihan elektron
B. kekurangan elektron
C. kelebihan netron
D. kekurangan proton
E. kekurangan netron

2. Muatan A menolak muatan B dan menarik C, sedangkan muatan C menolak D. Jika C
bermuatan negatif, maka A. muatan D positif, muatan B positif
B. muatan A positif, muatan B negatif
C. muatan A negatif, muatan D positif
D. muatan D negatif, muatan A negatif
E. muatan B positif, muatan D negatif

3. Dua buah muatan masing-masing 5 C dan 4 C berjarak 3 meter satu sama lain. Jika

k = 9 x 109 Nm2/C2 maka besar gaya Coulomb yang dimiliki kedua muatan adalah ....

A. 1 x 1010 N

B. 2 x 1010 N

C. 3 x 1010 N

D. 4 x 1010 N

E. 5 x 1010 N

4. Muatan listrik q1 = +10 µC, q2 = +20 µC, q3 terpisah seperti pada gambar berikut.

q1 q2 q3
a 0,5 a

Agar gaya coulomb yang bekerja di muatan q2 = 0, muatan q3 adalah .....µC
A. 2,5
B. - 2,5

15

C. 25
D. - 25
E. 4

5. UN Fisika 2010 P37 No. 33
Dua muatan listrik yang besarnya sama, namun berlainan tanda terpisah pada jarak r
sehingga timbul gaya elektrostatis sebesar F seperti gambar di bawah ini!

Jika jarak kedua muatan dijadikan 3r, maka gaya elektroststis yang bekerja pada tiap
muatan adalah….
A. 9 F
B. 3 F
C. F
D. 1/3 F
E. 1/9 F

6. UN Fisika 2010 P04 No. 25
Tiga buah muatan listrik diletakkan terpisah seperti gambar.

Resultan gaya yang bekerja pada muatan +q adalah F1. Jika muatan − 2 q digeser
menjauhi muatan + q sejauh a, maka resultan gaya yang bekerja pada muatan +q
menjadi F2. Nilai perbandingan F1 dengan F2 adalah....
A. 2 : 5
B. 5 : 2
C. 5 : 8

16

D. 8 : 1
E. 8 : 5

7. Dua buah muatan titik masing-masing +Q diletakkan di titik_titik sudut yang berdekatan
dari suatu bujur sangkar dengan panjang sisi d. Kuat medan listrik dititik pusat bujur
sangkar adalah....

A. kq 2
d2

B. kq 2
2
d2

C. kq2
(2d )2

D. 2 kq 2
d2

E. 2 kq
d2

8. Dua muatan masing-masing +q diletakkan pada sisi-sisi sudut bujur sangkar yang
berseberangan dengan panjang sisi a. Agar kuat medan listrik di P sama dengan nol,
muatan Q sama dengan....

A. Q=-2q 2 Q +q
B. Q=+2q 2 +q P
C. Q = − 2q

2
D. Q = 2q

2
E. Q=-2q

17

9. Dua titik A dan B berjarak 0,5 m satu sama lain (A disebelah kiri dan B dikanan) masing
– masing bermuatan –4.10-9C dan +9.10-9C. Maka letak titik C agar kuat medannya sama
dengan nol berada pada jarak ….
A. pertengahan AB.
B. 1 m di kanan A.
C. 1 m di kiri A.
D. 1 m dikanan B.
E. ¼ m di kiri A.

10. Muatan listrik Q1 segaris dengan Q2 seperti pada gambar berikut. (k =9 x 109 N.m2/ C2)

+ 3 cm A +
2 cm
Q2 = +4 µC
Q1 = +2 µC

Kuat medan listrik pada titik A adalah .....N/C

A. -7 x 10 7

B. 7 x 10 7

C. 12 x 10 5

D. - 12 x 10 5

E. 11 x 10 7

11. UN Fisika 2009 P45 No. 25
Tiga muatan listrik disusun seperti gambar.

Agar muatan uji P bebas dari pengaruh gaya elektrostatik muatan Q1 dan Q2, maka nilai
x adalah ...
A. 4 cm
B. 5 cm
C. 6 cm

18

D. 7 cm
E. 8 cm

12. UN Fisika 2010 P04 No. 26
Titik A terletak di tengah-tengah dua buah muatan yang sama besar tetapi berlainan
jenis yang terpisah sejauh a. Besar kuat medan listrik di titik A saat itu 36 NC– 1 . Jika
titik A tersebut digeser 1/4 a mendekati salah satu muatan maka besar kuat medan
listrik di titik A setelah digeser menjadi....
A. 4 NC −1
B. 16 NC −1
C. 32 NC −1
D. 40 NC −1
E. 80 NC −1

13. UN Fisika 2010 P37 No. 32
Perhatikan gambar berikut!

Pada titik A dan B terdapat muatan titik, jarak AB = 2 AC dan AC = 2 CD. Jika kuat medan
listrik di C sebesar E, maka kuat medan listrik di titik D sebesar….
A. 20 E/3
B. 10 E/3
C. 6 E/3
D. 20 E/9
E. 5 E/6

19

DAFTAR PUSTAKA
Cahyani, Fieska dan Yandri Santoso.2018. Fsisika Untuk SMA/MA Kelas XII. Bogor:
Quadra Kanginan, Marthen. 2016. Fisika untuk SMA/MA Kelas XII . Jakarta: Erlangga
Pujianto, Supardianningsih, Risdiyani Chasanah, dan Dhara Nurani. 2016. Buku Siswa
Fisika untuk SMA/MA Kelas XII Peminatan Matematika dan Ilmu-Ilmu Alam. Klaten: PT
Intan Pariwara
Tim Masmedia Buana Pustaka. 2015. Fisika untuk SMA/MA Kelas XII. Sidoarj:
Masmedia Tim Penyusun. 2018. Fisika Peminatan Matematika dan Ilmu-Ilmu Alam
Kelas XII. Klaten: PT Intan Pariwara
https://www.andalanelektro.id/2018/08/pengertian-dan-perbedaan-sistem-analog
dan- digital.html
https://id.wikipedia.org/wiki/Piringan_hitam
https://www.maxmanroe.com/vid/umum/pengertian-digital.html
http://www.atbnews24.com/2018/06/pengertian-teknologi digital.html)

20