Medan Listrik: Pengertian, Rumus, dan Contoh Soal

Daftar Isi

Medan listrik adalah daerah disekitar benda bermuatan listrik yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik, dirumuskan E = ^F/_q, di mana (F) adalah gaya Coulomb dan (q) adalah besar muatan uji.

Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali ini akan membahas salah satu besaran dalam kelistrikan, yaitu medan listrik.

Ketika mendengar kata "medan", pikiran kita pasti akan langsung mengartikannya sebagai suatu area atau daerah.

Jadi, saat disandingkan dengan kata "listrik" menjadi "medan listrik", maka boleh dong kita mengartikannya dengan area atau daerah listrik? 

Yah, boleh karena memang maknanya seperti itu. Namun, pengertiannya belum cukup lengkap dan jelas. 

Untuk mengetahui lebih jauh apa itu medan listrik, silahkan simak materi berikut ini...

Daftar Isi

• 1Pengertian Medan Listrik
• 2Kuat Medan Listrik
• 3Simbol dan Satuan Medan Listrik
• 4Rumus Kuat Medan Listrik
• 5Jenis-Jenis Medan Listrik
  • 5.1Medan Listrik oleh Sebuah Muatan Titik
  • 5.2Medan Listrik oleh Dua Muatan Titik
  • 5.3Medan Listrik Bola Konduktor
  • 5.4Medan Listrik Pelat Sejajar
• 6Medan Listrik dan Hukum Gauss
• 7Contoh Soal
• 8Kesimpulan

Pengertian Medan Listrik

Apa yang dimaksud dengan medan listrik? Dalam ilmu kelistrikan, medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik.

 

Dari definisi di atas, dua hal yang penting digarisbawahi adalah benda bermuatan listrik dan gaya listrik sebab keduanya merupakan penyebab timbulnya medan listrik.

Lantas, apa itu benda bermuatan listrik? Jadi, benda bermuatan listrik adalah sebuah benda yang mengandung muatan listrik, baik positif maupun negatif.

 

Sementara itu, gaya listrik adalah gaya dihasilkan oleh benda bermuatan listrik, disebut juga dengan gaya Coulomb.

Untuk membantu pemahaman, perhatikan gambar di bawah ini!

 

Gambar di atas merupakan ilustrasi dari sebuah benda bermuatan listrik positif (+Q) yang menghasilkan gaya listrik atau gaya Coulomb yang digambarkan dengan garis-garis panah.

 

Seluruh area yang dilingkupi oleh garis-garis panah itulah yang disebut dengan medan listrik. 

Gimana, udah jelas kan? Nah, kalau sudah jelas, mari kita beralih ke istilah selanjutnya, yaitu "kuat medan listrik".

Kuat Medan Listrik

Apa yang dimaksud dengan kuat medan listrik? Secara sederhana, kuat medan listrik bisa diartikan sebagai ukuran seberapa kuat suatu medan listrik.

Dalam pengertian yang lebih teknis, kuat medan listrik adalah besarnya gaya listrik tiap satu satuan muatan.

 

Kuat medan listrik sering juga disebut intensitas medan listrik. Untuk mengetahui besarnya kuat medan listrik, kita harus meletakkan muatan uji di tempat tersebut.  

 

Muatan uji adalah sebuah muatan yang menghasilkan medan listrik yang jauh lebih kecil daripada muatan yang akan dihitung kuat medannya.

Semakin besar muatan listrik yang dikandung sebuah benda, semakin besar gaya listrik yang dihasilkan sehingga semakin besar pula kuat medan listriknya.

 

Begitupun sebaliknya, semakin kecil muatan listrik sebuah benda, maka kecil pula gaya listrik yang dihasilkan sehingga medan listriknya juga kecil.

Simbol dan Satuan Medan Listrik

Dalam ilmu fisika, medan listrik disimbolkan dengan (E), sedangkan satuannya menurut Sistem Satuan Internasional (SI) adalah Newton per Coulomb (^N/_C). 

Berdasarkan jenis satuannya, medan listrik merupakan besaran turunan. Selain itu, medan listrik juga termasuk ke dalam besaran vektor, sehingga harus dinyatakan dengan angka dan arah. 

Rumus Kuat Medan Listrik

Besarnya kuat medan listrik (E) yang dihasilkan oleh Q didefinisikan sebagai hasil bagi antara gaya Coulomb (F) yang bekerja pada muatan uji q dengan besarnya muatan uji tersebut. Secara matematis, kuat medan listrik dirumuskan:

E = ^F/_q, atau
F = q . E

 

Keterangan:

• E = kuat medan listrik (^N/_C)
• F = gaya listrik/gaya Coulomb (N)
• q = besar muatan uji (C) 

Jadi, medan listrik berbanding lurus dengan gaya listrik. Semakin besar gaya listrik, semakin besar pula medan listriknya.

Jenis-Jenis Medan Listrik

Medan listrik dapat disebabkan oleh muatan yang berbentuk titik, bola konduktor, atau pelat sejajar. 

1. Medan Listrik oleh Sebuah Muatan Titik

Medan listrik dari sebuah muatan titik arahnya selalu menjauhi sebuah muatan positif dan menuju sebuah muatan negatif. Perhatikan gambar di bawah ini!

 

Jika, muatannya sama-sama positif atau sama-sama negatif, maka garis gaya listriknya berbentuk:

 

Garis gaya muatan listrik sejenis positif-positif

Garis gaya muatan listrik sejenis negatif-negatif

Efek medan listrik suatu muatan sumber Q dapat ditinjau dengan meletakkan suatu muatan uji q di sekitar medan listrik tersebut.

Syarat muatan uji adalah muatannya jauh lebih kecil agar muatan uji tidak mempengaruhi medan yang akan diukur. 

Gambar berikut menunjukkan sebuah muatan titik Q yang akan dihitung kuat medan listriknya. Untuk itu di titik yang berjarak r diletakkan muatan uji yang besarnya q.  

Gaya listrik yang dialami oleh muatan uji q karena muatan sumber Q pernah diamati oleh Coulomb pada tahun 1786. Ia menemukan bahwa:

Gaya interaksi antara dua buah benda titik bermuatan listrik, berbanding lurus dengan hasil kali masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut.

Atau, bisa dituliskan dalam bentuk rumus dengan persamaan:

F = k . ^Qq/_r²

 

Keterangan:

• F = Gaya listrik atau gaya Coulomb (N)
• k = konstanta pembanding 9 x 10^{9 N}/_m²C²
• Q = muatan sumber (C)
• q = muatan uji (C) 
• r = jarak antara muatan sumber dan uji (m)

Kuat medan listrik di suatu titik pada kedudukan muatan uji q adalah hasil bagi antara gaya Coulomb dan muatan uji:

E = ^F/_q = ^{k . Qq/_r2}/_q 

E = k . ^Q/_r² 

 

Keterangan:

• E = kuat medan listrik (^N/_C)

Jadi, kuat medan listrik di suatu titik hanya ditentukan oleh besar dan jenis muatan sumber (Q), serta jarak titik tersebut ke muatan sumber (r).

2. Medan Listrik oleh Dua Muatan Titik

Perhatikan gambar berikut ini!

 

Gambar di atas menunjukkan sebuah titik P yang dipengaruhi oleh dua muatan titik di kiri kanannya.

Ada dua vektor medan listrik yang bekerja di titik P. Pertama, vektor kuat medan listrik di titik P akibat muatan Q₁ adalah E₁ dan kedua, yang diakibatkan oleh muatan Q₂ adalah E₂.

E₁ arahnya ke kanan, yaitu menjauhi muatan Q₁ yang bermuatan positif. Demikian juga E₂ arahnya ke kanan, yaitu menuju muatan Q₂ yang bermuatan negatif.

Jadi, ada dua vektor kuat medan listrik di titik P, yaitu E₁ dan E₂ yang arahnya sama. Kuat medan listrik total di titik P adalah resultan dari kedua vektor kuat medan listrik tersebut. Dirumuskan:
 

E_P = E₁ + E₂ 

 

Keterangan:

• E_P = medan listrik total di titik P (^N/_C)
• E₁ = medan listrik akibat muatan Q₁ (^N/_C)
• E₂ = medan listrik akibat muatan Q₂ (^N/_C)

3. Medan Listrik oleh Bola Konduktor

Rumus kuat medan listrik oleh bola konduktor yang bermuatan Q pada jarak r dari pusat bola adalah:

 

E = ¹/_4πε0 ^Q/_r²

 

Keterangan:

• E = medan listrik bola konduktor (^N/_C)
• Q = muatan bola konduktor (C)
• r = jarak titik dari pusat bola (m)
• ε₀ = permitivitas 8,85 x 10^-12 (^CN/_m²)

Nilai ini sama dengan kuat medan listrik oleh muatan titik. Hal ini berarti di luar bola konduktor, kuat medan listrik sama dengan yang disebabkan oleh muatan titik karena semua muatan dianggap terkonsentrasi di pusat bola. 

4. Medan Listrik Pelat Sejajar

Pelat sejajar adalah susunan dua buah pelat konduktor yang luas dan bahannya sama. 

 

Nilai medan listrik di antara dua pelat merupakan resultan dari medan listrik karena masing-masing pelat.

Namun, medan listrik di bagian luar pelat sama dengan nol karena medan listrik oleh pelat positif dan pelat negatif saling menghilangkan.

Rumus kuat medan listrik pada pelat sejajar adalah:

E = ^σ/_ε0 

 

Keterangan:

• E = medan listrik pelat sejajar (^N/_C)
• σ = rapat muatan per satuan luas (^C/_m²)
• ε₀ = permitivitas 8,85 x 10^-12 (^CN/_m²) 

Beda potensial antara kedua pelat di rumuskan:

V = E . r

Keterangan:

• V = beda potensial kedua pelat (Volt)
• E = medan listrik (^N/_C)
• r = jarak kedua pelat (m)

Medan Listrik dan Hukum Gauss

Hukum Gauss didasarkan pada konsep fluks . Fluks adalah kuantitas yang menggambarkan seberapa banyak vektor medan atau garis-garis gaya yang menembus suatu permukaan dalam arah tegak lurus.

Perhatikan gambar di bawah ini!

Jika terdapat garis-garis gaya dari suatu medan listrik homogen yang menembus tegak lurus suatu bidang seluas A, jumlah garis medan yang menembus tegak lurus bidang tersebut sama dengan perkalian E dan A.

Perkalian antara E dan A dinamakan fluks listrik (Φ). Secara matematis dirumuskan:

Φ = E . A

Keterangan:

• Φ = fluks listrik (Wb atau ^Nm2/_C)
• E = kuat medan listrik (^N/_C)
• A = luas bidang yang ditembus medan listrik (m²)
  

Jika garis-garis gaya tersebut menembus bidang tidak secara tegak lurus atau membentuk sudut, rumus fluks aliran listriknya adalah:

Φ = E.A Cos θ

dengan θ adalah sudut antara vektor medan dan luas permukaan yang ditembus.

Dari konsep fluks inilah, Gauss mengemukaan pendapatnya yang dinyatakan sebagai berikut:

Jumlah garis gaya yang keluar dari suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilengkapi oleh permukaan tertutup tersebut.

Pernyataan ini kemudian dikenal sebagai Hukum Gauss, dan secara matematis dirumuskan:

Φ_tertutup = ^q/_ε0

Contoh Soal Kuat Medan Listrik 

Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang kuat medan listrik: 

Contoh Soal

Medan listrik antara dua plat adalah 2400 ^N/_C dan jarak antara kedua plat 0,50 cm, hitunglah beda potensial antara kedua plat.

Jawab:

Diketahui:

• E = 2.400 ^N/_C
• r = 0,50 cm = 0,005 m

Ditanyakan:

• V....?

Penyelesaian:

 

V = E . r

    = 2.400 . 0,005

    = 12 Volt

Jadi, beda potensial di antara kedua pelat adalah 12 Volt.

Contoh Soal

Medan listrik homogen sebesar E melintasi permukaan seluas A dengan arah membentuk sudut 60⁰ terhadap permukaan bidang. Besar fluks medan listrik yang melalui lintasan itu adalah? 

Jawab:

Φ = E.A Cos θ

    = E . A Cos 60⁰

    = E . A . ¹/₂

    = ¹/₂EA Wb

 

Jadi, besar fluks medan listrik yang melalui lintasan adalah ¹/₂EA Wb.

Contoh Soal

Medan listrik sebesar 250 ^N/_C menembus bidang berukuran 50 x 80 cm. Jika medan listrik membentuk sudut 60⁰ terhadap garis normal bidang, berapa jumlah garis medan listrik yang menembus bidang?  

Jawab:

Diketahui:

• E = 250 ^N/_C
• A = 50 x 80 = 4.000 cm² = 0,4 m² 
• θ = 60⁰ 

Ditanyakan:

• Φ......?

Penyelesaian:

Φ = E.A Cos θ

    = 250 . 0,4 . Cos 60⁰

    = 10 . 0,5

    = 50 Wb atau ^Nm2/_C

Jadi, jumlah garis medan listrik yang menembus bidang adalah 50 Wb. 

Contoh Soal

Kuat medan listrik homogen sebesar 200 ^N/_C menembus bidang yang memiliki panjang 30 cm dan lebar 20 cm dengan sudut 60⁰. Fluks medan listrik adalah...

Jawab:

Diketahui:

• E = 200 ^N/_C
• A = 30 x 20 cm = 600 cm² = 0,06 m²
• θ = 60⁰

Ditanyakan:

• Φ......?

Penyelesaian:

 

Φ = E.A Cos θ

    = 200 . 0,06 . Cos 60⁰  

    = 12 . 0,5

    = 6 Wb 

Jadi, besar fluks medan listrik adalah 6 Wb.

Contoh Soal

Medan listrik sebesar 5.000 ^N/_C melewati permukaan persegi dan membentuk sudut 60⁰ terhadap garis normal. Luas permukaan persegi adalah 2 m². Tentukan fluks listrik yang melalui permukaan persegi! 

Jawab:

Diketahui:

• E = 5.000 ^N/_C
• A = 2 m²
• θ = 60⁰

Ditanyakan:

• Φ......?

Penyelesaian:

 

Φ = E.A Cos θ

    = 5.000 . 2 . Cos 60⁰  

    = 10.000 . 0,5

    = 5.000 Wb 

Jadi, besar fluks medan listrik adalah 5.000 Wb.

Contoh Soal

Sebuah muatan listrik sebesar 20 mC terletak pada jarak 10 cm tentukan kuat Medan listrik pada muatan tersebut...

Jawab:

Diketahui:

• q = 20 mC = 20 x 10^-3 C
• r = 10 cm = 0,1 m = 10^-1 m
  
• k = 9 x 10^{9 N}/_m²C²

Ditanyakan:

• E....?

Penyelesaian:

 

E = k . ^Q/_r²

   = 9 x 10⁹ . ^{20 x 10-3}/_(10^-1)²

   = 9 x 10⁹ . 20 x 10^-3 . 10²

   = 9 x 10⁹ . 20 x 10^-1 

   = 9 . 20 x 10^9-1

   = 180 x 10⁸

   = 1,8 x 10^{6 N}/_C 

 

Jadi, kuat medan listrik pada muatan tersebut adalah 1,8 x 10^6 N/_C.

Kesimpulan

Medan listrik adalah daerah disekitar benda bermuatan listrik yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik, dirumuskan E = ^F/_q, di mana (F) adalah gaya Coulomb dan (q) adalah besar muatan uji.

 

Gimana adik-adik, udah paham kan materi medan listrik di atas? Jangan lupa lagi yah.

 

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain juga bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.

Referensi:

• Arifudin, M. Achya. 2007. Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Interplus.
• Kamajaya. 2007. Cerdas Belajar Fisika untuk Kelas XII SMA/MA Program IPA. Bandung: Grafindo Media Pratama.