Assalamualaikum wbt, Bab Elektrostatik di peringkat Ijazah Sarjana Muda merangkumi 4 bahagian yang perlu dikuasai. Iaitu Cas Negatif dan Positif, Hukum Coulomb - Hukum Daya Elektrostatik, Pengkuantuman Cas, dan Hukum Keabadian Cas. Kita akan cuba menelusuri setiap bahagian ini dan mungkin akan terdapat pertambahan-pertambahan lain dalam entri ini. Jika terdapat sebarang kekhilafan dalam penulisan, boleh berhubung dengan saya.
Elektrostatik
Kajian mengenai elektrik telah bermula sebelum abad ke-19. Rekod yang terawal sekali dituliskan oleh Thales atau lebih dikenali sebagai Thales dari Miletus, bahawa pada tahun 600 sebelum masihi1 amber bila digosok dengan bulu haiwan dapat menarik habuk kayu. Sejak dari penulisan ini, kajian mengenai elektrik tidak berkembang hinggalah pada tahun 1600 bila Sir W. Gillbert (1540 - 1603) telah menulis buku bertajuk De magnete. Gillbert menerangkan bahawa kebanyakan bahan dapat dijadikan magnet dengan gosokan.
Perkataan elektricity berasal dari bahasa Greek iaitu elektron yang bererti amber. Amber adalah sejenis resin keras yang telah dikenal oleh orang-orang dahulu kala kerana sifatnya yang istimewa; bila digosokkan dengan bulu haiwan, amber akan menarik habuk-habuk.
Elektrostatik bererti elektrik pada keadaan diam. Dalam bab ini kita akan membicarakan sifat utama cas elektrik dalam keadaan diam.
Penyelidikan awal mengenai elektrik telah dilakukan terhadap rod gelas yang digosokkan dengan sutera. Rod ini kemudiannya digantungkan pada seutas tali. Suatu rod lagi digosokkan dengan sutera dan didekatkan dengan rod yang tergantung tadi. Kedua-kedua rod ini akan menolak. Ujikaji yang sama dapat dilakukan dengan rod plastik yang digosokkan dengan bulu haiwan. Satu rod plastik digantungkan, rod yang satu lagi didekatkan padanya. Kedua-duanya akan menolak. Tetapi sebaliknya kalau plastik didekatkan dengan gelas yang tergantung tadi, kedua-duanya akan menarik.
Jelas bahawa ujikaji yang ringkas ini menunjukkan cas pada plastik dan gelas adalah berlainan.
Bahan-bahan lain yang dapat dibuat bercas elektrik dengan geseran, apabila diuji didapati mempunyai ciri seperti cas pada gelas atau plastik. Suatu jenis cas menarik jenis cas yang lain dan menolak jika cas tersebut semasa jenis. Ini dapat dituliskan di dalam bentuk yang singkat bahawa:
Cas yang sejenis menolak (repulsive) dan cas yang berlainan menarik (attraction).
Terdapat dua jenis cas dalam alam ini iaitu cas positif dan negatif. Fitrahnya yang berbeza seperti lelaki dan perempuan.
Perjanjian mengenai tanda positif dan negatif untuk cas adalah merupakan pilihan sebarangan. Benjamin Franklin (1706 - 1790) adalah merupakan fizikawan yang pertama mengemukakan tanda positif pada gelas dan negatif pada plastik atau amber. Tanda ini kekal dipakai hingga hari ini walaupun kita dapat merombak jika difikirkan perlu.
Hukum Coulomb - Hukum Daya Elektrostatik (Coulomb's Law)
Kita telah jelaskan bahawa cas yang sama menolak dan cas yang berlainan menarik. Kita tidak sebutkan mengenai kekuatan daya antara cas juga faktor-faktor yang menentukan kekuatan ini.
Pengukuran secara kuantitatif mengenai daya antara cas telah dilakukan oleh fizikawan Perancis, Charles Coulomb (1736 - 1806) pada tahun 1789. Alatradas yang digunakan ditunjukkan pada Gambarajah 1.2.
Bila sfera \(b\) disentuhkan dengan sfera \(a\) cas pada kedua-duanya akan menjadi sama. Cas pada \(b\) dapat diubahkan lagi dengan gosokan, kemudian disentuhkan dengan \(a\). Didapati bila jarak antara \(a\) dan \(b\) tetap, pesongan pada skala \(S\) adalah berkadaran dengan magnitud cas pada kedua-dua sfera tersebut.
Dengan cara yang sama juga diperolehi, bila magnitud cas pada \(a\) dan \(b\) tetap, tetapi jarak kedua-duanya diubah, Coulomb mendapati, daya yang wujud berkadaran sonsang dengan jarak kuasa dua antara cas-cas tersebut. Dalam bentuk formula pernyataan ini dapat ditulis sebagai
$$F\propto \frac{q_1 q_2}{r^2}$$ (1.12)
atau
$$F= k\frac{q_1 q_2}{r^2}$$
Di mana
\(F\): magnitude daya elektrostatik
\(Q_1\) & \(Q_2\): magnitude setiap cas
\(r^2\): jarak diantara dua titik cas
\(k\) dalam rumus tersebut adalah pemalar kadaran.
Perlu diingatkan hukum Coulomb hanya berlaku pada titik cas di mana nilainya (cas) adalah jauh lebih kecil dari jarak antara cas-cas tersebut.
Hukum Coulomb juga menyerupai hukum graviti yang telah dibahaskan lebih 100 tahun dahulu sebelum Coulomb melakukan ujikajinya. Daya Coulomb jauh lebih besar dari daya graviti di dalam tertib \(10^{39}\). Di samping itu, daya graviti selalu bersifat menarik, sedangkan data Coulomb bersifat tarikan jika \(q_1\) dan \(q_2\) mempunyai tanda yang berlawanan dan tolakan jika \(q_1\) dan \(q_2\) mempunyai tanda yang sama. Sekarang kita tinjau pula mengenai unit dari cas.
S.I. Unit bagi cas adalah Coulomb atau diringkaskan sebagai \(C\). Ini ditakrifkan sebagai jumlah cas yang dipindahkan oleh arus satu ampere dalam satu saat. Dalam bentuk persamaan,
$$Q=It$$
Cas adalah kuantiti skalar (✅Magnitude ❎Arah).
Kita masih belum selesai dengan persamaan \(F\propto \frac{q_1 q_2}{r^2}\). Dalam bentuk vektor daya Coulomb dapat dituliskan sebagai
$$\vec{F}=\frac{kq_1 q_2}{r^2}\hat{r}$$
di mana \(\hat{r}\) adalah vektor unit yang menghala pada \(q_2\). Pemalar kadaran \(k\) dapat ditentukan secara ujikaji dan mempunyai nilai
$$k=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_o}$$
Nilai yang diukur untuk \(\varepsilon_o\) adalah \(8.8542\times10^{-12}~\text{CN}^{-1}\text{m}^2\). Jadi
$$\frac{1}{4\pi\varepsilon_o}=9.0\times10^9~\text{Nm}^2\text{C}^{-2}$$\(\varepsilon_o\) dikenali sebagai pemalar ketelusan ruang bebas (vakum atau udara).
Ringkasnya daya Coulomb dapat ditulis sebagai
$$F=\frac{1}{4\pi\varepsilon_o}\frac{q_1 q_2}{r^2}$$
dan dalam bentuk vektor
$$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_o}\frac{q_1 q_2}{r^2}\hat{r}$$
ataupun
$$\vec{F}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_o}\frac{q_1 q_2}{r^3}\vec{r}$$
Ini kerana vektor unit \(\hat{r}=\frac{\vec{r}}{r}\).
Hukum Coulomb menjelaskan bahawa magnitude daya elektrostatik antara dua titik cas adalah berkadar terus dengan hasil magnitude cas dan berkadar sonsang dengan kuasa antara dua jarak cas antara mereka.
Jika Q₁ dan Q₂ ada cas yang berbeza tanda, Daya (F) bertindak antara setiap cas yang tertarik seperti rajah di bawah
rajah 2
Ini bermakna daya, F menghala ke arah cas bersebelahan dan membuatkan kedua-dua cas tersebut bergerak kearah satu sama lain.
Jika cas Q₁ dan Q₂ kedua-duanya adalah positif atau negatif cas, daya F yang bertindak ke atas satu sama lain adalah menolak seperti rajah 1.
Ini bermakna yang daya F adalah menghala jauh daripada cas bersebelahan dan membuatkan ia berpisah diantara dua cas jika mereka bergerak bebas.
Rajah 3.1 dan 3.2 menunjukan hubungan diantara daya elektrostatik dengan jarak antara dua cas.
rajah 3.1 rajah 3.2
Nota,
Tanda cas diabaikan apabila mengantikannya dalam persamaan hukum coulomb.
Tanda cas penting dalam membezakan arah daya elektrik.
Magnitude kedua-dua daya adalah sama tetapi berbeza arah yang mana membentuk vektor, F₁₂ = -F₂₁.
Ciri-ciri daya elektrik diberikan pada kedua-dua cas adalah daya tarikan.
Prinsip Keabadian Cas (Principle of Conservation of Charges)
- Prinsip keabadian cas menyatakan jumlah cas dalam suatu sistem tertutup adalah malar (diabadikan).
- Cas dikuantumkan.
- Cas elektrik wujud sebagai "paket" diskrit dan ditulis sebagai
- Prinsip keabadian cas menyatakan jumlah cas dalam suatu sistem tertutup adalah malar (diabadikan).
- Cas dikuantumkan.
- Cas elektrik wujud sebagai "paket" diskrit dan ditulis sebagai
Di mana e : jumlah asas cas, 1.6x10‾¹⁹C
Q : Cas elektrik
n : Nombor positif integer = 1,2,...
1. Sebelum masihi - B.C.E (Orang-orang Kristian menetapkan bahawa ini adalah kalendar / tahun sebelum kelahiran Jesus Crist). Contoh, 100 MS atau 1 MS (0 MS adalah kelahiran Jesus Crist menurut orang Kristian)↩
Tiada ulasan:
Catat Ulasan