Medan listrik adalah suatu daerah disekitar muatan listrik dimana suatu gaya dialami oleh muatan lain. Medan ini merupakan medan vektor, artinya mempunyai besaran dan arah. Medan listrik merupakan hal mendasar dalam studi elektrostatika dan memberikan wawasan penting tentang bagaimana muatan berinteraksi satu sama lain. Interaksi ini merupakan landasan dari banyak fenomena dalam fisika dan teknik.
Medan listrik diciptakan oleh muatan listrik atau medan magnet yang bervariasi. Kuat medan listrik \(E\) pada suatu titik dalam ruang didefinisikan sebagai gaya \(F\) per satuan muatan \(q\) yang dialami oleh muatan uji positif kecil yang ditempatkan pada titik tersebut, yang secara matematis dinyatakan sebagai: \( E = \frac{F}{q} \) Arah medan adalah arah gaya yang dialami muatan uji positif jika ditempatkan di lapangan.
Medan listrik akibat muatan titik \(Q\) pada jarak \(r\) dari muatan diberikan oleh hukum Coulomb: \( E = \frac{kQ}{r^2} \) di mana \(k\) adalah konstanta Coulomb \(8.987 \times 10^9\, \textrm{Nm}^2/\textrm{C}^2\) , \(Q\) adalah besar muatan, dan \(r\) adalah jarak dari muatan ke titik dimana medan dihitung. Arah medan adalah radial dan menjauhi muatan jika \(Q\) positif dan menuju muatan jika \(Q\) negatif.
Garis medan listrik adalah garis khayal yang ditarik sedemikian rupa sehingga arahnya di suatu titik sama dengan arah medan di titik tersebut. Mereka menyediakan cara untuk memvisualisasikan medan listrik. Aturan menggambar garis medan listrik adalah sebagai berikut:
Ketika berhadapan dengan medan listrik antara dua muatan titik, medan listrik total di suatu titik adalah jumlah vektor dari medan yang diciptakan oleh masing-masing muatan secara independen. Untuk muatan-muatan yang bertanda sama, garis-garis medannya akan saling tolak menolak, sedangkan untuk muatan-muatan yang berlawanan arah, garis-garisnya berarah dari muatan positif ke muatan negatif, yang menunjukkan gaya tarik-menarik.
Medan listrik seragam adalah medan yang kuat medannya sama di setiap titik dalam medan tersebut. Ini biasanya diwakili oleh garis-garis paralel dengan jarak yang sama. Contoh umum medan listrik seragam adalah medan antara dua pelat penghantar paralel besar yang muatannya berlawanan. Kuat medan dalam medan listrik seragam dapat dihitung sebagai: \( E = \frac{V}{d} \) dengan \(V\) adalah beda potensial antar pelat dan \(d\) adalah jarak yang memisahkan mereka.
Dipol listrik terdiri dari dua muatan yang sama besar dan berlawanan arah, dipisahkan oleh jarak yang kecil. Pola medan dipol menunjukkan garis-garis yang dimulai pada muatan positif dan berakhir pada muatan negatif. Garis-garis di luar dipol mirip dengan garis-garis muatan tunggal pada jarak yang jauh, tetapi di daerah antar muatan, garis-garis tersebut menunjukkan pola berbeda yang melengkung ke luar sebelum melengkung kembali ke arah muatan negatif. Pola ini menggambarkan sifat medan listrik yang tidak seragam di sekitar dipol.
Memahami pola medan listrik sangat penting dalam merancang dan menganalisis berbagai perangkat listrik dan elektronik. Dari desain kapasitor sederhana dengan medan listrik seragam hingga struktur kompleks pada perangkat semikonduktor yang memerlukan kontrol pola medan listrik untuk pengoperasiannya. Selain itu, pola medan listrik membantu memahami fenomena dalam fisika plasma, pembentukan petir, dan bahkan dalam sistem biologis di mana medan listrik digunakan dalam transmisi sinyal saraf.
Untuk memvisualisasikan pola medan listrik, salah satu percobaan yang umum adalah menempatkan kertas konduktif di antara dua elektroda yang terhubung ke catu daya dan menaburkan bubuk lycopodium di atas kertas tersebut. Ketika tegangan diterapkan, bubuk tersebut mengatur dirinya sendiri di sepanjang garis medan listrik, sehingga polanya dapat diamati secara langsung. Eksperimen ini mendemonstrasikan prinsip garis dan pola medan listrik secara nyata.
Pola medan listrik memberikan kerangka visual dan matematis untuk memahami interaksi antara partikel bermuatan. Baik itu menghitung gaya pada muatan dalam medan listrik seragam atau menganalisis pola kompleks dalam medan dipol, konsep medan listrik dan polanya merupakan landasan dalam studi elektrostatika dan elektromagnetisme secara keseluruhan.
