Langsung ke konten utama

Medan Listrik yang Ditimbulkan oleh Distribusi Muatan Berbentuk Penggal Garis Lurus Terhingga

Andaikan di ruang $\mathbb{R}^3$ ada muatan dengan distribusi berbentuk penggal garis terhingga dengan rapat muatan $\lambda \in \mathbb{R}$, yaitu
\[ L(a, b) := \{(0, 0, z') ~|~ a < z' < b\} \]
di mana $a, b \in \mathbb{R}$ dan $a < b$.

Posisi titik pada $L(a, b)$ adalah $\vec{r}' := z'\hat{z}$ di mana $\hat{z} := (0, 0, 1)$.

Posisi sebarang titik pada ruang $\mathbb{R}^3$ adalah
\[ \vec{r} := \hat{x}l\cos\phi + \hat{y}l\sin\phi + \hat{z}z \]
di mana $\hat{x} := (1, 0, 0)$, $\hat{y} := (0, 1, 0)$, $l \in \mathbb{R}^+$, $\phi \in \{0\}\cup(0, 2\pi)$, dan $z \in \mathbb{R}$.

Medan listrik yang terjadi di titik $\vec{r}$ tentu saja adalah
\[ \vec{E} = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}\int_a^b \frac{\vec{r} - \vec{r}'}{|\vec{r} - \vec{r}'|^3}dz' \]
di mana $\epsilon_0$ merupakan permitivitas listrik dalam ruang hampa.

Tentu saja,
\[ \vec{E} = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}\int_a^b \frac{\hat{x}l\cos\phi + \hat{y}l\sin\phi + \hat{z}(z - z')}{[l^2 + (z - z')^2]^{3/2}}dz' = E_x\hat{x} + E_y\hat{y} + E_z\hat{z}. \]
Tentu saja,
\[ E_x = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}(l\cos\phi)\int_a^b \frac{dz'}{[l^2 + (z - z')^2]^{3/2}}. \]
Dengan substitusi $z - z' = l\tan\alpha$, maka diperoleh $-dz' = l\sec^2\alpha\,d\alpha$.  Nilai $\alpha_a$ dan $\alpha_b$ didefinisikan sedemikian $z - a = l\tan\alpha_a$ dan $z - b = l\tan\alpha_b$, sehingga
\[ E_x = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}(l\cos\phi)\int_{\alpha_a}^{\alpha_b} \frac{-l\sec^2\alpha\,d\alpha}{l^3\sec^3\alpha}. \]
\[ E_x = -\frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}(\cos\phi)\int_{\alpha_a}^{\alpha_b} \cos\alpha\,d\alpha. \]
\[ E_x = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}(\cos\phi)(\sin\alpha_a - \sin\alpha_b). \]
\[ E_x = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}\left(\frac{z - a}{\sqrt{l^2 + (z - a)^2}} - \frac{z - b}{\sqrt{l^2 + (z - b)^2}}\right)\cos\phi. \]
Dengan penalaran yang sama, diperoleh
\[ E_y = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}\left(\frac{z - a}{\sqrt{l^2 + (z - a)^2}} - \frac{z - b}{\sqrt{l^2 + (z - b)^2}}\right)\sin\phi. \]
Komponen yang lain adalah
\[ E_z = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}\int_a^b \frac{z - z'}{[l^2 + (z - z')^2]^{3/2}}dz'. \]
\[ E_z = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}\int_{\alpha_a}^{\alpha_b} \frac{l\tan\alpha}{l^3\sec^3\alpha}(-1)l\sec^2\alpha\,d\alpha. \]
\[ E_z = -\frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}\int_{\alpha_a}^{\alpha_b} \sin\alpha\,d\alpha. \]
\[ E_z = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}(\cos\alpha_b - \cos\alpha_a). \]
\[ E_z = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}\left(\frac{l}{\sqrt{l^2 + (z - b)^2}} - \frac{l}{\sqrt{l^2 + (z - a)^2}}\right). \]
\[ E_z = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}\left(\frac{1}{\sqrt{l^2 + (z - b)^2}} - \frac{1}{\sqrt{l^2 + (z - a)^2}}\right). \]

Misalkan $b = L \to \infty$ dan $a = -L \to -\infty$, maka
\[ E_z = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0}\lim_{L\to\infty}\left(\frac{1}{\sqrt{l^2 + (z - L)^2}} - \frac{1}{\sqrt{l^2 + (z + L)^2}}\right) = 0. \]
\[ E_l := E_x\sec\phi = E_y\csc\phi = \frac{\lambda}{4\pi\epsilon_0l}\lim_{L\to\infty}\left(\frac{z + L}{\sqrt{l^2 + (z + L)^2}} - \frac{z - L}{\sqrt{l^2 + (z - L)^2}}\right). \]
\[ E_l = \frac{\lambda}{2\pi\epsilon_0l} \]
sesuai yang diharapkan.

Komentar

Postingan populer dari blog ini

Rapat Peluang Keberadaan Partikel Klasik

Andaikan ada sebuah partikel klasik yang bergerak bolak-balik sepanjang garis riil $\mathbb{R}$ dengan posisi $x = A\sin(2\pi t/T)$, di mana $A, T \in \mathbb{R}^+$ berturut-turut adalah amplitudo dan periode getaran, dan $t \in \mathbb{R}$ adalah waktu.  Tentu saja, $t = (T/2\pi)\arcsin(x/A)$.  Rapat peluang keberadaan partikel klasik tersebut tentu saja adalah (di mana $P$ adalah peluangnya) \[ \frac{dP}{dx} = \frac{2}{T}\frac{dt}{dx} = \frac{1}{\pi}\frac{d}{dx}\arcsin\frac{x}{A} = \frac{1}{\pi A}\frac{1}{\sqrt{1 - (x/A)^2}} = \frac{1}{\pi\sqrt{A^2 - x^2}}. \] Peluang untuk menemukan partikel pada interval $-A < x < A$ tentu saja adalah \[ P_x(A) - P_x(-A) = \int_{-A}^A \frac{dP}{dx}dx = \frac{2}{T}(t_x(A) - t_x(-A)) = \frac{1}{\pi}(\arcsin 1 - \arcsin(-1)) = \frac{1}{\pi}\left(\frac{\pi}{2} - \left(-\frac{\pi}{2}\right)\right) = 1. \] Peluang untuk menemukan partikel pada interval $0 < x < A$ tentu saja adalah \[ P_x(A) - P_x(0) = \int_0^A \frac{dP}{dx}dx =...

Proyeksi Stereografis Permukaan Bola ke Bidang Datar

Andaikan ada sebuah permukaan bola \[ S^2(R) := \{\vec{r} \in \mathbb{R}^3 ~|~ |\vec{r}| = R\} \] dan ada sebuah bidang datar \[ P(c) := \{(x,y,z) \in \mathbb{R}^3 ~|~ z = c\} \] di mana $R \in \mathbb{R}^+$ dan $c \in \mathbb{R}$. Oleh karena itu, salah satu titik pada $S^2(R)$ adalah $\vec{r} := R(\sin\theta\cos\phi, \sin\theta\sin\phi, \cos\theta)$ di mana $\theta \in [0, \pi]$ dan $\phi \in (0, 2\pi)\cup\{0\}$. Proyeksi stereografis dari $S^2(R)$ ke $P(c)$ oleh titik $\vec{r}_0 := (0, 0, -R)$ merupakan titik potong pada $P(c)$ oleh garis yang menghubungkan $\vec{r}_0$ dan $\vec{r}$ dengan titik potong di $(X, Y, c)$ di mana $X, Y \in \mathbb{R}$.  Garis tersebut adalah \[ L(\vec{r}_0, \vec{r}) := \{\vec{s} \in \mathbb{R}^3 ~|~ (\vec{s} - \vec{r}_0)\times(\vec{r} - \vec{r}_0) = \vec{0}\}. \] Oleh karena itu, \[ \vec{s} := (x, y, z) = \vec{r}_0 + k(\vec{r} - \vec{r}_0) \] di mana $k \in \mathbb{R}$, sehingga \[ (X, Y, c) = (0, 0, -R) + k(R(\sin\theta\cos\phi, \sin\th...

Jarak Euclidean Titik, Garis, dan Bidang

Jarak antara titik $(a_x,a_y,a_z)$ dan titik $(b_x,b_y,b_z)$ adalah \[ d_{00}=\sqrt{(a_x-b_x)^2+(a_y-b_y)^2+(a_z-b_z)^2}. \] Jarak antara titik $(a_x,a_y,a_z)$ dan garis $\displaystyle \frac{x-x_0}{v_x}=\frac{y-y_0}{v_y}=\frac{z-z_0}{v_z}$ adalah \[ d_{01}=\sqrt{\frac{[(a_y-y_0)v_z-(a_z-z_0)v_y]^2+[(a_z-z_0)v_x-(a_x-x_0)v_z]^2+[(a_x-x_0)v_y-(a_y-y_0)v_x]^2}{{v_x}^2+{v_y}^2+{v_z}^2}}. \] Jarak antara titik $(a_x,a_y,a_z)$ dan bidang $N_xx+N_yy+N_zz+C=0$ adalah \[ d_{02}=\frac{|a_xN_x+a_yN_y+a_zN_z+C|}{\sqrt{{N_x}^2+{N_y}^2+{N_z}^2}}. \] Jarak antara garis $\displaystyle \frac{x-x_0}{v_x}=\frac{y-y_0}{v_y}=\frac{z-z_0}{v_z}$ dan garis $\displaystyle \frac{x-x_1}{w_x}=\frac{y-y_1}{w_y}=\frac{z-z_1}{w_z}$ adalah \[ d_{11}=\frac{|(x_0-x_1)(v_yw_z-v_zw_y)+(y_0-y_1)(v_zw_x-v_xw_z)+(z_0-z_1)(v_xw_y-v_yw_x)|}{\sqrt{(v_yw_z-v_zw_y)^2+(v_zw_x-v_xw_z)^2+(v_xw_y-v_yw_x)^2}} \] apabila $v_yw_z\neq{v_zw_y}$ atau $v_zw_x\neq{v_xw_z}$ atau $v_xw_y\neq{v_yw_x}$. Apabila $v_yw_z=v_zw_y$ dan $v_...