Di dalam kehidupan kita sehari-hari kata listrik bukan merupakan hal yang asing lagi. Banyak peralatan rumah tangga yang menggunakan listrik, misalnya setrika, radio, televisi, lemari es, kipas angin, magic jar, dan mesin cuci. Hal ini menunjukkan bahwa dalam kehidupan kita energi listrik sudah menjadi kebutuhan pokok. Oleh karena itu penting bagi kita untuk mempelajari listrik. Dalam ilmu fisika, listrik dibedakan menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Listrik statis mempelajari sifat kelistrikan suatu benda tanpa memperhatikan gerakan atau aliran muatan listrik.
Gambar 7.1 Percobaan listrik Statis
Dalam ilmu fisika disebut elektrostatika. Sebaliknya, jika memperhatikan adanya muatan listrik yang bergerak atau mengalir, maka disebut listrik dinamis atau elektrodinamika. Thales dari Milete (540 – 546 SM) adalah ahli pikir Yunani purba, yang menurut sejarahnya bahwa gejala listrik statis terjadi pada batu ambar yang digosok dengan bulu. Ternyata batu ambar tersebut dapat menarik benda-benda ringan yang lain misalnya bulu ayam. Dalam bahasa Yunani batu ambar sering disebutelektron.Sesuai dengan pengamatan pada kegiatan di atas ternyata benda-benda tertentu yang telah digosok dapat menarik benda-benda kecil yang ada di sekitarnya. Benda-benda yang telah
digosok dan dapat menarik benda kecil yang ada di sekitarnya ini disebut benda yang telah bermuatan listrik. Dari kegiatan di atas yang telah kalian lakukan dapat disimpulkan bahwa:
1. Plastik yang telah digosokkan pada rambut kering akan bermuatan listrik negatif.
2. Kaca yang telah digosok dengan bulu akan bermuatan listrik positif.
3. Dua buah benda yang bermuatan listrik sejenis akan tolak-menolak dan jika muatan listriknya berbeda akan tarikmenarik.
1 Struktur atom
Untuk menerangkan pengertian adanya sifat kelistrikan pada suatu benda, perlu dipahami adanya konsep atom yang dimunculkan oleh para ahli di antaranya, teori atom Dalton, Thompson, Rutherford dan Bohr. Secara umum dapat dijelaskan bahwa:
1. Benda terdiri atas atom-atom sejenis.
2. Setiap atom terdiri atas sebuah inti yang dikelilingi oleh satu atau lebih elektron.
3. Inti atom bermuatan positif, elektron bermuatan negatif.
4. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif dan netron yang tidak bermuatan listrik.
Benda atau materi pada umumnya mempunyai jumlah proton sama dengan jumlah elektron benda disebut dalam keadaan netral. Jika keseimbangan antara jumlah proton dan jumlah elektron terusik yaitu adanya pengurangan atau penambahan muatan elektron, maka benda tersebut dikatakan bermuatan listrik. Benda akan bermuatan listrik positif bila kekurangan elektron dan benda bermuatan negatif apabila kelebihan elektron.
Benjamin Franklin (1706-1790)
adalah seorang negarawan terkemuka dan membantu dalam penyusunan undang-undang Amerika Serikat. Dia juga seorang pengarang, penerbit, filsuf, dan ilmuwan. Selain penangkal petir, dia menciptakan kursi goyang, kompor berbahan bakar kayu, dan kacamata dua fokus. Pada tahun 1770, dia menemukan arus hangat di Samudra Atlantik yang diberi nama Gulf Stream (Arus Teluk).
Cara tradisional untuk memperoleh benda bermuatan listrik bisa dilakukan dengan gosokan. Jika dua benda saling digosokkan, maka elektron dari benda yang satu akan pindah ke benda yang lain, sehingga benda yang kehilangan elektron akan bermuatan positif dan benda yang menerima pindahan elektron akan bermuatan negatif. Menurut Benjamin Franklin (1706–1790), adanya perpindahan muatan dari benda satu ke benda yang lain merupakan implikasi dari hukum kekekalan muatan, artinya pada saat terjadi gosokan antara dua benda, tidak menciptakan muatan listrik baru namun prosesnya merupakan perpindahan muatan dari satu benda ke benda yang lain.
Sebenarnya untuk perpindahan elektron antara dua benda keduanya tidak perlu digosok-gosokkan, cukup dikontakkan atau ditempelkan saja, tetapi dengan saling digosokkan, maka perpindahan elektron akan lebih mudah. Mengapa?
Jika ingin memperoleh logam bermuatan dengan cara gosokan, maka logam itu harus diisolasi dari tanah agar muatannya tidak dinetralkan, karena adanya aliran elektron ke tanah bila bendanya bermuatan negatif, atau sebaliknya elektron dari tanah bila benda tersebut bermuatan positif. Atau
jika pemegang tidak pakai sepatu yang bersifat isolator maka muatan listrik bisa mengalir melalui tangan, badan, dan kaki si pembuat eksperimen.
Seorang ahli telah menyusun deret benda-benda, lihat Tabel 7.1! Deret benda tersebut menunjukkan bahwa benda akan memperoleh muatan negatif bila digosok dengan sembarang benda di atasnya, dan akan memperoleh muatan positif bila digosok dengan benda di bawahnya. Deret semacam ini dinamakan deret tribolistrik.
2. Muatan Listrik
Sisir yang telah digosok dengan kain wol dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Pada awalnya, kain wol dan sisir keduanya tidak bermuatan. Tidak bermuatan berarti jumlah elektron dan proton dalam atom plastik dan wol tersebut adalah sama. Gosokan kain wol pada sisir mengakibatkan elektron-elektron yang terdapat pada kain wol berpindah ke sisir. Dengan demikian, sisir tersebut akan menerima elektron dari kain wol sehingga jumlah elektronnya lebih banyak daripada protonnya. Sisir tersebut menjadi bermuatan negatif. Ketika didekatkan dengan sobekan-sobekan kertas, sobekan-sobekan kertas ini akan tertarik oleh sisir tersebut. Dengan menggosok-gosokkan dua benda (sisir dan kain wol) dapat membuat benda bermuatan listrik. Metode ini disebut metode gesekan. Contoh lain adalah ebonit akan bermuatan negatif jikadigosok dengan kain wol dan kaca akan bermuatan positif jika digosok dengan kain sutra. Jadi, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda yang bermuatan listrik dapat menarik bendabenda di sekitarnya. Listrik statis adalah listrik yang muatanmuatannya tidak mengalir atau ada dalam keadaan diam.
Mengapa sisir, kain wol, dan benda-benda lainnya dapat mempunyai muatan? Setiap materi tersusun oleh partike-lpartikel dan setiap partikel tersusun oleh atom-atom. Atom terdiri atas inti atom yang tersusun oleh proton dan neutron. Inti atom ini diselimuti oleh kulit atom. Pada kulit atom, terdapat elektron-elektron. Proton disebut juga muatan positif, sedangkan neutron merupakan muatan listrik netral. Adapun elektron adalah muatan listrik negatif.
Jika suatu materi mempunyai jumlah proton sama dengan jumlah elektron, materi tersebut dikatakan tidak bermuatan atau netral. Jika jumlah proton lebih banyak daripada jumlah elektron, sehingga atom-atomnya kekurangan elektron, maka atom tersebut dikatakan bermuatan positif. Adapun atom dikatakan bermuatan negatif jika jumlah elektron lebih banyak daripada jumlah proton, sehingga atom-atomnya kelebihan elektron.
a. Muatan Listrik Elementer
Telah disebutkan bahwa suatu benda dikatakan bermuatan listrik jika atom-atom benda tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Besarnya muatan listrik bergantung pada seberapa banyak atom-atom tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Semakin banyak atom-atomnya kekurangan atau kelebihan elektron, maka semakin besar muatannya.
Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah Coulomb (C). muatan listrik sebuah elektron, proton, dan neutron:
Muatan elektron= –1,6 × 10^-19 Coulomb
Muatan proton = +1,6 × 10^-19 Coulomb
Muatan neutron = 0 (tidak bermuatan)
b. Interaksi Muatan Listrik
Kamu telah mengetahui bahwa suatu benda dapat bermuatan dengan cara digosok. Jika kita cermati, Tuhan Yang Maha Esa telah menciptakan makhluk-Nya dengan berpasang-pasangan, contohnya ada laki-laki dan ada perempuan. Pasangan-pasangan tersebut akan berinteraksi baik dengan pasangannya maupun dengan sesamanya. Begitupun muatan, muatan ada yang bermuatan positif dan
ada yang bermuatan negatif.
Ketika kamu menggosok-gosok mistar plastik dengan kain wol, kamu telah membuat kedua mistar plastik tersebut bermuatan negatif. Kedua mistar plastik yang telah bermuatan negatif tersebut didekatkan satu sama lain, ternyata ada sebuah gaya yang menentang atau menolak kedua penggaris tersebut untuk bersentuhan. Charles Augustin de Coulomb telah meneliti fenomena ini dan menyimpulkan bahwa ada interaksi antara muatan-muatan listrik.
Bagaimana interaksi muatan-muatan listrik. Dua buah mistar yang bermuatan negatif akan terjadi interaksi saling menolak. Coulomb telah menemukan bahwa jika dua muatan sejenis didekatkan, di antara keduanya akan terjadi interaksi saling menolak. Sedangkan jika dua muatan yang tidak sejenis didekatkan, akan terjadi interaksi saling menarik.
Ketika kamu menggosokkan kain wol ke mistar plastik, maka terjadi perpindahan elektron dari wol ke mistar plastik sehingga mistar plastik tersebut bermuatan listrik negatif. Penggosokan batang kaca dengan kain sutra menyebabkan elektron pindah dari kaca ke sutra sehingga batang kaca bermuatan positif. Ketika didekatkan, antara mistar plastik dan batang kaca terjadi gaya tarik-menarik. Mengapa hal ini terjadi? Sesuai dengan yang disimpulkan oleh Coulomb bahwa muatan tidak sejenis akan tarik-menarik. Mistar dan batang kaca pada kegiatan ini mempunyai muatan yang tidak sejenis, sehingga antara keduanya terjadi gaya tarikmenarik. Contoh benda-benda yang bermuatan listrik karena digosok dengan benda lain ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel muatan listrik suatu benda karena digosok benda lain.
Benda Digosok dengan Muatan Listrik
Plastik kain wol negatif
Ebonit kain wol negatif
Kaca kain sutera positif
Sisir rambut negatif
c. Hukum Coulomb
Ketika dua buah muatan sejenis didekatkan satu sama lain, terdapat sebuah gaya yang saling menolak yang mencegah kedua muatan tersebut bersatu. Sebaliknya, jika dua buah muatan yang berlainan jenis didekatkan, akan timbul gaya saling menarik. Gaya tolak-menolak dan gaya tarik-menarik ini disebut gaya elektrostatis.
Coulomb berhasil menghitung besarnya gaya antarmuatan ini. Sebagai penghargaan atas penemuannya, gaya antarmuatan ini dinamakan gaya Coulomb. Dalam penelitiannya, Coulomb menggunakan alat yang dinamakan neraca puntir, seperti terlihat pada gambar berikut.
Jika bola A dan B yang bermuatan sejenis didekatkan, maka akan tolak menolak, sehingga lengan neraca terpuntir dari kedudukan seimbang. Makin besar sudut puntiran lengan neraca, makin besar gaya listrik. Coulomb mengukur gaya listrik untuk berbagai pasangan bola A dan B yang muatan listriknya berbeda dan gaya listrik antara pasangan bola A dan B untuk berbagai jarak pisah dengan dasar sudut puntiran tersebut.
Dari hasil penelitiannya, Charles Coulomb menyimpulkan sebagai berikut.
“Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan hasil kali kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut”
Misalkan muatan pertama dilambangkan dengan Q1, muatan kedua dilambangkan dengan Q2, dan jarak antara kedua muatan tersebut dilambangkan r. Besarnya gaya coulomb dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.
Selain dipengaruhi oleh muatan dan jarak antarmuatan, gaya Coulomb juga dipengaruhi oleh medium di antara kedua muatan tersebut. Gaya Coulomb antara dua muatan yang terletak di dalam medium air akan berbeda ketika kedua muatan tersebut terletak di udara.
d. Elektroskop
Bagaimana mengetahui sebuah benda bermuatan atau tidak? Untuk mengetahui apakah sebuah benda bermuatan atau tidak dapat diamati menggunakan alat yang dinamakan elektroskop. Elektroskop yang paling umum digunakan adalah elektroskop lembaran emas. Skema elektroskop terlihat seperti gambar berikut.
Prinsip kerja alat ini berdasarkan sifat muatan, yaitu akan saling menolak jika didekatkan dengan muatan yang sejenis. Elektroskop berbentuk tabung. Di dalam tabung terdapat lembaran emas yang dapat diberi muatan dari bagian atas melalui sebuah kawat konduktor. Jika sebuah benda bermuatan ditempelkan pada kawat konduktor, maka lembaran emas dan batang akan bermuatan pula. Karena jenis muatannya sama, keduanya akan saling menolak dan lembaran emas akan menjauhi batang membentuk huruf ”V” terbalik. Semakin besar muatan yang diberikan, lembaran tersebut semakin jauh membuka. Dengan demikian kita dapat mengetahui bahwa benda yang ditempelkan pada ujung atas elektroskop bermuatan.
Bagaimana menentukan jenis muatan listrik suatu benda? Kamu tidak dapat menggunakan elektroskop netral untuk menentukan jenis muatan suatu benda, oleh karena itu kamu harus menggunakan elektroskop bermuatan listrik. Misal elektroskop bermuatan negatif yang daun/lembarannya mekar. Perhatikan gambar berikut.
Gambar a menunjukkan sebuah elektroskop bermuatan listrik negatif. Ketika didekati suatu benda bermuatan listrik, lembaran/daun pada elektroskop makin naik, berarti benda bermuatan yang didekatkan kepala elektroskop mempunyai muatan yang sejenis dengan muatan elektroskop, yaitu bermuatan negatif (Gambar b). Sebaliknya pada Gambar c ketika kepala elektroskop didekati benda bermuatan listrik, lembaran/daun elektroskop makin turun (lebih menguncup). Ini berarti benda bermuatan yang didekatkan pada kepala elektroskop mempunyai muatan yang tidak sejenis dengan muatan elektroskop. Muatan benda bermuatan
yang didekatkan kepala elektroskop tersebut bermuatan positif.
3. Induksi Listrik
Kamu telah mengetahui bahwa sebuah benda dapat bermuatan listrik dengan cara digosok. Selain digosok, sebuah benda dapat bermuatan dengan cara induksi. Bagaimana terjadinya induksi listrik?
Gambar di atas memperlihatkan sebuah batang P yang tidak bermuatan (netral). Terlihat bahwa jumlah elektron dan jumlah protonnya sama. Ketika sebuah batang Q yang bermuatan negatif didekatkan pada ujung B, muatan-muatan pada batang P akan bereaksi. Semua muatan negatif akan menolak muatan negatif yang berasal dari batang Q, sedangkan semua muatan positif akan tertarik oleh batang Q. Hal ini sesuai dengan sifat elektron yang akan saling menolak jika muatannya sama dan akan saling menarik jika muatannya berbeda.
Muatan negatif batang P akan berkumpul di ujung A dan muatan positif akan berkumpul di ujung B. Jika ujung A batang P didekatkan pada elektroskop, apa yang terjadi? Keping yang terdapat pada elektroskop pasti akan membuka karena memperoleh muatan sejenis yaitu muatan negatif dari ujung A batang P. Peristiwa ini disebut sebagai induksi listrik.
4. Medan Listrik
Konon, ketika Newton menemukan hukum gravitasi, diilhami oleh sebuah apel yang jatuh dari pohonnya ke tanah. Newton memikirkan mengapa hal tersebut terjadi. Hasil pemikirannya sampai pada sebuah kesimpulan bahwa di antara dua buah benda yang mempunyai massa ada interaksi tarikmenarik. Kesimpulan ini terkenal dengan hukum gravitasi Newton.
Buah apel akan jatuh ke tanah karena ada gaya tarik bumi yang disebut gaya gravitasi. Massa bumi jauh lebih besar daripada massa sebuah apel. Oleh karena itu, apel akan tertarik oleh bumi, bukan sebaliknya. Dalam hal ini, dikatakan bahwa apel terletak pada medan gravitasi bumi.
Dua buah muatan yang diletakkan pada jarak tertentu akan mengalami hal serupa dengan buah apel yang jatuh ke bumi. Sebuah muatan akan mempunyai medan listrik di sekitarnya sehingga jika sebuah muatan uji diletakkan pada jarak tertentu, muatan uji tersebut akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak dari muatan tersebut selama muatan uji tersebut berada dalam medan listrik bermuatan.
Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik. Benda bermuatan listrik mempunyai garis-garis, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah . Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan negatif garis-garis gayanya menuju pusat. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif menuju muatan negatif seperti ditunjukkan pula pada gambar berikut.
Misalkan, sebuah muatan uji q diletakkan pada jarak tertentu dari muatan Q. Ternyata, muatan uji tersebut akan tertarik oleh muatan Q. Dalam hal ini muatan uji q berada di dalam medan listrik muatan Q. Bagaimana menentukan besarnya kuat medan listrik muatan Q?
Kuat medan listrik didefinisikan sebagai berikut.
“Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan uji q akibat adanya muatan Q dibagi dengan besarnya muatan uji q”
Dalam bentuk matematis, definisi tersebut dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.
Dari Persamaan di atas terlihat bahwa untuk mengetahui besarnya kuat medan listrik dari sebuah muatan, kita hanya memerlukan besarnya muatan tersebut serta jarak muatan uji dari muatan yang akan dicari besar medan listriknya. Terlihat bahwa semakin besar muatannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk jarak yang sama. Semakin dekat muatan uji dari suatu muatan yang akan dicari kuat medannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk muatan yang sama.
5. Penerapan Listrik Statis
Listrik statis juga dapat dihasilkan dengan menggunakan generator listrik statis. Contoh generator listrik statis adalah generator Van de Graaff (gambar berikut).
Generator Van de Graaff menghasilkan listrik statis yang besar dengan metode gesekan. Gesekan antara silinder logam bawah dengan sabuk karet menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet. Gesekan antara silinder politen atas dengan sabuk karet menimbulkan muatan positif pada sabuk karet. Jadi, gerak sabuk karet ke atas selalu membawa muatan listrik negatif dan gerak ke bawah selalu membawa muatan listrik positif. Muatan listrik negatif menempati permukaan luar bola yaitu kubah. Di dalam bola tidak ada muatan listrik. Karena sabuk karet terus bergerak, maka muatan listrik negatif pada kubah terus bertambah. Muatan listrik positif pada sabuk karet bawah mengalir ke tanah, sehingga muatan ini dinetralkan oleh muatan listrik dari tanah.
Contoh penerapan listrik statis antara lain sebagai berikut.
a. Pengendap elektrostatis pada cerobong asap, fungsinya membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikel-partikel pencemar.
b. Pengecatan mobil, penggunaan penyemprot cat elektrostatis.
c. Mesin fotokopi (selain menerapkan konsep optik).
d. Petir
Petir merupakan fenomena listrik statis yang sering terjadi pada waktu hujan badai. Awan badai terbentuk oleh uap air, debu, garam dari lautan, dan bahan-bahan lainnya. Di dalamnya arus udara mengalir dengan kencang sehingga menyebabkan partikel-partikel di dalam awan tersebut tersebut saling bertabrakan. Pada peristiwa tabrakan itu terjadi pelepasan elektron antara partikel yang satu dengan partikel yang lain. Partikel yang kehilangan elektron akan bermuatan positif sedangkan partikel yang menerima elektron akan bermuatan negatif. Para ilmuwan belum mengetahui secara pasti mengapa partikel yang relatif lebih berat cenderung bermuatan negatif dan partikel yang lebih ringan cenderung bermuatan positif. Hal inilah yang menyebabkan pada bagian bawah awan berkumpul partikel bermuatan negatif dan pada bagian atas awan berkumpul partikel bermuatan positif.
Selama hujan badai terjadi, bumi yang bermuatan positif akan menarik awan yang bermuatan negatif ke bawah. Pada proses ini muatan akan mencari proses penyaluran yang paling pendek, yaitu tempat-tempat yang paling dekat dengan awan, seperti gedung-gedung tinggi, pohon, dan antena pemancar. Ketika terjadi petir, suhunya dapat mencapai ribuan derajat Celsius dan mengandung energi ribuan mega volt. Kekuatan petir dapat menghancurkan gedung, membunuh hewan dan manusia, serta dapat memusnahkan pohon menjadi serpihan-serpihan. Untuk melindungi gedung-gedung pencakar langit dari petir, Benjamin Franklin, ilmuwan abad ke-17, memprakarsai pembuatan penangkal petir. Saat ini para ilmuwan banyak melakukan eksperimen untuk memanfaatkan energi listrik dalam petir yang sangat besar.
1. Dua buah benda masing-masing
memiliki muatan listrik sebesar 4×10-6 C dan 6×10⁻⁶ C dan memiliki jarak 2 cm.
Tentukanlah berapa gaya coulomb yang timbul dari dua benda tersebut!
Jawab:
F : ?
K : 9×10⁹ Nm2/C2
q1 : 4×10⁻⁶ C
q2 : 6×10⁻⁶ C
r : 2 cm = 0,02 m
Maka gaya coulomb yang terdapat pada
dua benda tersebut adalah 540 N.
2. Dua buah magnet diketahui
masing-masing mempunyai muatan listrik sebesar 4 C dan 2 C dan kedua magnet
tersebut memiliki jarak 3 meter. Maka tentukanlah berapa gaya coulomb yang
terjadi dari kedua muatan tersebut!
Jawab:
F : ?
K : 9×10⁹ Nm²/C²
q1 : 4 C
q2 : 2 C
r : 3 meter
Maka gaya coulomb yang dihasilkan dari
dua muatan listrik tersebut adalah 8×109 N.
3. Dua muatan sejenis besarnya +2 x
10⁻⁶ C dan +6 x 10⁻⁴ C. Jika jarak kedua muatan 6 cm, berapakah gaya Coulomb yang
dialami kedua muatan?
Jawab:
q1 = 2 x 10-6C
q2 = 6 x 10-4C
r = 6 cm = 6 x 10-2m
k = 9 x 109Nm2/C2
FC = k x q1 x q2 /r2
FC = 9 x 109 x 2 x 10-6 x 6 x 10-4/(6 x
10-2)2
FC = 108 x 10-1/36 x 10-4
FC = 3 x 103N
4. Dua buah muatan masing-masing q1 =
6μC dan q2 = 12μC terpisah sejauh 30 cm. Tentukan besar gaya yang terjadi
antara dua buah muatan tersebut, gunakan tetapan k = 9 x 109 Nm2/C2 dalam
satuan standar.
Jawab:
q1 = 6μC = 6 x 10-6
q2 = 12μC = 12 x 10-6C
r = 30 cm = 3 x 10-1 m
Maka F = 7,2 N
5. Dua buah besi mempunyai muatan
listrik masing-masing 10 mikro coulomb (µC)dan 50 mikro coulomb (µC). Apabila
jarak antara kedua besi bermuatan itu adalah 10 cm. Berapakah gaya coulomb yang
timbul dari dua besi bermuatan listrik tersebut?
Jawab:
F : ?
K : 9×109 Nm2/C2
q1 : 10 = 10×10-6 C
q2 : 50 = 50×10-6 C
r : 10 cm = 0,1 m
Maka gaya coulomb yang ditimbulkan dari
kedua besi tersebut adalah 450 N.
