Listrik statis

 

Listrik statis

 

Gaya Coulomb

 

Pada saat hujan turun, pernahkah anda melihat petir? Suatu peristiwa alam yang sangat berbahaya dan ditakuti semua orang, karena petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara. Bagaiman kah jika seseorang tersambar petir, maka tubuh orang tersebut akan terbakar. Namun apa yang meneyebabkannya terbakar?. Cermati penjelasan berikut untuk menemukan jawabannya

Nah ada lagi contoh lain, ketika anda melihat gedung-gedung tinggi, pernahkah kalian bayangkan bahwa gedung akan tersambar petir, dengan melihat posisinya lebih tinggi dari benda lainnya. Maka ketika ingin menghindari kejadian- kejadian yang tak terduga maka gedung-gedung bertingkat yang cukup tinggi dilengkapi dengan penangkal petir. Lalu seperti apakah alat tersebut? Apakah bisa juga diaplikasikan pada manusia agar terhindar dari sambaran petir?

Sebelum kita membahas lebih jauh contoh-contoh peristiwa alam di atas sebaikknya kita memperhatikan terlebih dahulu, ketika tangan menyentuh layar TV, seringkali kita terkejut karena seperti ada sengatan dari monitor TV tersebut, apakah yang meneyebabkan hal itu terjadi?  

Salah satu Bahasa yunani yakni Amber  merupakan pohon damar yang membatu,dan pengetahuan kuno membuktikan bahwa jika menggosok batang amber dengan sepotong kain, maka amber menarik potongan daun kecil-kecil atau debu. Batang karet keras, batang kaca, atau penggaris plastik, jika digosok dengan sepotong kain juga akan menunjukkan “efek amber”. Apakah yang dimaksud dengan amber itu sendiri? Nah ternyata Kata “listrik” dalam bahasa Inggris electric, berasal dari bahasa Yunani elektron, yang berarti “amber”.

Barangkali anda telah memiliki pengalaman tentang listrik statis seperti ketika anda menyisir rambut kering, atau ketika menyetrika baju nilon. Pada setiap kasus ini, suatu benda menjadi “bermuatan” listrik karena proses gosokan dan dikatakan memiliki muatan listrik, seperti apa kah muatan listrik itu? Bisa kah kita melihat muatan itu dan seperti apa jenis muatan itu? Sebelum kita melanjutkan pembahasan tentang muatan listrik, coba anda memperhatikan simulasi ini!!!!

Bisakah kalian membayangkan benda apa yang berprilaku seperti simulasi tersebut? Peristiwa lain yang terdapat pada gambar di bawah ini Batang yang bertanda positif dan tanda positif bertemu kedua batang tolak menolak begitu pun jika kedua batang negative, tapi ketika batang positif dan negative bertemu akan Tarik menarik.

 

 

Dengan melihat perilaku muatan di atas maka sebenarnya ada berapa jenis muatan? Bagaimana sehingga muatan itu dikenal dan dinyatakan dal hal tertentu? Nah ternyata ada seorang saintis, di Amerika seorang filosuf yang bernama Benjamin Franklin (1706-1790) menentukan sebagai muatan positif dan muatan negatif. Franklin memilih muatan pada batang kaca yang digosok adalah muatan positif, sedangkan muatan pada penggaris plastik yang digosok (atau amber) adalah muatan negatif. Sampai sekarang kita masih mengikuti perjanjian ini. Jadi terdapat dua jenis muatan listrik. Ketika penggaris plastik kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan pada penggaris plastik pertama, penggaris pertama bergerak menjauhi penggaris kedua. Ketika batang kaca kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan pada batang kaca pertama, batang kaca kedua juga bergerak menjauhi batang kaca pertama. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar b. Tetapi, jika batang kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang bermuatan, akan didapatkan bahwa keduanya akan saling menarik, Gambar c. Karena itu, muatan pada batang kaca haruslah berbeda dengan muatan pada penggaris plastik. Memang, melalui eksperimen seluruh muatan benda dapat dikategorikan ke dalam dua jenis. Setiap benda bermuatan yang ditarik oleh penggaris plastik, akan ditolak oleh batang kaca, atau setiap benda yang ditolak oleh penggaris plastik, akan ditarik oleh batang kaca. Jadi terdapat dua jenis muatan listrik yaitu, muatan yang ditolak batang kaca bermuatan,dan muatan yang ditarik batang kaca bermuatan.

Melihat peristiwa di atas maka Franklin mengusulkan bahwa jumlah muatan yang dihasilkan oleh suatu benda melalui suatu proses penggosokan, adalah sama dengan jumlah muatan positip dan negatip yang dihasilkan. Jumlah bersih muatan yang dihasilkan oleh suatu benda selama proses penggosokan adalah nol. Contoh, ketika penggaris plastik digosok dengan kain wol, plastic memperoleh muatan negatip dan kain wol memperoleh muatan positip dengan jumlah yang sama. Muatan-muatan tersebut dipisahkan, namun jumlah kedua jenis muatan adalah sama. Ini adalah contoh dari suatu hukum yang berlaku sampai sekarang, yang dikenal dengan nama hukum kekekalan muatan listrik yang berbunyi: “Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang berbeda (penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu proses penggosokan adalah nol” Jika suatu benda atau suatu daerah ruang memperoleh muatan positif, maka akan dihasilkan sejumlah muatan negatif dengan jumlah yang sama pada daerah atau benda di sekitarnya.

   

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 2 memperlihatkan model atom sederhana, terdiri dari muatan positif di dalam inti, dikelilingi satu atau lebih elektron. Inti berisi proton-proton bermuatan positif, dan netron yang tidak bermuatan listrik. Besarnya muatan berlawanan. Karena itu atom-atom netral berisi proton-proton dan elektron- elektron dengan jumlah yang sama. Meskipun demikian, suatu atom kadang kadang akan kehilangan satu atau lebih elektron, atau akan memperoleh elektron-elektron ekstra. Pada kasus ini, atom akan bermuatan positip atau negatip, dan disebut ion.

Umumnya, ketika benda dimuati melalui gosokan, benda-benda akan mempertahankan muatannya hanya sebentar, kemudian kembali ke keadaan netral. Kemana muatan pergi? Dalam beberapa kasus, hal ini dinetralkan oleh ion-ion bermuatan di udara (misalnya, oleh tumbukan dengan pertikel-partikel bermuatan, yang kita kenal sebagai sinar kosmik dari ruang angkasa yang mencapai bumi). Hal yang penting diketahui, bahwa muatan dapat lepas ke inti air di udara. Ini karena molekul-molekul air adalah polar, meskipun molekul-molekul air tersebut adalah netral, muatan molekul-molekul air tidaklak disalurkan secara seragam sebagimana diperlihatka pada  Gambar 3. Jadi elektron-elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas ke udara karena ditarik menuju molekul-molekul positip air. Di sisi lain, benda-benda yang dimuati secara positip, dapat dinetralkan oleh hilangnya (berpindahnya) elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke benda-benda bermuatan positip tersebut. Pada udara kering, listrik statis lebih mudah diperoleh karena udara berisi lebih sedikit molekul-molekul yang dapat berpindah. Pada udara lembab, adalah sulit untuk membuat benda bermuatan tahan lama.

 

 

 

 

 

 

Gambar 3 Sebuah molekul air. Karena molekul air mempunyai

muatan yang berlawanan pada ujung yang berbeda, maka disebut

sebuah molekul “polar”.

 

 

Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda

logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam

logam yang netral akan ditarik menuju logam yang bermuatan positif tersebut

sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 4. Karena sekarang logam kedua

tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan

 

 

 

elektron

 

 

 

 

 

 

Gambar 4 Batang logam netral memperoleh muatan ketika

disentuh dengan benda logam lain yang bermuatan.

 

 

positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan

cara kontak, dan kedua benda tersebut akhirnya memiliki muatan dengan

tanda yang sama.

Bila benda yang bermuatan positip didekatkan pada batang logam yang

netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak

meninggalkan batang, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam

logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positip pada

ujung yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 5 Memberi muatan dengan jalan induksi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Muatan tersebut dikatakan telah diinduksikan pada kedua ujung batang logam.

Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Tentu saja tidak ada

muatan yang dihasilkan dalam batang; muatan hanya dipisahkan. Jumlah

muatan pada batang logam masih sama dengan nol. Meskipun demikian, jika

dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan,

satu bermuatan positip dan yang lain bermuatan negatip.

Cara lain untuk menginduksi muatan pada benda logam adalah dengan jalan menghubungkan logam tersebut menuju ground melalui kawat   Konduktor sebagaiman ditunjukkan pada baterai (ground). Selanjutnya benda dikatakan di ground-kan atau dibuminkan . karena bumi sangat besar dan dapat menyaurkan electron maka bumi denganmudah menerima ataupun memberi elektro-elektron, karena itu dapat bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk muatan. Jika suatu benda bermuatan negative didekatkan ke sebuah logam, maka electron-elctron bebas dalam logam akan menolak dan bebrapa electron akan bergrak menuju bumi melalui kab

 

 

Pernahkah anda berpikir tentang bagaimana mengetahui suatu benda bermuatan atau tidak? Coba perhatikan simulasi berikut!! Dengan mencermati simulasi tersebut apa yang anda pahami tentag Elektroskop? Bisakah anda memberikan penjelasan sendiri tentang elektroskop? Mari kita bandingkan pendapatmu dengan penjelasan di bawah ini! Elektroskop mendeteksi muatan suatu bahan Sebagaimana diperlihatkan Gambar 7, di dalam sebuah peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadang-kadang yang dapat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari emas. Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda

 

 

 

 

Gambar 7 Elektroskop

 

yang bermuatan positip didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan terjadi melalui induksi, elektron-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga kedua daun elektroskop bermuatan positip dan saling menolak (Gambar 8a). Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Sedangkan, jika bola dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun elektroskop memperoleh muatan positip, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 8b. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daun-daun elektroskop.

Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa dengan cara ini, anda tidak dapat menentukan tanda muatan, karena dalam setiap kasus, kedua daun elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu elektroskop dapat digunakan untuk menentukan “tanda muatan” jika

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 8 Elektroskop dimuati (a) dengan cara induksi,

(b) dengan cara konduksi

 

 

Pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya secara negatip, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9a. Sekarang, jika bendabermuatan negative didekatkn sebagaiman ditunjukkan pada  Gambar 9b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar. Di sisi lain, jika muatan positip didekatkan, maka elektron-elektron akan diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatip dan jarak pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit), seperti pada   gambar 9c.

 

 

 

 

Gambar 9 Elektroskop yang pertama-tama dimuati dapat digunakan untuk menentukan tanda dari suatu muatan yang diberikan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Muatan listrik dapat hilang dengan pengosongan. Pengosongan terjadi

apabila tersedia suatu jalan bagi elektron-elektron untuk mengalir dari suatu

benda bermuatan ke benda lain. Perpindahan muatan listrik statis dari satu

benda ke benda lain disebut penetralan atau pengosongan muatan statis.

Pengosongan itu lazim juga disebut pentanahan, karena muatan itu sering

dikosongkan dengan cara menyalurkan ke tanah.

Pengosongan muatan statis di udara dapat terjadi sangat besar sehingga

menimbulkan suara dahsyat yang kita sebut guntur. Proses terjadinya petir

dapat dijelaskan pada Gambar 11a, 11b, dan 11c. Bacalah keterangan

ketiga gambar tersebut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Batang logam penngkal petir sering dipasang di atas atap rumah bertingkat atau di atas bangunan tinggi, dan dihubungkan ke dalam tanah melalui kabel logam . Penangkal petir, melindungi rumah dan bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang besar di dalam petir. Penangkal petir ini menyediakan suatu jalan aman atau pertahanan agar arus lisrik petir mangalir masik ke dalam tana, belum melewati rumah atau bangunan lain. Pernahkah anda melihat bangunan tinggi yang dilengkapi dengan penangkal petir seperti gamabar di bawah Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan statis yang tidak menimbulkan kerusakan.

 

 

 

 

 

 

Gambar 12.

Pada saat terjadi petir, pengosongan listrik

statis dari bagian bawah awan yang bermuatan

ke Bumi akan melewati batang penangkal petir

ini. Muatan listrik akan mengalir ke bawah

dengan aman melalui kabel logam tersebut, dan

masuk ke dalam tanah

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    Doc:Kuswanti.pdf

 

 

 

Berdasarkan pemaparan di atas telah dilihat bahwa muatan tak sejenis tarik-menarik dan muatan sejenis tolak-menolak, dengan kata lain ada gaya yang bekerja antara dua atau lebih benda yang bermuatan. Lalu seperti apakah gaya itu? Besar gaya ini bergantung pada besar muatan dan jarak antara muatan tersebut. Mari kita mengintip catatan sejarah pada tahun 1785 seorang ahli fisika bangsa Perancis yang bernama Charles Coulomb (1736-1806) telah menyelidiki hubungan antara besaran-besaran tersebut di atas. Beliau ternyaa menggunakan Jenis peralatan yang seperti Batang yang diisolasi dengan bola-bola konduktor kecil A dan A’, digantungkan melalui kawat tipis. Bola yang sama yaitu B, ditempatkan didekat bola A. Ketika bola A dan bola B bersama-sama disentuh dengan benda yang bermuatan, maka muatan menyebar ke kedua bola (bola A dan B) secara merata. Karena kedua bola A dan B memiliki ukuran yang sama, maka kedua bola tersebut menerima muatan dengan jumlah yang sama. Simbol untuk muatan adalah q. Oleh karena itu, besarnya muatan pada bola-bola A dan B dapat disimbolkan dengan notasi qA dan qB. Coulomb menemukan bagaimana gaya antara kedua bola yang bermuatan, A dan B tergantung pada jarak tertentu. Pertama ia dengan hati-hati mengukur besarnya gaya yang diperlukan untuk memuat kawat yang bergantung melalui sudut  yang diberikan.  Dia kemudian menempatkan muatan yang sama pada bola A dan B dan mengubah jarak keduanya d, antara keduanya. Gaya menggerakkan A dari posisi diamnya, memutar kawat yang digantung. Dengan mengukur pembelokan A, Coulomb dapat menghitung gaya penolakan. Coulomb menunjukkan bahwa gaya F berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua pusat bola.

Nah apakah yang mempengaruhi besarnya mutan suatu bahan ? Untuk menyelidiki bagaimana gaya bergantung pada besarnya muatan, ternyata Coulomb mengubah muatan bola. Pertama-tama Coulomb memberi muatan A dan B sama seperti sebelumnya. Kemudian Coulomb menambahkan bola lain yang tidak bermuatan, dengan ukuran yang sama dengan B. Ketika bola tersebut disentuhkan ke bola B, maka kedua bola membagi muatan yang telah ada dengan bola B. Karena keduanya memiliki ukuran yang sama, maka bola B sekarang hanya memiliki separuh muatan semula. Oleh karena itu, muatan pada bola B hanya separuh muatan bola A. Setelah bola lain yang disentuhkan ke bola B tersebut dijauhkan dari bola B, maka Coulomb menemukan bahwa gaya antara A dan B menjadi separuh dari gaya antara A dan B semula (gaya antara A dan B sebelum adanya bola yang tidak bermuatan). Ia menyimpulkan bahwa besar gaya F, berbanding langsung dengan muatan-muatannya.

Setelah melakukan pengukuran yang sama, Coulomb menyimpulkan hasilnya dalam suatu hukum yang disebut Hukum Coulomb : Besarnya gaya antara muatan qA dan muatan qB, yang dipisahkan oleh jarak d, adalah berbanding lurus dengan besarnya kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan-muatan tersebut

Muatan suatu benda sangat sulit diukur secara langsung. Akan tetapi, Coulomb menunjukkan bahwa besarnya muatan dapat dikaitkan dengan besarnya gaya. Dengan demikian, ia dapat menentukan besarnya muatan yang terkait dengan besarnya gaya yang dihasilkan. Satuan muatan dalam SI adalah coulomb (C). Satu coulomb adalah muatan dari 6,25 x 1018 elektron atau proton. Ingat bahwa muatan proton dan electron. adalah sama nah sekarang coba anda buktikan mengapa satu coulomb sama dengan muatan dari 6,25 x 1018 elektron Muatan yang dihasilkan ledakan petir besarnya sekitar 10 coulomb. Muatan pada satu elektron hanya 1,60 x10-19 C. Besarnya muatan suatu elektron disebut muatan elementer. Dengan demikian, benda sekecil apapun seperti uang logam pada saku anda mengandung lebih dari satu juta coulomb muatan negatip. Muatan yang dihasilkan dengan jumlah yang sangat besar ini hampir tidak ada efek eksternalnya sebab diimbangi dengan jumlah muatan positip yang sama. Akan tetapi jika muatan tidak seimbang, muatan yang kecilpun seperti 109 C dapat mengakibatkan gaya yang besar. Menurut Hukum Coulomb besarnya gaya pada muatan qA yang disebabkan oleh muatan qB yang terpisah pada jarak d, dapat ditulis sebagai berikut:

F= k
q AqB

d 2