Pernahkah kamu menyentuh layar TV atau monitor komputer yang nyala? Kamu mungkin akan merasakan sengatan kecil pada jari tanganmu. Apa yang menyebabkan kamu merasakan sengatan tersebut? Penyebab sengatan tersebut sebetulnya sama dengan penyebab terjadinya petir, yaitu listrik statis. Apakah listrik statis itu? Setelah belajar bab ini, kamu pasti dapat menggambarkan muatan listrik untuk memahami gejala-gejala listrik statis.
Peta Konsep
A. Muatan Listrik
kamu mengamati potongan-potongan kertas tisu yang mula-mula diam di atas meja kemudian meloncat dan akhirnya menempel pada plastik yang telah digosok. Gejala ini dapat pula kamu amati jika kamu menggosok- gosokkan sisir pada rambut kering, ternyata sisir tersebut dapat menarik potongan-potongan kertas. Gejala serupa terjadi pada saat kamu menyetrika baju dari kain nilon, ternyata baju-baju tersebut menjadi lengket satu dengan lain. Pada berbagai peristiwa tersebut kamu mengamati bahwa benda-benda tersebut menjadi “bermuatan listrik”.
Seperti yang telah kamu pelajari tentang teori atom, setiap benda terdiri atas atom-atom. Model atom yang sekarang dikenal adalah model atom hasil penyelidikan dan teori-teori yang dikemukakan oleh E. Ruther ford (1871-1937), Niels Bohr (1885-1962), dan ahli fisika lain dari berbagai negara. Sebuah atom terdiri atas inti atom dan elektron. Inti atom terdiri atas satu atau lebih proton dan neutron, tergantung pada jenis atomnya. Proton bermuatan positif, sedangkan neutron tidak bermuatan. Elektron bermuatan negatif mengelilingi inti atom.
Suatu atom dikatakan netral jika jumlah muatan positif (jumlah proton) sama dengan jumlah muatan negatif (jumlah elektron). Atom akan bermuatan negatif jika atom tersebut mendapatkan kelebihan elektron. Atom akan bermuatan positif jika atom tersebut kekurangan elektron. Perhatikan Gambar 7.2 berikut.
Atom Helium memiliki inti yang terdiri atas 2 proton dan 2 neutron serta dikeliling 2 elektron. Atom bermuatan negatif jika atom tersebut mendapatkan tambahan elektron.
Atom Hidrogen yang netral terdiri atas 1 elektron, namun atom tersebut mendapatkan tambahan 1 elektron, sehingga bermuatan negatif. Atom bermuatan positif jika atom tersebut kekurangan elektron. Atom Litium yang netral memiliki 3 elektron, namun atom tersebut kehilangan 1 elektron sehingga bermuatan positif.
Sekarang bayangkan plastik 
1. Interaksi antara benda-benda bermuatan listrik
Berdasarkan teori atom, kamu mendapatkan pemahaman bahwa muatan listrik tidak hanya satu jenis, melainkan dua jenis, yaitu muatan positif dan muatan negatif.
kamu dapat mengamati bahwa jika dua penggaris plastik yang telah digosok dengan kain wool saling didekatkan, ternyata penggaris plastik tersebut saling tolak-menolak. Gejala serupa dapat kamu amati, jika dua batang kaca yang telah digosok dengan kain sutera didekatkan, ternyata juga saling tolak-menolak.
Kamu dapat dengan mudah menyatakan, karena kedua penggaris plastik tersebut digosok dengan kain yang serupa, tentu saja muatan yang terdapat pada penggaris plastik tersebut sejenis. Demikian juga halnya dengan kedua batang kaca, pastilah memiliki muatan sejenis karena digosok dengan benda yang serupa. Hasil pengamatanmu ternyata menunjukkan bahwa benda-benda yang bermuatan listrik sejenis akan tolak-menolak, atau dapat disimpulkan lebih lanjut muatan listrik sejenis tolak-menolak, perhatikan Gambar 7.4.
Bagaimana hasil ini jika dikaitkan dengan keberadaan atom-atom penyusun penggaris plastik dan batang kaca? Ketika penggaris plastik tersebut digosok dengan kain wool, elektronelektron dari kain wool berpindah ke penggaris plastik, sehingga penggaris plastik tersebut bermuatan listrik negatif. Sebaliknya, ketika batang kaca digosok dengan kain sutera, elektron-elektron pada batang kaca tersebut berpindah ke kain sutera, sehingga batang kaca bermuatan positif. Akibatnya, antara penggaris plastik dengan batang kaca terjadi tarik-menarik.
2. Konduktor dan isolator
Bayangkan, kita memiliki dua buah bola logam. Salah satu bola dimuati, sedangkan bola yang lain netral (Gambar 7.5.a). Selanjutnya kita tempatkan paku besi, sehingga paku menyentuh kedua bola itu. Ternyata kita mendapatkan, bola kedua dengan cepat menjadi bermuatan. Hal ini disebabkan sebagian muatan listrik pada bola pertama berpindah menuju bola kedua melalui paku besi (Gambar 7.5.b). Namun seandainya kita tidak menggunakan paku besi, tetapi kayu, ternyata bola kedua tetap netral, artinya muatan listrik pada bola pertama tidak berpindah menuju bola kedua (Gambar 7.5c). Kamu dapat menggunakan tespen untuk mengetahui apakah bola logam tersebut bermuatan listrik.
Benda-benda yang berperilaku seperti paku besi digolongkan sebagai konduktor listrik, yaitu benda-benda yang dapat menghantarkan listrik. Sebaliknya, benda-benda yang berperilaku seperti kayu digolongkan sebagai isolator listrik, yaitu benda-benda yang tidak dapat menghantarkan listrik. Dapatkah kamu memberikan contoh lain konduktor dan isolator listrik? Selain bersifat konduktor dan isolator, ada bendabenda yang bersifat di antara kategori tersebut. Misalnya silikon, germanium, dan arsen. Benda-benda ini termasuk dalam kategori semi-konduktor.
B. Elektroskop
Kamu telah mengetahui bahwa dengan menggosok, kamu dapat memperoleh muatan listrik. Muatan listrik dapat pula diperoleh dengan menyentuhkan benda yang tidak bermuatan kepada benda yang bermuatan. Pada akhirnya kedua benda tersebut memiliki muatan dengan tanda yang sama. Proses demikian ini disebut cara konduksi atau kontak. Jika benda yang bermuatan positif didekatkan pada batang logam netral, namun tidak disentuhkan, apa yang terjadi? Lihat
Gambar 7.6.
Pada Gambar 7.6 elektronelektron pada batang logam netral tidak meninggalkan logam, namun akan bergerak menuju benda bermuatan positif, dan meninggalkan muatan positif di ujung lain. Walaupun secara keseluruhan batang logam tersebut netral, namun pada batang logam tersebut terjadi pemisahan muatan. Jika kita dapat memotong logam tersebut, maka kita akan memperoleh dua potong logam dengan muatan listrik yang tidak sejenis. Pemuatan listrik dengan cara demikian disebut pemuatan
1. Elektroskop
Keberadaan muatan listrik pada sebuah benda dapat diketahui dengan elektroskop. Bangun elektroskop terdiri atas dua buah daun logam tipis yang dipasang pada ujung batang logam. Ujung lain batang itu biasanya dipasang bola logam (knob). Untuk menghindarkan dari berpindahnya muatan ke udara bebas, batang tersebut dimasukkan ke dalam kaca.
Perhatikan Gambar 7.7. Elektroskop, pada saat netral daun-daun logam menguncup; saat sisir ber-muatan negatif didekatkan, elektron pada batang logam terdorong menuju daun elektroskop, dan daun mekar; saat kaca bermuatan positif didekatkan elektron pada batang logam bergerak ke knop, sehingga daun bermuatan positif, dan daun mekar.
Seperti yang telah kamu lakukan dalam Lab Saku di samping, misalkan kamu mendekatkan sisir bermuatan negatif pada knob elektroskop. Elektron-elektron pada batang logam akan terdorong menuju dua daun elektroskop, sedangkan pada knop akan mengumpul muatan positif. Kedua daun tersebut mendapatkan elektron, sehingga bermuatan negatif. Akibatnya kedua daun tersebut tolak-menolak dan mekar. Dapatkah kamu menjelaskan, apa yang terjadi jika batang kaca yang bermuatan positif didekatkan pada elektroskop?
2. Pengosongan muatan listrik
Muatan listrik pada suatu benda dapat hilang dengan pengosongan. Pengosongan muatan listrik dapat terjadi jika ada jalan agar muatan yang terkumpul pada suatu benda dapat berpindah ke benda lain, atau ke bumi. Pengosongan muatan listrik ke bumi disebut pentanahan.
Kita tidak khawatir dengan pengosongan muatan listrik pada benda-benda seperti plastik, sisir, batang kaca, dan lain-lain. Namun kita mesti berhati-hati dan peduli dengan pengosongan muatan listrik yang besar, misalnya pengosongan muatan listrik pada awan dalam bentuk petir. Perhatikan Gambar 7.8 untuk mengetahui petir sebagai peristiwa pengosongan muatan listrik.
Selain berbahaya bagi manusia karena dapat mengakibatkan kematian bagi yang disambarnya, petir dapat menyebabkan kerusakan bangunan yang tinggi. Untuk mencegahnya, gedung-gedung dipasang penangkal petir. Penangkal petir berupa batang logam yang berujung lancip, dan dihubungkan ke tanah dengan kawat logam yang relatif besar. Penangkal petir menyediakan jalan bagi muatan listrik di awan agar dapat berpindah menuju tanah melalui kawat, dan bukannya melalui bangunan.
C. Hukum Coulomb
Kamu telah mengetahui, bahwa benda-benda yang bermuatan sejenis akan tolak-menolak, dan benda-benda yang bermuatan tidak sejenis akan tarik-menarik. Tarik-menarik dan tolak-menolak tersebut diakibatkan oleh adanya gaya tarik atau gaya tolak. Faktor-faktor apakah yang mempengaruhi besarnya gaya listrik tersebut?
Pada Kegiatan 2, tentunya kamu mengetahui, bahwa besarnya gaya tarik atau tolak pada benda-benda bermuatan listrik ternyata dipengaruhi oleh jarak antara benda bermuatan tersebut. Kamu harus mendekatkan penggaris plastik yang telah digosok sedekat mungkin dengan batang kaca, agar kamu dapat melihat gejala gaya tarik yang terjadi. Jika penggaris plastik kamu letakkan pada relatif jauh dari batang kaca, maka gaya tarik yang terjadi tidak dapat diamati, karena kecilnya. Ternyata, gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara muatan listrik dipengaruhi oleh jarak antara muatan tersebut. Jika jarak antara muatan kecil (berdekatan), maka gaya listrik yang terjadi besar. Sebaliknya jika jaraknya diperbesar (berjauhan), maka gaya listrik yang terjadi kecil.
Kamu juga mengamati, agar gaya tarik-menarik atau tolakmenolak yang terjadi besar, kamu harus menggosok batang kaca atau penggaris plastik dengan kain keras-keras dan beberapa kali gosokan. Semakin keras dan sering kamu menggosoknya, muatan listrik yang terkumpul juga semakin besar. Hal ini menunjukkan semakin banyak muatan listrik yang ada, gaya listrik yang terjadi juga semakin besar.
Gejala seperti yang kamu amati di atas telah diselidiki oleh ilmuwan Perancis yang bernama Charles Coulomb (1736-1806). Pada tahun 1785, beliau menyelidiki hubungan antara besar muatan dan jarak antara muatan dengan besar gaya listrik yang dihasilkan.
menggunakan 2 bola konduktor kecil A dan A’ yang digantungkan melalui kawat tipis (lihat Gambar 7.9). Bola serupa, yaitu bola B diletakkan di dekat bola A. Bola A dan B bersama-sama disentuhkan pada benda bermuatan, sehingga mendapatkan muatan yang sama, karena ukuran bola tersebut sama. Ketika bola B diletakkan pada jarak tertentu dari bola A, maka batang penghubung A dan A’ akan berputar sedikit. Dengan mengukur sudut putaran tersebut, Coulomb dapat menentukan gaya yang diperlukan untuk memutarnya.
Dengan menempatkan bola B yang berubah-ubah jaraknya dari bola A, dan mengukur gaya listrik yang dihasilkan, Coulomb berkesimpulan bahwa gaya listrik (F) yang terjadi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua pusat bola A dan B. Pernyataan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.
Coulomb selanjutnya mengubah-ubah muatan listrik pada bola A dan bola B, dengan cara menyentuhkan bola A dan bola B pada bola serupa yang netral, sehingga muatan di bola A dan bola B menjadi tinggal separuhnya. Hasil percobaannya menunjukkan, gaya listrik berbanding lurus dengan besar muatan di bola A (qA) dan besar muatan di bola
B (qB), atau
Berdasarkan hasil tersebut, misalkan muatan di bola A menjadi 2 kali semula, dan muatan di bola B menjadi 3 kali semula, maka gaya listrik yang terjadi menjadi 2 × 3 atau 6 kali semula.
Berdasarkan hasil-hasil di atas, akhirnya Coulomb menyimpulkan besar gaya listrik antara dua muatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu berbanding lurus dengan besar kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan tersebut. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Coulomb, secara matematika dapat dituliskan sebagai berikut.
Satuan muatan listrik
Muatan suatu benda sangat sulit untuk diukur secara langsung. Tetapi Coulomb menunjukkan bahwa besarnya muatan listrik dapat ditentukan dengan cara mengukur gaya listrik yang dihasilkannya. Di dalam sains, setiap besaran memiliki satuan. Satuan muatan listrik dalam sistem SI adalah coulomb (C). Muatan listrik 1 elektron adalah 1,6 × 10−19 coulomb, dan jenisnya negatif, sedangkan muatan listrik 1 proton besarnya sama dengan muatan 1 elektron, namun jenisnya positif. Besar muatan 1 elektron disebut muatan elementer, dan merupakan besar muatan terkecil di alam.
D. Medan Listrik
Coba kamu ingat kembali pelajaran sebelumnya, bahwa setiap benda bermuatan listrik. Jika benda A yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruang yang di dalamnya sudah ada benda B. Jika benda B bermuatan listrik, benda A akan mengalami gaya listrik juga. Ruang di sekitar A maupun B disebut medan listrik. Jadi, yang dimaksuddengan medan listrik (E) adalah ruangan di sekitar benda bermuatan listrik yang mengalami gaya listrik.
Jika suatu benda yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruangan, maka dalam ruangan tersebut terdapat medan listrik. Jika benda lain yang bermuatan listrik diletakkan di ruang tersebut, maka kedua benda akan mengalami gaya.
Jika muatan kedua benda sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tolak-menolak dan jika kedua benda mempunyai muatan yang tidak sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya
tarik-menarik.
Medan listrik dilukiskan dengan garis-garis gaya listrik yang arahnya dari kutub positif ke kutub negatif (Gambar 7.10). Kuat medan listrik bergantung pada kerapatan garis-garis gaya listrik. Besar kuat medan listrik dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.
RANGKUMAN
1. Kumpulan muatan listrik pada suatu benda disebut listrik statis.
2. Terdapat dua jenis muatan listrik, yaitu muatan positif dan negatif.
3. Muatan-muatan yang sejenis tolak-menolak dan muatan yang tidak sejenis tarik-menarik.
4. Pengumpulan muatan listik dapat diperoleh melalui cara menggosok, menyentuhkan benda netral dengan benda bermuatan (konduksi), dan induksi.
5. Muatan listrik dapat dideteksi dengan elektroskop.
6. Penghilangan muatan listrik yang terkumpul pada suatu benda disebut pengosongan muatan.
7. Hukum Coulomb menyatakan, bahwa gaya yang terjadi antara dua buah muatan berbanding lurus dengan besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan itu.
Beri Penilaian
Tidak ada komentar:
Posting Komentar