Terjadinya Listrik Statis
Kata “listrik” dalam bahasa Inggris electric, berasal dari bahasa Yunani elektron, yang berarti “amber”. Amber adalah pohon damar yang membatu, dan pengetahuan kuno membuktikan bahwa jika anda 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” atau listrik statis sebagaimana yang kita sebut sekarang. Barangkali anda telah memiliki pengalaman tentang listrik statis yakni ketika anda menyisir rambut kering, atau ketika menyetrika baju nilon. Pada setiap kasus tadi, suatu benda menjadi “bermuatan” listrik karena proses gosokan dan dikatakan memiliki muatan listrik. Apakah seluruh muatan listrik sama? Atau mungkinkah terdapat lebih dari satu jenis?
Jenis Muatan Listrik
Sesuai dengan hasil percobaan anda, 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. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1a. 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 1b. Tetapi, jika batang kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang bermuatan, akan didapatkan bahwa keduanya akan saling menarik, Gambar 1c.
1
Gambar 1 Muatan yang tak sejenis tarik menarik, sedangkan muatan
yang sejenis tolak menolak satu dengan yang lain.
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 olehnpenggaris 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.
Dua jenis muatan listrik yang ditunjukkan tersebut dinyatakan oleh seorang Amerika, seorang saintis, seorang filosuf yang bernama Benjamin Franklin (1706-1790) 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.
Hukum Kekekalan Muatan
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, plastik 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:
2
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.
Muatan Listrik dalam Suatu Atom
Gambar 2 memperlihatkan model atom sederhana, terdiri dari muatan positif di
dalam inti, dikelilingi satu atau lebih elektron. Inti berisi protonproton bermuatan positif, dan netron yang tidak bermuatan listrik. Besarnya muatan proton dan elektron adalah sama, tetapi tandanya berlawanan. Karena itu atom-atom netral berisi proton-proton dan elektronelektron dengan jumlah yang sama. Meskipun demikian, suatu atom kadangkadang akan kehilangan satu atau lebih elektron, atau akan memperoleh elektron- elektron ekstra. Pada kasus ini, atom akan bermuatan positip atau negatip, dan disebut
ion.
Elektron
Neutron
Proton
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 adalahpolar, meskipun molekul-molekul air tersebut adalah netral, muatan molekul-molekul air tidaklah disalurkan secara seragam sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3. Jadi elektron elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas ke udara karena ditarik menuju
3
molekul-molekul positip air. Di sisi lain, benda yang dimuati secara positip, dapat dinetralkan oleh hilangnya (berpindahnya) elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke bendabenda 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”.
Cara Memperoleh Muatan Listrik
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 Karena sekarang logam kedua tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan
Batang logam netral memperoleh muatan ketika
disentuh dengan benda logam lain yang bermuatan.
4
positif. Proses demikian disebut memuati dengan carakonduksi atau dengan cara
kontak, dan kedua benda tersebut akhirnya memiliki muatan dengantanda 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
Muatan tersebut dikatakan telah diinduksikan pada kedua ujung batang logam. Proses demikian disebut memuati dengan carainduksi. Tentu saja tidak ada muatan yang dihasilkan dalam batang; muatan hanyadipis ahkan. 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 sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6a ( berarti ground). Selanjutnya benda dikatakan di “ground- kan” atau “dibumikan”. Karena bumi sangat besar dan dapat menyalurkan elektron, maka bumi dengan mudah dapat menerima ataupun memberi elektron-elektron; karena itu dapat bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk muatan. Jika suatu benda bermuatan negatip didekatkan ke sebuah logam, maka electron-elektron bebas dalam logam akan menolak dan beberapa electron akan bergerak menuju bumi melalui kabel
5 Induksi muatan pada suatu benda yang
dihubungkan ke bumi.
Ini menyebabkan logam bermuatan positif. Jika sekarang kabel dipotong, maka logam
akan memiliki muatan induksi positif
Hukum Coulomb
Tinjaulah interaksi antara dua benda bermuatan yang dimensi geometrinya dapat diabaikan terhadap jarak antar keduanya. Maka dalam pendekatan yang cukup baik dapat dianggap bahwa kedua benda bermuatan tersebut sebagai titik muatan. Charles Augustin de Coulomb(1736-1806) pada tahun 1784 mencoba mengukur gaya tarik atau gaya tolak listrik antara dua buah muatan tersebut. Ternyata dari hasil percobaannya, diperoleh hasil sebagai berikut:
* Pada jarak yang tetap, besarnya gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatan dari masing –masing muatan. * Besarnya gaya tersebut berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan. * Gaya antara dua titik muatan bekerja dalam arah sepanjang garis penghubung yang lurus. * Gaya tarik menarik bila kedua muatan tidak sejenis dan tolak menolak bila kedua muatan sejenis. Hasil penelitian tersebut dinyatakan sebagai hukum Coulomb, yang secara matematis:
k adalah tetapan perbandingan yang besarnya tergantung pada sistem satuan yang digunakan. Pada sistem SI, gaya dalam Newton(N), jarak dalam meter (m), muatan dalam Coulomb ( C ), dan k mempunyai harga :
sebagai konstanta permitivitas ruang hampa besarnya = 8,854187818 x 10-12 C2/Nm2. Gaya listrik adalah besaran vektor, maka Hukum Coulomb bila dinyatakan dengan notasi vector menjadi :
Dimana r12 adalah jarak antara q1 dan q2 atau sama panjang dengan vektor r12, sedangkan r12 adalah vektor satuan searah r12. Jadi gaya antara dua muatan titik yang masing-masing sebesar 1 Coulomb pada jarak 1 meter adalah 9 x 109 newton, kurang lebih sama dengan gaya gravitasi antara planet-planet.
Contoh 1:
Muatan titik q1 dan q2 terletak pada bidang XY dengan koordinat berturut-turut(x1,y1) dan (x2,y2), tentukanlah :
a. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
b. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
Penyelesaian :
a. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
b. Gaya pada muatan q2 oleh muatan q1
Dari hasil perhitungan bahwa gayanya akan sama besar namun berlawanan arah.
Prinsip Superposisi
Dalam keadaan Rill , titik-titik muatan selalu terdapat dalam jumlah yang besar. Maka timbullah pertanyaan : apakah interaksi antara dua titik muatan yang diatur oleh Hukum Coulomb dapat dipengaruhi oleh titik lain disekitarnya? Jawabannya adalah tidak, karena pada interaksi elektrostatik hanya meninjau interaksi antar dua buah muatan, jika lebih dari dua buah muatan maka diberlakukan prinsip superposisi (penjumlahan dari semua gaya interaksinya).
Secara matematik, prinsip superposisi tersebut dapat dinyatakan dengan mudah sekali dalam notasi vektor. Jadi misalnya F12 menyatakan gaya antara q1 dan q2 tanpa adanya muatan lain disekitarnya, maka menurut Hukum Coulomb,
Begitu pula interaksi antara q1 dan q3 tanpa adanya muatan q2, dinyatakan oleh :
Maka menurut prinsip superposisi dalam sistem q1, q2 dan q3, gaya total yang dialami q1 tak lain adalah jumlah vector gaya-gaya semula :
Contoh 2 :
Tiga buah muatanmasing-masing q1 = 4 C pada posisi (2,3), q2 = -2 C pada posisi(5,-1) dan q3 = 2 C pada posisi (1,2) dalam bidang x-y. Hitung resultan gaya pada q2 jika posisi dinyatakan dalam meter.
Penyelesaian :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar