Listrik Statis, di dalam Fisika
(sumber/ source:: Kanginan, Marthen. 2008. Fokus Fisika Siap Ujian Nasional untuk SMP/ MTs. Cimahi: PenerbitErlangga.)
Model atom disusun oleh jarak tiga partiek sub atom yang penting, yaitu proton, electron, dan neutron. Proton dan neutron terdapat di dalam nucleus (inti atom) sedangkan electron bergerak mengitari nucleus. Besar muatan listrik proton dan electron adalah sama tetapi jenisnya berbeda. Proton bermuatan positif (+), electron bermuatan negative (-) dan neutron tak bermuatan (netral). Jumlah proton dalam nucleus tepat sama dengan jumlah electron yang mengitari inti atom, jadi secara total, atom tidak bermuatan atau netral. Proton diikat kuat dalam nucleus sehingga sangat sukar lepas dari atom. Sebaliknya, electron yang agak jauh jaraknya dari nucleus dapat lepas dari atom. Ketika satu atau lebih electron keluar dari atom, atom diionisasi dan menjadi ion positif. Serupa dengan itu, atom yang menerima electron sehingga kelebihan electron (jumlah electron lebih banyak daripada jumlah proton) menjadi ion negative. Perhatikan, ketika menampilkan [+ + +] benda bermuatan positif maka tanda (+) mewakili ion positif (atom yang kekurangan electron). Ketika kita menampilknan benda bermuatan negative sebagai [----] maka tanda – mewakili ion negative (atom yang kelebihan electron).
Konduktor dan isolator. Berdasarkan mudah atau sukar bahan untuk dialiri muatan listrik, bahan dikelompokkan atas konduktor dan isolator. Konduktor adalah bahan yang mudah untuk dialiri muatan listrik. Perak adalah konduktor yang sangat baik, disusul oleh tembaga. Logam lain seperti aluminium, perunggu, badan manusia, tanah (bumi) adalh beberapa contoh konduktor yang baik. Bahan yang sangat sukar atau bahkan sama sekali tidak dapat dialiri muatan listrik disebut isolator. Isolator yang sangat baik adalah kuarsa, amber, sulfur, paraffin, ebonite, kaca, plastin dan porselin.
Memberi muatan dengan menggosok. Walaupun electron dalam isolator sukar bergerak, tetapi electron ini dapat dipindahkan dengan cara menggosok. Ketika kamu menggosok penggaris plastic dengan kain wol, sejumlah electron dari kain wol pindah ke penggaris. Penggaris menjadi kelebihan electron sehingga bermuatan listrik negative. Sebaliknya, kain wol menjadi kekurangan electron sehingga bermuatan listrik positif. Karena penggaris listrik termasuk isolator, maka electron yang diterima penggaris dari kain wol akan tinggal sementara pada penggaris. Muatan listrik untuk sementara tinggal pada suatu benda inilah yang disebut listrik statis.
Memberi muatan secara konduksi. Batang logm adalah konduktor baik, sehingga tidak mungkin memuatinya dengan gosokan sambil memegang batang itu pada tanganmu. Ini karena selama proses menggosok, muatan yang dihasilkan pada batang logam segera mengalir ke tanah melalui tanganmu. Ingat, tubuhmu termasuk konduktor yang cukup baik sehingga membolehkan aliran muatan listrik mellauinya. Jika diinginkan agar konduktor mempertahankan muatannya, maka konduktor di pasang pada tangkai isolasi. Muatan listrik pada konduktor sekarang tidak dapat mengalir ke tanah. Konduktor bisa dimuati secara konduksi, misalnya dengan menyentuhkan batang kaca bermuatan positif ke salah satu ujung batang logam. Sejumlah electron dari konduktor (batang logam) akan berpindah ke batang kaca, menyebabkan kekurangan electron pada batang logam. Konsekuensinya, batang logam akan bermuatan positif.
Interaksi antarmuatan listrik. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa muatan listrik sejenis tolak menolak dan muatan listrik tak sejenis tarik menarik. Besar gaya tarik menarik atau tolak menolak antar dua muatan listrik, q1 dn 12, yang terpisah pada jarak r dinyatakan oleh persamaan Coulumb: F=k q1q2/r2. Pernyataan oleh hukum Coulumb sebagai berikut: gaya listrik antara dua mautan listrik (tarik menarik atau tolak menolak) sebanding dengan perkalian kedua muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisahnya. Misalkan kita membandingkan besar gaya Coulumb F1 dan gaya coulomb F2.
(1) Kasus di mana hanya muatan yang berbeda: F~q1q2, artinya F2/F1=(q1q2)2/ (q1q2)1 (persamaan 12-2)
(2) Kasus di mana hanya jarak pisahnya yang berbeda: F~1/r2, artinya F2/F1=(1/r2)2/ (1/r1)2=(r1/r2)2 (persamaan 12-3)
(3) kasus di mana baik q1 dan q2 maupun r berbeda: F~q1q2/r2, artinya F2/F1= (q1q2/r2)2/(q1q2/r2)1 (persamaan 12-4)
Memberi muatan secara induksi. Mula konduktor AB berbentuk silinder adalah netral dengan distribusi muatan simetris. Ketika benda bermuatan positif didekatkan ke ujung A (tanpa menyentuh), sejumlah electron bergerak ke ujung A dari bagian lain konduktor. Akibatnya, ujung A memiliki kelebihan electron sementara ujung B kekurangan electron. Perhatikan, secara total konduktor AB tetap netral tetapi distribusi muatan berubah. Jika diuji dengan elektroskop, diperoleh bahwa ujung A bermuatan negative, ujung B bermuatan positive. Sementara bagian tengah dari silinder tidak bermuatan. Dengan mendekatkan benda bermuatan listrik ke salah satu ujung sebuah konduktor, Nampak terjadi pemisahan muatan listrik dalam konduktor. “Pemisahan muatan positif dan negative dari sebuah benda netral, biasanya konduktor, karena benda bermuatan di dekatkan ke salah satu ujung (tanpa menyentuh), disebut induksi listrik (induksi elektrostatis). Dalam peristiwa induksi listrik, muatan pada ujung konduktor yang dekat tidak sejenis dengan muatan yang mempengaruhinya. Sementara muatan pada ujung yang jauh sejenis dengan muatan yang mempengaruhinya. Tentu muatan negative pada ujung A ditarik dengan kuat oleh muatan positif P tak sejenis yang ada didekatnya. Muatan induksi pada ujung dekat A ini disebut muatan terikat (bound charge). Sementara muatan induksi pada ujung jauh B lebih bebas, sehingga disebut muatan bebas (free charge). Ketika konduktor AB disentuh (atau ditanahkan), muatan terikat di ujung dekat A yang ditarik kuat oleh muatan P, tetap pada tempatnya. Sementara muatan bebas pada ujung jauh, yang sejenis dengan muatan penginduksi P, ditolak menjauh oleh muatan penginduksi menuju tanah. Fenomena induksi elektrostatis dapat digunakan untuk memuati sebuah konduktor. Jika konduktor ingin diberi muatan negative, langka hberikut sebaiknya dilakukan.
(a) bawa batang kaca bermuatan positif ke dekat sebuah konduktor yang berdiri pada tangkai isolasi. Karena induksi, muatan terikat diinduksikan pada ujung dekat, sementara muatn bebas diinduksikan pada ujung jauh.
(b) dengan batang kca tetap pada posisinya, sentuh konduktor sehingga ia ditanahkan. Muatan positif bebas dengan segera pergi ke tanah (kejadian sesungguhnya adalah sejumlah electron dari tanah mengalir untuk menetralkan muatan positif).
(c) pinahkan tangan, yaitu dengn memutuskan hubungan ke tanah. Muatan negative terikat masih tetap utuh pada ujung dekat.
(d) pindahkan batang kaca bermuatan positif. Muatan negative pada konduktor tidak lagi diikat, sehingga muatan negative ini akan tersebar merata ke permukaan konduktor.
Elektroskop Daun Emas. Elektroskop daun emas adalah suatu alat yang sangat peka untuk mendeteksi muatan listrik.ketika elektroskop netral, daunnya kuncup. Ketika kepala elektroskop didekati oleh benda bermuatan positif, sejumlah muatan positif pada kepala ditolak menuju ke kedua daun teleskop. Kedua daun yang bermuatan positif (sejenis) tolak menolak sehingga daun mekar.
Distribusi muatan pada konduktor. Berdasarkan eksperimen diperoleh bahwa pada konduktor berongga, muatan hanya tersebar pada permukaan luarnya. Pada permukaan dalam konduktor tidak terdapat muatan listrik. Apakah muatan tersebar merata pada permukaan luar konduktor berongga? Ternyata tidak. Hasil uji menyatakan bahwa muatan paling rapat terdapat pada bagian permukaan luar konduktor yang paling runcing. Itu sebabnya, ujung penangkal petir dibuat runcing.
Penangkal Petir. Pelepasan muatan adalah melompatnya muatan listrik (electron) dari suatu benda ke benda lain. petir termasuk pelepasan muatan alami yang dramatic. Mula awan netral menjadi bermuatan akibat partikel di dalamnya bergesekan. Muatan negative yang terkumpul di bagian dasar awan menginduksi puncak bangunan tinggi sehingga muatan positif berkumpul pada bagian ini. Muatan negative dari awan petir ditarik dengan kuat oleh muatan positif puncak gedung. Sebagai akibatnya, muatan negative dari awan petir melompat ke bagunan untuk sampai ke tanah. Kita katakana bangunan tersambar petir. Sambaran petir dapat menyebabkan kebakaran bangunan. Untuk melindungi pada puncak bangunan dipasang penangkal petir, peralatan yang pertama kali dibuat oleh Benyamin Franklin. Dua cara menangkal petir melindungi gedung tinggdari sambaran petir:
1) mengurangi kesempatan puncak gedung tersambar petir.
2) jika menyambar, disediakan jalur untuk dijalani electron sampai ke tanah tanpa merusak gedung.