LISTRIK STATIS

 

Muatan Listrik

Tinjauan mengenai konsep kelistrikan dilandasi dari pembicaraan mengenai listrik statik. Sesuai dengan namanya, listrik statik merupakan kajian mengenai kelistrikan yang mempelajari muatan listrik yang dalam keadaan diam.

 

Telah lama orang memperhatikan fenomena sebuah benda yang dapat menarik benda-benda tertentu. “Keajaiban” yang semula dianggap sebagai sihir ini kemudian terbukti bahwa ada suatu kejadian fisis yang berkaitan dengan adanya gejala kelistrikan.

 

Gejala kelistrikan statik baru dipelajari secara intensif oleh Dufay (pada tahun 1700-an) dimana ia berhasil menunjukkan ada dua jenis gejala, yaitu gejala listrik dapat menimbulkan efek tarik-menarik pada benda tertentu dan gejala listrik dapat menimbulkan efek tolak-menolak. Pada perkembangan selanjutnya didefinisikan bahwa ada dua jenis muatan listrik: muatan positif dan muatan negatif. Jika jumlah muatan positif lebih besar dari jumlah muatan negatif maka benda tersebut dinamakan bermuatan positif jika sebaliknya maka benda bermuatan negatif. Sedangkan bila jumlah muatan positif sama dengan jumlah muatan negatif, benda tersebut tidak bermuatan atau netral.

 

Sepanjang pertengahan abad 19, para ilmuwan mencoba meningkatkan penggunaan mutan listrik itu, antara lain dengan mengembangkan mesin uap, yang ditemukan oleh James Watt (1736-1819), yang memicu revolusi industri, di mana satuan daya listrik menggunakan namanya, watt. Penemuan demi penemuan terus berlangsung. Salah satu yang terpenting adalah telegraf oleh Thomas Alva Edison, yang kemudian juga menemukan lampu pijar.

 

Saat ini, sekitar empat abad sejak pemikiran mengenai listrik dimulai, pemanfaatan energi listrik telah menyentuh pada hampir semua sisi kehidupan manusia. Alat-alat elektronik, telekomunikasi, transportasi, yang semua digerakkan oleh listrik, menjadi tak terbayangkan jika seandainya listrik elektrostatis dan elektromagnetis tak pernah ditemukan. Kita tentu banyak berhutang pada ilmuwan-ilmuwan itu. Tapi kadang-kadang kita tak menyadari bagaimana kerja keras mereka telah menghasilkan  sesuatu yang manfaatnya dirasakan berbagai lapisan masyarakat sepanjang zaman.

 

Gambar 1. Perpindahan elektron

Meskipun terdapat dua jenis muatan (positif dan negatif), namun sesungguhnya kita tidak dapat membedakan benda yang mana yang bermuatan negatif atau positif. Dua jenis muatan ini tidaklah seperti jenis laki-laki dan perempuan yang mudah dibedakan dengan kasat mata. Namun, menurut tradisi, gelas/kaca yang digosok dengan kain sutra merupakan benda bermuatan positif, sedangkan jika digosok dengan kain wol maka akan bermuatan negatif. Dengan demikian benda apapun yang ditolak oleh kaca yang telah digosok oleh kain sutra, maka ia kita sebut bermuatan positif. Demikan juga benda apapun yang ditolak oleh kaca yang telah digosok oleh kain wol, maka ia kita sebut bermuatan negatif.

 

Gaya Coulomb antara Dua buah Muatan

Sesuai dengan namanya, gaya Coulomb a dalah jenis gaya di alam yag ditemukan oleh Charles Augustin de Coulomb, seorang ahli fisika bangsa Prancis. Gaya Coulomb sebenarnya merupakan salah satu contoh gaya alamiah. Hingga saat ini di alam ditemukan adanya empat gaya alamiah, yaitu:

1)      Gaya gravitasi, bekerja pada semua partikel, antara lain berfungsi menjaga setiap benda langit berada pada orbitnya.

2)      Gaya elektromagnetik, bekerja di antara partikel bermuatan, antara lain berfungsi mengikat atom-atom dan molekul-molekul dalam benda. Gaya Coulomb merupakan contoh gaya elektromagnetik.

3)      Gaya lemah (week force), terjadi pada peluruhan radio aktif.

4)      Gaya kuat (strong force), berfungsi menjaga neutron-neutron dan proton-proton berada bersamasama dalam sebuah inti atom.

 

Percobaan Coulomb sebenarnya menyelediki gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua “muatan titik” atau partikel bermuatan yaitu gaya antar benda bermuatan yang ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan jarak antara keduanya. Masalah yang diselidiki oleh Coulomb adalah masalah gaya interaksi elektrostatika. Sehingga gaya Coulomb sering disebut gaya elektrostatika. Dari hasil penyelidikannya ia mengemukakan Hukum Coulomb bahwa besar gaya antara dua muatan listrik q₁ dan q₂ yang terpisah dengan jarak r, sebanding dengan besar muatan yang berinterkasi serta sebanding dengan kuadrat jarak antara kedua muatan. Secara matematis dapat ditulis:

 

Untuk membuat rumusan ini menjadi eksak, artinya mengubah tanda sebanding (~) dengan tanda =, maka diperlukan sebuah konstanta, katakanlah k sehingga besar gaya antara kedua muatan titik tersebut adalah :

F             = besar gaya Coulomb (N)

q₁ dan q₂ = muatan listrik yang berinterkasi (coulomb, C)

r              = jarak antara muatan

k            = 9 x 10⁹ N m² C^-2

 ɛ₀           = permitivitas dalam ruang vakum = 8,85 x 10^-12 C² N^-1 m^-2

 

Berikut adalah gambar interaksi antara dua muatan sejenis (baik sama-sama positif maupun

sama-sama negatif) dan dua muatan berlainan.

Gambar 2. Vektor gaya Coulomb

Arah gaya pada masing-masing muatan selalu sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Jika kedua muatan tersebut sejenis maka muatan tersebut saling tolak menolak dimana q1 ditolak oleh q2 dengan gaya F12 seperti pada gambar begitu pula q2 ditolak oleh q1 dengan gaya F21. Jika kedua muatan tersebut berlainan jenis maka muatan-muatan tersebut akan tarik menarik. Muatan q1 ditarik oleh q2 dengan gaya F12 , begitu pula q2 ditarik oleh q1 dengan gaya F21.  Dalam menggambar vektor gaya Coulomb perlu diperhatikan tiga hal berikut:

·         Muatan sejenis tolak menolak, arah vektor gaya bertolak belakang;

·         Muatan tak sejenis tarik-menarik, arah vektor gaya saling mendekati

·         Vektor gaya Coulomb F terletak pada garis hubung kedua muatan.

 

 

MEDAN LISTRIK

 

A. Kuat Medan Listrik

Medan listrik merupakan salah satu besaran listrik yang memiliki kaitan dengan interaksi Coulomb. Medan listrik merupakan suatu besaran fisis yang memiliki nilai pada setiap titik dalam ruang. Konsep medan memungkinkan kita memandang sebuah muatan listrik q sebagai sumber yang memancarkan pengaruh listrik ke segala arah. Pengaruh listrik ini dinamakan medan (field). Medan listrik ini akan mempengaruhi muatan listrik lain q’ (muatan uji) yang berada di sekitarnya, berupa tarikan atau tolakan, bergantung dari jenis muatannya. Dengan kata lain muatan q’ akan mengalami gaya Coulomb. Medan listrik adalah daerah di sekitar muatan di mana pengaruh listrik masih berpengaruh pada muatan lain. Kuat medan listrik di suatu titik sejauh r dari muatan q adalah :

r = jarak titik terhadap muatan sumber (q), satuam m

q = muatan sumber, satuan C

E = besar kuat medan listrik, satuan N/C

k = 9 x 10⁹ N m² C^-2

 

B. Arah Medan Listrik

Arah gaya Coulomb yang bekerja pada muatan uji q2 yang ditempatkan pada medan medan listrik dari muatan sumber q bergantung pada jenis masing-masing muatan. Para ahli fisika sepakat bahwa arah medan listrik pada suatu tempat sebagai arah gaya yang dihasilkan terhadap muatan positif.

Gambar 3. Arah kuat medan listrik untuk muatan positif dan negatif

 Muatan penghasil medan listrik biasa disebut muatan sumber. Berdasarkan definisi yaitu arah medan listrik adalah arah gaya terhadap benda bermuatan positif, maka arah medan listrik dari muatan positif adalah radial keluar menjauhi (meninggalkan) muatan sumber positif (P). Sedangkan arah medan listrik dari muatan negatif adalah radial ke dalam mendekati (masuk) menuju muatan sumber negatif (N) seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Sedangkan gambar 4 adalah foto garis-garis gaya medan listrik dari muatan positif akan memasuki muatan negatif yang berada di dekatnya.

Gambar 4. Garis gaya medan listrik muatan positif dan muatan negatif

 

Dengan mencermati sifat-sifat dari garis gaya medan listrik maka kita akan mendapatkan tiga karakteristik garis-garis gaya medan tersebut sebagai berikut.

1.      Garis gaya medan listrik tidak pernah berpotongan satu dengan yang lainnya.

2.      Garis-garis gaya medan listrik selalu mengarah radial ke luar menjauhi muatan positif dan radial ke dalam menuju muatan negatif.

3.      Tempat dimana garis-garis gaya medan listrik rapat menunjukkan medan listrik yang kuat; sebaliknya tempat dimana garis-garis gaya medan listrik merenggang menunjukkan medan listrik yang lemah.

 

Selain hal di atas, penting untuk diperhatikan bahwa setiap muatan listrik selalu menghasilkan garis gaya listrik yang senantiasa menuju kepada muatan yang lebih negatif. Oleh karenanya kuat medan listrik di alam senantiasa memberi pengaruh kepad muatanmuatan lainnya termasuk terhadap muatan listrik yang ada dalam tubuh kita. Jika kekuatan medan listrik (dan juga kuat medan elektromagnet) melebihi ambang batas dapat membahayakan kesehatan manusia. Rekomendasi Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) tahun 1987 menyebutkan bahwa kuat medan listrik di bawah 10⁴ V/m atau 10⁴ N/C tidak membahayakan manusia. Sebagai contoh, medan listrik di sekitar rangkaian listrik 120V AC tidak membahayakan karena kekuatannya hanya 10^-2 N/C; demikian juga medan elektromagnetik permukaan bumi yang hanya 10² N/C. Tetapi tabung gambar televisi (10⁵N/C) sudah berada di luar ambang batas aman, dan sangat mungkin memberi dampak negatif terhadap jaringan tubuh kita.

 

Referensi :

http://file.upi.edu/Direktori/DUAL-MODES/KONSEP_DASAR_FISIKA/BBM_10_%28Listrik_Statis%29_KD_Fisika.pdf