LISTRIK STATIS

LISTRIK STATIS

Listrik statis (electrostatic) membahas muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik.

Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Muatan listrik timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron dikatakan bermuatan negatif. Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik suatu benda.

1)   Struktur Atom

Atom merupakan bagian terkecil dari suatu unsur. Atom berasal dari kata atomos yang berarti tidak dapat dibagi-bagi lagi. Beberapa ilmuwan yang menyelidiki dan mengamati tentang atom adalah sebagai berikut.

a)    Demokritus (460 – 370 SM)

Demokritus menyatakan bahwa atom merupakan partikel terkecil yang menyusun suatu zat yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.

b)    John Dalton (1766 – 1844)

Pada tahun 1803, John Dalton mengemukakan teori atomnya seperti berikut.

-   Atom merupakan bagian terkecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.

-   Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain.

-   Dua atom atau lebih akan membentuk molekul.

-   Atom suatu unsur semuanya serupa.

c)    J.J. Thomson (1856 – 1940)

Model atom menurut J.J. Thomson adalah sebagai berikut.

-   Atom merupakan bola pejal yang terdiri atas muatan positif (poton) dan muatan negatif (elektron).

-   Proton dan elektron tersebar merata di seluruh atom.

-   Atom akan bersifat netral jika jumlah muatan proton sama dengan jumlah muatan elektron.

d)   Ernest Rutherford (1871 – 1937)

Model atom menurut Rutherford adalah sebagai berikut.

-   Atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif.

-   Elektron-elektron mengelilingi inti atom seperti planet-planet dalam tata surya.

-   Atom bersifat netral karena muatan inti sama dengan jumlah muatan elektronnya.

-   Inti atom dan elektron saling tarik dengan gaya inti yang sama sehingga elektron tetap berada dalam lintasannya.

Gambar 1. Struktur Atom

2)   Istilah-istilah yang Berkaitan dengan Atom

a)    Proton adalah partikel atom yang bermuatan positif.

b)   Elektron adalah partikel atom yang bermuatan negatif.

c)    Neutron adalah partikel atom yang netral (tidak bermuatan positif maupun bermuatan negatif).

d)   Inti Atom atau nukleus adalah partikel gabungan dari proton dan neutron yang terletak di bagian tengah atom.

Gambar 2. (a) Atom bermuatan netral, (b) Atom bermuatan negatif,

 (c) Atom bermuatan positif

a.    Gaya listrik

Gaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding besar muatan listrik dari tiap-tiap benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.

Gambar 3. Gaya coulomb antara dua bermuatan listrik

Jika benda A memiliki muatan q₁ dan benda B memiliki muatan q₂ dan benda A dan benda B berjarak r satu sama lain, gaya listrik yang timbul di antara kedua muatan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut

Dimana : F adalah gaya listrik atau gaya coulomb dalam satuan newton k adalah konstanta kesebandingan yang besarnya 9 x 10⁹ N m² C^–2 muatan q dihitung dalam satuan coulomb (C).

Gaya listrik merupakan besaran vektor sehingga operasi penjumlahan antara dua gaya atau lebih harus menggunakan konsep vektor, yaitu sesuai dengan arah dari masing-masing gaya. Secara umum, penjumlahan vektor atau resultan dari dua gaya listrik F₁ dan F₂ adalah sebagai berikut.

                                  i.          Untuk dua gaya yang searah maka resultan gaya sama dengan penjumlahan dari kedua gaya tersebut. Adapun, untuk dua gaya yang saling berlawanan, resultan gaya sama dengan selisih dari kedua gaya.

R = F₁ + F₂ dan R = F₁ – F₂

                                ii.          Untuk dua gaya yang saling tegak lurus, besar resultan gayanya adalah

                              iii.          Untuk dua gaya yang membentuk sudut θ satu sama lain, resultan gayanya dituliskan sebagai berikut :

Untuk penjumlahan lebih dari dua gaya, perhitungannya dapat menggunakan metode analitis (lihat pembahasan tentang analisis vektor).

b.   Muatan listrik

Suatu benda dikatakan bermuatan listrik apabila kelebihan atau kekurangan elektron dalam atomnya. Benda yang kekurangan elektron akan bermuatan positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif. Atom yang bermuatan positif atau negatif disebut ion. Ion dibedakan menjadi dua, yaitu ion positif dan ion negatif. Ion positif adalah atom yang bermuatan positif, sedangkan ion negatif adalah ion yang bermuatan negatif. Satuan muatan listrik dalam SI adalah coulomb (C).

Beberapa cara untuk memeberi muatan listrik, antara lain penggosokan, penyentuhan, dan induksi.

1)      Penggosokan

Jika dua buah benda yang terbuat dari bahan yang berbeda saling digosokan, sejumlah kecil elektron akan berpindah dari benda yang satu ke benda yang satunya lagi. Benda yang kehilangan elektron akan menjadi bermuatan positif, sedangkan benda yang mendapat tambahan elektron akan menjadi bermuatan negatif. Beberapa benda yang bermuatan setelah digosok oleh benda lain ditunjukkan dalam tabel berikut.

Benda	Bermauatan positif	Bermuatan negatif
Kaca digosok dengan kain sutra	Kaca	Kain sutra
Ebonit digosok dengan kain wol	Kain wol	Ebonit
Plastik digosok dengan kain wol	Kain wol	Plastik
Plastik digosok dengan rambut kering	Rambut kering	Plastik

2)      Penyentuhan

Jika suatu konduktor yang bermuatan disentuhkan dengan konduktor lain yang tidak bermuatan, kedua konduktor akan saling berbagi muatan. Hal ini berarti bahwa konduktor yang tidak bermuatan akan menjadi bermuatan.

3)      Induksi

Induksi adalah peristiwa pemisahan muatan dalam suatu konduktor karena konduktor tersebut didekati oleh benda bermuatan listrik. Contoh peristiwa induksi, yaitu sebuah benda bermuatan listrik negatif didekatkan dengan sebuah benda netral. Oleh karena konduktor bersifat netral, maka jumlah muatan positif dan muatan negatifnya sama. Benda bermuatan listrik negatif akan menyebabkan pemisahan muatan dalam konduktor yang netral. Akibatnya, muatan positif konduktor akan bergerak ke arah benda bermuatan listrik negatif, sedangkan muatan negatif konduktor akan menjauhi benda bermuatan listrik negatif tersebut.

c.    Potensial listrik

Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah

Dimana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V). Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu

V = E r

Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik, potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.

Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.

d.   Hantaran listrik

1.    Terjadi pada benda/ bahan

Berdasarkan kemampuannya menghantarkan listrik, benda dibedakan menjadi tiga, yaitu konduktor, semikonduktor, dan isolator :

-   Konduktor

Konduktor atau penghantar adalah benda yang mengandung pembawa muatan sehingga mudah menghantarkan listrik. Benda-benda yang termasuk konduktor, antara lain larutan garam dan logam. Pembawa muatan pada larutan garam adalah ion positif atau ion negatif, sedangkan pembawa muatan pada logam adalah elektron.

-   Semikonduktor

Semikonduktor adalah benda yang memiliki sifat hantaran listrik di antara konduktor dan isolator. Benda-benda yang termasuk semikonduktor, antara lain germanium (Ge), arsen (As), dan galium (Ga).

-   Isolator

Isolator atau penghambat adalah benda yang tidak mengandung pembawa muatan sehingga susah menghantarkan listrik. Benda-benda yang termasuk isolator, antara lain kaca, sutra, karet, dan plastik.

2.    Terjadi pada sistem syaraf

Sistem saraf terdiri dari system saraf pusat dan system saraf otonom. Sistem saraf pusat terdiri dari otak, medulla spinalis dan saraf perifer. Saraf perifer ini adalah serat saraf yang mengirim informasi sensoris ke otak atau ke Medulla spinalis disebut Saraf Affren, sedangkan serat saraf yang menghantarkan informasi dari otak atau medulla spinalis ke otot atau medulla spinalis ke otot serta kelenjar disebut saraf Efferen. Sistem saraf otonom berfungsi sebagai pengatur organ dalam tubuh seperti jantung, usus, dan kelenjar secara tidak sadar.

Gambar 4. Sistem syaraf

Sistem kelistrikan pada saraf ditunjukkan dengan adanya kecepatan impuls serat syaraf yang berupa kemampuan menghantarkan impuls. Serat syaraf ada 2 macam, yaitu Bermyelin dan Myelin. Bermyelin, berdiameter 1 μm dengan kecepatan 100 m/s, merupakan insulator yang baik dan memiliki kemampuan mengaliri listrik sangat rendah. Aliran sinyal dapat meloncat dari satu simpul ke simpul lain. Myelin berdiameter 1 mm dengan kecepetan 20 s.d. 50 m/s).

Sel manusia dibungkus oleh sebuah membran yang diliputi oleh cairan logam kalium dibagian dalam dan cairan logam natrium dan klorida dibagian luar membran. Ketika sel-sel bekerja mengirimkan sinyal berupa energi listrik, pada saat potensial listrik antara membran sel bagian luar dan dalam sama maka sel tidak dapat mengirimkan lagi energi listrik. Akan tetapi, saat beda potensial listrik anatara kedua bagian membran sel itu sama, tubuh manusia kembali memproduksi cairan logam kalium dan natrium dalam tubuh dan terjadi proses oksidasi sehingga elektron dari cairan logam kalium akan kembali bergerak menuju cairan logam natrium. Ketika elektron bergerak dari cairan logam kalium menuju cairan logam natrium, sel akan kembali bermuatan sehingga kembali menimbulkan beda potensial listrik antara keduanya. Hal inilah yang menyebabkan energi listrik pada sel-sel tubuh manusia tidak pernah habis.