Listrik Statis Pelajaran listrik statis merupakan pelajaran yang membahas tentang muatan listrik yang untuk sementara diam pada suatu benda. Kajian tentang listrik statis pertama kali dilakukan oleh seorang matematikawan Yunani kuno bernama Thales of Miletus (625-574 SM). Ia menggosokkan batu ambar pada kain wol dan mendekatkannya pada benda ringan, seperti bulu ayam. Saat itu, bulu ayam tersebut terbang dan menempel pada batu ambar. Dari kata batu ambar inilah istilah listrik berasal. Listrik (electricity) diambil dari kata elektron, yang dalam bahasa Yunani berarti batu ambar. A. Muatan Listrik Atom sebagai unsur penyusun zat pada dasarnya tersusun dari partikel-partikel yang sangat kecil, disebut partikel subatom. Terdapat tiga jenis partikel subatom yang penting dan perlu kita kenali, yaitu proton, neutron, dan elektron. Subpartikel atom yang memiliki sifat sama, yaitu proton dan elektron, kemudian disebut sebagai muatan listrik. Muatan listrik ibarat udara yang tidak bisa dilihat, tetapi bisa dirasakan. Akibatnya, penelitian mengenai muatan listrik hanya bisa dilakukan berdasarkan efek reaksi yang diberikannya. Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya muatan listrik disebut elektroskop. Besar muatan listrik proton dan elektron adalah sama, tetapi jenisnya berbeda. Muatan listrik ini pertama kali ditemukan oleh Benjamin Franklin. Ia kemudian memberikan tanda (+) atau (-) pada muatan listrik yang tak mengandung arti fisis. Jenis muatan listrik proton adalah positif (+), neutron adalah netral, dan elektron adalah (-). Gambar 1 Benjamin Franklin
Info Muatan listrik yang sejenis saling tolakmenolak dan muatan listrik yang tidak sejenis saling tarik menarik. 1. Sifat-Sifat Muatan Listrik Sifat-sifat yang dimiliki muatan listrik adalah: Muatan listrik yang sejenis (negatif dengan negatif atau positif dengan positif) jika didekatkan akan saling tolak-menolak. Muatan listrik yang tidak sejenis (negatif dengan positif) jika didekatkan akan saling tarik-menarik. Pemuatan Listrik Terdapat tiga cara untuk proses pemuatan listrik, yaitu: a. Menggosok Cara ini dapat dilakukan dengan menggosokkan dua benda dalam satu arah. Cara ini disebut juga metode gesekan. Jenis muatan yang diperoleh dengan metode gesekan, di antaranya: Benda berbahan plastik akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain wol. Benda berbahan ebonit akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain wol. Benda berbahan kaca akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain sutra. Pada kehidupan sehari-hari, benda yang dapat digosok dan menjadi bermuatan listrik tidak hanya balon yang digosok ke rambut. Perhatikan tabel abel berikut.
Tabel 1. Benda yang menyebabkan electron dapat berpindah No Penggosokan 1. Plastik digosok dengan kain woll 2. Penggaris digosok dengan rambut 3. Ebonit digosok dengan kain woll 4. Kaca digosok dengan kain sutra Muatan Listrik yang dihasilkan Negatif Negatif Negatif Positif Proses Perpindahan Elektron wol ke plastik rambut ke penggaris woll ke ebonit kaca ke sutra b. Induksi Metode ini dilakukan untuk memisahkan muatan listrik di dalam suatu penghantar dengan cara mendekatkan benda lain yang bermuatan listrik pada penghantar tersebut. Dengan cara induksi, muatan listrik yang dihasilkan akan berbeda jenis dengan muatan listrik pada benda yang digunakan untuk menginduksi. Contohnya adalah pemisahan muatan listrik pada elektroskop yang didekati oleh mistar plastik yang telah digosokkan pada kain wol. Pada induksi ini, muatan listrik yang dihasilkan elektroskop adalah muatan positif karena muatan listrik dari mistar plastik sebagai penghantar adalah muatan negatif. c. Konduksi Gambar 2 Induksi Muatan Listrik Metode ini hanya dapat dilakukan pada benda yang terbuat dari bahan- bahan tertentu. Dalam metode ini, untuk menghasilkan muatan listrik, kedua benda harus mengalami kontak langsung agar sejumlah elekton mengalir dari satu benda ke benda yang lainnya. Bahan yang dapat mengalirkan sejumlah elektron secara bebas pada bahan lain disebut konduktor. Berdasarkan kekuatannya, bahan konduktor terbagi dua, yaitu konduktor baik dan konduktor kurang baik. Bahan yang termasuk konduktor baik adalah logam, khususnya aluminium, tembaga, dan perak. Sedangkan, bahan yang termasuk konduktor kurang baik adalah air, badan
manusia, dan tanah. Sementara itu, bahan yang tidak dapat mengalirkan elektron pada bahan lain disebut isolator. Bahan yang termasuk isolator di antaranya karet, plastik-plastik seperti PVC, politen, dan perspek. BESARAN MUATAN LISTRIK Keterangan: F = Gaya tarik menerik atau tolak menolak (Newton) k = Konstanta plank (1/4π ) q r = Muatan listrik (C) = Jarak antar kedua muatan (m) = Permitas listrik dalam ruang hampa/udara = 8,85 x 10-12 C 2 /Nm 2 Muatan 1 elektron = -1,6.10-19 coulomb Muatan 1 elektron = +1,6.10-19 coulomb F udara/vakum < F medium Hal ini dikarenakan nilai permivitas listrik pada medium bukan pada medium bukan udara lebih besar. Permivitas diganti degan yakni Dalam vakum nilai adalah 1. Sedangkan dalam udara adalah 1,0006. Dengan demikian gaya coloumb dalam medium rumusnya adalah:
Hukum Coulomb Gambar 3 Neraca Puntir Hukum Coloumb adalah aturan yang mengemukakan tentang hubungan antara gaya listrik dan besar masingmasing muatan listrik. Nama Coloumb diambil dari nama fisikawan yang pertama kali mengamati gaya tarik-menarik atau tolak-menolak benda bermuatan listrik, yaitu Charles Augustin de Coloumb (1736-1804). Dalam pengamatannya, ia melakukan percobaan menggunakan alat yang bernama neraca puntir. Berdasarkan percobaan ini, Coloumb mengemukakan suatu aturan atau hukum yang berbunyi: Gaya listrik (tarik-menarik atau tolak-menolak) antara dua muatan sebanding dengan besar muatan listrik masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara kedua muatan listrik. Secara matematis, Hukum Coloumb dapat ditulis dalam F =. Dengan: F = gaya Coloumb (Newton = N) Q1,Q2 = muatan listrik benda 1 dan 2 (Coloumb = C) r = jarak antara dua muatan listrik (m) k = konstanta pembanding = konstanta gaya Coloumb = 9 109 Nm2C-2 = permitivitas ruang hampa = 8,854 10-12 C2N-1m-2 Pada umumnya, nilai permitivitas (ε) medium selain udara atau ruang hampa atau zat lainnya, lebih besar daripada permitivitas ruang hampa (ε0), dinotasikan ε > ε0.
Perbandingan antara ε dan ε0 disebut konstanta dielektrik suatu zat dan diberi lambang k. Jadi, k = dan gaya Coloumb benda itu adalah: