LISTRIK STATIS Kata listrik berasal dari kata Yunani elektron yang berarti ambar. Ambar adalah suatu damar pohon yang telah membatu, dan jika digosok dengan kain wol akan diperoleh sifat yang dapat menarik benda-benda ringan. Perilaku batu ambar seperti ini sekarang dapat dikatakan bahwa batu ambar terelektrifikasi atau memperoleh muatan listrik atau secara listrik dimuati. Proses elektrifikasi ini sekarang kita sebut sebagai listrik statis Listrik yang tidak mengalir dan perpindahan arusnya terbatas, fenomena kelistrikan dimana muatan listriknya tidak bergerak. Untuk memberi muatan listrik pada benda padat, dapat dilakukan dengan menggosok-gosokkannya benda tersebut pada benda lain. (a) (b) (c) Gambar 1. Proses Elektrifikasi (a) penggosokan (b) sisir menarikbenda-benda kecil, (c) penggaris menarik potongan kertas kecil Pada masing-masing kasus di atas sebuah benda menjadi bermuatan listrik karena proses penggosokan terhadap benda lain dan dikatakan memiliki muatan listrik total. Sesungguhnya, persinggungan yang rapat saja sudah akan menimbulkan muatan listrik. Menggosok artinya tidak lain adalah membuat persinggungan rapat antara permukaan dua benda.
Kejadian tersebut menunjukkan bahwa ada dua jenis muatan yang terbentuk pada benda yang digosok. Dari ketiga kejadian sederhana tadi maka gaya interaksi antara dua benda bermuatan menunjukkan bahwa : muatan sejenis akan tolak-menolak dan sebaliknya muatan yang tidak sejenis akan saling tarikmenarik. Muatan Listrik dalam Atom Konsep kelistrikkan semakin menunjukkan kemajuan ketika konsep kelistrikan dimulai dari dalam atom itu sendiri. Partikel subatom yang membentuk atom ada tiga macam yakni elektron, proton, dan netron. Atom memiliki inti bermuatan positif yang berat, dan dikelilingi oleh satu atau lebih elektron bermuatan negatif. Inti terdiri dari proton yang bermuatan positif, dan netron tidak bermuatan (netral).
Gambar 3. Model atom sederhana Muatan Konduksi, Induksi Cara memperoleh muatan listrik adalah dengan cara melebihkan salah satu muatan. Ada dua cara yaitu: (1) cara konduksi dan (2) cara induksi. Cara Konduksi Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam logam yang netral akan tertarik menuju logam yang bermuatan positif, karena sekarang logam ke dua tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan cara sentuhan, dan akhirnya ke dua benda memiliki muatan dengan tanda yang sama.
Batang logam netral Batang logam dimuati dengan cara sentuhan Gambar 4. Memberi muatan dengan cara konduksi Cara Induksi Bila benda bermuatan positif didekatkan pada batang logam yang netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak meninggalkan batang logam, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam batang logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positif pada ujung yang berlawanan. Pada proses ini tidak ada muatan total yang dihasilkan pada batang logam, muatan hanya dipisahkan, sehingga muatan batang logam tetap nol. Meskipun demikian, jika batang logam dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan, satu bermuatan positif dan yang satunya bermuatan negatif.
Batang logam netral Batang logam tetap netral, tetapi dengan pemisahan muatan Gambar 5. Memberi muatan dengan cara induksi Hukum Coulomb Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan adanya gaya interaksi antara dua buah benda yang bermuatan listrik, terjadi gaya tarik-menarik antara dua buah muatan yang tidak sejenis, begitu juga sebaliknya. Yang menjadi pertanyaan adalah: faktor-faktor apa yang mempengaruhi besar gaya ini? Seorang fisikawan Perancis Charles Coulomb (1736 1806) menyelidiki adanya gaya listrik pada tahun 1780-an dengan menggunakan pengimbang torsi. Walaupun peralatan yang khusus yang mengukur muatan listrik tidak ada pada masa Coulomb, ia menyiapkan bola-bola kecil dengan muatan yang berbeda dan rasio kedua muatan diketahui. Hasil eksperimennya menyimpulkan bahwa: 1. Gaya interaksi antara dua muatan se-banding dengan hasil kali dua muatan. 2. Gaya interaksi antara dua muatan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara ke dua muatan.
Gambar 6. Dua buah muatan berjarak R Secara matematis hasil pengamatan secara eksperimen dapat dinyatakan dengan persamaan : dengan k adalah konstanta pembanding yang besarnya (8,988 x 109) N.m2/C2 (biasanya dibulatkan menjadi 9 x 109 N.m2/C2 ). Keterangan: F : Gaya Coulomb (N) k : Konstanta Coulomb = q1 : besar muatan pertama (C) q2 : besar muatan kedua (C) r : jarak antar muatan (m)
Gambar 7. Arah gaya tergantung jenis muatan Konstanta k seringkali ditulis dalam bentuk besaran yang berhubungan dengan sifat kelis-trikan εₒ yang disebut dengan permitivitas ruang hampa. Konstanta ini dihubungkan dengan k=1/4πεₒ. dengan demikian hukum Coulomb dapat dituliskan : dengan
Gambar 8. Arah medan listrik
Contoh Soal : Tentukan besar gaya listrik pada elektron dalam atom hydrogen yang diberikan oleh satu proton (Q2 = +e) yang merupakan intinya. Anggap elektron mengorbit proton pada jarak rata-rata r = 0,53x10-10 m Penyelesaian : Diketahui : K = Q1/Q2 = R = Ditanya : F...? Jawab : Menggunakan hukum Coulomb, dengan R = m, Q1= Q2 = C, dan dengan mengabaikan tanda-tanda muatan diperoleh : LISTRIK DINAMIS KUAT ARUS LISTRIK Aliran listrik ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak di dalam suatu penghantar. Arah arus listrik (I) yang timbul pada penghantar berlawanan arah dengan arah gerak elektron. Muatan listrik dalam jumlah tertentu yang menembus suatu penampang dari suatu penghantar dalam satuan waktu tertentu disebut sebagai kuat arus listrik. Jadi kuat arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir dalam kawat penghantar tiap satuan waktu. Jika dalam waktu t mengalir muatan listrik sebesar Q, maka kuat arus listrik I adalah
HUBUNGAN ANTARA KUAT ARUS LISTRIK (I) DAN TEGANGAN LISTRIK (V) Hubungan antara V dan I pertama kali ditemukan oleh seorang guru Fisika berasal dari Jerman yang bernama George Simon Ohm. Dan lebih dikenal sebagai hukum Ohm yang berbunyi: Besar kuat arus listrik dalam suatu penghantar berbanding langsung dengan beda potensial (V) antara ujung-ujung penghantar asalkan suhu penghantar tetap. Hasil bagi antara beda potensial (V) dengan kuat arus (I) dinamakan hambatan listrik atau resistansi (R) dengan satuan ohm. HUKUM I KIRCHOFF Hukum I Kirchoff berbunyi: Jumlah kuat arus listrik yang masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar dari titik simpul tersebut. Hukum I Kirchhoff tersebut sebenarnya tidak lain sebutannya dengan hukum kekekalan muatan listrik. secara matematis dapat dituliskan sebagai:
HUKUM II KIRCHOFF Pemakaian Hukum II Kirchhoff pada rangkaian tertutup yaitu karena ada rangkaian yang tidak dapat disederhanakan menggunakan kombinasi seri dan paralel. Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (ε) dengan penurunan tegangan (IR) sama dengan nol. Hukum Kirchoff II dirumuskan sebagai berikut: ENERGI LISTRIK Karena q = I. t, dimana I adalah kuat arus listrik dan t waktu, maka besar usaha yang dilakukan adalah : W = V. I. t Karena V = I. R, maka besar usaha W yang sama dengan energi listrik adalah :
DAYA LISTRIK Besar Daya listrik (P) pada suatu alat listrik adalah merupakan besar energi listrik (W) yang muncul tiap satuan waktu (t), kita tuliskan. Contoh Soal : Rangkaian listrik berikut terdiri 3 buah hambatan dan satu buah baterai 24 Volt yang memiliki hambatan dalam 1 Ω. Tentukan: a) Kuat arus rangkaian b) Energi rangkaian dalam 5 menit
Penyelesaian : a). Kuat arus rangkaian Diketahui : R = R 1 = 2 Ω, R 2 = 3 Ω, R 3 = 4 Ω Ditanya : Kuat arus ( I)...? Jawab : = (-24) + I(2+3+4) = 0 =10 I = 24 Penyelesaian : a). Energi dalam rangkaian 5 menit Diketahui : I tot = 2,4 A R tot = 10 Ω T = 5 x 60 = 300 S Ditanya : W...? Jawab : =(2,4) 2.(10).(300) = 17,280 Joule