MUATAN LISTRIK

Listrik adalah sebuah bentuk energi. Pemahaman tentang listrik dimulai dengan pemahaman tentang muatan listrik, yaitu bagian dari atom yang disebut dengan proton dan elektron. Benda dapat dikatakan bermuatan listrik jika jumlah muatan positif ( proton ) dan muatan negatif (elektron ) tidak seimbang. Benda dikatakan bermuatan negatif jika pada benda tersebut kelebihan elektron ( jumlah muatan elektron lebih banyak dari jumlah muatan proton ). Sedangkan benda bermuatan positif jika pada benda tersebut kekurangan jumlah elektron ( jumlah muatan elektron lebih sedikit dari jumlah muatan proton ).  

Pada benda padat, inti cenderung berada pada posisi yang tetap, sementara elektron bergerak cukup bebas. Pemberian muatan pada benda padat dengan cara menggosok bisa dijelaskan sebagai perpindahan elektron dari satu benda ke benda yang lainnya. Penggaris plastik menjadi bermuatan negatif ketika digosok dengan handuk kertas, perpindahan elektron dari handuk ke plastik membuat handuk bermuatan positif yang sama besarnya dengan muatan negatif yang didapat oleh plastik.

Biasanya muatan pada ke dua benda hanya bertahan dalam waktu yang terbatas dan akhirnya ke dua benda kembali ke-keadaan netral.

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, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. 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 1. 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, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

Proses seperti Gambar 2. dikatakan, muatan di-induksikan pada ke dua ujung batang logam. 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 tetap netral, tetapi dengan pemisahan muatan pemisahan muatan

    Batang logam netral                                 

                         Gambar 2. Memberi muatan dengan cara induksi

Cara lain untuk menginduksi muatan total pada benda logam adalah dengan menghubung-kannya dengan kawat penghantar ke tanah (ground) sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3(a). (berarti “ground”). Selanjutnya benda dikatakan di-ground-kan atau dibumikan. Karena bumi sangat besar dan dapat menyalurkan elektron, maka bumi dengan mudah dapat menerima ataupun memberi elektron-elektron; oleh karena itu, bumi dapat bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk muatan. Jika suatu benda bermuatan, misalnya muatan negatif didekatkan ke sebuah logam, maka elektron-elektron bebas dalam logam akan menolak dan beberapa elektron akan bergerak menuju bumi melalui kawat (Gambar 3(b)). Hal ini menyebakan logam tersebut bermuatan positif. JIka sekarang kawat dipotong, logam akan memiliki muatan induksi positif (Gambar 3(c)), dan setelah benda negatif dijauhkan, elektron-elektron seluruhnya akan kembali ke logam dan benda akan netral.

(c ) Benda netral kembali

(b) Mengalirkan muatan ke tanah

(a) Grounding

             

Gambar 3. Menginduksi muatan ke sebuah benda yang terhubung ke tanah

HUKUM COULOMB

Pada tahun 1785, seorang ahli fisika Prancis bernama Charles Augustin de Coulomb melakukan penelitian mengenai gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bermuatan listrik. Coulomb menyatakan bahwa besar gaya listrik berbanding lurus dengan perkalian besar kedua muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda. Teori ini disebut Hukum Coulomb. Gaya tarik dan gaya tolak antara dua muatan listrik dinamakan gaya Coulomb, yang besarnya dapat ditentukan dalam persamaan:

Dimana :

F = Gaya interaksi (N)
k = konstanta coulomb (9.10⁹ Nm^2/C^2)
q = muatan listrik (C)
r = jarak antara kedua muatan listrik (m)

Satuan gaya listrik menurut SI adalah newton (N). Satu newton (1 N) adalah sebanding dengan muatan yang dipindahkan oleh arus satu ampere dalam satu detik.

			q2
	q1

 

Gambar 4.Gaya antara 2 muatan titik yang berjarak r

Muatan-muatan segaris

Besarnya gaya Coulomb pada suatu muatan yang dipengaruhi oleh beberapa muatan yang sejenis langsung dijumlahkan secara vektor. Pada Gambar 5, gaya Coulomb pada muatan q1 dipengaruhi oleh muatan q2 dan q3 adalah F = F₁₂ + F₁₃.

Apabila arah ke kanan dianggap positif dan arah ke kiri negatif, besar gaya Coulomb pada muatan:

F₁ = F₁₂ + F₁₃

F₁ =

Secara umum, gaya Coulomb dapat dirumuskan:

F13

F12

F = F₁ + F₂ + F₃ + …..

F12

-q3

+q2

-q1

Gambar 5.Gaya elektrostatis tiga muatan

Muatan-muatan yang tidak segaris

Tiga buah muatan q1, q2, q3 ditunjukkan seperti pada Gambar 6. Untuk menentukan gaya Coulomb pada muatan q1 dapat dicari dengan menggunakan rumus

kosinus sebagai berikut.

F1 =

Dengan

F_{12 =}    dan  F₁₃ =

F1

F13

F12

-q2

-q3

-q1

     Gambar 6.Gaya elektrostatis pada tiga muatan yang tidak segaris