Pernahkah kalian memainkan sebuah penggaris bersama potongan kertas yang disobek menjadi potongan kecil dimana pertama-tama kita menggosok-gosokkan penggaris ke rambut kita kemudian didekatkan ke potongan kertas kecil tadi.
Apa yang terjadi?
Ya, betul. yang terjadi adalah kertas kecil tadi akan terangkat ke penggaris yang baru saja digosok-gosokan ke rambut.
Kenapa hal tersebut bisa terjadi?
Artikel kali ini akan menjawab pertanyaan tersebut, yaitu mengenai listrik statis.
Pengertian Listrik Statis
Potongan kertas kecil tersebut terangkat dan sebagian akan menempel ke penggaris dikarenakan adanya listrik statis.
Apa sih pengertian listrik statis itu?
Sebelum kesana, kita akan bahas terlebih dulu konsep dasar listrik statis, karena ketika berbicara mengenai listrik tentu tidak bisa dilepaskan dari muatan listrik.
Listrik statis atau elektrostatik membahas muatan listrik yang ada dalam keadaan statis atau diam.
Kita harus ingat struktur atom terlebih dahulu.
Atom merupakan partikel terkecil dari suatu unsur yang mengambil bagian dalam reaksi kimia dimana atom bersifat netral.
Secara elektrisitas, atom tersusun atas inti pusat yang bermuatan positif atau proton, netral atau neutron, dan dikelilingi oleh satu atau lebih elektron yang bermuatan negatif.
Muatan listrik muncul karena adanya perpindahan elektron dari satu benda ke benda lain.
Terdapat 2 muatan listrik yaitu muatan positif dan muatan negatif.
Dikatakan bermuatan positif apabila proton lebih banyak daripada jumlah elektron, sebaliknya dikatakan bermuatan negatif apabila elektron lebih banyak daripada jumlah proton.
Nah sedangkan benda yang tidak memiliki muatan atau jumlah muatannya sama disebut Netral.
Benda yang memiliki muatan yang sejenis akan saling tolak-menolak ketika didekatkan satu sama lain. Sebaliknya benda yang mempunyai muatan yang berbeda akan saling tarik-menarik. Sehingga bisa dikatakan ada GAYA
Gaya listrik disebut Gaya Coulomb
Lalu apa hubungannya dengan penggaris yang dapat menarik kertas-kertas kecil tadi?
Muatan listrik itulah yang menyebabkan sobekan kertas kecil dapat tertarik ke penggaris.
Penggaris plastik yang digosokkan pada rambut menjadi bermuatan listrik karena elektron dari rambut berpindah ke penggaris plastik sehingga penggaris plastik kelebihan elektron.
Nah karena muatan listrik itulah penggaris plastik jadi bisa menggerakkan kekuatan pada kertas dan menariknya mendekat.
Contoh Fenomena Listrik Statis Lainnya
Diatas kita sudah memahami adanya contoh listrik statis pada penggaris, lalu apakah ada contoh yang lainnya supaya membuat kita lebih paham?
Berikut ini adalah diantaranya :
- Layar Televisi
Diantara kita mungkin ada yang masih ingat ketika dulu masih kecil dimana sering bermain dengan mendekatkan tangan atau rambut kepala pada layar televisi dan pada waktu itu kita terheran-heran kenapa bulu pada tangan atau rambut kepala kita semuanya berdiri.
Nah jika sampai saat ini kita belum menemukan jawabannya, fenomena tersebut merupakan efek dari adanya listrik statis.
- Pada Saat Menyisir Rambut
Disadari atau tidak, ketika kita merapikan atau menyisir rambut, maka rambut tersebut akan berdiri seiring dengan gerakan sisir.
Kenapa hal ini bisa terjadi?
Hal tersebut diakibatkan karena timbulnya interaksi muatan pada rambut dengan yang ada pada sisir tersebut.
Dan hal ini juga merupakan contoh dari adanya listrik statis.
- Fenomena Petir
Proses terjadinya petir adalah dikarenakan perpindahan elektron. Dimana langit dalam kondisi kelebihan elektron sehingga muncullah petir yang mengarah ke daerah yang jumlah elektronnya lebih sedikit supaya kelebihan elektron di langit tersebut tersalurkan ke benda yang relatif dekat dengan awan.
Hal itu juga yang menjadi jawaban kenapa benda yang tinggi relatif lebih mudah tersambar listrik.
Petir ini juga merupakan salah satu contoh fenomena listrik statik.
Beberapa Hal yang Menyebabkan Listrik Statis
Seperti sudah diuraikan diatas, dimana listrik statis terjadi karena perpindahan muatan antara 2 benda.
Lalu apa saja yang dapat menyebabkan hal tersebut?
- Induksi
Induksi merupakan pemisahan muatan listrik dalam suatu penghantar.
Hal tersebut bisa dilakukan dengan cara mendekatkan benda yang bermuatan listrik ke banda lain dalam keadaan netral.
- Konduksi
Konduksi adalah pendekatan benda yang bermuatan listrik ke benda lain yang tidak bermuatan listrik.
Hal tersebut akan membuat benda yang tadinya tidak memiliki muatan listrik akan mendapatkan muatan listrik.
- Penggosokan
Ada beberapa contoh benda yang dapat bermuatan listrik statis, misalnya : kain sutra dengan kaca.
Kaca memiliki daya listrik positif, dan kain sutera memiliki listrik negatif. Penggosokan dapat mengakibatkan proses munculnya elektron dari kaca yang berpindah ke kain sutera.
Pengertian Gaya Coulomb
Dengan adanya muatan listrik maka muncul interaksi tarik-menarik atau tolak menolak antara muatan listrik. Seperti yang ssudah dijelaskan diatas, tarik ataupun tolak tersebut merupakan gaya.
Dalam listrik statis gaya tersebut disebut gaya coulomb.
Apa yang harus kita ketahui tentang gaya coulomb?
Terkait dengan sifat muatan listrik ahli fisika asal Prancis Charles Agustin Coulomb melakukan penelitian mengenai gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang diberi muatan listrik dan dipisahkan oleh jarak tertentu.
Konsep yang ia temukan selanjutnya disebut dengan hukum Coulomb.
Pada dasarnya hukum Coulomb menyatakan bahwa interaksi muatan listrik yang sejenis akan tolak-menolak sedangkan muatan listrik yang berlainan jenis akan tarik-menarik.
Dari hasil percobaan coulomb dapat dinyatakan bunyi hukum Coulomb sebagai berikut :
Besarnya gaya tarik-menarik muatan listrik sejenis atau tolak menolak muatan listrik tidak sejenis antara 2 benda yang bermuatan listrik sebanding dengan besar muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda.
Pointnya adalah :
Sebanding dengan besar muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda.
Secara matematis hukum Coulomb dapat ditulis dengan rumus :
Dimana :
F = gaya Coulomb dengan satuan Newton.
k = konstanta yang nilainya adalah 9 x 10^9 N.M²/C²
Q1 = Besar muatan 1 dengan satuan coulomb.
Q2 = Besar muatan 2 dengan satuan coulomb.
r = jarak muatan dengan satuan meter.
Beberapa catatan penting tentang persamaan hukum Coulomb antara lain :
- Persamaan ini hanya berlaku untuk muatan titik, artinya dimensi volume tidak diperhatikan.
- Nilai konstanta 9 x 10^9 N.M²/C² hanya berlaku untuk muatan dalam vakum atau udara. Untuk medium lain nilainya tentu berbeda. Namun pada materi ini kita anggap ideal dengan konstantanya adalah 9 x 10^9 N.M²/C²
- Bila Q1 dan Q2 bertanda sama maka F akan bertanda positif. Tanda F positif menunjukkan bahwa kedua muatan tolak-menolak. Sebaliknya tanda negatif menunjukkan gaya yang saling tarik-menarik.
Pengertian Medan Listrik
Tadi kita menjelaskan bahwa 2 muatan bisa saling tarik-menarik atau tolak menolak karena adanya gaya coulomb.
Namun misalnya, muatan ini diletakkan jauh, atau bahkan sangat jauh apakah masih akan ada gaya coulomb?
Baik kita coba ilustrasikan dengan cerita dibawah ya..
Setiap orang pasti punya pesona yang bisa menarik orang lain, terlebih jika berlawanan jenis. begitu juga muatan.
Namun… Pesona ini pasti mempunyai batasan kan? Kalau sangat jauh tentunya pesona tersebut tidak akan terlihat.
Benar tidak?
Karena tidak terlihat, Jadinya tidak akan ada yang tertarik.
Pesona dalam manusia itu ibarat medan listrik dalam muatan.
Apa itu medan listrik?
Medan listrik adalah area atau daerah disekitar muatan listrik, atau bisa dikatakan tempat lingkup sekitar yang memungkinkan adanya gaya listrik.
Apabila suatu benda bermuatan listrik berada di daerah tersebut, maka akan mendapatkan gaya listrik.
Medan listrik merupakan efek yang ditimbulkan oleh adanya muatan listrik yaitu dengan adanya elektron, ion, atau proton pada ruangan yang ada disekitarnya.
Medan listrik sendiri memiliki 3 sifat antara lain :
- Garis gaya medan listrik tidak pernah berpotongan satu dengan yang lainnya.
- Garis gaya medan listrik selalu mengarah radial keluar menjauhi muatan positif dan radial kedalam menuju muatan negatif.
- Tempat dimana garis-garis gaya medan listrik yang rapat menunjukkan medan listrik tersebut kuat, sebaliknya tempat dimana garis-garis gaya medan listrik itu merenggang menunjukkan medan listrik yang lemah.
Nah besar medan listrik dari suatu benda dinamakan kuat medan listrik yang didefinisikan dengan gaya per satuan muatan listrik pada titik tersebut.
Secara matematis rumus kuat medan listrik adalah :
Dimana :
E = kuat medan listrik dengan satuan adalah Newton per coulomb (N/C).
F = gaya Coulomb (N)
Q = muatan listrik benda dengan satuannya coulomb (C).
Apabila belum diketahui gayanya, maka kuat medan listrik dapat dihitung dengan rumus :
Dimana :
E = kuat medan listrik dengan satuan adalah Newton per coulomb (N/C).
k = konstanta yang nilainya adalah 9 x 10^9 N.M²/C²
Q = muatan listrik (C)
r = jarak dari titik ke muatan sumber medan listrik dengan satuan meter.
Aplikasi Listrik Statis di Industi
Dengan sifat-sifat yang telah diuraikan diatas, listrik statis ini dimanfaatkan dalam berbagai macam peralatan yang dapat mendukung aktifitas bekerja, antara lain :
- Printer Laser
Seperti ketahui, hampir semua perkantoran saat in tentu telah menggunakan printer laser karena berbagai macam kelebihannya.
Nah ternyata printer laser ini juga salah satu contoh aplikasi dari listrik statis dimana pada pada bagian-bagian yang terdiri atas fuser, corona, wire, drum photoreceptor, laser dan toner.
Ketika drum yang bermuatan positif berputar, laser yang bersinar akan melintasi permukaan yang tidak bermuatan sehingga laser akan menggambar pada kertas yang bermuatan negatif.
- Pengecatan Mobil dengan Cat Semport
Selain pada printer laser, Listrik statis juga banyak dimanfaatkan untuk cat semprot pada kegiatan pengecatan mobil atau motor, dimana saat terjadinya gesekan dengan mulut pipa semprot dan udara.
Butiran cair dari aerosol akan menjadi muatan, jika mobil atau motor yang akan dicat diberi muatan maka akan mengakibatkan butiran cat akan tertarik ke benda.
Sementara itu, permukaan mobil atau motor yang akan dicat akan diberikan muatan yang berlawanan dengan butiran cat yang mengakibatkan butiran-butiran cat tersebut dapat tertarik ke permukaan mobil sehingga cat dapat menempel dengan sempurna dan secara kualitas lebih baik.
Bahaya Listrik Statis
Selain dapat dimanfaatkan dalam berbagai macam kebutuhan seperti diatas, listrik statis juga dapat berbahaya antara lain :
Dapat menimbulkan percikan api, contohnya seperti saat mobil atau truk berjalan dimana terjadi gesekan ban dan jalan yang akan menimbulkan muatan negatif.
Sementara logam yang berdekatan dengan ban dapat bermuatan positif dengan cara induksi, api akan memercik jika kedua muatan berlawanan ini bertemu.
Prinsip Kerja Elektroskop
Masih ingat ya jika ada 2 buah benda yang bermuatan listrik berbeda didekatkan akan terjadi tarik-menarik sementara jika muatannya sama maka mereka akan tolak-menolak dengan gaya yang disebut gaya coulomb.
Misalnya : seandainya nih ada dua buah benda A dan B muatannya berbeda mereka nanti akan saling tarik-menarik dengan gaya sebesar F.
Bagaimana jika muatan dari kedua buah benda diatas diperbesar / diperbanyak?
Maka gayanya akan menjadi semakin besar atau lebih besar.
Nah dari sini kita bisa simpulkan bahwa jika muatan listriknya diperbesar ternyata gaya juga akan semakin besar. Dengan kata lain gaya itu berbanding lurus atau senilai dengan besar dari muatan.
Prinsip ini kemudian diadopsi oleh elektroskop.
Elektroskop punya 2 bagian yaitu Bagian kepala dan bagian daun.
Pada kondisi awal elektroskop tersebut netral dimana jumlah muatan di kepala dengan jumlah muatan di daun itu sama besar.
Kasus 1
Bagaimana jika elektroskop yang netral tersebut kita dekatkan dengan benda yang bermuatan negatif?
Ternyata, ketika elektroskop didekatkan dengan benda yang bermuatan negatif di bagian kepalanya maka muatan negatif dari benda itu akan mendorong elektron menuju ke daun (dari kepala menuju daun)
Seperti yang kita ketahui bahwa yang bisa bergerak itu hanya elektron, sementara proton atau yang muatan positif tidak bisa bergerak.
Jadi muatan elektron yang ada dikepala itu mendapatkan gaya tolak dari benda yang didekatkan tadi karena sama-sama negatif sehingga dia turun ke bawah.
Akibatnya kepala pada elektroskop terebut menjadi kekurangan elektron (bermuatan positif) dan di bagian daun menjadi kelebihan elektron (bermuatan negatif).
Karena bagian daun elektroskop tersebut yang kiri dan kanan sama-sama bermuatan negatif maka akan terjadi gaya tolak menolak sehingga akibatnya pada daun elektroskop tersebut akan menjadi terpisahnya atau menjauh.
Kasus 2
Bagaimana jika elektroskop yang netral didekatkan dengan benda yang muatan positif?
Seperti kita ketahui dimana tadinya di bagian kepala elektroskop bersifat netral karena jumlah positif dan negatif sama, tapi ketika didekatkan benda muatan positif maka elektron yang ada di daun itu bergerak mendekati benda muatan positif tersebut.
Sehingga elektron bergerak dari daun ke kepala, akibatnya kepala jadi kelebihan elektron (menjadi bermuatan negatif) dan bagian daun menjadi kekurangan elektron (menjadi bermuatan positif)
Sehingga daun elektroskop kedua-duanya bermuatan positif maka kedua daun tersebut akan saling tolak-menolak.
Jadi daunnya akan meregang atau berjauhan.
Kasus 3
Nah untuk contoh diatas elektroskopnya netral, bagaimana jika elektroskopnya bermuatan?
Elektroskop bisa bermuatan jika kita berikan muatan listrik yang berlebih, misalnya melalui konduksi.
Contoh pada gambar diatas, elektroskop yang bermuatan negatif.
Catatan :
Sebenarnya elektroskop tersebut tetap ada protonnya namun sangat sedikit jumlahnya sehingga bisa kita abaikan. Dan kita anggap saja bagian kepala elektroskop tersebut dipenuhi dengan muatan negatif yang sangat banyak.
Nah.. Elektroskop negatif ini daunnya berjauhan dan sudah mempunyai jarak, karena sama-sama negatif sehingga saling tolak-menolak.
Bagaimana jika Elektroskop negatif ini didekatkan dengan benda yang muatannya negatif?
Nah yang terjadi adalah benda yang bermuatan negatif tersebut akan mendorong elektron yang ada di kepala menuju daun. Jadi yang elektron yang ada di kepala elektroskop mengalami gaya tolak menolak oleh elektron dari benda tersebut sehingga elektron yang diatas menjadi lebih sedikit dan elektron yang di bagian daun menjadi lebih banyak daripada yang sebelumnya
Ingat!
Gaya coulomb menyatakan bahwa semakin besar muatan listrik maka semakin besar juga gaya yang dihasilkan.
Akibatnya jarak antar daun elektroskop akan menjadi semakin jauh.
Kasus 4
Bagaimana jika elektroskop yang bermuatan negatif kita dekatkan dengan benda yang bermuatan positif.
Yang terjadi adalah elektron dari daun akan menuju ke kepala elektroskop karena elektro tersebut bergerak mendekati ke muatan positif sehingga elektron yang di daun menjadi lebih sedikit dan elektron yang di kepala elektroskop menjadi lebih banyak.
Nah karena muatan yang di daun menjadi lebih sedikit akibatnya gaya tolak menolaknya menjadi lebih kecil akibatnya jarak kedua daun elektroskop semakin dekat.
Contoh Soal Mengenai Elektroskop
Baik untuk lebih mempermudah pemahaman, ada baiknya kita latihan untuk contoh soal mengenai elektroskop ya..
Jika sebuah elektroskop dalam keadaan netral didekati benda yang bermuatan negatif, maka daun elektroskop akan?
- Membuka karena kedua daun bermuatan negatif
- Menutup karena kedua daun bermuatan negatif
- Membuka karena kedua daun bermuatan positif
- Menutup karena kedua daun bermuatan positif
Dari point 1 s/d 4 tersebut diatas, jawaban mana yang benar?
Maka muatan negatif dari benda ini akan menolak elektron sehingga elektronnya akan bergerak dari kepala menuju daun, akibatnya kepala kekurangan elektron (bermuatan positif) dan daun kelebihan elektron ( bermuatan negatif).
Karena daun elektroskop sama-sama bermuatan negatif maka dia akan membuka. maka jawaban yang benar adalah nomor 1.
Kesimpulan
Meskipun pelajaran terkait listrik statis ini kita pelajari di bangku SMA, namun konsepnya akan terus kita gunakan terlebih jika di perkuliahan kita mengambil jurusan elektro, dan terlebih lagi jika pekerjaan kita di bidang pengukuran.
Oya, terkait dengan konsep kelistrikan, kami juga sudah mengulas mengenai multimeter analog, dimana alat ini merupakan alat kelistrikan yang paling banyak digunakan baik dalam kehidupan sehari-hari maupun di industri.
Semoga Bermanfaat.