LISTRIK STATIS
Pada pelajaran fisika di SMP kelas 9 salah satu materi fisika yang dipelajari adalah tentang listrik statis. materi ini sangat erat kaitannya dalam kehidupan sehari-hari baik yang menguntungkan ataupun yang merugikan, banyak sekali manfaat yang bisa kita ambil dari belajar listrik statis.
Gambar. Petir menyambar di laut
Petir merupakan salah satu fenomena fisika yang sering terjadi ketika hujan. Petir pada dasarnya adalah loncatan elektron dari awan ke bumi melalui partikel air dan udara. Petir ini berbeda dengan arus listrik yang ada di rumah kita, dalam fisika petir termasuk dalam kajian listrik statis sedangkan arus listrik rumah termasuk dalam kajian listrik dinamis. Apa perbedaan mendasar antara petir dan listrik rumah? Bagaimana proses petir bisa terjadi?Mari kita ikuti penjelasan di bawah ini!
Dasar-dasar listrik statis
Muatan Listrik
Gambar 1. Model Atom
Pada mulanya Demokritus (filsuf asal Yunani) mengemukakan gagasan bahwa suatu benda tersusun oleh partikel sangat kecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi yang disebut oleh atom. Akan tetapi dalam perkembangan zaman, para ilmuwan menemukan bahwa ternyata dalam atom masih ada partikel-partikel lain yang dimulai dari JJ Thomson (1856-1940) menemukan muatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron) dan menganggap atom berbentuk seperti bola kismis E. Rutherford menemukan bahwa sebagian besar massa atom terdapat di pusatnya yang disebut inti atom, serta elektron bergerak mengelilingi inti tersebut Niels Bohr (1885-1962) menemukan spektrum atom hidrogen James Chadwick (1891-1974) berhasil menemukan partikel lain di dalam inti atom yang memiliki massa hampir sama dengan massa proton tapi tidak bermuatan yang kemudian disebut dengan neutron. Pada materi ini, kita akan membatasi bahwa atom terdiri atas tiga partikel tersebut yakni muatan positif (proton), muatan negatif (elektron), dan muatan netral (neutron).
Tabel 1. Konfigurasi atom
Muatan yang lebih mudah berpindah dari satu atom ke atom yang lain hanya elektron, sehingga pada kolom istilah tabel di atas, hanya menggunakan elektron bukan proton. Hal ini disebabkan karena energi untuk melepaskan elektron jauh lebih kecil daripada energi untuk melepaskan proton. Ada beberapa cara untuk memindahkan elektron antara lain dengan digosok dan induksi. Interaksi antar muatan akan terjadi jika dua atau lebih muatan didekatkan satu sama lain. Muatan yang sejenis akan saling tolak-menolak apabila di dekatkan
Gambar 4. Interaksi dua muatan sejenis
(a) muatan positif dengan muatan positif, (b) muatan negatif dengan muatan negatif
(sumber: gloncoe science)
Apabila dua muatan yang berbenda jenis didekatkan maka akan saling tarik menarik.
Gambar 5. Interaksi dua muatan berbeda jenis di dekatkan
(sumber: gloncoe science)
Benda Bermuatan Listrik
Gambar 6. Potongan kertas menempel pada penggaris plastik
(sumber: gloncoe science)
Pada gambar 6, terlihat potongan-potongan kecil dari kertas yang menempel pada sebuab penggaris plastik. Menurut kamu bagaimana hal ini dapat terjadi?
Pada dasarnya setiap benda terdiri dari atom-atom yang sangat banyak, hampir sebagian besar benda tersusun atas muatan-muatan yang stabil. Akan tetapi dengan beberapa perlakuan, elektron dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lain, sehingga membuat benda yang tadinya bersifat netral menjadi tidak netral lagi (bisa positif atau negatif.
Memuati benda dengan cara digosok
Beberapa jenis benda ketika saling digosokkan akan terjadi perpindahan elektron dari benda satu ke benda yang lain. Perhatikan gambar berikut :
Gambar 7. (a) karet yang digosokkan dengan kain woll, (b) muatan pada kalor dan kain wol sebelum digosokkan. (sumber: physics principle and problems)
Gambar di atas menunjukkan bahwa ketika belum digosok susunan muatan-muatannya masih tersebar merata di kedua benda, kemudian karet digosokkan ke kain wol (gambar b) maka akan terjadi perpindahan kalor dari kain wol ke karet sehingga karet akan menjadi bermuatan negatif dan kain wol akan menjadi bermuatan positif. Beberapa benda ketika digosok akan terjadi perpindahan elektron antara lain.
Proses Induksi
Gambar 8. Proses pemuatan benda (sumber: physics university)
Perhatikan gambar 8a ketika batang bermuatan negatif dihubungkan dengan bola besi menggunakan kawat konduktor, maka muatan negatif dari batang akan pindah ke bola besi, sehingga bola besi bermuatan negatif. Ketika didekati dengan benda bermuatan negatif maka bola besi akan menjauh (gambar 8b) dan ketika didekati dengan benda bermuatan positif akan mendekat (gambar 8c). Cara pemisahan muatan seperti ini disebut dengan Induksi. Contoh lain dari induksi adalah :
Gambar 9. Proses induksi (sumber: physics university)
Ketika bola besi netral (gambar 9a) di dekati dengan benda bermuatan negatif maka muatan positif bola besi tersebut akan tertarik ke kiri dan muatan negatif akan tertolak ke kanan (gambar 9b). Agar bola besi hanya bermuatan positif maka bola besi dihubungkan dengan konduktor ke tanah (bumi merupakan penerima elektron tak terbatas dan bersifat netral) (gambar 9c). Akhirnya bola besi menjadi bermuatan positif saja (gambar 9e)
Konduktor & isolator
Konduktor adalah benda-benda yang dapat menghantarkan muatan listrik, seperti : logam, tubuh manusia, air. Sedangkan isolator merupakan benda-benda yang susah menghantarkan muatan listrik, seperti karet, plastik, kertas. Perbedaan konduktor dan isolator terdapat pada susunan muatan pada benda-benda tersebut, ketika konduktor diberi muatan, maka muatan tersebut akan tersebar merata ke seluruh permukaan konduktor. Hal ini berbeda jika isolator di beri muatan, maka muatan tersebut tidak akan tersebar, ia hanya berada di tempat dimana muatan tersebut diletakkan. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 10. Susunan muatan pada konduktor setelah dimuati, (b) susunan muatan pada isolator setelah dimuati (sumber: physics principle and problems)
ANALISIS LISTRIK STATIS
HUKUM COULOMB
Gambar 11. Interaksi dua benda bermuatan (sumber: physics principle and problems)
Dua benda bermuatan saling didekatkan seperti gambar di atas, akan saling berinteraksi. Gambar 11(a) menunjukkan interaksi antara dua benda bermuatan positif akan saling menjauhi (tolak menolak), begitu pula jika dua benda yang sama-sama bermuatan negatif (gambar 11b) jika didekatkan akan saling menjauhi (tolak-menolak), akan tetapi benda bermuatan negatif didekatkan ke benda bermuatan positif (gambar 11c) maka akan saling mendekat (tarik-menarik).
Gaya interaksi antara dua benda bermuatan (atau dua muatan) disebut dengan gaya listrik atau gaya Coulomb sesuai dengan nama penemunya. Gaya listrik ini pertama kali diteliti oleh ilmuan yang bernama Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) berdasarkan eksperimennya mengemukakan hukum coulomb yakni “besarnya gaya listrik antara dua muatan sebanding dengan besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya” secara matematis dapat dituliskan
Keterangan :
FC : gaya coulomb (N)
k : tetapan (9 x 109 Nm2/C2)
q1 & q2 : besar muatan (C)
r : jarak kedua muatan (m)
Jurus jitu:
Dalam banyak kasus atau soal terkait dengan materi gaya Coulomb, sering kali kita dihadapkan pada masalah perbandingan antara gaya listrik dengan besar muatan, gaya listrik dengan kuadrat jarak antar muatan atau bahkan keduanya. Untuk menyelesaikan permasalahan ini hal penting yang perlu dipahami adalah Besar gaya Coulomb sebanding dengan besar muatan
Konsep sebanding:
“Perhatikan letak indeks (a dan b)masing-masing variabel yang sama antara ruas kiri dan ruas kanan”
• Besar gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
Konsep berbanding terbalik
“Perhatikan letak indeks (a dan b)masing-masing variabel yang berlawanan antara ruas kiri dan ruas kanan”
Indeks “a” untuk keadaan awal dan indeks “b” untuk keadaan akhir.
Sehingga persamaan perbandingan untuk hukum Coulomb adalah :
Contoh soal:
Gambar berikut menunjukkan gaya tolak-menolak antara dua benda titik bermuatan listrik
Besar gaya tolak menolak antara kedua benda tersebut jika muatan listrik diganti menjadi +2Q dan +Q, dan jarak kedua benda menjadi 2d adalah…
a. ½ F b. 2F c. 4F d. 8F
Pembahasan:
Keadaan awal
q1a = +Q
q2a = +Q
ra = d
Fa = F
Keadaan akhir
q1b = +2Q
q2b = +Q
rb = 2d
Fb = ..... ?
Soal merupakan perbandingan antara gaya listrik, muatan pertama dan jarak. Persamaan perbandingannya adalah.
Kunci jawaban : “D”
perlu diingat bahwa gaya termasuk besaran vektor sehingga selain besarnya gaya juga harus diperhatikan arahnya juga seperti gambar berikut.
Gambar 12. (a) gaya interaksi dua muatan berbeda jenis, (b) gaya interaksi dua muatan sejenis (sumber: physics principle and problems)
Dua muatan sejenis yang didekatkan akan saling menjauhi dengan arah gaya seperti yang ditunjukkan oleh gambar 12a, sedangkan dua muatan yang berbeda jenis didekatkan akan saling mendekati seperti yang ditunjukkan oleh gambar 12b. Berdasarkan gambar terlihat baik muatan A dan muatan B keduanya saling memberikan gaya kepada kedua muatan (FB on A maupun FA on B), kedua gaya ini adalah pasangan gaya aksi dan reaksi (hukum III Newton)
Salah satu penerapan dari hukum Coulomb ini adalah pada penggunaan elektroskop. Elektroskop merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi suatu benda bermuatan atau tidak
Prinsip kerja dari elektroskop dapat dilihat dari gambar berikut:
Gambar 13. Prinsip kerja elektroskop
Pada mula-mula elektroskop bermuatan netral sehingga muatan positif (proton) dan negatif (elektron) tersebar merata di seluruh elektroskop (gambar 12a) dan daun elektroskop dalam keadaan tertutup, kemudian benda bermuatan listrik negatif di dekatkan (tanpa bersentuhan) ke kepala elektroskop (gambar 12b), muatan negatif benda tersebut akan membuat muatan positif elektroskop tertarik ke kepala elektroskop dan muatan negatifnya tertolak hingga menuju daun elektroskop. Kedua bilah daun elektroskop akan bermuatan negatif, hal ini akan menimbulkan gaya interaksi (gaya listrik) saling tolak menolak sehingga membuat daun elektroskop terbuka (gambar 12c)
Medan Listrik
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya bahwa dua muatan yang didekatkan akan saling berinteraksi satu Medan listrik merupakan daerah di sekitar muatan yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik (gaya coulomb). Medan listrik pada sebuah muatan digambarkan oleh garis-garis gaya listrik dengan Arah medan listrik adalah keluar dari muatan positif dan masuk ke dalam muatan negatif, seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 14. Arah medan magnet (a) muatan positif, (b) muatan negatif (sumber: physics university)
Besarnya medan listrik pada suatu titik yang berjarak r dari sebuah muatan dapat ditentukan dengan persamaan matematis.
keterangan :
E : medan listrik (N/C)
q : muatan listrik (C)
r : jarak (m)
k : tetapan (9 x 109 Nm2/C2)
gambar medan magnet untuk dua muatan yang saling berinteraksi dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambar 15. Arah medan magnet dua muatan yang berinteraksi (a) muatan positif dan negatif, (b) muatan positif dan positif. (sumber : fundamentals of physics)
B . PENERAPAN LISTRIK STATIS DALAM KEHIDUPAN SEHARI – HARI
Dalam tubuh manusia proses perpindahan ion ini terjadi pada sel saraf yang menghantarkan impuls saraf menuju ke efektor dengan waktu yang sangat cepat. Listrik yang berperan dalam menghantarkan rangsangan ini.
1. Bagian-Bagian Sel Saraf
Adapun bagian-bagian sel saraf seperti berikut ini:
• Dendrit penonjolan badan sel yang bercabang dan berbentuk seperti pohon berfungsi untuk menerima impuls dari sel lain dan meneruskan ke badan sel.
• Badan sel merupakan bagian yang didalamnya terdapat inti sel yang dikelilingi sitoplasma. Badan sel ini berfungsi sebagai bagian sel saraf yang meneruskan impuls dari dendrit ke akson.
• Selubung mielin berfungsi untuk mempercepat impuls saraf dengan membantu terjadinya loncatan muatan. Bagian ini dihasilkan ole sel schwann yang berupa selubung lemak berlapis-lapis.
• Akson berfungsi meneruskan impuls dari badan sel saraf ke sel saraf lain atau ke sel otot atau ke kelenjar. Akson ini merupakan penonjolan pada badan sel berbentuk panjang dan silindris. Ujung akhir akson dikenal dengan terminal akson.
• Nodus Ranvier merupakan daerah terbuka yang tidak terselubung dengan mielin berfungsi sebagai tempat terjadinya Tarik-menarik muatan listrik di membran sel saraf.
Proses Kelistrikan pada Sel Saraf
• Saat neurotransmitter dilepaskan dari ujung akson suatu sel saraf ke dendrit pada sel saraf lain, maka impuls akan diteruskan ke sel saraf berikutnya.
• Impuls ini akan membaca ion Na+ yang awalnya terdapat di luar membran akson menjadi masuk ke dalam membran akson.
• Membran dalam akson menjadi lebih positif saat menerima rangsangan listrik atau impuls.
• Impuls kemudian akan mengalir atau bergerak di sepanjang membran akson hingga ke ujung akhir sel saraf.
• Saat rangsangan telah mencapai ujung sel saraf maka neurotransmitter akan dilepaskan lalu kembali menuju sel saraf lain atau sel tujuan.
• Tegangan listrik pada sel saraf berdasarkan keberadaan impuls.
Pada kondisi istirahat atau resting, fase ketika sel saraf sedang tidak menghantarkan impuls pada proses ini muatan di luar membran akson lebih positif karena mengandung Na+. Sementara muatan dalam membran akson lebih negatif karena mengandung ion K+ dan ion Cl-. Ternyata pada fase istirahat ini terjadi tegangan listrik sebesar -70 mV.
Pada kondisi potensial, proses ini nilai potensial bisa naik ketika terjadi eksitasi neuron. Pada saat kondisi ini terdapat impuls menyebabkan pergerakan ion, ion Na+ masuk ke dalam membran akson dan ion K+ keluar dari membran akson lalu muatan di dalam membran menjadi lebih positif, menyebabkan terjadinya peningkatan nilai potensial listrik pada sel saraf.
2. Hewan-Hewan Penghasil Listrik
Beberapa hewan ada yang memiliki keunikan yang tidak dimiliki oleh hewan lainnya. Salah satunya adalah hewan yang mampu menghasilkan listrik seperti hewan-hewan berikut ini. Listrik yang mereka hasilkan biasanya digunakan untuk berburu mangsa, melawan predator, atau pun untuk navigasi (penunjuk arah).
Adapun proses tersengatnya kita oleh hewan tersebut dikarenakan adanya muatan listrik pada tubuh kita sendiri. Karena itulah, tubuh kita akan bereaksi ketika dekat dengan benda yang bermuatan sama atau mengandung listrik seperti yang dimiliki oleh hewan-hewan ini.
1. Ikan Belalai Gajah
Ikan belalai gajah memiliki mulut yang panjang menyerupai bentuk belalai gajah. Ikan ini dilengkapi dengan organ khusus, yang disusun oleh ribuan sel electropax. Pada bagian ekor yang mampu menghasilkan listrik statis bertegangan tinggi. Sel electroplax merupakan sel yang menghasilkan muatan negatif pada bagian dalam dan muatan positif pada bagian luar saat ikan belalai gajah dalam keadaan beristirahat. Arus listrik akan muncul pada saat otot ikan berkontraksi, pada saat itu pula ikan mampu mendeteksi keberadaan predator dan mangsa.
2. Ikan Pari Elektrik
Ikan pari elektrik mampu mengendalikan tegangan listrik yang ada pada tubuhnya. Kedua sisi kepala ikan pari elektrik mampu menghasilkan listrik hingga sebesar 220 volt. Besar tegangan ini sama seperti besar tegangan listrik yang ada di rumah.
3. Hiu Kepala Martil
Hiu kepala martil memiliki ratusan ribu elektroreseptor atau sel penerima rangsang listrik. Hiu kepala martil mampu menerima sinyal listrik hingga setengah milyar volt.
Hiu kepala martil biasa menggunakan kemampuan mendeteksi sinyal listrik untuk mengetahui letak mangsa di bawah pasir, menghindari keberadaan predator, dan untuk mendeteksi arus laut yang bergerak sesuai medan magnet bumi.
4. Echidnas
Echidnas memiliki moncong memanjang yang berfungsi sebagai pengirim sinyal-sinyal listrik untuk menemukan serangga (mangsa).
Elektroreseptor Echidnas terus menerus dibasahi agar lebih mudah untuk menghantarkan listrik.
Hal inilah yang menyebabkan sebagian besar hewan yang memiliki sistem elektroreseptor berasal dari perairan.
5. Belut Listrik
Penelitian menunjukkan bahwa belut listrik dapat menghasilkan kejutan tanpa lelah selama satu jam.
Besarnya jumlah energi listrik yang dihasilkan tersebut diyakini dapat membunuh manusia dewasa.
6. Lele Elektrik
Lele air tawar yang berasal dari perairan tropis di Afrika ini memiliki kemampuan untuk menghasilkan listrik hingga sebesar 350 volt. Besarnya energi yang dihasilkan lele elektrik sama seperti energi listrik yang diperlukan untuk menyalakan komputer selama 45 menit.
PENGGUNAAN LISTRIK STATIS DALAM TEKNOLOGI
Prinsip listrik statis banyak diterapkan dalam kehidupan sehari. Berikut ini bentuk penerapan listrik statis dalam kehidupan sehari-hari.
1. Pengendap Elektrostatis
2. Mesin Fotokopi
Mesin fotokopi menggunakan daya tarik muatan listrik berbeda. Suatu pola muatan positif pada pelat mesin fotokopi, mencitrakan bidang hitam yang akan digandakan, menarik partikel bermuatan negatif dari bubuk hitam halus yang disebut toner. Toner menjadi bermuatan negatif, karena berhubungan dengan butir-butir gelas kecil di baki pengembang. Pola toner dipindahkan di atas secarik kertas kosong dan dipanggang di atasnya.
3. Penangkal Petir
Pelepasan muatan listrik secara tiba-tiba yang menghasilkan bunga api listrik disebut dengan petir. Loncatan muatan melalui udara menghasilkan cahaya yang sangat kuat dan panas, sehingga menyebabkan udara memuai secara mendadak. Pemuaian udara yang mendadak akan menghasilkan bunyi ledakan menggelegar yang dinamakan guntur. Penangkal petir berupa batang logam yang berujung lancip dan dihubungkan degan kawat logam berukuran besar. Penangkal petir dipasang di atas atap rumah atau di atas gedung bangunan tinggi dan dihubungkan ke dalam tanah melalui kabel logam.
Penangkal petir menyediakan jalan bagi muatan listrik di awan agar dapat berpindah menuju tanah melalui kawat, sehingga tidak menimbulkan kerusakan pada bangunan.
4. Generator Van de Graff
5. Cat Semprot
Teknik pengecatan juga menggunakan prinsip kerja muatan listrik statis. Cat yang disemprotkan diberi muatan listrik yang berlawanan dengan benda yang dicat, sehingga butir-butir cat yang disemprotkan akan tertarik pada benda yang dicat. Butiran cat dari aerosol menjadi bermuatan ketika bergesekan dengan mulut pipa semprot dan udara.
Dengan demikian, hasil pengecatan menjadi lebih merata dan mampu menjangkau bagian-bagian yang sulit, sehingga polusi udara dapat dikurangi.
6. Printer Laser
Setelah melewati drum yang berputar kertas akan melewati fuser. Pada bagian fuser ini kertas akan mengalami pemanasan, yang menyebabkan kertas terasa panas pada saat keluar dari printer. Printer laser banyak dipilih untuk mencetak karena lebih cepat, lebih akurat, dan lebih ekonomis.
7. Elektrokardiograf
Elektrokardiograf digunakan untuk merekam perubahan jantung manusia. Setiap kali jantung manusia berdetak, akan terjadi perubahan potensial listrik pada permukaan jantung.
Hal ini dapat dideteksi dengan elektrokardiograf, menggunakan logam kontak yang dipasang pada kulit.
Perubahan potensial ini dapat di tampilkan sebagai grafik, baik pada kertas maupun pada layar tabung sinar katoda (CRT). Hasil remakan perubahan jantung manusia ini disebut elektrokardiogram.
8. Theremin
Theremin adalah salah satu alat musik yang dapat dimainkan tanpa menyentuhnya. Dua antena pada theremin berfungsi untuk mengaturvolume dan nada-nada musik.
Saat seseorang mendekatkan telapak tangannya ke antena, efek yang akan terjadi sama dengan efek kapasitorpelat sejajar.
Antena berlaku sebagai salah satu pelat, sedangkan telapak tangan berperan sebagai pelat pasangannya.
Dengan pengubah jarak antena dengan telapak tangan, maka akan mengubah kapasitansi sistem kapasitor itu.
Perubahan kapasintansi ini di deteksi olehrangkaian elektronik yang segera mengonversinya menjadi perubahan volume atau nada-nada musik.
9. Teknologi Layar Sentuh
Tidak ada komentar:
Posting Komentar