Listrik Statis

Petir adalah suatu kejadian alam yang luar biasa, karena dalam setiap kejadiannya energi yang dilepaskan lebih besar daripada yang dihasilkan oleh seluruh pusat pembangkit tenaga listrik di Amerika. Cahaya yang dikeluarkan oleh petir lebih terang daripada cahaya 10 juta bola lampu pijar berdaya 100 watt. Hal lain yang menakjubkan bahwa molekul-molekul nitrogen, yang sangat penting untuk tumbuhan, muncul dari kekuatan ini.
Mengapa petir dapat membebaskan energi?

Darimana petir mendapatkan energi listrik?

Berapa biaya listrik yang dapat kita hemat jika kita dapat mengumpulkan energi dari petir?

Saat kita merenungi semua perihal petir ini, kita dapat memahami bahwa peristiwa alam ini adalah sesuatu yang menakjubkan. Bagaimana sebuah kekuatan luar biasa semacam itu muncul dari partikel bermuatan positif (proton) dan negatif (elektron) dari dalam sebuah atom, yang tak terlihat oleh mata telanjang. Perbedaan jumlah proton dan elektron dalam sebuah atom mengakibatkan atom bermuatan listrikKarena semua benda tersusun oleh atom-atom, maka perubahan muatan listrik pada atom akan mengakibatkan perubahan listrik pada benda. Setiap benda memiliki kecenderungan untuk berada dalam keadaan netral, oleh karena itu jika benda bermuatan maka secara spontan dapat membebaskan muatannya. Salah satu contohnya adalah petir. Sifat-sifat muatan listrik antara lain: 1) listrik terdiri dari dua jenis muatan yaitu muatan positif dan negatif, 2)muatan listrik akan saling berinteraksi, muatan sejenis tolak menolak dan muatan tidak sejenis tarik-menarik.

Para ahli berusaha memanfaatkan muatan listrik statis untuk berbagai keperluan dalam kehidupan sehari-hari.

Teori Atom

Menurut Demokritus (460-370SM), partikel zat yang terkecil disebut atom. Hal tersebut pertama kali dimodelkan oleh Dalton. Adapun model atom Dalton adalah sebagai berikut:
  1. Atom adalah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi.
  2. Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom unsur yang lain
  3. Dua atom atau lebih dapat membentuk molekul
  4. Atom suatu unsur semuanya sama atau serupa.

Seiring dengan pekembangan ilmu dan teknologi, maka teori atompun berkembang. Di awali oleh model atom JJ Thomson, kemudian model atom Rutherford, dan model atom Bohr. Sampai dengan saat ini, model atom Bohr lah yang lebih mendekati kebenaran, hal tersebut didasarkan pada hasil analisis spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom. Mengapa atom harus dibuatkan model?

Teory Atom secara detail dapat ditemukan di beberapa wabsite berikut ini:
http://www.geocities.com/athens/delphi/8904/v_model_atom.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/J.J._Thompson
http://www.upscale.utoronto.ca/PVP/Harrison/BohrModel/Flash/BohrModel.html

Gambar model atom Dalton.

Gambar model atom JJ. Thompson.

Gambar model atom Rutherford

Gambar model atom Bohr

Bagian-bagian Atom
Berdasarkan model atom Bohr, maka atom terdiri dari:

  1. Kulit atom
  2. Inti atom (nukleus)
Kulit atom adalah orbit dari sebuah partikel yang bernama elektron sedangkan inti atom  tersusun atas proton dan neutron. Elektron adalah partikel yang bermuatan negatif, sedangkan proton bermuatan positif, adapun neutron adalah partikel yang tidak bermuatan. Setiap atom dalam keadaan normal memiliki kecenderungan jumlah elektron sama dengan jumlah proton. Atom dapat mengalami penambahan/pengurangan elektron, peristiwa ini akan mengakibatkan perbedaan jumlah elektron dan proton, sehingga mengakibatkan atom bermuatan listrik,

Sedangkan jumlah proton relatif lebih stabil dibandingkan dengan elektron. Dengan demikian elektronlah yang memiliki peranan penting dalam menentukan muatan listrik sebuah atom

Bagaimana orang mempelajari atom?
Struktur atom di modelkan berdasarkan informasi yang diperoleh dari spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom.  Atom akan memancarkan energi dalam bentuk spektrum yang berbeda-beda tergantung dari jenis atomnya, oleh karena itu spektrum cahaya bersifat unik.

Bagaimana atom memancarkan energi?

Sebuah atom mempunyai kemampuan menyerap energi, Jika ini terjadi sebagian elektron dari atom tersebut akan  tereksitasi. Konfigurasi elektron memiliki kecenderungan untuk menempatkan elektron mulai dari lintasan yang terdalam. Dengan demikian elektron yang tereksitasi akan berusaha untuk kembali pada orbit yang ada di bawahnya dengan memancarkan energi.

Muatan Listrik

Bagaimana Benda dapat Bermuatan Listrik?
Setiap zat tersusun atas atom-atom, dengan demikian muatan listrik suatu zat tergantung dari jenis muatan listrik atom-atomnya. Jika atom-atom benda lebih cenderung melepaskaan elektron, maka zat yang disusunnya lebihcenderung bermuatan positif. Sebaliknya jika atom-atom benda lebih cenderung menangkap elektron, maka zat yang disusunnya cenderung bermuatan negatif. Dengan demikian muatan listrik sebuah benda sangat tergantung dengan muatan listrik atom-atom penyusunnya.

Bagaimana cara membuat benda bermuatan listrik?
Suatu benda dapat dimuati listrik dengan dua cara

1. Menggosok

a. Menggosok penggaris plastik dengan kain wool

Penggaris menjadi bermuatan listrik jenis negatif
Apa yang terjadi jika kaca digosok dengan kain sutera?

b. Menggosok kaca dengan kain sutera

Kaca menjadi bermuatan listrik jenis positif

Menggosok.
Mengapa dengan menggosokkan benda ke benda lain dapat membuat benda bermuatan listrik? Apakah semua benda jika digosokkan akan bermuatan listrik?
Muatan listrik pada sebuah benda, sangat dipengaruhi olah muatan listrik atom-atom penyusunnya.  Ada atom-atom yang cenderung melepas elektron, tetapi ada juga atom-atom yang cenderung mengikat elektron. Jika dua benda tersusun dari atom-atom yang memiliki perbedaan sifat tersebut saling digosokkan maka, maka interaksi itu akan lebih mudah membuat benda bermuatan listrik. Dari animasi di atas.
Jika kain sutera digosokkan pada kaca, maka elektron-elektron kaca akan berpindah menuju sutera, sehingga kaca menjadi bermuataan positif. sementara itu kain sutera menjadi bermuatan negatif karena mendapat tambahan elektron

Jika kain wool  digosokkan pada plastik, maka elektron-elektron kain wool akan berpindah menuju plastik, sehinggaplastik menjadi bermuataan negatif. sementara itu kain wool menjadi bermuatan positif karena kehilangan elektron-elektronnya.

2. Induksi

Bagaimana proses pemuatan listrik dengan induksi?
Induksi dapat dilakukan dengan cara mendekatkan benda yang bermuatan listrik ke benda netral. Akibatnya benda netral akan terpolarisasi. Jika benda netral yang telah terpolarisasi di hubungkan dengan tanah (di ground kan), maka elektron-elektronnya akan mengalir menuju tanah. Setelah penghantar yang menuju tanah di hilangkan dan benda bermuatan listrik dijauhkan, maka benda netral akan menjadi kekurangan elektron (bermuatan positif). Induksi dalam jumlah muatan tertentu dapat mengakibatkan muatan listrik melompati gap (jarak pemisah), dalam hal ini dapat menimbulkan lintasan bunga api. Salah satu peristiwa yang besar adalah terjadinya petir.
Berikut ini adalah proses terjadinya induksi listrik.

Proses Terjadinya Induksi Listrik

Sifat Muatan Listrik
Muatan listrik dapat menarik benda-benda kecil

Potongan kertas kecil-kecil dapat menempel pada penggaris yang bermuatan listrik karena adanya gaya listrik. Jika gaya listrik lebih besar dari gaya gravitasi benda maka benda akan menempel pada penggaris, sebaliknya  jika gaya listrik kurang dari gaya gravitasi, maka benda tidak akan menempel.

Apa yang terjadi pada kertas jika benda yang didekatkan bermuatan listrik positif?

Interaksi Dua Muatan Listrik:

Sifat muatan listrik

  1. Interaksi antara benda-benda yang bermuatan listrik.
  • muatan sejenis tolak-menolak
  • muatan tidak sejenis tarik-menarik
  • Muatan listrik ada dua jenis
    • Muatan positif
    • Muatan negatif

Medan Listrik

Medan listrik disekitar muatan positif

Adanya gaya diantara dua muatan listrik, walaupun dua benda yang bermuatan listrik tidak bersentuhan, menggambarkan bahwa disekitar muatan listrik terdapat medan listrik. Medan listrik adalah daerah disekitar muatan listrik yang masih mendapat pengaruh gaya listrik dari muatan tersebut. Berikut ini adalah visualisasi medan listrik disekitar muatan positif.

Medan Listrik disekitar muatan negatif

Bagaimanakah medan listrik di sekitar muatan negatif?
Sebgaimana muatan positif, disekitar muatan negatif terdapat medan listrik juga, hanya saja arah medan listriknya menuju ke arah muatan.
Untuk melihat arah medan listriknya klik play gambar muatan negatif

Interaksi muatan listrik

Interaksi antara dua muatan listrik baik berupa gaya tolak atau gaya tarik dapat digambarkan dengan menggunakangaris-garis gaya listrik berikut:

Gaya Coulomb

Hukum Coulomb. 

Tahun 1785 seorang fisikawan Prancis yang bernamaCharles Agustin Coulomb menyelidiki besarnya gaya yang terjadi pada dua benda yang bermuatan listrik. Alat yang digunakannya adalah neraca puntir (torsion balance). Hasil investigasinya menemukan hubungan bahwa “besarnya gaya listrik sebanding dengan besarnya muatan listrik dua benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara dua buah benda yang bermuatan listrik”.  Pernyataan ini dikenal dengan nama Hukum Coulomb.
Sebagai penghargaan atas jasanya, nama coulombdigunakan sebagai satuan muatan listrik.

Bagaimana neraca puntir bekerja?

Dua bola bermuatan listrik yang digantung dengan menggunakan benang dalam sebuah tabung dapat berputar secara bebas, hal ini dapat digunakan untuk menemukan faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya gaya antara dua benda yang bermuatan listrik. Pada bagian bawah dari tabung, melingkari dinding tabung terdapat skala sudut. Jika sebuah benda yang bermuatan listrik di dekatkan pada salah satu bola, maka bola itu akan bergerak secara melingkar menjauh/mendekat (tergantung dengan jenis muatan ke dua benda yang berinteraksi). Selanjutnya dengan mengasumsikan bahwa besarnya sudut simpang sebanding dengan besarnya gaya antara dua muatan, maka dengan mengubah jarak antara dua muatan dan besarnya muatan, kita dapat menemukan hubungan antara besarnya gaya, jarak antara dua muatan, dan besarnya muatan.

Persamaan Coulomb

Hukum Coulomb secara matematis dapat dituliskan :

F = Gaya listrik (newton)
Q1 = Muatan listrik benda 1 (coulomb)
Q2 = muatan listrik benda 2 (coulomb)
r  = jarak pisah antara dua benda bermuatan listrik (meter)
k = tetapan (9 x 109  N m2 C-2)

Elektroskop

Untuk mengidentifikasi muatan listrik sebuah benda dapat digunakan elektroskop. Elektroskop terdiri dari sebuah bola konduktor yang dihubungkan dengan dua buah daun logam (biasanya emas) dengan menggunakan batang konduktor. Dengan menggunakan bahan dari isolator sebagai penyekat, daun elektroskop dimasukkan ke dalam sebuah wadah yang terbuat berdinding kaca.
Prinsip kerja elektroskop adalah induksi listrik.

Dimana jika kepala elektroskop yang netral didekatkan dengan benda, maka daun elektroskop akan mengembang jika benda tersebut bermuatan listrik, dan tetap jika benda tersebut tidak bermuatan listrik
Keterangan gambar :

a = daun elektroskop
b = batang konduktor
c = tabung gelas
d = kepala elektroskop

Aplikasi Listrik statis

Petir

Bagaimana petir terjadi?

Petir adalah salah satu contoh pembebasan muatan listrik dalam jumlah yang cukup besar. Pembebasan ini bisa terjadi antara awan dan awan atau antara awan dan bumi. Kenapa ke bumi? Karena bumi merupakan suatu tempat yang mampu menampung berapapun besarnya muatan listrik.  Ketika awan bergerak dari satu tempat ke tempat lain untuk membentuk hujan, maka awan akan mengalami polarisasi akibat pengaruh suatu tempat di permukaan bumi, biasanya tempat yang lebih tinggi terhadap sekitarnya. Polarisasi muatan ini menyebabkan terjadinya perbedaan potensial yang sangat tinggi yang bisa  mengakibatkan terjadinya loncatan bunga api kita dikenal dengan nama petir.

Pembebasan muatan listrik (discharging)
Ketika benda bermuatan listrik, dia dapat di netralisasi dengan memindahkan muatan listriknya. Proses ini dikenal dengan nama discharging.

Discharging pada bahan isolator.
Pemanasan adalah cara yang efektif dalam pembebasan muatan listrik. Hal ini terjadi karena panas menyebabkan udara di sekitar bahan menjadi terionisasi. Ion disekitar bahan akan menetralisasi muatan listrik bahan.

Discharging pada bahan konduktor.
Muatan listrik bahan konduktor dapat dinetralisasi dengan menghubungkan ke bumi (grounded). Konduktor yang digunakan untuk menghubungkan bahan dengan bumi, merupakan jalur lalulintas elektron. Jika bahan bermuatan positif, maka elektron mengalir dari bumi ke bahan. Sebaliknya jika bahan bermutan negatif, maka elektron mengalir dari bahan ke bumi.

Jika beda potensial antara dua benda yang bermuatan cukup besar maka netralisasi dapat terjadi secara spontan. Salah satu contoh peristiwa pembebasan muatan listrik dalam jumlah yang besar adalah petir. Besarnya muatan listrik yang di bebaskan maka petir dapat mengakibatkan kerusakan benda-benda dipermukaan bumi seperti gedung-gedung bertingkat, pohon-pohon, dan kadang-kadang manusia. Apa yang harus dilakukan manusi untuk menghindarkan kerusakan akibat petir? Mengapa petir lebih banyak kita jumpai pada saat musim hujan?

Pembebasan muatan listrik (discharging)
Discharging pada bahan konduktor

sumber : belajar.kemdiknas.go,id

Advertisements
  1. No comments yet.
  1. No trackbacks yet.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: