Senin, 01 Maret 2010

listrik statis

MUATAN LISTRIK
Pernahkah anda terkejut ketika tangan anda menyentuh layar TV?
Apakah yang menyebabkan peristiwa sengatan yang kadang-kadang disertai
rasa sakit itu? Sengatan itu merupakan akibat yang ditimbulkan oleh listrik
statis. Petir yang sering Anda lihat pada saat hari hujan itu juga merupakan
contoh peristiwa alam yang disebabkan listrik statis. Apakah listrik statis itu?
Terjadinya Listrik Statis
Kata “listrik” dalam bahasa Inggris electric, berasal dari bahasa Yunani
elektron, yang berarti “amber”. Amber adalah pohon damar yang membatu,
dan pengetahuan kuno membuktikan bahwa jika anda menggosok batang
amber dengan sepotong kain, maka amber menarik potongan daun kecil-kecil
atau debu. Batang karet keras, batang kaca, atau penggaris plastik, jika
digosok dengan sepotong kain juga akan menunjukkan “efek amber” atau
listrik statis sebagaimana yang kita sebut sekarang. Barangkali anda telah
memiliki pengalaman tentang listrik statis yakni ketika anda menyisir rambut
kering, atau ketika menyetrika baju nilon. Pada setiap kasus tadi, suatu benda
menjadi “bermuatan” listrik karena proses gosokan dan dikatakan memiliki
muatan listrik.
Apakah seluruh muatan listrik sama? Atau mungkinkah terdapat lebih dari
satu jenis?
Jenis Muatan Listrik
Sesuai dengan hasil percobaan anda, terdapat dua jenis muatan listrik.
Ketika penggaris plastik kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama
didekatkan pada penggaris plastik pertama, penggaris pertama bergerak
menjauhi penggaris kedua. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1a. Ketika
Modul FIS.20.Listrik Statis 8
batang kaca kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan
pada batang kaca pertama, batang kaca kedua juga bergerak menjauhi batang
kaca pertama. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1b. Tetapi, jika batang
kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang bermuatan,
akan didapatkan bahwa keduanya akan saling menarik, Gambar 1c.
Gambar 1 Muatan yang tak sejenis tarik menarik, sedangkan muatan
yang sejenis tolak menolak satu dengan yang lain.
Karena itu, muatan pada batang kaca haruslah berbeda dengan muatan pada
penggaris plastik. Memang, melalui eksperimen seluruh muatan benda dapat
dikategorikan ke dalam dua jenis. Setiap benda bermuatan yang ditarik oleh
penggaris plastik, akan ditolak oleh batang kaca, atau setiap benda yang
ditolak oleh penggaris plastik, akan ditarik oleh batang kaca. Jadi terdapat dua
jenis muatan listrik yaitu, muatan yang ditolak batang kaca bermuatan,
dan muatan yang ditarik batang kaca bermuatan.
Dua jenis muatan listrik yang ditunjukkan tersebut dinyatakan oleh seorang
Amerika, seorang saintis, seorang filosuf yang bernama Benjamin Franklin
(1706-1790) sebagai muatan positif dan muatan negatif. Franklin memilih
muatan pada batang kaca yang digosok adalah muatan positif, sedangkan
muatan pada penggaris plastik yang digosok (atau amber) adalah muatan
negatif. Sampai sekarang kita masih mengikuti perjanjian ini.
Modul FIS.20.Listrik Statis 9
Hukum Kekekalan Muatan
Franklin mengusulkan bahwa jumlah muatan yang dihasilkan oleh suatu
benda melalui suatu proses penggosokan, adalah sama dengan jumlah muatan
positip dan negatip yang dihasilkan. Jumlah bersih muatan yang dihasilkan
oleh suatu benda selama proses penggosokan adalah nol. Contoh, ketika
penggaris plastik digosok dengan kain wol, plastik memperoleh muatan
negatip dan kain wol memperoleh muatan positip dengan jumlah yang sama.
Muatan-muatan tersebut dipisahkan, namun jumlah kedua jenis muatan
adalah sama. Ini adalah contoh dari suatu hukum yang berlaku sampai
sekarang, yang dikenal dengan nama hukum kekekalan muatan listrik
yang berbunyi:
Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda
yang berbeda (penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu
proses penggosokan adalah nol.
Jika suatu benda atau suatu daerah ruang memperoleh muatan positif,
maka akan dihasilkan sejumlah muatan negatif dengan jumlah yang sama
pada daerah atau benda di sekitarnya.
Muatan Listrik dalam Suatu Atom
Gambar 2 memperlihatkan model atom sederhana, terdiri dari muatan
positif di dalam inti, dikelilingi satu atau lebih elektron. Inti berisi protonproton
bermuatan positif, dan netron yang tidak bermuatan listrik. Besarnya
muatan proton dan elektron adalah sama, tetapi tandanya
berlawanan. Karena itu atom-atom netral berisi proton-proton dan elektronelektron
dengan jumlah yang sama. Meskipun demikian, suatu atom kadangkadang
akan kehilangan satu atau lebih elektron, atau akan memperoleh
elektron-elektron ekstra. Pada kasus ini, atom akan bermuatan positip atau
negatip, dan disebut ion.
Modul FIS.20.Listrik Statis 10
Gambar 2 Model atom sederhana.
Umumnya, ketika benda dimuati melalui gosokan, benda-benda akan
mempertahankan muatannya hanya sebentar, kemudian kembali ke keadaan
netral. Kemana muatan pergi? Dalam beberapa kasus, hal ini dinetralkan oleh
ion-ion bermuatan di udara (misalnya, oleh tumbukan dengan pertikel-partikel
bermuatan, yang kita kenal sebagai sinar kosmik dari ruang angkasa yang
mencapai bumi). Hal yang penting diketahui, bahwa muatan dapat lepas ke
inti air di udara. Ini karena molekul-molekul air adalah polar, meskipun
molekul-molekul air tersebut adalah netral, muatan molekul-molekul air
tidaklah disalurkan secara seragam sebagaimana diperlihatkan pada
Gambar 3. Jadi elektron-elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas
ke udara karena ditarik menuju molekul-molekul positip air. Di sisi lain, bendabenda
yang dimuati secara positip, dapat dinetralkan oleh hilangnya
(berpindahnya) elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke bendabenda
bermuatan positip tersebut. Pada udara kering, listrik statis lebih mudah
diperoleh karena udara berisi lebih sedikit molekul-molekul yang dapat
berpindah. Pada udara lembab, adalah sulit untuk membuat benda bermuatan
tahan lama.
Elektron
Proton
Netron
Gambar 3 Sebuah molekul air. Karena molekul air mempunyai
muatan yang berlawanan pada ujung yang berbeda, maka disebut
sebuah molekul “polar”.
Modul FIS.20.Listrik Statis 11
Cara Memperoleh Muatan Listrik
Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda
logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam
logam yang netral akan ditarik menuju logam yang bermuatan positif tersebut
sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 4. Karena sekarang logam kedua
tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan
Gambar 4 Batang logam netral memperoleh muatan ketika
disentuh dengan benda logam lain yang bermuatan.
positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan
cara kontak, dan kedua benda tersebut akhirnya memiliki muatan dengan
tanda yang sama.
Bila benda yang bermuatan positip didekatkan pada batang logam yang
netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak
meninggalkan batang, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam
logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positip pada
ujung yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Memberi muatan dengan jalan induksi
elektron
Modul FIS.20.Listrik Statis 12
Muatan tersebut dikatakan telah diinduksikan pada kedua ujung batang logam.
Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Tentu saja tidak ada
muatan yang dihasilkan dalam batang; muatan hanya dipisahkan. Jumlah
muatan pada batang logam masih sama dengan nol. Meskipun demikian, jika
dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan,
satu bermuatan positip dan yang lain bermuatan negatip.
Cara lain untuk menginduksi muatan pada benda logam adalah dengan
jalan menghubungkan logam tersebut menuju ground melalui kawat
konduktor sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6a ( 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; karena itu dapat
bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk muatan. Jika suatu benda
bermuatan negatip didekatkan ke sebuah logam, maka electron-elektron
bebas dalam logam akan menolak dan beberapa electron akan bergerak
menuju bumi melalui kabel (Gambar 6b).
Gambar 6. Induksi muatan pada suatu benda yang
dihubungkan ke bumi.
Ini menyebabkan logam bermuatan positif. Jika sekarang kabel dipotong,
maka logam akan memiliki muatan induksi positif (Gambar 6c).
Modul FIS.20.Listrik Statis 13
ELEKTROSKOP
Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk
mendeteksi muatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 7, di dalam sebuah
peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadangkadang
yang dapat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari
emas.
Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di
luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda
Gambar 7 Elektroskop
yang bermuatan positip didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan
terjadi melalui induksi, elektron-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga
kedua daun elektroskop bermuatan positip dan saling menolak (Gambar 8a).
Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Sedangkan, jika bola
dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun
elektroskop memperoleh muatan positip, sebagaimana ditunjukkan oleh
Gambar 8b. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar
pemisahan daun-daun elektroskop.
Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa dengan cara ini, anda tidak dapat
menentukan tanda muatan, karena dalam setiap kasus, kedua daun
elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu
elektroskop dapat digunakan untuk menentukan “tanda muatan” jika
Modul FIS.20.Listrik Statis 14
Gambar 8 Elektroskop dimuati (a) dengan cara induksi,
(b) dengan cara konduksi
pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya
secara negatip, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9a. Sekarang, jika
benda bermuatan negatip didekatkan, sebagaimana ditunjukkan pada
Gambar 9b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah
menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar.
Di sisi lain, jika muatan positip didekatkan, maka elektron-elektron akan
diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatip dan jarak
pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit), seperti pada
Gambar 9c.
Gambar 9 Elektroskop yang pertama-tama dimuati dapat digunakan untuk menentukan
tanda dari suatu muatan yang diberikan.
PENGOSONGAN MUATAN LISTRIK
Loncatan muatan listrik terjadi pada saat muatan listrik bergerak secara
bersama-sama. Kejadian ini disebut pengosongan listrik statis. Pengosongan
itu ditunjukkan oleh sambaran petir pada Gambar 10.
Modul FIS.20.Listrik Statis 15
Gambar 10 Petir adalah contoh loncatan
muatan listrik statis yang besar
Muatan listrik dapat hilang dengan pengosongan. Pengosongan terjadi
apabila tersedia suatu jalan bagi elektron-elektron untuk mengalir dari suatu
benda bermuatan ke benda lain. Perpindahan muatan listrik statis dari satu
benda ke benda lain disebut penetralan atau pengosongan muatan statis.
Pengosongan itu lazim juga disebut pentanahan, karena muatan itu sering
dikosongkan dengan cara menyalurkan ke tanah.
Pengosongan muatan statis di udara dapat terjadi sangat besar sehingga
menimbulkan suara dahsyat yang kita sebut guntur. Proses terjadinya petir
dapat dijelaskan pada Gambar 11a, 11b, dan 11c. Bacalah keterangan
ketiga gambar tersebut.
Modul FIS.20.Listrik Statis 16
Awan dengan Terjadi
Awan netral muatan terpisah sambaran petir
Gambar 11 Proses terjadinya petir
PENANGKAL PETIR
Batang logam penangkal petir sering dipasang di atas atap rumah
bertingkat atau di atas bangunan tinggi, dan dihubungkan ke dalam
tanah melalui kabel logam. Penangkal petir, melindungi rumah dan
bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang
besar di dalam petir. Penangkal petir ini menyediakan suatu jalan
aman, atau pentanahan, agar arus listrik petir mengalir masuk ke
dalam tanah, bukan melewati rumah atau bangunan lain. Pernahkah
anda melihat penangkal petir? Pernahkah anda melihat bangunan
tinggi yang dilengkapi dengan penangkal petir seperti Gambar 12.
Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan statis
yang tidak menimbulkan kerusakan.
Kemudian terjadi
pemisahan muatan di
dalam awan. Bagian
bawah awan menjadi
bermuatan lebih
negatif dibandingkan
dengan tanah di
bawah awan tersebut.
Sebelum terjadi petir,
muatan listrik
terbentuk di dalam
awan ketika butiranbutiran
air saling
menggosok satu
sama lain.
Terjadi sambaran
petir d ari awan ke
tanah ketika muatan
negatif (e lektron) meloncat
dari bagian
bawah awan ke titik
tertinggi di atas
tanah.
a b c
Modul FIS.20.Listrik Statis 17
Gambar 12.
Pada saat terjadi petir, pengosongan listrik
statis dari bagian bawah awan yang bermuatan
ke Bumi akan melewati batang penangkal petir
ini. Muatan listrik akan mengalir ke bawah
dengan aman melalui kabel logam tersebut, dan
masuk ke dalam tanah.
Kabel
Modul FIS.20.Listrik Statis 18
c. Rangkuman
? Muatan positif adalah muatan yang sejenis dengan muatan yang
dimiliki oleh kaca jika digosok dengan kain sutera.
? Muatan negatif adalah muatan yang sejenis dengan muatan yang
dimiliki oleh penggaris plastik jika digosok dengan kain wol.
? Muatan yang sejenis tolak-menolak dan muatan yang tak sejenis
tarik-menarik.
? Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang
berbeda (misalnya, penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu
proses penggosokan adalah nol.
? Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif (proton dan
netron) dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif.
? Mendapatkan muatan pada batang logam netral dengan induksi
dapat dilakukan dilakukan dengan cara mendekatkan batang
logam bermuatan pada batang logam netral tersebut.
? Mendapatkan muatan pada batang logam netral dengan konduksi
dapat dilakukan dilakukan dengan cara menyentuhkan batang
logam bermuatan pada batang logam netral tersebut.
? Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk
mendeteksi muatan listrik. Daun-daun elektroskop akan
mengembang apabila kepala elektroskop dimuati baik dengan cara
“induksi”, maupun dengan cara “konduksi”.
? Petir adalah contoh pengosongan muatan statis di udara.
? Untuk menghindari kerusakan pada bangunan yang tinggi dari
sambaran petir, dapat dilakukan dengan cara memasang
penangkal petir pada bangunan tersebut.
Modul FIS.20.Listrik Statis 19
d. Tugas
1). Buatlah elektroskop sederhana dari botol plastik air mineral sebagai
peti kaca, grenjeng rokok sebagai daun-daun elektroskop, dan paku
besar sebagai batang konduktor.
2). Ujilah elektroskop buatan anda tersebut dengan jalan memuati dengan
cara “induksi”dan “konduksi” menggunakan kertas transparansi yang
digosok dengan kain. Kumpulkan elektroskop buatan anda dan
laporkan hasil analisis pengujian pada pertemuan ber

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar