Listrik Statis Serta Penjelasannya

Mempelajari listrik statis tidak akan dapat lepas dari fenomena kelistrikan disekitar kita dan komponen penyusun listrik statis itu sendiri yakni muatan. Keadaan muatan yang seimbang dan tidak seimbang inilah yang nantinya menghasilkan berbagai fenomena seperti gaya listrik, medan listrik, hingga energi potensial listrik yang dapat dimanfaatkan dalam kehidupan kita sehari-hari.

Kali ini mari kita pahami materi kelistrikan ini, khususnya listrik statis melalui artikel berikut ini.

Pengertian Listrik Statis

Listrik statis adalah fenomena kelistrikan saat sejumlah muatan listrik yang berada di dalam maupun di permukaan benda berada dalam keadaan tidakseimbangan muatan listrik.

Listrik statis akan muncul saat dua benda dengan jumlah muatan listrik berbeda dihubungkan. Sehingga meskipun tanpa adanya sumber beda potensial, elektron dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya. Beberapa kejadian seperti tertariknya rambut ke arah sisiran saat menyisir rambut dan kilatan petir membuktikan fenomena listrik statis.

Baca juga: Materi Besaran Vektor

Muatan listrik

Muatan listrik adalah sebuah bagian penyusun atom benda-benda. Muatan akan tetap ada sampai benda kehilangan muatan dengan cara mengalirkan sebuah arus listrik melepaskan muatan listrik. Muatan listrik dapat mengalir karena adanya perpindahan elektron dari suatu benda ke benda lain. Sebenarnya muatan listrik tidak hanya electron melainkan terdapat tiga jenis, yakni proton, muatan positif, elektron, muatan negatif, serta neutron yang netral. Elektron terletak di kulit atom benda sedangkan proton dan neutron berada di inti atom sehingga hanya elektron yang bebas bergerak.

Kita dapat melihat fenomena berpindahnya muatan ini dengan mendekatkan batang plastik yang telah di gosok dengan bulu hewan kepada batang plastik yang digantung bebas, akan terlihat bahwa kedua batang saling menolak dan tidak mau bersentuhan. Kita juga dapat melakukan percobaan lain dengan bahan kaca yang digosokkan kain sutera. Peristiwa menggosok kedua jenis batang dengan bahan tertentu ini membuat batang menjadi bermuatan listrik atau termuati.

Ilmuwan asal amerika, Benjamin Franklin mengusulkan sebuah model teori yakni pada dasarnya semua benda memiliki sejumlah muatan netral. Jika benda-benda ini digosok sebagian muatan akan berpindah ke benda yang lain. Hal ini mengakibatkan sebagian benda kekurangan elektron dan sebagian lain kelebihan elektron. Jenis benda yang memilki kelebihan elektron disebut benda bermuatan negatif. Sebaliknya, benda yang kekurangan elektron disebut benda bermuatan positif. Atas model usulan Benjamin franklin ini akhirnya disepakati plastik yang digosok bulu hewan dan kain sutera menjadi benda bermuatan negative. Sedangkan bulu hewannya menjadi benda bermuatan positif seperti kaca yang digosok kain sutera.

Pada persamaan matematis muatan disimbolkan dengan ”q” dengan satuan coulomb atau C.

Gaya Coulumb

Ilmuwan lain yang mengamati muatan adalah Charles Coulomb, ia menemukan bahwa dua buah muatan titik saling memberikan gaya satu sama lain. Jika kedua muatan sejenis (mis : elektron- dan elektron) maka Gaya yang dihasilkan tolak menolak. Sedangkan jika kedua muatan berlawanan jenis (elektron dan proton) maka gaya yang dihasilkan tarik menarik.

Hukum Coulomb menyatakan : “Gaya yang dilakukan oleh satu muatan titik pada muatan titik lainnya bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Besarnya gaya hukum coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jaral antara kedua muatan dan berbanding lurus dengan hasil kali kedua muatan.”

F = Gaya Coulomb (N)

q = muatan (C)

r = jarak antar muatan (m)

k = tetapan Coulomb ( 9 x 10⁹ Nm²/C²)

Medan Listrik

Pengaruh listrik pada satu titik tertentu yang dihasilkan oleh muatan listrik disebut dengan medan listrik. Medan listrik merupakan besaran vektor yakni besaran yang memiliki arah dan nilai. Arah medan listrik tergantung jenis muatan itu sendiri.

E= kq/r²

E= F/q

E = Medan listrik (N/C)

q = muatan (C)

r = jarak antar muatan (m)

k = tetapan Coulomb ( 9 x 10⁹ Nm²/C²)

ε_o = Permitivitas ruang hampa (8,85 x 10⁻¹² C²/N.m²)

F = Gaya coulomb

Hukum Gauss

Hukum Gauss atau teorema fluks gauss pertama kali dirumuskan oleh Carl Friedrich Gauss pada tahun 1835. Hukum Gauss adalah hukum yang menghubungkan distribusi muatan listrik dengan medan listrik yang dihasilkannya. Yakni menyatakan jumlah fluks elektrostatis yakni jumlah medan listrik dalam luasan permukaan tertutup tertentu.

Selain itu fluks magnetik juga dapat dirunkan menjadi

Φ = q / ε_o

ε_o = Permitivitas ruang hampa (8,85 x 10⁻¹² C²/N.m²)

q = muatan listrik (C)

Potensial Listrik

Potensial listrik adalah besar usaha yang diperlukan untuk memindahkan satu muatan dari jarak tidak terhingga ke titik tertentu. Dalam rangkaian selisih atau beda potensial dari satu titik ke titik yang lain dinamakan tegangan atau voltage.

Satuan potensial listrik ditulis joule/ coulomb atau volt.

q = muatan (C)

r = jarak antar muatan (m)

k = tetapan Coulomb ( 9 x 10⁹ Nm²/C²)

V = Potensial listrik (volt)

Catatan : tanda (+) dan (-) dari muatan perlu diperhitungkan dalam persamaan matematis karena potensial listrik merupakan besaran skalar.

Energi Potensial Listrik

Energi Potensial listrik adalah energi yang dirasakan muatan listrik akibat keberadaannya di dalam medan listrik. Sama seperti bentuk energi lainnya, energi potensial listrik memiliki satuan Joule. Energi potensial listrik merupakan salah satu energi konservatif.

q dan Q = muatan (C)

r = jarak antar muatan (m)

k = tetapan Coulomb ( 9 x 10⁹ Nm²/C²)

U = energi potensial listrik (J)

Catatan : tanda (+) dan (-) dari muatan perlu diperhitungkan dalam persamaan matematis karena energi potensial listrik merupakan besaran skalar

Hukum Kekekalan Energi Pada Lisrik Statis

Seperti bentuk energi lainnya, energi potensial listrik juga mampu berubah bentuk. Awalnya muatan yang diam mampu bergerak karena adanya medan listrik hal ini menunjukkan energi potensial listrik berubah bentuk menjadi energi kinetik listrik.

Sehingga akhirnya muatan memiliki kecepatan tertentu.

Pemanfaatan Dalam Kehidupan Sehari-Hari

Plat Bermuatan

Plat bermuatan seperti halnya sebuah muatan dapat menimbulkan medan listrik. Dari penurunan rumus medan listrik dan hukum gauss didapatkan persamaan medan listrik untuk satu plat bermuatan listrik sebagai berikut.

E =  σ / (2. ε₀)

Sedangkan untuk dua plat bermuatan listrik

E =  σ /  ε₀

Dengan

σ = rapat muatan listrik (C/m²)

ε₀ = permitivitas ruang hampa

Bola Konduktor

a) Medan listrik di dalam bola pejal

Bola pejal berjari-jari R, sedangkan permukaan sesuai hukum Gauss yang dipilih berbentuk bola berjari-jari r, dengan ukuran r < R.

Kamu misalkan volume bola adalah V sedangkan volume bola permukaan Gauss adalah V’.

Maka, muatan listrik di dalam bola Gauss adalah :

Sedangkan, medan listrik pada titik berjarak r dari pusat bola pejal adalah :

b) Medan listrik di luar dan di permukaan bola pejal

Bola pejal memiliki jari-jari R sedangkan permukaan hukum Gauss-nya yang berbentuk bola berjari-jari r, di mana r > R.

Muatan bola pejal Q yang tersebar di seluruh bola sedangkan bola pejal berada di dalam permukaan bola gauss sehingga muatan listrik di dalam bola gauss juga bernilai Q.

Maka, nilai medan listrik yang berjarak r dari pusat bola pejal adalah :

c) Medan listrik di dalam bola berongga

Pada bola berongga, muatan terletak di kulit permukaan bola sehingga tidak ada muatan yang dilingkupi permukaan gauss. Akibatnya medan listrik di dalam bola berongga sama dengan nol.

d) Medan listrik di luar dan di permukaan bola berongga

Bola berrongga dengan jari-jari R, sedangkan permukaan Gauss berbentuk bola berjari-jari r, di mana r > R.

Medan listrik pada titik berjarak r dari pusat bola rongga adalah :

Contoh Soal Listrik Statis

1. Gaya coulomb dalam SBMPTN 2008

Pembahasan :

Ketika bola muatan C diletakkan di tengah antara muatan A dan B, muatan C tetap diam, hal ini menunjukkan pada saat awal muatan C berada dalam kondisi setimbang. Ketika muatan C digeser ke arah tertentu maka muatan akan berusaha bergerak hingga kembali ke posisi setimbang (pernyataan salah)

Sebab Bola muatan A dan B menolak C, benar karena arah gerakan bola C ketika digeser mendekati B dia bergerak menjauhi B. Artinya kedua bola saling menolak (alasan benar)

Salah benar (D)

Baca juga: Materi Gerak Lurus

Pemahaman Akhir

Materi kelistrikan khususnya listrik statis adalah bagian penting dalam fisika yang mempelajari fenomena listrik pada muatan listrik yang berada dalam keadaan tidak seimbang. Muatan listrik merupakan komponen penyusun atom benda, yang terdiri dari tiga jenis yaitu proton (muatan positif), elektron (muatan negatif), dan neutron (netral).

Penting untuk memahami hukum Coulomb yang menyatakan bahwa gaya antara dua muatan bermuatan sama searah dengan garis yang menghubungkan keduanya, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan, dan berbanding lurus dengan hasil kali muatan tersebut. Selain itu, medan listrik juga menjadi konsep penting yang menggambarkan pengaruh listrik pada suatu titik akibat adanya muatan listrik.

Hukum Gauss menyatakan jumlah fluks elektrostatis (jumlah medan listrik dalam luasan tertutup) yang terjadi karena distribusi muatan listrik di dalamnya. Hal ini membantu memahami lebih lanjut tentang medan listrik.

Energi potensial listrik merupakan energi yang dirasakan muatan listrik akibat keberadaannya dalam medan listrik. Energi potensial listrik dapat berubah menjadi energi kinetik saat muatan bergerak dalam medan listrik.

Dalam kehidupan sehari-hari, pemanfaatan kelistrikan statis dapat terlihat dalam berbagai fenomena, seperti kilatan petir, tarikan rambut ke arah sisiran, atau pemanfaatan plat bermuatan dan bola konduktor.

Pemahaman tentang listrik statis dan konsep-konsep fisika yang terkait dengannya penting untuk menjelaskan berbagai fenomena alam dan mengaplikasikannya dalam teknologi sehari-hari. Oleh karena itu, pembelajaran kelistrikan ini sangat relevan dan bermanfaat bagi kehidupan kita.

Nah, itu dia pembahasan mengenai listrik statis. Ada yang ingin kamu diskusikan? komen di bawah ya.

Sumber :

BSE Fisika Kelas 12 Karya Joko Budiyanto

Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 2 Karya Tipler