MAKALAH FISIKA TEKNIK TENTANG LISTRIK STATIS

BAB I

(PENDAHULUAN)

1.1 Latar Belakang

Fisika adalah salah satu ilmu pasti yang dalam kajiannya terbatas pada fisik benda. Salah satu kajian dalam fisika ialah mengenai kelistrikan.Di dalam kehidupan kita sehari-hari,kata ‘listrik’ bukan merupakan hal yang asing lagi. Salah satu contoh nyata keberadaan listrik adalah adanya ledakan petir.  Petir merupakan hasil pelepasan muatan listrik di awan. Energi yang dilepaskan petir sangat besar sehingga menimbulkan cahaya panas dan bunyi gelegar yang sangat keras. Tahukah anda bahwa besarnya tegangan listrik yang berasal dari petir dapat menghidupkan jutaan kendaraan?.Selain adanya petir, keberadaan listrik dapat dilihat dari banyaknya peralatan rumah tangga yang menggunakan listrik, misalnya setrika, radio,televisi,lemari es,kipas angin,mesin jahit listrik,magic jar,mesin cuci,dll. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam kehidupan kita energi listrik sudah menjadi kebutuhan pokok. Oleh karena itu penting bagi kita untuk mempelajari listrik.Dalam ilmu fisika, listrik dibedakan menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis.

Pada makalah ini, akan dibahas mengenai listrik statis. Listrik statis mempelajari sifat kelistrikan suatu benda tanpa memperhatikan gerakan atau aliran muatan listrik. Listrik statis (electrostatic) membahas muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik. Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif.

Muatan listrik timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan positif, sedangkan benda yang kelebihan electron dikatakan bermuatan negatif.      Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik suatu benda. Dua buah benda yang memiliki muatan sejenis akan saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Adapun dua buah benda dengan muatan yang berbeda (tidak sejenis) akan saling tarik menarik saat didekatkan satu sama lain. Tarik menarik atau tolak menolak antara dua buah benda bermuatan listrik adalah bentuk dari gaya listrik yang dikenal juga sebagai gaya coulomb.

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Listrik Statis

Listrik statis adalah suatu ilmu yang mempelajari pengumpulan muatan listrik dan sifat-sifatnya pada sebuah benda.Apabila ditinjau dari asal kata maka kata listrik yang diikuti kata “statis” artinya “diam”.Hal tersebut menunjukan bahwa listrik statis ada kaitannya dengan gejala kelistrikan tidak mengalir atau diam.Listrik statis tidak bisa menghasilkan arus listrik. Hal tersebut karena listrik statis tidak bisa mengalir dari satu tempat ke tampat yang lainnya, tetapi hanya menyala di satu tempat dalam sekejap.

Listrik statis timbul karena adanya fenomena dimana benda-benda yang memiliki aliran listrik saling berpautan tanpa adanya sumber daya listrik atau dengan kata lain benda tersebut dapat menghasilkan proton maupun elektron tanpa menggunakan elemen pembangkit energi listrik.Listrik statis dapat ditimbulkan oleh dua benda yang memiliki muatan listrik berbeda.

2.2 Muatan Listrik

Muatan adalah muatan dasar yang dimiliki suatu benda, yang membuatnya mengalami gaya pada benda lain yang berdekatan dan juga memiliki muatan listrik. Muatan adalah sifat dasar yang dimiliki oleh materi baik itu berupa proton (muatan positif) maupun elektron (muatan negatif). Muatan listrik total suatu atom atau materi ini bisa positif, jika atomnya kekurangan elektron. Sementara atom yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif. Besarnya muatan tergantung dari kelebihan atau kekurangan elektron ini, oleh karena itu muatan materi atau atom merupakan kelipatan dari satuan muatan dasar. Dalam atom yang netral, jumlah proton akan sama dengan jumlah elektron yang mengelilinginya (membentuk muatan total yang netral atau tak bermuatan.

Contoh soal

1. Muatan listrik +q1 = 10 μC ; +q2= 20 μC dan q3 terpisah seperti pada gambar di udara:


Agar gaya Coulomb yang bekerja di muatan q2 = nol maka muatan q3 adalah....
A.+ 2,5 μC
B.− 2,5 μC
C.+ 25 μC
D.− 25 μC
E.+ 4 μC

5. Jumlah muatan dari dua buah muatan q₁ dan q₂ adalah 6 C. Jika kedua muatan tersebut dipisahkan sejauh 3 m maka masing-masing muatan akan merasakan gaya listrik sebesar 7 mN. Jika kedua muatan tersebut tarik-menarik, q₁ dan q₂ berturut-turut adalah ….

1        -1C dan 7C

2        -4C dan 10C

3        9C dan -3C

4        8C dan -2C

5        11C dan -5C

 

 

2.  

2.3 Muatan Listrik Dalam Suatu Atom

2.3.1 Teori Atom Tentang Muatan Listrik

Menurut teori atom, setiap atom terdiri atas tiga macam partikel. Ketiga macam partikel tersebut digambarkan dengan model atom seperti gambar di bawah ini.

Ketiga macam partikel penyusun atom yaitu proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron terletak di pusat atom, sedangkan elektron selalu bergerak mengelilingi proton dan neutron dengan lintasan tertentu.Hal ini terjadi karena massa proton dan neutron jauh lebih besar daripada elektron.Oleh karena itu, proton dan neutron disebut sebagai inti atom (nukleon).Inti atom mempunyai gaya tarik. Hal inilah yang menyebabkan proton dan neutron dapat rekat menjadi satu serta elektron dapat bergerak mengelilingi inti pada lintasannya.

Kekuatan ikatan elektron pada atomnya berbeda untuk bahan yang berbeda. Karena sesuatu hal, elektron suatu atom dapat lepas dan berpindah ke atom lain. Hal ini mengakibatkan perubahan sifat atom. Berdasarkan kenyataan ini, maka dapat dibedakan atom menjadi tiga macam :

a. Atom netral, yaitu atom yang mempunyai jumlah proton sama dengan   elektron,

b. Atom bermuatan positif, yaitu atom netral yang melepaskan elektron     (kekurangan elektron).

c. Atom bermuatan negatif, yaitu atom netral yang menangkap elektron                (kelebihan elektron).

2.4 Elektroskop

Elektroskop adalah alat yang digunakan untuk mengetahui muatan listrik sebuah benda. Elektroskop juga dapat digunakan untuk menentukan jenis muatan suatu benda. Elektroskop bekerja berdasarkan prinsip induksi listrik. Elektroskop terdiri atas bagian dalam dan bagian luar. Pada bagian dalam, terdapat dua buah batang atau keping yang dapat bergerak bebas dan biasanya terbuat dari emas. Pada bagian luarnya, terdapat sebuah konduktor yang dipisahkan dengan bagian lainnya oleh bahan isolator. Jika sebuah benda bermuatan didekatkan pada kepala elektroskop, maka keping emas tersebut akan mekar.

2.4.1 Gambar Elektroskop (Terlampir)

2.4.2 Fungsi Elektroskop

a. mendeteksi adannya muatan pada suatu benda.

b. memisahkan muatan.

c. .mendeteksi negatif atau positif muatan suatu benda.

d. Mengetahui ada atau tidaknya muatan listrik pada suatu benda.

e. Mengetahui jenis muatan listrik pada suatu benda.

f. Mengetahui jumlah muatan listrik pada suatu benda.

2.4.3 Bagian-bagian Elektroskop

a. Kepala Elektroskop (terbuat dari logam)

b. Penghantar/ atau konduktor yang menghubungkan kepala elektroskop                                     dengan foil

c. Daun elektroskop (foil) terbuat dari kertas emas atau alumunium tips.

2.4.4 Cara Kerja Eletroskop

Apabila sebatang pelat politen yang bermuatan negatif didekatkan pada kepala elektroskop yang netral, maka elektron di dalam kepala elektroskop berpindah menuju pelat dan daun elektroskop. Akibatnya, kepala elektroskop kekurangan elektron (bermuatan positif) dan daun elektroskop kelebihan elektron (bermuatan negatif). Pelat dan daun sama-sama bermuatan listrik negatif. Sehingga terjadi gaya tolak-menolak. Dan daun elektroskop membuka (mekar).

Apabila kepala elektroskop netral di dekatkan sebatang kaca yang bermuatan listrik positif, maka elektron – elektron yang berada pada daun dan pelat elektroskop ditarik menuju kepala elektroskop (Ingat positif-negatif saling tarik menarik). Akibatnya , kepala elektroskop bermuatan listrik negatif, pelat dan daun elektroskop membuka (mekar) karena terjadi gaya tolak menolak.

Elektroskop yang telah bermuatan listrik ini dapat digunakan unutk mengetahui jenis muatan. Apabila benda yang didekatkan kepala elektroskop menyebabkan daun elektroskop lebih mekar, maka muatan listrik pada kepala elektroskop adalah sejenis dengan benda yang didekatkan. Apabila benda yang di dekatkan menyebabkan daun elektroskop lebih kuncup, maka muatan listrik pada kepala elektroskop adalah tidak sejenis dengan benda yang di dekatkan.

2.5 Pengosongan Muatan

Pengosongan muatan adalah proses dimana meloncatnya muatan listrik yang terjadi pada saat muatan listrik bergerak secara bersama- sama. Contohnya adalah pada petir.Secara ilmiah, fenomena alam ini dapat diartikan sebagai proses perpindahan elektron antar awan dan bumi melalui medium udara. Penyebab terjadinya petir adalah perbedaan potensial antara awan dan bumi. Proses terjadinya petir kira-kira seperti ini, awan itu selalu bergerak terus menerus dan selama pergerakannya akan terus berinteraksi dengan awan lainnya sehingga menyebabkan muatan negatif dan positif pada awan memisah. Muatan negatif akan menempati salah satu sisi ( atas atau bawah ) dan muatan positif di sisi yang lain. Oleh karena itu lah awan bisa mengandung muatan. Sedangkan di saat yang bersamaan bumi itu selalu netral, sehingga terjadi perbedaan potensial antara awan dan bumi. Jika perbedaan potensial itu cukup besar, akan terjadi proses pembuangan elektron supaya tercapai kesetimbangan. Nah, proses pembuangan elektron inilah yang menyebabkan perpindahan arus listrik yang biasa kita lihat sebagai kilatan atau yang kita sebut petir.

Akan tetapi, ketika langit berawan, tidak semua awan adalah awan petir. Hanya awan cumulonimbus yang menghasilkan petir. Petir terjadi karena pelepasan muatan listrik dari satu awan cumulonimbus ke awan lainnya, atau dari awan langsung ke bumi. Petir terjadi akibat perpindahan muatan negatif menuju ke muatan positif. Menurut batasan fisika, petir adalah lompatan bunga api raksasa antara dua massa dengan medan listrik berbeda,yaitu antara awan cumulonimbus dengan tanah atau antar awan cumulonimbus.

2.6 Hukum Coulomb

Hukum Coulomb adalah hukum yang menjelaskan hubungan antara gaya yang timbul antara dua titik muatan, yang terpisahkan jarak tertentu, dengan nilai muatan dan jarak pisah keduanya.

Hukum ini menyatakan apabila terdapat dua buah titik muatan maka akan timbul gaya di antara keduanya, yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar keduanya. Interaksi antara benda-benda bermuatan (tidak hanya titik muatan) terjadi melalui gaya tak-kontak yang bekerja melampaui jarak separasi. Adapun hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa arah gaya pada masing-masing muatan terletak selalu sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik muatan saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak, tergantung nilai dari masing-masing muatan. Muatan sejenis (bertanda sama) akan saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis akan saling tarik-menarik.

Contoh soal

1. Suatu segitiga samasisi yang panjang sisinya 30 cm berada di udara. Jika di titik-titik sudut A,B dan C berturut-turut terdapat muatan listrik sebesar -2μC, 2μC dan 3μC, besar gaya Coulomb pada muatan di titik C adalah…

A.   0,6N

B.   0,7N

C.   0,8N

D.   0,9N

E.   1,0N

Pembahasan

2.7 Medan Listrik

2.7.1 Pengertian Medan Listrik

Medan listrik didefinisikan sebagai ruangan di sekitar benda bermuatan listrik, di mana jika sebuah benda bermuatan listrik berada di dalam ruangan tersebut akan mendapat gaya listrik (gaya Coulomb). Medan listrik termasuk medan vektor, sehingga untuk menyatakan arah medan listrik dinyatakan sama dengan arah gaya yang dialami oleh muatan positif jika berada dalam sembarang tempat di dalam medan tersebut. Arah medan listrik yang ditimbulkan oleh benda bermuatan positif dinyatakan keluar dari benda, sedangkan arah medan listrik yang ditimbulkan oleh benda bermuatan negatif dinyatakan masuk ke benda.

Untuk menggambarkan medan listrik digunakan garis-garis gaya listrik. Garis-garis gaya listrik yaitu garis lengkung yang dibayangkan merupakan lintasan yang ditempuh oleh muatan positif yang bergerak dalam medan listrik. Garis gaya listrik tidak mungkin akan berpotongan, sebab garis gaya listrik merupakan garis khayal yang berawal dari benda bermuatan positif dan akan berakhir di benda yang bermuatan negatif. Gambar dibawah menggambarkan garis-garis gaya listrik di sekitar benda bermuatan listrik.

2.7.2 Kuat Medan Listrik

Kuat medan listrik di suatu titik dalam medan listrik didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan listrik di titik itu. Kuat medan listrik dinyatakan dengan lambang E. Untuk menyatakan kuat medan di suatu titik dalam medan listrik perhatikan gambar dibawah, menggambarkan suatu benda bermuatan q yang menimbulkan medan listrik di sekitarnya.

Kita tinjau suatu titik P yang berada pada jarak r dari q. Untuk menentukan kuat medan listrik di titik P, kita letakkan sebuah muatan penguji sebesar q’. Besarnya kuat medan di titik P dapat dituliskan :

di mana :

= kuat medan di titik P (Newton/Coulomb)
k = Konstanta = 9.10⁹ N m² C^-2
q = muatan listrik penimbul medan (C)
r = jarak antara titik P ke muatan q (m)

Demikian juga medan listrik termasuk besaran vektor, seperti halnya gaya listrik. Apabila pada suatu titik dipengaruh oleh medan listrik yang ditimbulkan oleh lebih dari satu benda bemuatan, maka kuat medan listrik di tempat itu sama dengan jumlah vektor dari masing-masing kuat medan.

Apabila letak benda berada dalam satu garis lurus, maka kuat medan listrik pada titik C adalah : EC = EA + EB

Jika letak benda tidak dalam satu garis lurus. Maka kuat medan listrik di titik C adalah : EC = EA + EB

di mana sudut yang diapit antara  dan  adalah α.

Contoh soal :

1. Sebuah bola konduktor dengan jari-jari R memiliki rongga berbentuk bola yang berjari-jari a dihitung dari pusat bola konduktor, dengan a > R/2. Di pusat bola konduktor diletakkan sebuah muatan titik +Q dan bola konduktor itu diberi muatan +Q. Jika k = 1/(4πε_o ) dengan ε_o adalah permitivitas listrik dalam udara maka besar kuat medan listrik di sebuah titik yang berjarak R/2 dari pusat bola konduktor adalah ….

Pembahasan

Perhatikan gambar ilustrasi untuk soal di atas!

Jika tidak ada muatan di pusat bola konduktor maka besar kuat medan listrik di dalam bola konduktor tersebut adalah nol. Tetapi karena di pusat bola konduktor terdapat muatan +Q, maka kuat medan listrik di suatu titik di dalam bola konduktor dipengaruhi muatan pusat tersebut. Sedangkan muatan di luar bola tidak berpengaruh.

Besar muatan titik di dalam bola konduktor tersebut adalah:

2. Dua partikel P dan Q terpisah pada jarak 9 cm seperti gambar.

Letak titik yang kuat medannya nol adalah.....
A.3 cm di kanan P
B.6 cm di kanan P
C.3 cm di kiri P
D.4 cm di kanan P
E.4 cm di kiri P

2.8 Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik

Medan listrik yang ditimbulkan muatan listrik (q)

Gambar tersebut menggambarkan medan listrik yang ditimbulkan muatan listrik q, untuk memindahkan muatan sebesar q’ dari titik A yang berjarak r_A ke titik B yang berjarak r_B dari q. Usaha yang diperlukan adalah :

W_AB =

W_AB =

W_AB =

W_AB =

Dalam hal ini energi potensial listrik bertanda negatif, yang berarti makin jauh dari muatan listrik penimbul medan makin besar energi potensialnya. Besarnya energi potensial listrik di jauh tak terhingga sama dengan nol. Apabila titik A berada di jauh tak terhingga rA, maka EPA = 0 dan persamaan diatas menjadi :

Dalam hal ini r_B dapat sembarang jarak, maka :

dengan :

E_P = energi potensial di suatu titik P dalam medan listrik (Joule)
k = Konstanta = 9 × 10⁹ N m²C^-2
q = muatan listrik penimbul medan
q’ = muatan listrik penguji
r = jarak titik P ke muatan q

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa energi potensial listrik di suatu titik (P) dalam medan listrik didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik (q’) dari jauh tak terhingga ke titik itu.

Persamaan Matematik Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik

Energi potensial per satuan muatan positif disebut potensial listrik,yang diberi lambang V. Potensial listrik termasuk sebagai besaran skalar. Jadi potensial listrik pada suatu titik dalam medan listrik yang berjarak r dari q dinyatakan :

      atau     

dengan :

q = muatan listrik penimbul medan (Coulomb)
r = jarak titik P dari q
k = konstanta = 9.10⁹ Nm²C^-2
V_P = potensial listrik di titik P (Joule/Coulomb = volt)
E_P = energi potensial listrik (Joule)

Daftar pustaka

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga. Halliday, Resnick. 1994. Fisika Edisi Ketiga . Jakarta: Erlangga.

Ilmu Pengetahuan Populer. 2005. Grolier International, Inc.Jendela IPTEK. 2000. Jakarta: Balai Pustaka Johnson, Keith. 2001. Physics for You. United Kingdom: NelsonThornes. Ltd. Kamus Fisika Bergambar. 2004. Jakarta: Erlangga.

Kamus Kimia Bergambar. 2004. Jakarta: Erlangga. Oxford Ensiklopedi Pelajar. 1995. Jakarta: Grolier-Widyadara. Physics Today. 1995. World Book, Inc. The World Book Encyclopedia. 1995. Chicago: World Book. Tipler, Paul A. 1998. Fisika. Jakarta: Erlangga