LISTRIK STATIS
|
Standar Kompetensi
3. Memahami konsep kelistrikan dan penerapannya dalam
kehidupan sehari-hari
Kompetensi Dasar
3.1. Mendeskripsikan muatan listrik untuk
memahami gejala-gejala listrik statis serta kaitannya dalam kehidupan sehari-hari.
|
Di
dalam kehidupan sehari-hari, kata listrik bukan merupakan hal yang asing.
Banyak peralatan rumah tangga yang menggunakan listrik, misalnya setrika,
radio, televisi, lemari es, kipas angin, mesin jahit listrik, magic jar, dan
mesin cuci. 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. Listrik
statis (disebut elektrostatika) yaitu ilmu fisika yang mempelajari
sifat kelistrikan suatu benda tanpa memperhatikan gerakan atau aliran muatan
listrik. Sebaliknya, jika memperhatikan adanya muatan listrik yang bergerak
atau mengalir disebut listrik dinamis
atau elektrodinamika. Bab ini membahas tentang Listrik Statis, sedangkan listrik dinamis dibahas pada bab
selanjutnya.
Kajian
tentang listrik statis pertama kali dilakukan oleh seorang matematikawan Yunani
kuno bernamaThales of Miletus (625-574 SM). Ia menggosokkan batu ambar
pada kain wol dan mendekatkannya pada benda ringan, seperti bulu ayam. Saat
itu, bulu ayam tersebut terbang dan
menempel pada batu ambar. Dari kata batu ambar inilah istilah listrik berasal. Listrik (electricity)
diambil dari kata elektron, yang dalam bahasa Yunani berarti batu ambar.
A. Muatan Listrik
Atom
sebagai unsur penyusun zat pada dasarnya
tersusun dari partikel-partikel yang sangat kecil, disebut partikel
subatom. Terdapat tiga jenis partikel subatom yang penting dan perlu kita
kenali, yaitu proton, neutron, dan elektron. Subpartikel atom yang memiliki
sifat sama, yaitu proton dan elektron, kemudian disebut sebagai muatan listrik.
Muatan listrik ibarat udara yang tidak bisa dilihat, tetapi bisa dirasakan.
Akibatnya, penelitian mengenai muatan
listrik hanya bisa dilakukan berdasarkan efek reaksi yang diberikannya.
Alat yang digunakan untuk mengetahui
adanya muatan listrik disebut elektroskop.
Besar
muatan listrik proton dan elektron adalah
sama, tetapi jenisnya berbeda. Muatan listrik ini pertama kali ditemukan
oleh Benjamin
Franklin. Ia kemudian memberi tanda (+) atau (-) pada muatan
listrik yang tak mengandung artifisis. Jenis muatan listrik proton adalah
positif (+), neutron adalah netral, dan elektron adalah negatif (-). Untuk dapat
mengamati efek dari muatan listrik, lakukanlah
kegiatan berikut.
Kegiatan 5.1
Lakukan kegiatan ini secara
kelompok (ikuti petunjuk guru).
A. Tujuan
Untuk
mengetahui sifat kelistrikan yang ditimbulkan oleh penggaris plastik.
B. Alat dan Bahan
1.
Dua buah penggaris plastik yang masih baru. 4. Dua batang kaca
2.
Benang 5.
Kapas
3.
Tiang statif
C. Cara Kerja
1. Ambil dua buah mistar plastik.
2. Gantungkan salah satu mistar itu dengan benang
pada sebuah statif seperti gambar berikut.
3. Gosok-gosokkan salah satu ujung mistar itu pada
rambut yang kering.
4. Ambil mistar yang lain, dan gosokkan ujung mistar
itu pada rambut yang kering.
5. Dekatkan kedua ujung mistar yang telah digosok
seperti gambar. Amatilah apa yang terjadi.
6. Diskusikan hasil pengamatan ini dengan teman satu
kelompok kalian.
7. Ambillah dua batang kaca.
8. Gantungkan salah satu batang kaca dengan seutas
benang pada sebuah statif.
9. Gosok-gosokkan salah satu ujung kaca itu dengan kapas
yang kering.
10. Ambil kaca yang lain dan gosokkan ujung kaca
dengan kapas yang kering.
11. Dekatkan kedua ujung kaca yang telah digosok.
Amatilah apa yang terjadi.
12. Diskusikan hasil pengamatan ini dengan teman
satu kelompok kalian.
13. Dekatkan ujung mistar yang telah digosok rambut
kering dengan ujung kaca yang telah digosok kapas kering. Amatilah apa yang
terjadi.
14. Diskusikan hasil pengamatan ini dengan teman
satu kelompok.
15. Buatlah suatu kesimpulan yang disertai alasan
yang menunjukkan adanya sifat kelistrikan dari dua benda yang berbeda atau sama
yaitu antara mistar dan kaca, mistar dan mistar, dan kaca dan kaca.
16. Presentasikan hasil pengamatan
kegiatan ini.
Sesuai
dengan pengamatan pada kegiatan di atas ternyata benda-benda tertentu yang
telah digosok dapat menarik benda-benda kecil yang ada di sekitarnya.
Benda-benda yang telah digosok dan dapat menarik benda kecil yang ada di
sekitarnya ini disebut benda yang telah bermuatan listrik. Dari kegiatan di
atas yang telah kalian lakukan dapat disimpulkan bahwa:
1. Plastik yang telah digosokkan
pada rambut kering akan bermuatan listrik negatif.
2. Kaca yang telah digosok dengan
bulu akan bermuatan listrik positif.
3. Dua buah benda yang bermuatan
listrik sejenis akan tolak-menolak
dan jika muatan listriknya berbeda akan tarik-menarik.
1.
Sifat-Sifat Muatan Listrik
a) Muatan listrik yang sejenis (negatif dengan
negatif atau positif dengan positif) jika didekatkan akan saling tolak-menolak.
b) Muatan
listrik yang tidak sejenis (negatif dengan positif) jika didekatkan akan saling
tarik-menarik.
Pada
kegiatan tersebut, mistar plastik yang telah digosokkan akan bermuatan negatif,
sedangkan batang kaca yang telah digosokkan akan bermuatan positif. Saat dua
buah mistar plastik atau batang kaca saling didekatkan, keduanya saling
tolak-menolak. Namun, saat kita mendekatkan satu batang kaca pada mistar yang
muatan listriknya berbeda, keduanya akan saling tarik-menarik.
2.
Pemuatan Listrik
Terdapat
tiga cara untuk proses pemuatan listrik, yaitu menggosok, induksi, dan arus
listrik. Untuk lebih memahami ketiganya, pelajarilah uraian di dalam tabel
berikut ini.
Tabel 4.1 Cara Membuat Muatan Listrik
|
Menggosok
|
Cara
ini dapat dilakukan dengan menggosokkan dua benda dalam satu arah. Cara ini
disebut juga metode gesekan. Jenis muatan yang diperoleh dengan metode
gesekan, di antaranya:
1.Benda berbahan
plastik akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain wol.
2.Benda berbahan
ebonit akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain wol.
3.Benda berbahan kaca
akan bermuatan positif jika digosokkan pada kain sutra.
|
|
Induksi
|
Metode
ini dilakukan untuk memisahkan muatan listrik di dalam suatu penghantar
dengan cara mendekatkan benda lain yang bermuatan listrik pada penghantar
tersebut. Dengan cara induksi, muatan listrik yang dihasilkan akan berbeda
jenis dengan muatan listrik pada benda yang digunakan untuk menginduksi.
Contohnya adalah pemisahan muatan listrik pada elektroskop yang didekati oleh
mistar plastik yang telah digosokkan pada kain wol. Pada induksi ini, muatan
listrik yang dihasilkan elektroskop adalah muatan positif karena muatan
listrik dari mistar plastik sebagai penghantar adalah muatan negatif.
|
|
Konduksi
|
Metode
ini hanya dapat dilakukan pada benda yang terbuat dari bahan-bahan tertentu.
Dalam metode ini, untuk menghasilkan muatan listrik, kedua benda harus mengalami kontak langsung agar
sejumlah elekton mengalir dari satu benda ke benda yang lainnya. Bahan yang
dapat mengalirkan sejumlah elektron secara bebas pada bahan lain disebut konduktor. Berdasarkan kekuatannya,
bahan konduktor terbagi dua, yaitu konduktor baik dan konduktor kurang baik.
Bahan yang termasuk konduktor baik adalah logam, khususnya aluminium,
tembaga, dan perak. Sedangkan, bahan yang termasuk konduktor kurang baik
adalah air, badan manusia, dan tanah. Sementara itu, bahan yang tidak dapat
mengalirkan elektron pada bahan lain disebut isolator. Bahan yang termasuk
isolator di antaranya karet, plastik-plastik seperti PVC, politen, dan
perspek.
|
3.
Elektroskop
Elektroskop
adalah alat yang digunakan untuk mengetahui adanya muatan listrik pada suatu
benda. Salah satu jenis elektroskop yang sering digunakan adalah elektroskop
daun. Bagian penting elektroskop daun adalah sebuah tangkai logam dari
bagian logam kuningan dengan ujung bawah berbentuk pipih. Pada ujung ini
ditempatkan dua helai logam sangat tipis yang terbuat dari bahan aluminium atau
emas, biasa disebut dengan bagian daun. Ujung atas berbentuk cakram atau bola
yang berfungsi sebagai penghantar muatan dan kotak kaca.
Gambar 4.2
elektroskop
B.
Hukum Coloumb
Charles
Augustin de Coloumb(1736-1804) adalah orang yang pertamakali mengamati
interaksi antara
benda yang bermuatan listrik.
Dalam pengamatannya, ia melakukan percobaan menggunakan alat yang bernama neraca
puntir. Berdasarkan percobaan ini, Coloumb
mengemukakan suatu aturan atau
hukum yang berbunyi:
“Gaya
listrik (tarik-menarik atau tolak-menolak) antara dua muatan sebanding dengan
besar muatan listrik masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
pisah antara kedua muatan
listrik.”
Gambar 4.3 Neraca
puntir
Secara matematis, Hukum Coloumb
dapat ditulis dalam persamaan:
F
= k (Q1 x Q2) / r2 dimana k = 1/ 4
dengan: F =
gaya Coloumb (Newton =
N)
Q1,Q2 = muatan
listrik benda 1 dan 2 (Coloumb = C)
r =
jarak antara dua muatan
listrik (m)
k = konstanta pembanding = konstanta gaya Coloumb
= 9 × 109 Nm2C-2
ε0 = permitivitas
ruang hampa = 8,854 × 10-12
C2N-1m-2
Contoh:
1.
Dua keping logam bermuatan listrik masing-masing +2 × 10-9 C
dan +3 × 10-9 C terpisah sejauh
3 cm. Berapakah besar gaya tolak-menolak kedua logam tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui: Q1 =
2 × 10-9C
Q2 = 3 × 10-9C
r = 3 cm = 0,03 m
k = 9 × 109 Nm2 C-2
Ditanya : F =
...?
Jawab:
F
= k (Q1 x Q2) / r2
= (9 × 109 Nm2 C-2 x 2 × 10-9C x 3 × 10-9C)
/(0,03 m x 0,03 m)
= (54 × 10-9 N m2) / (9
× 10-4 m2)
= 6 x 10-9-(-4) N
= 6 × 10-5 N
Jadi,
besar gaya tolak-menolaknya adalah 6 × 10-5 N.
2. Dua buah muatan listrik
yang sama terpisah sejauh 6 cm dan saling tolak-menolak dengan gaya 12 N.
Berapakah besarnya masing-masing muatan
listriknya?
Penyelesaian:
Diketahui: r = 6 cm = 0,06 m
F
= 12 N
k
= 9 × 109 Nm2
C-2
Ditanya: Q1
dan Q2........?
Jawab:
Karena
muatan listriknya sama, makaQ1 =Q2 =Q
F
= k (Q1 x Q2) / r2
Q2
=
= (12 x 0,06 x 0,06) / 9 × 109
= ( 12 x 36 x 10-4 / 9
× 109
= 12
x 4 x 10-4-9
= 48 × 10-13 C2
Q =
√(48 × 10-13 C2 )
= 2,19 × 10-6
C
Jadi, besarnya masing-masing muatan adalah
2,19 × 10-6 C.
Latihan
5.1
1.Dua keping logam masing-masing
bermuatanQ1 = 2 × 10-9 C dan Q2
= 4 ×10-9 C .
Jika kedua muatan tersebut saling
tarik-menarik dengan gaya 12 N,berapakah jarak antara kedua keping logam
tersebut?
2.Dua buah muatan yang terpisah
sejauh r meter saling tarik-menarik sebesar F. Berapakah besar
gaya listrik antara kedua muatan tersebut ketika terpisah sejauh 2 r
meter?
C. Listrik Statis dalam Kehidupan Sehari-Hari
Listrik
statis yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari ada yang terjadi secara
alami, ada pula yang buatan. Munculnya
petir ketika hujan merupakan salah satu bukti keberadaan listrik statis yang
muncul secara alami, tanpa ada campur
tangan manusia secara langsung. Sedangkan, listrik statis yang terjadi secara
buatan di antaranya adalah
proses pengecatan mobil dan pada mesin fotokopi.
1.
Petir
Petir
merupakan peristiwa lepasnya muatan listrik
statis yang terjadi secara dramatik dan alamiah. Peristiwa ini akibat
dari keluarnya muatan-muatan listrik dari benda, dalam hal ini adalah awan.
Pelepasan listrik statis kadang-kadang terjadi secara perlahan dan tenang.
Namun, sesekali berlangsung cepat disertai percikan cahaya atau bunyi ledakan.
Percikan cahaya yang muncul disebut dengan kilat.
Petir
terjadi akibat adanya dua awan bermuatan listrik sangat besar dan berbeda jenis
yang bergerak saling mendekati. Lalu, bagaimana awan dapat memiliki muatan
listrik yang sangat besar? Pada awan hitam yang merupakan gumpalan air hujan, berhembus angin yang
sangat kencang. Akibatnya, partikel-partikel di dalam awan yang bercampur debu,
garam dari lautan, dan lain-lain, saling bertabrakan. Tabrakan ini menyebabkan
lepasnya elektron dari partikel- partikel tersebut. Partikel yang kehilangan
elektron bermuatan positif dan yang
mendapat tambahan electron bermuatan negatif. Akibatnya, awan yang memuat
partikel tersebut akan menyimpan muatan listrik yang sangat besar. Muatan
listrik negatif turun ke bagian dasar awan dan muatan positif naik ke bagian
atas.
Ketika
awan melewati sebuah bangunan, terutama yang tinggi, bagian bawah awan yang
merupakan tempat terkumpulnya muatan negatif menginduksi bagian atas bangunan
sehingga menyebabkan bagian atas bangunan ini bermuatan positif dan muatan
negatif bangunan dipaksa
turun ke bagian bawah bangunan.
Karena
muatan pada kedua benda ini berlainan jenis berdasarkan sifat muatan, maka
masing-masing muatan akan saling menarik
satu sama lain. Saat itu, elektron melompat ke bagian atas bangunan dan
menimbulkan kilat dengan energi panas yang sangat besar dan seringkali disertai
bunyi menggelegar yang disebut petir.
Selain bangunan, benda lain yang ada dan menjulang tinggi di permukaan bumi
akan mengalami peristiwa yang sama. Benda yang terinduksi awan hingga
menyebabkan timbulnya loncatan bunga api listrik (kilat) biasa disebut sebagai benda yang terkena sambaran petir.
Untuk
menghindari bahaya yang diakibatkan oleh sambaran petir, Benjamin Franklin, membuat
alat yang digunakan
untuk penangkal petir. Ia
menggunakan batang logam runcing yang ditaruh di atas benda yang akan
dihindarkan dari petir, biasanya benda yang berupa bangunan, seperti gedung.
Alat penangkal petir terdiri atas batang logam runcing yang disimpan di atap
bangunan, lempeng logam tembaga yang tertanam dalam tanah sekitar kedalaman 2
meter, dan kawat penghantar sebagai penghubung batang logam dan lempeng
tembaga. Bagian ujung penangkal terbuat dari logam yang merupakan konduktor.
Aliran ion positif dari logam yang runcing ini menuju ke awan sehingga dapat
mengurangi muatan listrik induksi pada atap bangunan dan menetralkan beberapa
muatan listrik negatif pada awan. Ini dapat mengurangi atap gedung tersambar
petir. Jika petir masih menyambar, kawat penghantar pada alat ini menjadi jalan
untuk elektron-elektron bergerak menuju ke dalam tanah tanpa merusak bangunan.
2.
Pengecatan Mobil
Di
negara kita, saat ini motor dan mobil tak lagi menjadi barang istimewa. Setiap
harinya ribuan kendaraan melintas di jalan. Untuk memperoleh mobil dengan warna
yang diinginkan, dilakukan pengecatan.
Pengecatan mobil dengan menggunakan penyemprotan cat elektrostatis untuk
memperoleh hasil yang maksimal. Pada proses ini, butiran cat yang berupa
aerosol akan bermuatan listrik ketika bergesekan dengan mulut penyemprot.
Butiran-butiran cat ini akan ditarik menuju badan mobil yang ditanahkan selama
penyemprotan. Hasil pengecatan akan sampai pada bagian yang paling sukar
dicapai dibanding menggunakan metode
pengecatan biasa.
3.
Mesin Fotokopi
Selain
memanfaatkan konsep listrik statis, pada mesin fotokopi juga memanfaatkan konsep
optik. Proses fotokopi ini menggunakan sifat unik dari logam selenium. Sebagai
konduktor foto, selenium akan menjadi konduktor jika dikenai cahaya dan menjadi
isolator jika berada dalam keadaan gelap. Langkah-langkah utama dalam mesin
fotokopi adalah:
1) Permukaan drum mesin yang dilapisi logam selenium
yang tipis diberi muatan positif dengan cara diputas di dekat kawat yang
bermuatan tinggi.
2) Proses
pembentukan suatu pola muatan yang merupakan pola cetakan dari halaman asli.
3) Bubuk tinta (toner) yang bermuatan negatif
ditaburkan pada permukaan drum fotokonduktif.
4) Pemindahan toner ke kertas, diperoleh hasil
fotokopi.
5) Setelah kertas difotokopi, perlahan-lahan
permukaan drum itu kembali netral.
UJI
KOMPETENSI 5
A. Pilihlah satu jawaban yang benar dengan memberi
tanda (X) pada huruf a, b, c, atau d !
1.
Benda yang kekurangan electron disebut ....
a. bermuatan positif c. netral
b. bermuatan negative d.
Bermuatan neutron
2. Berikut ini adalah
cara-cara yang dapat dilakukan untuk membuat muatan listrik statis, kecuali....
a. menggosok dan konduksi c.
Menggosok dan induksi
b .induksi dan konklusi d.
Konduksi dan induksi
3.
Bahan-bahan yang tidak dapat menghantarkan muatan listrik disebut ....
a. konduktor c.
induktor
b. konduksi d.
isolator
4.
Di bawah ini yang termasuk ke dalam konduktor adalah ....
a. besi, seng, kayu c. kayu, plastik, karet
b. plastik, karet,
aluminium d. besi, seng,
aluminium
5.
Pemisahan muatan pada sebuah benda karena didekati benda lain yang
bermuatan disebut ....
a.induksi c.
menggosok
b.konduksi d.
mendekatkan
6.Jika jarak dari dua muatan A dan
B diperkecil, maka gaya listrik pada kedua muatan itu akan ....a. makin kecil c. tetap
b. makin besar d.
tidak ada gaya listrik
7.
Sebuah benda didekatkan pada elektroskop. Jika daun elektroskop lebih
kuncup dari semula, maka muatan benda yang didekatkan pada elektroskop
bermuatan ....
a. positif c.
netral
b .negatif d.
positf dan negatif
8.Dua keping logam bermuatan yang
terpisah sejauh 50 cm saling tarik-menarik dengan gaya 12 Newton. Jika jarak
kedua muatan diperbesar menjadi dua kali semula, gaya tarik- menarik antar
logam tersebut adalah ....
a.3
N c. 12 N
b.
6 N d.
24 N
9.
Dua buah benda bermuatan yang berjarak 80 cm saling tolak-menolak dengan
gaya F. Jika kedua benda tersebut digerakkan saling mendekat masing-masing 20
cm, maka gaya tolak-menolak antara kedua benda tersebut menjadi ....
a. 2
F c. 6
F
b. 4 F d.
8 F
10. Pada mesin fotokopi yang dapat
menghantarkan arus listrik ketika
terkena cahaya dan dapat menjadi isolator ketika keadaan gelap adalah
....
a. toner c. konduktor
b. selenium d.
drum
11.
Sebuah benda akan bermuatan positif bila . . . .
a.
kelebihan electron c.
kekurangan proton
b.
kekurangan electron d.
jumlah proton sama dengan jumlah elektron
12.
Sebuah benda akan bermuatan negatif bila . . . .
a.
kelebihan electron c.
kekurangan proton
b.
kekurangan electron d.
jumlah proton sama dengan jumlah elektron
13.
Jika di dalam suatu benda terdapat keseimbangan antara jumlah proton dengan
jumlah elektron, maka benda tersebut . . . .
a.
bermuatan positif c.
netral
b.
bermuatan negative d.
kadang-kadang bermuatan positif
14.
Jika dua muatan listrik sejenis didekatkan akan tolak-menolak dan bila tidak
sejenis didekatkan akan tarik-menarik. Pernyataan tersebut sesuai dengan . . .
.
a.
hukum Ohm c.
hukum Newton
b.
hukum Kirchoff d.
hukum Coulomb
6. Pada hukum Coulomb besar gaya
tarik atau gaya tolak antara dua muatan berbanding terbalik dengan . . . .
a.
besar muatan masing-masing
b.
kuadrat muatan masing-masing
c.
jarak antara dua muatan
d.
kuadrat jarak antara dua muatan
B.
Jawablah pertanyaan-pertanyaan di bawah ini!
1. Mengapa
sebatang kaca menjadi bermuatan positif ketika digosok dengan kain sutera? Jelaskan!
2 Mengapa sebuah
alat penangkal petir dibuat runcing pada bagian ujungnya dan diletakkan di
tempat yang tinggi? Jelaskan!
3. Berapakah
gaya listrik yang bekerja antara muatan listrik sebesar +3 × 10–9 C dengan
muatan sebesar -8 × 10–9 C yang berjarak 3 cm?
4. Dua buah
benda bermuatan positif yang terletak pada satu garis lurus terpisah sejauh 1,5 m. Jika muatan kedua benda
tersebut sama dan gaya tolak-menolak
yang terjadi adalah 6 N, berapakah muatan kedua benda tersebut?
5. Pada
sebuah segitiga sama sisi yang panjangnya 6 cm terdapat muatan listrik
masing-masing +2 × 10–9 C, +4 × 10–9 C, dan -6 × 10–9 C. Tentukanlah gaya yang
dialami oleh:
a.muatan +4 × 10–9 C akibat dari muatan +2 × 10–9 C
b.muatan -6 ×
10–9 C akibat dari muatan +2 × 10–9 C
6. Dengan
menggosokkan benda yang terbuat dari plastik kepada kain wol, kita akan
mendapatkan muatan listrik negatif pada benda yang terbuat dari plastik.
Mengapa demikian? Apakah setiap benda dapat digunakan untuk membuat muatan
listrik dengan cara digosokkan kepada kain wol? Jelaskan!
7. Mengapa awan memiliki muatan listrik yang sangat
tinggi? Dapatkah kita memanfaatkan muatan listrik yang dikandung oleh awan
tersebut? Jelaskan!
8. Sebutkan
dan jelaskan contoh-contoh lain dari penerapan listrik statis dalam kehidupan
sehari-hari! Diskusikan dengan teman sekelompokmu!
No comments:
Post a Comment