ElektrostatisPada keadaan udara kering, sebuah sisir atau mistar plastik yang digosokkan pada rambut dapat menarik potongan kertas. Fenomena ini merupakan contoh dari efek kelistrikan. Arah jarum kompas dan tarikan sebuah magnet terhadap sepotong besi merupakan contoh dari fenomena kemagnetan.Fenomena kelistrikan dan kemagnetan telah diteliti sejak dulu antara lain Thales dari Miletus (600 SM) mencatat bahwa mineral amber (fosil dari resin pohon) yang digosokkan pada kain wol dapat menarik potongan kecil bulu ayam. Aristotle menguraikan kemampuan ikan torpedo listrik (electric torpedo fish) yang dapat mengagetkan manusia ketika dipegang/disentuh. Para pelaut Italia pada abad ke-4 Masehi telah mengenal api St. Elmo, yaitu pijaran api yang terjadi di ujung tiang layar pada saat terjadi badai kilat (thunderstorm). Pada puisi Lucretius yang ditulis pada abad ke-1 SM menceritakan mengenai misteri kekuatan dari sebuah batu (lodestones), yang ditemukan di Magnesia (sebuah daerah di Asia Kecil). Lodestones berbeda dengan amber, yaitu hanya dapat bereaksi dengan besi dan tidak memerlukan proses penggosokkan. Pada abad ke-11, para pelaut Cina dan Arab menggunakan batu tersebut yang diapungkan sebagai kompas.Tahun 1600, William Gilbert, seorang fisikawan dari Ratu Elizabeth I, merupakan orang yang pertama kali membedakan antara fenomena kelistrikan dan kemagnetan. Gilbert menggunakan kata listrik (electric) yang berasal dari elektron yang merupakan kata yunani untuk amber. Gilbert juga memperlihatkan bahwa tidak hanya amber saja yang menunjukkan gejala kelistrikan ketika digosok, tetapi terdapat beberapa benda juga memperlihatkan gejala tersebut. Mesin listrik gesek pertama kali dibuat oleh Otto von Guericke, yang didemostrasikan pada tekanan udara atmosfir.Secara nyata bahwa gejala fisis seperti cahaya, reaksi kimia, kelakuan materi dan transmisi sinyal sepanjang kabel fiber atau jaringan saraf merupakan gejala kelistrikan di alam. Hanya gejala gravitasi yang tidak termasuk gejala kelistrikan.Desain dan pengoperasian radio, TV, komputer, dan lainnya didasarkan pada pengetahuan akan interaksi antara muatan. Muatan merupakan sifat dari benda yang menyebabkan efek kelistrikan dan kemagnetan. Ketika efek kelistrikan dan kemaganetan muncul bersamaan, interaksinya terhadap muatan disebut elektromagnetik.MuatanKetika sebuah batang yang terbuat gelas digosokkan kain sutera, maka keduanya akan menjadi termuati. Cara lain untuk mempelajari muatan dapat digunakan bola styrofoam (gabus), yang ringan dan dapat menahan muatan dengan baik. Gambar di bawah ini memperalihatkan dua buah styrofoam yang digantung secara berdekatan. Ketika salah satu styrofoam disentuhkan dengan batang gelas dan satunya dengan sutera, maka kedua bola akan saling tarik-menarik. Ketika kedua styrofoam disentuhkan oleh batang gelas atau sutera maka keduanya akan saling tolak-menolak.

Gambar 1. Interaksi antar muatanBerdasarkan kenyataan di atas, pada tahun 1733 Charles du Fay membuat suatu kesimpulan bahwa terdapat dua jenis muatan yang disebut sebagai fluida listrik (electric fluid). Dengan sifat bahwa muatan yang sejenis akan tolak-menolak sedangkan berlainan jenis akan tarik-menarik. Kedua jenis muatan adalah vitreous yang berada di kaca, sedangkan yang berada pada sutera atau amber bernama resinous. Du Fay mempunyai keyakinan bahwa kedua fluida tersebut terpisahkan akibat gesekan pada saat dilakukan proses penggosokkan.Sekitar tahun 1750, Benyamin Franklin menyatakan bahwa selama proses penggosokkan, sebuah fluida akan mengalir dari sebuah benda ke benda lainnya. Benda yang memiliki fluida yang berlebih dinyatakan sebagai muatan positif, sedangkan benda yang kehilangan fluida dinyatakan sebagai muatan negatif.Dalam pandangan modern, sebuah benda netral memiliki jumlah muatan positif dan negatif yang sama. Benda terdiri dari atom-atom (jari-jari atom sekitar 10-10 m), yang terdiri dari inti (nukleus) (jari-jari inti 10-15) dan elektron bermuatan negatif dalam bentuk awan elektron dengan berbagai bentuk. Dalam inti atom terdapat proton yang bermuatan positif dan neutron yang bersifat netral. Pada atom yang netral jumlah elektron sama dengan jumlah proton. Ion merupakan atom yang memiliki jumlah elektron yang berlebih atau berkurang.Pada proses penggosokkan, elektron atau ion dipindahkan dari suatu benda ke benda lainnya. Satuan untuk muatan berdasarkan SI adalah coulomb (C).

Latihan

Tentukanlah interaksi dari muatan yang belum ditentukan.

Kuantisasi Muatan

Pada abad ke-17 dan 18, muatan listrik dan sifat benda bersifat kontinu. Sehingga, pada abad ke-19 melalui percobaan R. A. Millikan didapatkan kenyataan bahwa muatan terkuantisasi, dan nilai muatan

C.

Setiap muatan q merupakan kelipatan bilangan cacah, yaitu . Meskipun massa proton lebih besar 1800 kali daripada massa elektron, tetapi besar muatan proton sama dengan muatan elektron.

Catatan bahwa elektron sendiri bukanlah muatan. Muatan adalah sifat seperti massa.

Teori terbaru memiliki postulat tentang kehadiran partikel yang diberi nama quark yang merupakan partikel elemnter yang menyusun materi. Quark memiliki muatan yang pecahan misalnya . Bukti keberadaan quark masih terlalu sedikit sehingga sampai saat ini nilai muatan terkecil adalah e.Kekekalan Muatan

Dalam sistem yang terisolasi, jumlah total muatan selalu tetap (konstan).Contoh pada reaksi kimia sederhana

Atom natrium (Na) kehilangan sebuah elektron dan menjadi ion positif Na+, sedangkan pada atom Cl elektronnya bertambah menjadi ion negatif Cl-. Kedua ion melakukan ikatan membentuk molekul NaCl yang bersifat netral.Contoh lainnya pada peluruhan (decay) radioaktif

Pada kasus ini neutron yang tidak bermuatan meluruh secara spontan menjadi sebuah proton, sebuah elektron dan sebuah partikel netral yang disebut anti neutrino. Jumlah seluruh muatan pada hasil peluruhan sama dengan muatan neutron, yaitu nol.

Konduktor dan InsulatorPada tahun 1729, Stephen Grey melakukan penelitian yang bertujuan mengklasifikasikan/mengelompokkan benda-benda ke dalam dua kelompok besar yaitu

Konduktor, untuk benda-benda yang dapat mengalirkan muatan, contohnya logam dan larutan ionik. Insulator, untuk benda-benda yang tidak dapat mengalirkan muatan, contohnya kayu, karet, sutera dan kaca.Pada perkembangannya terdapat kelompok bahan lagi yang dikenal dengan nama semikonduktor yaitu bahan yang mempunyai kemampuan untuk mengalirkan muatan yang terkontrol. Dalam keadaan murni, bahan bersifat insulator tetapi ketika ditambahkan zat pengotor maka sifat konduktornya dapat muncul, contohnya adalah silikon (Si) dan germanium (Ge).Hukum CoulombSampai abad ke-18, para ilmuwan membuat konsep kelanjutan mengenai listrik tetapi pengamatan mereka masih bersifat kualitatif. Kemudian pada tahun 1766, seorang ahli kimia Joseph Priestley menemukan oksigen dan membuat suatu pernyataan bahwa gaya elektrosatis antar muatan seharusnya bervariasi dengan nilai , pernyataan ini didasarkan pada Hukum Gravitasi Newton yang telah diketahui pada saat itu.Pada tahun 1785, Charles Coulomb menghitung gaya interaksi antar muatan secara eksperimen, eksperimen ini dilakukan hampir 1 abad setelah Newton mempublikasikan hukumnya mengenai gravitasi. Untuk mengukur gaya interaksi antar muatan, Coulomb menggunakan metode neraca Cavendish, yaitu menggunakan dua buah bola bermuatan dan didapatkan hasil bahwa gaya interaksi antar muatan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dan berbanding lurus dengan perkalian muatan dari kedua bola tersebut. Hasil ini kemudian digabungkan dan menghasilkan Hukum Coulomb untuk gaya elektrosatis antara dua muatan, yaitu

(1)

dimana k merupakan konstanta yang bergantung pada sistim satuan yang digunakan. Untuk SI

N.m2/C2.Konstanta ini dihitung dari

dimana adalah konstanta permitivitas yang besarnya

C2/N.m2Gaya elektrostatis merupakan gaya sentral yaitu gaya yang arahnya searah dengan garis yang menghubungkan partikel dan semetri bola (yaitu hanya merupakan fungsi dari ). Bentuk vektor dari hukum Coulomb adalah

(2)

Vektor satuan memiliki titik asal pada sumber dari gaya. Sebagai contoh, untuk menentukan gaya pada q, titik asal diletakkan di Q seperti terlihat pada gambar 2. Tanda dari muatan terlihat secara ekplisit pada persamaan 2. Jika adalah besar vektor (vektor skalar), maka berarti tolak-menolak (repulsion) sedangkan berarti tarik-menarik (attraction).

Gambar 2. Arah vektor satuan Dua hal terpenting yang perlu diperhatikan sewaktu menggunakan hukum Coulomb, yaitu1. Muatan diasumsikan dalam keadaan diam (rest), hal ini diperlukan karena muatan yang bergerak juga akan menghasilkan gaya magnetik.2. Muatan diasumsikan sebagai partikel titik.

Prinsip SuperposisiGambar 3 memperlihatkan muatan q1 berinteraksi terhadap beberapa muatan. Gaya elektrostatis juga menggunakan prinsip superposisi dalam menghitung gaya elektrostatis ketika muatan yang berinteraksi lebih dari 2 buah. Sehingga untuk menentukan gaya total yang bekerja pada q1, pertama-tama ditentukan terlebih dahulu masing-masing gaya yang bekerja pada q1. Cara penulisan notasinya adalah yang berarti gaya yang bekerja pada muatan A oleh muatan B. Sehingga gaya di q1 adalah jumlah dari seluruh gaya yang bekerja pada q1.

(3)Catatan gaya antara muatan q1 dan q2 tidak dipengaruhi oelh kehadiran muatan lain.Contoh 1Tentukanlah gaya total yang bekerja pada muatan q1 yang disebabkan oleh tiga muatan lainnya. Susunan muatan terlihat seperti pada gambar 4, dimana , , dan .

Gambar 3. Arah gaya untuk contoh 1PenyelesaianArah gaya pada muatan oleh muatan lain digambarkan pada gambar 3. Besar gaya pada oleh muatan lainnya dihitung secara terpisah dengan menerapkan hukum newton.

N.

N

N.

Kemudian menerapkan prinsip superposisi untuk setiap komponen sumbu koordinat.

N

.Untuk menentukan nilai dan digunakan teorema phytagoras.Sehingga gaya total yang bekerja pada adalah

.

Contoh 2.Sebuah muatan titik diletakkan pada , sedangkan diletakkan pada m. Di titik berapakah selain di daerah tak hingga diletakkan muatan sehingga gaya total yang bekerja padanya bernilai nol.PenyelesianGaya total yang bekerja pada disebabkan oleh muatan dan , sehingga

Gambar susunan muatan terlihat pada gambar 5.

Gambar 5. Susunan muatan dan gaya untuk contoh 2.

m.Contoh 3Elektron dan proton pada atom hidrogen terpisah sejauh . Bandingkan gaya elektrostatik dengan gaya gravitasi antara elektron dan proton pada atom hidrogen. (massa elektron = kg, massa proton = kg).PenyelesianBesar gaya elektrosatis antara proton dan elektron adalah

N.

Besar gaya gravitasi antara proton dan elektron adalah

NPerbandingan antara dengan adalah

Nilai perbandingan ini sangatlah kecil sekali dan tidak bergantung pada jarak r sehingga dapat dikatakan bahwa pada interaksi antara partikel bermuatan, pengaruh gravitasi dapat diabaikan.PAGE 5

_1293078095.unknown

_1293083922.unknown

_1293084800.unknown

_1293085670.unknown

_1293087657.unknown

_1293088472.unknown

_1293089375.unknown

_1295839457.vsdTidak disentuh

Keduanya disentuh oleh kaca/sutera

Salah satu disentuh kaca, yang lainnya oleh sutera

_1327157770.vsdA

B

C

A

C

D

D

A

B

D

_1327156284.unknown

_1293089397.unknown

_1293089595.unknown

_1293088828.unknown

_1293089082.unknown

_1293088609.unknown

_1293088003.unknown

_1293088339.unknown

_1293088002.unknown

_1293086977.unknown

_1293087038.unknown

_1293086833.vsd-

+

+

1 m

d

F32

F31

_1293085163.unknown

_1293085621.unknown

_1293085654.unknown

_1293085555.unknown

_1293085127.unknown

_1293085162.unknown

_1293085012.unknown

_1293084632.unknown

_1293084670.unknown

_1293084683.unknown

_1293084650.unknown

_1293084146.unknown

_1293084631.unknown

_1293083970.vsd30 cm

40 cm

F14

F12

F13

_1293081895.unknown

_1293082318.unknown

_1293083515.unknown

_1293083739.unknown

_1293083495.unknown

_1293082297.unknown

_1293082306.unknown

_1293082203.unknown

_1293080541.vsdQ

q

r

F

_1293081634.unknown

_1293081696.unknown

_1293081485.unknown

_1293079835.unknown

_1293079871.unknown

_1293079722.unknown

_1293075337.unknown

_1293077700.unknown

_1293077922.unknown

_1293077955.unknown

_1293077734.unknown

_1293077471.unknown

_1293077618.unknown

_1293077345.unknown

_1293073133.unknown

_1293073678.unknown

_1293074017.unknown

_1293073368.unknown

_1293072948.unknown

_1293073113.unknown

_1293043826.unknown