LISTRIK STATIS

A. Muatan Listrik

Kehidupan manusia sering berhubungan dengan listrik, dari yang alami seperti

petir sampai dengan alat-alat canggih seperti komputer. Arus listrik terjadi akibat

adanya perpindahan muatan-muatan listrik. Muatan-muatan listrik tersebut dapat

berada dalam keadaan diam (statis) atau dalam keadaan bergerak (dinamis). Kata

listrik (electricity) berasal dari kata Yunani, yaitu electron yang berarti “Amber”.

Amber adalah damar pohon yang membatu, dan orang zaman dulu mengetahui bahwa

jika menggosok batang amber dengan kain, amber tersebut akan menarik daun-daun

kecil atau debu. Sepotong plastik yang keras, batang kaca atau penggaris plastik yang

digosok dengan kain juga akan menunjukkan “efek amber” ini, atau sekarang yang

biasa disebut dengan listrik statis.

Benda bermuatan listrik ialah benda yang mempunyai kelebihan sejumlah

elektron atau proton. Muatan listrik berkaitan langsung dengan susunan zat suatu

benda. Semua benda tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil yang dinamakan

dengan atom. Muatan listrik (Q) adalah muatan dasar yang dimiliki suatu benda.

Satuan Q adalah coulomb, yang merupakan 6.24 x 1018 muatan dasar. Benda yang

kelebihan sejumlah elektron akan bermuatan negatif dan yang kelebihan sejumlah

proton dikatakan bermuatan positif dan jika jumlah listrik positif dan negatif dalam

sebuah benda sama banyak, maka benda-benda tersebut dikatakan tidak bermuatan

(netral).

B. Jenis Muatan Listrik

Apakah semua muatan listrik sama atau mungkinkah ada lebih dari satu jenis?

Pada kenyataannya, ada dua jenis muatan listrik, sebagaimana ditunjukkan oleh

eksperimen berikut.

1 | F i s i k a D a s a r 3

Gambar 1.1

Muatan yang tak sejenis tarik menarik, sedangkan muatan yang sejenis tolak

menolak satu dengan yang lain.Ketika penggaris kedua yang telah dimuati didekati

dengan penggaris pertama, penggaris pertama bergerak menjauhi penggaris kedua,

peristwa ini ditunjukkan pada Gambar 1.1.a. Hal ini menunjukkan bahwa kedua

penggaris bermuatan sama. Ketika batang kaca kedua yang telah dimuati dengan cara

yang sama didekatkan pada batang kaca pertama, batang kaca kedua juga bergerak

menjauhi batang kaca pertama. Hal ini ditunjukkan oleh peristiwa gambar 1.1.b.

Tetapi jika batang kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang

bermuatan, maka akan didapatkan keduanya akan saling menarik ditunjukkan pada

gambar 1.1.c. Dengan demikian, ada dua dan hanya dua jenis muatan listrik. Setiap

jenis muatan menolak jenis yang sama dan menarik jenis yang lainnya.

Kedua jenis muatan tersebut positif dan negatif yang dikemukakan oleh

ilmuwan Amerika Benjamin Franklin tahun (1706-1790). Pilihan Franklin

menentukan muatan pada batang kaca yang digosok adalah muatan positif, sehingga

muatan pada penggaris plastik yang digosok (atau amber) adalah negatif.

2 | F i s i k a D a s a r 3

Franklin mengajukan argumen bahwa ketika sejumlah muatan tertentu dihasilkan

pada sebuah benda pada suatu proses, muatan yang berlawanan dihasilkan dengan

jumlah yang sama pada benda lainnya. Positif dan negatif diberlakukan secara

aljabar, sehingga pada setiap proses, perubahan total jumlah muatan yang dihasilkan

selalu nol. Sebagai contoh, ketika penggaris digosokkan dengan kain wol, plastik

tersebut mendapat muatan negatif dan kain wol mendapat muatan positif dengan

jumlah yang sama. Muatan-muatan tersebut terpisah, tetapi jumlah keduanya adalah

nol. Ini merupakan contoh hukum yang sekarang telah terbukti dengan baik yang

disebut dengan hukum kekekalan muatan listrik, yang menyatakan bahwa jumlah

total muatan listrik yang dihasilkan pada setiap proses adalah nol. Dalam setiap

pemberian muatan listrik tidak ada muatan yang diciptakan ataupun dihancurkan,

muatan itu hanya semata-mata dipindahkan dari suatu benda ke benda lain. Hukum

Kekekalan Muatan Listrik juga diyakini sebagai Hukum Kekekalan Universal ,

dan tidak ada bukti eksperimental yang dapat melanggar hukum ini. Bahkan dalam

interaksi berenergi tinggi dimana partikel-partikel diciptakan atau dihancurkan ,

muatan total dari setiap sistem tertutup adalah konstan.

C. Sifat-Sifat Muatan Listrik

Interaksi antara benda-benda yang bermuatan listrik.

o muatan sejenis tolak-menolak

o muatan tidak sejenis tarik-menarik

Contohnya, muatan listrik dapat menarik benda-benda kecil. Potongan kertas

kecil-kecil dapat menempel pada penggaris yang bermuatan listrik karena adanya

gaya listrik. Jika gaya listrik lebih besar dari gaya gravitasi benda maka benda akan

menempel pada penggaris, sebaliknya  jika gaya listrik kurang dari gaya gravitasi,

maka benda tidak akan menempel.

Bersifat terkuantisasi (diskrit)

Sekarang kita mengetahui bahwa materi terdiri dari atom yang bersifat netral

secara kelistrikan. Setiap atom mempunyai inti kecil yang padat yang terdiri dari

proton dan neutron. Di sekitar inti ada sejumlah elektron yang sama banyaknya.

3 | F i s i k a D a s a r 3

Elektron dan proton adalah partikel yang sangat berbeda. Proton memiliki massa

2000 kali massa elektron. Tetapi muatan proton dan elektron sama besar dan

berlawanan tanda. Semua muatan merupakan kelipatan bilangan bulat dari satuan

dasar muatan.Dengan demikian muatan bersifat terkuantisasi (diskrit). Setiap muatan

q yang ada didalam dapat ditulis q = ± ne, dimana n merupakan bilangan bulat.

Kuantisasi muatan listrik terkadang tidak teramati karena biasanya n memiliki harga

yang sangat besar. Sebagai contoh, sekitar 1010 elektron akan berpindah ke batang

plastik jika kita menggosok batang tersebut dengan bulu binatang.

Bersifat kekal

Ketika benda-benda berada dalam keadaan saling bergesekan, seperti ketika

keduanya digosokan satu sama lain. Satu benda mengalami kelebihan sejumlah

elektron sehingga menjadi bermuatan negatif dan benda lainnya mengalami

kekurangan elektron sehingga menjadi bermuatan positif. Dalam proses ini, muatan

tidak diciptakan, tetapi hanya mengalami perpindahan. Muatan total dari kedua benda

tidak mengalami perubahan. Dalam hal ini, muatan bersifat kekal.Hukum kekekalan

muatan merupakan suatu hukum dasar dari alam. Pada interaksi-interaksi tertentu

antara partikel-partikel dasar (partikel elementer), partikel bermuatan seperti elektron

akan diciptakan atau dianihilasi. Tetapi dalam semua proses seperti ini akan

dihasilkan atau dihilangkan sejumlah muatan-muatan negatif dan positif yang sama

banyaknya, sehingga jumlah muatan total di alam semesta ini tidak berubah. Ketika

terjadi penciptaan sebuah elektron dengan muatan –e, secara simultan tercipta pula

sebuah partikel bermuatan +e yang disebut positron. (proses ini disebut produksi

pasangan).

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

4 | F i s i k a D a s a r 3

diperlihatkan pada Gambar 1 Karena sekarang logam kedua tersebut kehilangan

beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan positif.

Gambar 1 (Batang logam netral memperoleh muatan ketikadisentuh dengan benda

logam lain yang bermuatan).

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 positif 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

positif pada ujung yang berlawanan, seperti diperlihatkan  pada Gambar 2

Gambar 2 (Memberi muatan dengan jalan induksielektron).

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 positif dan

yang lain bermuatan negatif. Cara lain untuk menginduksi muatan pada benda logam

adalah dengan jalan menghubungkan logam tersebut menuju ground melalui kawat

konduktor sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2 (berarti ground). Selanjutnya

benda dikatakan di “ground-kan” atau “dibumikan”. Karena bumi sangat besar dan

5 | F i s i k a D a s a r 3

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 negatif didekatkan ke sebuah logam, maka

elektron-elektron bebas dalam logam akan menolak dan beberapa elektron akan

bergerak menuju bumi melalui kabel(Gambar 2).

Gambar 3.(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 3).

D. Hukum Coulomb

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) mengkaji gaya interaksi partikel-

partikel bermuatan secara rinci pada tahun 1784. Dia menggunakan sebuah neraca

puntir pada gambar dibawah ini yang serupa dengan neraca Cavendish yang

digunakan untuk mengidentifikasi interaksi gaya gravitasi yang jauh lebih lemah.

Dari gambar neraca puntir tergambar bahwa kepala

suspensi (head suspensi) disambungkan dengan serat

fiber yang menyambungkan sebuah bola a yang tidak

bermuatan dengan bola b yang bermuatan sebesar q1

dan saling identik. Garis kuning yang ditunjukkan

pada neraca puntir merupakan ukuran seberapa besar

gaya yang dihasilkan dalam interaksi tersebut. Dari

percobaan tersebut coulomb dapat menyimpulkan

bahwa gaya listrik akan sebanding dengan 1/r2. Yakni

6 | F i s i k a D a s a r 3

bila jarak dijadikan dua kalinya dari jarak semula

maka besarnya gaya listrik yang dihasilkan akan

menjadi 1/4 dari gaya semula dan jika jaraknya

dijadikan 1/2 kali jarak semula maka gaya listrik yang

bekerja akan menjadi 4 kali dari gaya semula.

Dalam percobaan berikutnya bola a diberikan muatan sebesar q2 dia mendapati

bahwa tiap muatan mengkerahkan gaya yang sebanding dengan setiap muatan

sehingga akan sebanding dengan hasil kali q1q2 dari kedua muatan itu.

Dengan demikian , Coulomb memperkenalkan apa yang sekarang dikenal

sebagai hukum Coulomb . ”Coulomb’s Laws”

Besarnya gaya listrik di antara dua muatan titik berbanding lurus dengan hasil kali

muatan-muatan itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan

tersebut. Dalam suku-suku matematika , besarnya F dari gaya yang dikerahkan oleh

masing-masing dari kedua muatan q1 dan q2 yang berjarak r terhadap satu sama lain

dapat dinyatakan sebagai berikut

(1.1)

Dimana k adalah sebuah konstanta kesebandingan yang nilai numeriknya

bergantung pada sistem satuan yang digunakan. Garis-garis tegak nilai absolut

digunakan dalam persamaan diatas karena muatan q1 dan q2 bisa bernilai positif atau

negatif sedangkan besarnya gaya F selalu positif.

Gambar a) menunjukkan muatan listrik yang

memiliki tanda yang sama akan saling tolak

menolak sedangkan pada gambar b)

Menunjukkan muatan listrik yang memiliki

tanda yang berbeda akan salaing tarik menarik.

Dalam setiap kasus besarnya gaya pada setiap

7 | F i s i k a D a s a r 3

muatan titik sebanding dengan hasil kali

muatan-muatan itu dan berbanding terbalik

dengan dengan kuadrat jarak diantaranya. Gaya-

gaya ini memnuhi hukum ketiga newton yaitu

Faksi = -Freaksi

Kesebandingan gaya listrik dengan 1/r2 telah dibuktikan dengan ketelitian

yang besar . Tidak ada alasan untuk mencurigakan bahwa eksponen itu adalah

sesuatu yang berbeda dari tepat angka 2 . Jadi bentuk persamaan Coulomb adalah

sama seperti bentuk hukum gravitasi. Tetapi interaksi antara listrik dengan gravitasi

merupakan dua fenomena interaksi yang berbeda. Interaksi listrik bergantung pada

muatan-muatan listrik dan dapat merupakan interaksi tarik-menarik atau tolak-

menolak , sementara interaksi gravitasi merupakan interaksi yang bergantung pada

massa dan selalu tarik menarik , karena tidak ada massa yang negatif.

Nilai konstanta kesebandingan k dalam hukum Coulomb bergantung pada

sistem satuan yang digunakan. Dalam kajian mengenai listrik dan magnet , digunakan

satuan SI secara eksklusif. Satuan listrik SI memasukkan satuan yang sudah dikenal

seperti ampere , volt , ohm , dan watt . Satuan SI dari muatan listrik dinamakan satu

Coulomb (1 C). Nilai k sendiri bernilai :

K = 8,988 x 109 N . m2/C2

Nilai k diketahui sampai angka pentingyang sedimikian besar nilainya terkait

dengan laju cahaya pada ruang hampa . Nilai dari kecepatan laju cahaya

dilambangkan sebagai c dengan laju :

c = 2,99792458x108m/s

Dan nilai numerik k didefinisikan dalam c percis sebesar

K = (10-7 N.s2/C2)c2 .

Pada prinsipnya dapat diukur gaya listrik F di antara dua muata q yang sama

pada jarak r maka kita dapat memandang bahwa k sebagai sebuah definisi oprasional

dari Coulomb. Dalam SI kita biasa menuliskan konstanta k dalam persamaan (1.1)

8 | F i s i k a D a s a r 3

sebagai , dimana merupakan sebuah konstanta baru. Hal ini nampaknya

membuat semuanya menjadi lebih rumit , namun tanpa disadari sesungguhnya

persamaan ini akan membantu menyederhanakan berbagai persamaan yang berkaitan

nantinya.

Oleh karena itu , dibiasakan untuk menulis hukum Coulomb sebagai

(1.2)

Konstanta-konstanta dalam persamaan 1.2 adalag kira-kira bernilai

Dalam contoh-contoh soal akan sering dilihat menggunakan nilai aproksimasi

Yang berada sekitar 0,1 % dari nilai sebenarnya. Satu Coulomb menyatakan

negatif dari muatan total kira-kira 6x108 elektron. Untuk perbandingan , sebuah kubus

tembaga yang sisi-sisinya 1 cm mengandung 2,4 x 1024 . Kira-kra 1019 elektron lewat

melalui serabut pijar dari sebuah bola senter setiap detik. Dalam elektrostatiska

adalah sangat tidak biasa menemukan muatan sebesar 1 Coulomb . Dua muatan yang

besarnya masing-masing 1 C yang terpisah sejauh 1 m akan mengerahkan gaya

sebesar 9 x 109 (atau sama dengan satu juta ton) ! Muatan total dari semua elektron

dalam sebuah logam bahkan lebih besar 1,4x105 C , hal ini memperlihatkan bahwa

tidak dapat kenetralan listrik yang sangat banyak tanpa menggunakan gaya yang

sangat besar. Nilai –nilai muatan yang lebih khas berkisar antara 10-9 C atau 1 nC

(nanoCoulomb) hingga 10-6 atau 1μC (microCoulomb) .

9 | F i s i k a D a s a r 3

Hukum Coulomb seperti yang telah dinyatakan , hanya menggambarkan

interaksi antara dua muatan titik. Eksperimen memperlihatkan bahwa bila dua muatan

mengerahkan gaya secara serempak pada sebuah muatan ketiga , maka gaya total

yang akan bekerja , maka gaya total yang beraksi pada muatan itu adalah jumlah

vektor dari gaya-gaya yang dikerahkan oleh kedua muatan itu secara individu. Sifat

penting ini dinamakan prinsip superposisi gaya , berlaku untuk sebarang banyaknya

muatan. Dengan menggunakan prinsip ini , kita dapat menerapkan hukum Coulomb

pada sembarang kumpulan muatan. Berikut contoh-contoh yang mampu memberikan

pengertian dari definisi diatas.

Namun sebelum menapak ke soal diberikan strategi dalam penyelesaian soal ada 3

hal yang perlu diperhatikan diantaranya :

1. Pengkonversian satuan.

Seperti yang selalu berlaku , satuan-satuan yang konsisten adalah hal yang

sangat penting. Satuan gaya harus dikonversikan dalam bentuk Newton (N) ,

Satuan jarak harus dikonversikan dalam bentuk meter (m), dan muatan

dikonversikan dalam bentuk Coulomb (C)

2. Vektor

Ingatlah kembali bahwa gaya listrik , seperti gaya yang lainnya merupakan

vektor. Bila gaya-gaya yang bereaksi pada sebuah muatan disebabkan oleh

dua atau lebih muatan yang lainnya itu adalah jumlah vektor gaya individu-

individu tersebut (prinsip superposisi gaya) jadi pastikan dalam

penggambarkan menggambarkan diagram vektor yang benar , jika suatu

simbol menyatakan kuantitas vektor letakkan sebuah panah vektor disumber

gaya sesuai arah dan panjang pendeknya panah juga menentukan besarnya

gaya yang bekerja pada materi tersebut. Jika notasi vektor (diagram vektor)

tidak tersusun secara rapi dan terstruktur , maka akan menimbulkan

misskonsepsi dalam penyelesaian soal tersebut.

3. Masalah distribusi kontinu (integral secara eksplisit)

Dalam beberapa soal berikutnya atau dalam pembahasan yang lebih

mendalam akan melibatkan distribusi kontinu dari muatan sepanjang sebuah

10 | F i s i k a D a s a r 3

garis atau pada sebuah permukaan. Dalam kasus ini jumlah-jumlah

vektoryang dijelaskan dalam nomor 2 menjadi sebuah integral vektor. Kita

akan membagi distribusi muatan ke dalam potongan-potongan yang amat

kecil, kemudian menggunakan hukum coulomb untuk setiap potongan dan

mengintegralkannya untuk mencari jumlah vektor tersebut.

KESIMPULAN

1. Benda bermuatan listrik ialah benda yang mempunyai kelebihan sejumlah elektron

atau proton.

2. Benda yang kelebihan sejumlah elektron akan bermuatan negatif dan yang

kelebihan sejumlah proton dikatakan bermuatan positif dan jika jumlah listrik

positif dan negatif dalam sebuah benda sama banyak, maka benda-benda tersebut

dikatakan tidak bermuatan (netral).

3. Hukum Kekekalan Muatan Listrik, yang menyatakan bahwa jumlah total

muatan listrik yang dihasilkan pada setiap proses adalah nol.

4. Sifat-sifat muatan listrik yaitu:

Interaksi antara benda-benda yang bermuatan listrik.

o muatan sejenis tolak-menolak

o muatan tidak sejenis tarik-menarik

Bersifat terkuantisasi (diskrit)

Bersifat kekal

5. Hukum Coulomb Besarnya gaya istrik di antara dua muatan titik berbanding lurus

dengan hasil kali muatan-muatan itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak

kedua muatan tersebut

6. Prinsip Superposisi Gaya bila dua muatan mengerahkan gaya secara serempak

pada sebuah muatan ketiga , maka gaya total yang akan bekerja , maka gaya total

yang beraksi pada muatan itu adalah jumlah vektor dari gaya-gaya yang

dikerahkan oleh kedua muatan itu secara individu.

11 | F i s i k a D a s a r 3

7. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penyelesaian permasalahan interaksi listrik

dibagi menjadi beberapa poin penting yaitu:

1. konversi.

2. vektor.

3. distribusi kontinu ( integral secara eksplisit)

DAFTAR PUSTAKA

Zemansky & Sears. 2003. Fisika Universitas Jilid 2. Jakarta: PENERBIT

ERLANGGA

Giancoli,Douglas C. 2001. Fisika Edisi ke 5 Jilid . Jakarta: PENERBIT ERLANGGA

Halliday&Resnick. 1999. FISIKA jilid 2. Jakarta: PENERBIT ERLANGGA

12 | F i s i k a D a s a r 3