materi listrik statis

I. PENDAHULUAN
Gambar 1. Petir
Anda pasti tahu petir. Biasanya, petir terjadi pada saat cuaca mendung atau hujan. Saat petir
muncul, beberapa pohon atau bangunan yang kedudukannya lebih tinggi daripada sekitarnya akan
terkena sambarannya. Akibatnya, bangunan atau pohon tersebut akan hangus terbakar bahkan
roboh. Apa sebenarnya petir itu, bagaiman proses terbentuknya, dan bagaimana cara
menghindarinya?
Sering sekali kita mendengar dan berhubungan dengan listrik. Segala pekerjaan kita dipermudah
dengan adanya listrik. Adanya listrik mendorong manusia untuk menemukan alat-alat berteknologi
canggih guna membantu memudahkan pekerjaan manusia. Setiap hari kita tak pernah lepas dari
segala sesuatu yang berhubungan dengan listrik. Semua alat-alat listrik yang kita gunakan sekarang
tidak akan ada jika tidak ada orang yang menemukan listrik. Sebenarnya, pengetahuan tentang listrik
dimulai dari teori atom, yaitu dengan ditemukannya atom dan teori-teori yang menjelaskan tentang
perkiraan-perkiraan struktur atom.
1. Struktur Atom
Pernahkah kamu mendengar istilah atom? Atom dalam bahasa Yunani atomos yang berarti tidak
dapat dibagi-bagi lagi. Atom berarti juga partikel dari suatu materi yang paling kecil.
Pendapat bahwa atom merupakan bagian terkecil dari sebuah materi akhirnya runtuh setelah J.J.
Thomson, seorang ahli Fisika Inggris berhasil menemukan elektron. Elektron berada di dalam atom.
Penelitian mengenai atom lebih lanjut dilakukan oleh Ernest Rutherford. Rutherford melalui
percobaannya menyimpulkan bahwa selain elektron, di dalam atom juga terdapat sebuah
muatan positif. Muatan positif ini kemudian disebut sebagai proton.
Penemuan elektron oleh J.J. Thomson dan proton oleh Rutherford dilengkapi dengan hasil penelitian
Niels Bohr. Hasil penelitian ini seakan-akan membuktikan kebenaran penelitianpenelitian
sebelumnya. Dari hasil penelitiannya Bohr menyimpulkan bahwa atom terdiri atas inti atom dan kulit
atom. Inti atom terdiri atas muatan positif atau proton dan muatan netral atau neutron. Inti atom ini
dikelilingi oleh elektron yang menempati kulit atom. Struktur atom yang terdiri atas inti atom dan kulit
atom ditunjukkan pada.
Perhatikan gambar atom menurut Niels Bohr
Penelitian lebih jauh dapat diketahui bahwa massa inti atom lebih
besar daripada massa elektron. Massa inti hampir sama dengan
massa atomnya sendiri. Hampir semua massa atom berpusat pada inti
atom.
Listrik statis
2. Muatan Listrik
Ebonit akan bermuatan negatif jika digosok dengan kain wol dan kaca akan bermuatan positif jika
digosok dengan kain sutra. Jadi, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda yang bermuatan listrik
dapat menarik bendabenda di sekitarnya.
Listrik statis adalah listrik yang muatanmuatannya tidak mengalir atau ada dalam keadaan diam.
Mengapa sisir, kain wol, dan benda-benda lainnya dapat mempunyai muatan? Setiap materi tersusun
oleh partikelpartikel dan setiap partikel tersusun oleh atom-atom. Atom terdiri atas inti atom yang
tersusun oleh proton dan neutron. Inti atom ini diselimuti oleh kulit atom. Pada kulit atom, terdapat
elektron-elektron. Proton disebut juga muatan positif, sedangkan neutron merupakan muatan listrik
netral. Adapun elektron adalah muatan listrik negatif.
Jika suatu materi mempunyai jumlah proton sama dengan jumlah elektron, materi tersebut dikatakan
tidak bermuatan atau netral. Jika jumlah proton lebih banyak daripada jumlah
elektron, sehingga atom-atomnya kekurangan elektron, maka atom tersebut dikatakan bermuatan
positif. Adapun atom dikatakan bermuatan negatif jika jumlah elektron lebih banyak daripada jumlah
proton, sehingga atom-atomnya kelebihan elektron.
Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah Coulomb (C). Berapakah muatan
listrik sebuah elektron, proton, dan neutron?
Muatan elektron = –1,6 × 10-19 Coulomb
Muatan proton = +1,6 × 10-19 Coulomb
Muatan neutron =
0
(tidak bermuatan)
Ketika kita menggosokkan kain wol ke mistar plastik, maka terjadi perpindahan elektron dari wol ke
mistar plastik sehingga mistar plastik tersebut bermuatan listrik negatif.
Penggosokan batang kaca dengan kain sutra menyebabkan elektron pindah dari kaca ke sutra
sehingga batang kaca bermuatan positif. Ketika didekatkan, antara mistar plastik dan batang kaca
terjadi gaya tarik-menarik. Mengapa hal ini terjadi? Sesuai dengan yang disimpulkan oleh Coulomb
bahwa muatan tidak sejenis akan tarik-menarik. Mistar dan batang kaca pada kegiatan ini mempunyai
muatan yang tidak sejenis, sehingga antara keduanya terjadi gaya tarikmenarik. Contoh benda-benda
yang bermuatan listrik karena
digosok dengan benda lain ditunjukkan pada
Muatan listrik suatu benda karena digosok benda lain
Benda
Plastik
Ebonit
Kaca
Sisir
Digosok dengan
kain wol
kain wol
kain sutra
rambut
Muatan Listrik
negafif
negafif
positif
negafif
3. Hukum Coulomb
Coulomb berhasil menghitung besarnya gaya antarmuatan listrik statis. Sebagai penghargaan atas
penemuannya, gaya antarmuatan ini dinamakan gaya Coulomb
Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak
antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding
dengan hasil kali kedua muatan tersebut dan
berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua
muatan tersebut.
Sehingga dapat dirumuskan :
F
= gaya coulomb (N)
k
= tetapan 9 109 (Nm2/C2)
Q1 , Q2 = besar muatan (C)
r
= jarak kedua muatan (m)
Listrik statis
contoh soal
1. Diketahui dua buah muatan listrik masing-masing bermuatan +5 × 10-9 C dipisahkan oleh jarak 0,5
cm. Bagaimanakah in-teraksi kedua muatan tersebut? Hitunglah gaya Coulombnya!
Diketahui :
Ditanya : F (gaya coulomb)
Q1 = Q2 = +5 × 10-9 C
r
= 0,5 cm
= 0,005 m = 5 x 10-3 m
Jawab :
= 9 x 109 (Nm2/C2) x 5 × 10-9 C x 5 × 10-9 C
(5 x 10-3 m)2
= 9 x 25 10-9 (Nm2/C2)C2
= 9 x 10-3 N
-6
2
25 x 10 m
Karena kedua muatan tersebut sejenis, interaksi antara kedua muatan tersebut
adalah tolak menolak. Besar gaya tolak menolaknya adalah 9 x 10-3 N
2. Dua buah muatan listrik masing-masing bermuatan +8 x 10-9 C dipisahkan oleh jarak r. Jika
diketahui gaya coulomb antara dua muatan tersebut adalah 3,6 x 10 -4 N, maka tentukan nilai r
Diketahui :
Ditanya : r (jarak kedua muatan)
Q1 = Q2 = +8 × 10-9 C
F = 3,6 x 10-4 N
Jawab :
Maka :
r2 = k
𝑄1 𝑥 𝑄2
𝐹

r2 =
r2 =
9 x 109 (Nm2/C2)
+8 𝑥 10 −9 𝐶 𝑥 +8 𝑥 10 −9 𝐶
3,6 𝑥 10 −4 𝑁
576 𝑥 10 −9 𝑁𝑚 2
3,6 𝑥 10 −4 𝑁
r2 = 16 x 10-4 m2

r =
16 𝑥 10−4 𝑚2
r = 4 x 10-2 m
-2
Jadi nilai r adalah 4 x 10 m atau 4 cm
3. Dua benda masing-masing bermuatan listrik 3 C dan 9 C berada pada jarak 10 meter di udara.
Berapa gaya listrik yang timbul? ( k = 9 x 109 Nm2/C2 ).
Penyelesaian
:
Diket
: Q1 = 3 C
r = 10 m
Q2 = 9 C
k = 9 x 109 Nm2/C2
Ditanyakan
Jawab
: F (gaya coulomb)
𝑄1 𝑄2
:
𝐹=𝑘
𝑟2

𝐹 = 9. 109
3 . 9
102
𝐹 = 9. 109
27
100
𝐹 = 2,43. 109 𝑁
4. Dua benda bermuatan listrik sejenis dan sama besar yaitu Q terpisah di udara pada jarak r dan
menghasilkan gaya tolak F. Jika muatan kedua benda masing-masing dijadikan 2Q dan jarak
kedua benda tetap, berapakah besar gaya tolaknya?
Penyelesaian :
Diketahui
: Jika Q1 = Q2 dengan jarak r menghasilkan gaya F, Q di dua kalikan
Ditanya
: F saat Q di 2 kalikan dan r tetap ( r1 = r2 )
Jawab
: 𝐹=𝑘
𝑄1 𝑄2
𝑟2

Listrik statis
𝐹1 = 𝑘
𝑄1 𝑄2
𝑟12
𝐹2 = 𝑘
2𝑄1 2𝑄2
𝑟22
Karena
r1 = r 2
Maka :
𝑟12 = 𝑘
𝑄1 𝑄2
𝐹1
𝑟22 = 𝑘
2𝑄1 2𝑄2
𝐹2
𝑘
𝑄1 𝑄2
𝐹1
=
𝑘
2𝑄1 2𝑄2
𝐹2
Jadi gaya tolaknya adalah 4 kali dari gaya semula

1
4
=
𝐹1
𝐹2
F2 = 4 F1