LISTRIK STATIS

Peta Konsep Listrik Statis

Listrik Statis

merupakan kumpulan

Muatan di dalam bahan

jenisnya dapat diketahui menggunakan

Elektroskop

dikenal

Muatan Positif                                                         Muatan Negatif

menghasilkan

menghasilkan

Medan Listrik

menimbulkan

Gaya Coulumb

qA  qB

F=    r2

132          IPA SMP  Kelas IX

Peta Konsep

Kelistrikan

Pada saat hujan turun, pernahkah kamu melihat petir? Petir adalah peristiwa alam yang sangat berbahaya dan ditakuti semua orang, karena petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara. Apabila seseorang tersambar petir, maka tubuh orang tersebut akan terbakar. Akibat berbahayanya petir, maka gedung-gedung bertingkat yang cukup tinggi dilengkapi dengan penangkal petir. Apa yang menyebabkan terjadinya petir? Mengapa tubuh orang yang tersambar petir terbakar? Mengapa gedung-gedung bertingkat yang tinggi dilengkapi dengan penangkal petir?

Petir merupakan gejala alam yang timbul karena berkumpulnya sejumlah besar elek- tron yang disebut listrik statis. Kita akan mempelajari dan mendiskusikan bagaimana cara memperoleh listrik statis secara sederhana dan cara pengosongannya sebagaimana petir dan manfaat penangkal petir.

Kegiatan PeSinfyaet Zlidaitkan

Dapatkah kamu menggerakkan suatu benda tanpa harus

menyentuhnya?

1.    Buatlah potongan-potongan kecil kertas                       t i s u atau kertas tipis di atas mejamu.

2.    Gosokkan sebuah sisir plastik atau penggaris plastik pada rambutmu untuk memberikan muatan listrik.

3.    Dekatkan sisir itu pada potongan kertas tisu. Catat pengamatanmu terhadap

perilaku kertas tisu tersebut.

Sumber: Dok. Penulis

Dalam buku catatanmu, tulis satu paragraf yang me- maparkan bagaimana sisir itu   mempengaruhi kertas tisu pada langkah 3 di atas.  Cobalah lakukan langkah yang sama dengan menggunakan benda lain,  selain sisir, rambut,  atau

kertas tisu.

134          IPA SMP  Kelas IX

Listrik Statis   A

Mengapa pada kegiatan penyelidikan dengan sisir dan kertas tisu   yang telah kamu lakukan di atas, kamu mengamati potongan kertas tisu itu tertarik dan menempel pada sisir. Apa yang menyebabkan potongan kertas tisu itu menempel pada sisir?

Pada saat kamu menyisir rambut kering, rambutmu tertarik  oleh sisir (Gambar 6.1). Mengapa rambut menem- pel di sisir? Hal ini dijelaskan dalam Gambar 6.2.   Seperti ditunjukkan pada Gambar 6.2a, pada mulanya rambut dan sisir bersifat netral. Suatu atom bersifat netral, karena jumlah proton dan elektron sama. Pada saat kamu menggosokkan sisir pada rambutmu, sejumlah atom di dalam rambutmu terganggu, sejumlah elektron di dalam rambutmu terlepas dan berpindah ke sisirmu. Akibatnya, sisirmu memperoleh tambahan elektron, dan sisirmu itu tidak lagi netral, tetapi memiliki muatan negatif. Rambutmu kehilangan elektron, sehingga rambutmu itu bermuatan positif (Gambar 6.2b). Peristiwa ini merupakan contoh mendapatkan listrik statis dengan cara menggosok.  Listrik statis adalah berkumpul- nya muatan listrik pada suatu benda. Pikirkan contoh-contoh lain tentang listrik statis.

Kata Kunci IPA Listrik statis Muatan positif Muatan negatif Elektroskop

sisir

(a)

Gambar 6.2a

Sebelum menyisir, rambut

proton

elektron

(b)

Gambar 6.2b

Setelah menyisir, elektron berpindah  dari rambut ke sisir.

Sumber: Dok. Penulis

Gambar 6.1

Pada saat kamu menyisir rambut kering, rambutmu tertarik  oleh sisir.

Bab 6 Kelistrikan               135

Kegiatan 6.1

Memberi muatan listrik dengan cara menggosok

Apa yang Kamu Butuhkan

1 buah sisir, kertas tisu, rambut

Apa yang kamu lakukan?

1.   Letakkan  potongan-potongan kertas tisu di atas meja.

2.   Gosoklah sebuah sisir dengan rambutmu, dekatkan sisir tersebut pada kertas tisu. Tuliskan apa yang kamu amati.

3.   Biarkan kertas tisu itu menempel pada sisir selama beberapa detik. Tulis apa yang kamu amati setelah beberapa detik berlalu.

Analisis

1.   Jenis muatan apakah yang dimiliki sisir dan rambut tersebut sebelum saling digosokkan?

2.   Jenis muatan apakah yang dimiliki sisir dan rambut setelah saling digosokkan?

3.   Pada saat sisir tersebut didekatkan pada tisu, mengapa tisu ini tertarik oleh sisir?

4.   Setelah beberapa saat tisu itu menempel pada sisir, mengapa tisu itu lepas lagi?

Sekarang Jawablah!

1.   Bagaimana kamu membuat elektron pindah dari satu  benda menuju benda lain dalam kegiatan ini?

2.   Apa yang terjadi pada suatu benda yang tidak bermuatan listrik,   jika benda itu

mendapatkan atau kehilangan elektron?

136          IPA SMP  Kelas IX

Pengosongan Muatan Listrik

Loncatan muatan listrik terjadi pada saat  muatan listrik bergerak secara bersama-sama. Kejadian ini disebut pengosongan listrik statis. Petir merupakan salah satu contoh proses pengosongan. Pengosongan itu ditunjukkan oleh  sambaran petir pada Gambar 6.3.

Pengosongan terjadi apabila tersedia suatu jalan bagi elektron-elektron untuk mengalir dari suatu benda bermuatan ke benda lain. Perpindahan muatan listrik statis dari satu benda ke benda lain disebut penetralan atau pengosongan muatan statis. Pengosongan itu lazim juga disebut pentanahan, karena muatan itu sering dikosongkan dengan cara menyalurkan ke tanah.

Pengosongan muatan statis di udara dapat terjadi sangat besar sehingga menimbulkan suara dahsyat yang kita sebut petir. Proses terjadinya petir dijelaskan dalam Gambar 6.4a, 6.4b, dan 6.4c. Bacalah keterangan ketiga gambar tersebut.

Gambar 6.3

Petir adalah contoh loncatan muatan listrik statis yang besar

Bab 6 Kelistrikan               137

Awan netral	Awan dengan	Terjadi
	muatan terpisah	sambaran petir

Gambar 6.4

Proses terjadinya petir

(a) Sebelum terjadi petir,  muatan listrik terbentuk di dalam awan ketika butiran- butiran air saling menggosok satu sama lain.

Kemudian terjadi pemisahan muatan di  dalam  awan. Bagian bawah awan menjadi bermuatan lebih negatif, menye- babkan  muatan- muatan positif ter- induksi ke permuka- an tanah .

Terjadi sambaran

petir dari awan   ke tanah ketika  muatan negatif (elektron) meloncat dari awan bagian bawah  ke titik tertinggi di atas tanah yang bermuatan positif.

Gambar 6.5

Pada saat terjadi petir, pengoson- gan listrik statis dari bagian bawah awan yang bermuatan ke Bumi akan melewati batang penangkal petir

ini. Muatan listrik akan mengalir ke bawah dengan aman melalui kabel logam tersebut, dan masuk ke dalam tanah.

Pengosongan

tanpa Menimbulkan Kerusakan

Batang logam penangkal petir sering dipasang di atas atap rumah bertingkat atau di atas bangunan tinggi, dan dihubungkan ke dalam tanah melalui kabel logam. Penang- kal petir, melindungi rumah dan bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang besar di dalam petir. Penangkal petir ini  menyediakan  suatu jalan  aman, me- lalui pentanahan, agar arus listrik petir mengalir masuk ke dalam tanah, bukan melewati rumah atau bangunan lain. Pernahkah kamu melihat bangunan tinggi yang dilengkapi dengan penangkal petir seperti Gambar 6.5. Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan listrik statis yang tidak menimbulkan kerusakan.

138          IPA SMP  Kelas IX

Elektroskop

Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat diguna- kan untuk mendeteksi muatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 6.6, di dalam sebuah peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadang-kadang yang dapat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari emas. Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda yang bermuatan positif didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan terjadi melalui induksi, elektron-elek- tron ditarik naik menuju bola, sehingga kedua daun elek- troskop bermuatan positif dan saling menolak (Gambar

6.7a). Proses demikian disebut memuati dengan cara in- duksi. Sedangkan, jika bola dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun elektroskop memperoleh muatan positif karena ditinggalkan elektron- elektron yang bergerak menuju benda bermuatan positif tersebut, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 6.7b. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daun-daun elektroskop.

Perlu dicatat bahwa dengan cara ini, kamu tidak dapat menentukan tanda muatan, karena dalam   setiap kasus,  kedua    daun   elektroskop   saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu elektroskop dapat   digunakan untuk   menentukan   “tanda muatan” jika pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya elektroskop bermuatan negatif, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.8a. Jika benda bermuatan negatif didekatkan, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.8b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar. Di sisi lain, jika muatan positif didekatkan, maka elektron-elektron akan diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatif dan jarak pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit), seperti pada Gambar  6.8c.

Sumber: Jatmiko, 2004

Gambar 6.6

Elektroskop

Gambar 6.7

Elektroskop dimuati (a) dengan cara induksi, (b) dengan cara konduksi.

Gambar 6.8

Elektroskop yang pertama-tama dimuati dapat digunakan untuk menentukan tanda dari suatu muatan yang diberikan.

Bab 6 Kelistrikan               139

trik

Saling Pengaruh antara Benda-benda Bermuatan Lis-

Apakah yang menyebabkan benda-benda bermuatan listrik positif atau negatif?

Sebelum kamu menggosok sisir dengan rambut pada Kegiatan 6.1 di atas muatan listrik sisir itu netral. Atom- atom sisir tersebut memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Pada saat kamu menggosok sisir tersebut dengan rambut, gosokan itu menyebabkan elektron-elektron pindah dari rambut ke sisir. Dengan membuat lebih banyak elektron terkumpul pada sisir, kamu memberikan muatan listrik negatif pada sisir tersebut. Sisir itu bermuatan negatif, dan rambut tersebut bermuatan positif.

Benda-benda seperti sisir tersebut mendapatkan tam- bahan elektron, sedangkan rambut kehilangan   elektron. Kita mengatakan kedua benda itu dimuati dengan listrik statis. Dengan kata lain, listrik statis adalah terkumpulnya muatan-muatan listrik pada suatu benda.

Jadi, benda-benda memperoleh muatan listrik statis akibat kontak atau persentuhan satu sama lain, seperti pada saat kamu menggosok sisir dengan kain atau rambut. Benda-benda bermuatan sejenis akan tolak menolak (Gam- bar 6.9a), sedangkan benda-benda yang bermuatan tidak sejenis akan tarik menarik (Gambar 6.9b). Dengan kata lain ada gaya yang bekerja antara dua atau lebih benda yang bermuatan.

Gambar 6.9

Intreakski kelistrikan antara benda sejenis dan tidak sejenis

(a)   Kedua penggaris plastik bermuatan saling menolak

(b)   Batang dan penggaris

plastik bermuatan sal- ing menarik

140          IPA SMP  Kelas IX

Hukum Coulomb

Kamu telah melihat bahwa muatan tak sejenis tarik menarik dan muatan sejenis tolak menolak. Besar gaya ini bergantung pada besar muatan dan jarak antara muatan tersebut. Pada tahun 1785 seorang ahli fisika bangsa Perancis yang bernama Charles Cou- lomb (1736-1806) telah menyelidiki hubungan antara besaran-besaran tersebut di atas. Jenis peralatan yang digunakan oleh Coulomb tam- pak pada Gambar 6.10. Batang yang diisolasi dengan bola-bola konduktor kecil A dan A’, digantungkan melalui kawat tipis. Bola yang sama yaitu B, ditempatkan di dekat bola A. Ke- tika bola A dan bola B bersama-sama disentuh dengan benda yang bermuatan, maka muatan menyebar ke kedua bola (bola A dan B) secara merata. Karena kedua bola A dan B memiliki ukuran yang sama, maka kedua bola tersebut menerima muatan dengan jumlah yang sama. Simbol untuk muatan adalah q. Oleh karena itu, besarnya muatan pada bola-bola A dan B  dapat disimbolkan dengan  notasi qA dan qB.  Coulomb menemukan bagaimana gaya antara kedua bola yang bermuatan, A dan B tergantung pada jarak tertentu. Pertama ia dengan hati-hati mengukur besarnya gaya yang diperlukan untuk memutar kawat yang digantung melalui sudut yang diberikan. Dia kemudian menempatkan muatan yang sama pada bola A dan B serta mengubah jarak antara keduanya r. Gaya menggerakkan A dari posisi diamnya, memutar kawat yang digantung. Dengan mengukur pembelokan A, Coulomb dapat menghitung gaya peno- lakan.      Colomb menunjukkan bahwa gaya F berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua pusat bola.

Lab Mini 6.1

Bagaimanakah interaksi antar benda- benda bermuatan?

Pada bagian di depan kalian telah mempelajari interaksi kelistrikan antara dua bahan yang bermuatan listrik. Untuk lebih memahami interaksi kelistrikan antara dua bahan berbeda cobalah kegiatan di bawah ini.

Apa yang kamu lakukan

1.  Gantungkan salah satu penggaris plastik melalui seutas benang, kemudian gosoklah salah satu ujung penggaris tersebut keras-keras dengan kain wol.

2.  Sesaat kemudian, gosoklah penggaris yang lain pada salah satu ujungnya secara keras dengan kain wol, dekatkan pada ujung penggaris pertama yang telah digosok. Amati dan catatlah hasilnya pada tabel data.

3.  Dengan cara yang sama, lakukanlah untuk batang kaca yang  digosok dengan kain sutera.

4.  Sekarang, gosoklah kembali salah satu ujung penggaris plastik yang telah digantung tersebut dengan kain wol, kemudian gosoklah salah satu ujung batang kaca dengan kain sutera dan dekatkan pada ujung penggaris bermuatan tersebut. Amati dan catatlah hasilnya pada tabel data.

Analisis

Buatlah tabel data berdasarkan hasil pengamatanmu.

Kesimpulan

Buatlah kesimpulan berdasarkan data yang kamu peroleh.

Bab 6 Kelistrikan               141

Gambar 6.10

Sumber: cf. Serawy & Jewet, 2004

Coulomb menggunakan jenis alat ini untuk mengukur gaya antara dua bola, A dan B. Ia mengamati penyimpangan A dengan menggunakan jarak antara A dan B yang bervariasi.

Dengan bahasamu sendiri, jelaskan apa maksud persamaan di atas?

Untuk menyelidiki bagaimana gaya bergantung pada besarnya muatan, Coulomb harus mengubah muatan bola. Pertama-tama Coulomb memberi muatan A dan B sama seperti sebelumnya. Kemudian Coulomb menambahkan bola lain yang tidak bermuatan, dengan ukuran yang sama dengan B. Ketika bola tersebut disentuhkan ke bola B, maka kedua bola membagi muatan yang telah ada dengan bola B. Karena keduanya memiliki ukuran yang sama, maka bola B sekarang hanya memiliki separuh muatan semula. Oleh karena itu, muatan pada bola B hanya separuh muatan bola A. Setelah bola lain yang disentuhkan ke bola B tersebut dijauhkan dari bola B, maka Coulomb menemukan bahwa gaya antara A dan B menjadi separuh dari gaya antara A dan B semula (gaya antara A dan B sebelum adanya bola yang tidak bermuatan). Ia menyimpulkan bahwa gaya F, berbanding lurus dengan muatan-muatannya.

F μ qA qB

Setelah melakukan pengukuran yang sama, Coulomb menyimpulkan hasilnya dalam suatu hukum yang disebut Hukum Coulomb yang berbunyi:

Besarnya gaya antara muatan qA dan muatan qB, yang dip- isahkan oleh jarak r, adalah berbanding lurus dengan besarnya kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan-muatan tersebut.

142          IPA SMP  Kelas IX

Satuan Muatan: coulomb (C)

Muatan suatu benda sangat sulit diukur secara lang- sung. Akan tetapi, Coulomb menunjukkan bahwa besarnya muatan dapat dikaitkan dengan besarnya gaya. Dengan demikian, ia dapat menentukan besarnya muatan yang ter- kait dengan besarnya gaya yang dihasilkan. Satuan muatan dalam SI adalah coulomb (C). Satu coulomb adalah muatan dari 6,25 x 1018 elektron atau proton. Ingat bahwa muatan proton dan elektron adalah sama. Muatan yang dihasilkan ledakan petir besarnya sekitar 10 coulomb. Muatan pada satu elektron hanya 1,60 x10-19 C. Besarnya muatan suatu elektron disebut muatan elementer. Dengan demikian, benda sekecil apapun seperti uang logam pada sakumu mengandung lebih dari satu juta coulomb muatan negatif. Muatan yang dihasil- kan dengan jumlah yang sangat besar ini hampir tidak ada efek eksternalnya sebab diimbangi dengan jumlah muatan positif yang sama. Akan tetapi jika muatan tidak seimbang, muatan yang kecilpun seperti 10-9 C dapat mengakibatkan gaya yang besar.