1. Gejala Listrik Statis Gejala kelistrikan diawali dengan diamatinya benda-benda yang secara tidak terduga mampu saling tarik-menarik. Batang plastik yang sudah digosok-gosokkan ke kain yang halus teramati mampu menarik potongan-potongan kecil kertas. Di alam telah berlangsung gejala kelistrikan yang dahsyat pada saat terjadi petir di angkasa. Petir merupakan gejala kelistrikan yang mengandung energi yang sangat besar dan dapat membahayakan bagi yang dikenainya. Gejala kelistrikan yang diamati pada petir dan pada potongan kertas yang dapat ditarik oleh batang plastik merupakan contoh dari gejala listrik statis. Pengetahuan tentang listrik statis berguna dalam memahami gejala kelistrikan yang lebih luas yang meliputi listrik dinamis dan rangkaian listrik.
Benda Bermuatan Listrik Setiap benda tersusun oleh partikel-partikel yang lebih kecil. Partikel zat yang ukurannya paling kecil dan tidak dapat dibagibagi lagi disebut atom. Namun, atom ternyata terdiri atas bagianbagian yang lebih kecil. Tiap atom tersusun dari inti atom dan elektron. Inti atom (nukleus) terdiri atas proton dan neutron. Adapun, elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasannya dan mendapat gaya tarik inti atom. Partikel yang bermuatan negatif disebut elektron. Partikel yang bermuatan positif disebut proton. Massa proton dan elektron lebih besar dibandingkan dengan massa elektron.
2
Rangkaian Listrik
Gambar 1.1 Atom yang terdiri dari inti dan elektron
Gaya ikat inti terhadap elektron antara bahan satu dengan bahan yang lain berbeda. Karena sesuatu hal, elektron dapat lepas dari lintasannya dan berpindah ke atom lain. Perpindahan elektron tersebut menyebabkan perubahan muatan suatu atom. Berdasarkan hal itu atom dapat berada dalam satu dari tiga keadaan, yaitu bermuatan negatif, bermuatan positif, atau netral. Atom dikatakan bermuatan negatif jika kelebihan elektron, sedangkan atom dikatakan bermuatan positif, jika kekurangan elektron. Adapun, yang dikatakan atom netral jika jumlah proton dan elektronnya sama. Di sini elektron menjadi acuan karena elektronlah yang mudah lepas atau berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Muatan listrik tidak dapat dilihat oleh mata tetapi efeknya dapat dirasakan dan diamati gejalanya. Besar muatan listrik proton dan elektron adalah sama, tetapi jenisnya yang berbeda. Muatan positif (proton) ditandai dengan tanda plus “+“ sedangkan muatan negatif (elektron) ditandai tanda minus “ – “. Tiga buah benda di bawah ini memiliki jumlah muatan yang berbeda. Benda pertama memiliki masing-masing 5 muatan positif dan muatan negatif. Karena jumlah proton (+) sama dengan jumlah elektron (−), maka benda tersebut termasuk benda netral. Benda kedua memiliki 6 muatan positif dan 4 muatan negatif. Benda ini dikatakan bermuatan positif karena jumlah proton (+) lebih banyak daripada jumlah elektron (−) atau benda kekurangan elektron.
Rangkaian Listrik
3
Benda ketiga memiliki 4 muatan positif dan 6 muatan negatif. Benda ini dikatakan bermuatan negatif. Ini karena jumlah proton (+) lebih sedikit daripada jumlah elektron (−) atau benda kelebihan elektron.
(a) (b) (c) Gambar 1.2 (a) benda bermuatan negatif (b) benda netral (c) benda bermuatan positif
Gejala Listrik Statis Mungkinkah kita menarik suatu benda tanpa perlu menyentuhnya? Jika kamu dapat melakukan hal ini tentu saja kamu akan merasa senang dan bangga. Secara fisika dengan berdasarkan pada prinsip listrik statis hal ini mungkin untuk dilakukan. Ya, dengan listrik statis kamu akan dapat menarik benda tanpa perlu menyentuh atau meraihnya. Menarik bukan? Coba kamu siapkan sebuah penggaris mika atau plastik dan potongan atau sobekan kertas yang kecil-kecil. Coba kamu gosokgosokkan penggaris tersebut pada rambut. Setelah itu dekatkan penggaris itu pada sobekan-sobekan kecil kertas. Apa yang terjadi? Sobekan kertas itu akan tertarik ke penggaris dan menempel pada penggaris. Menarik bukan? Bagaimana potongan-potongan kecil kertas dapat menempel di penggaris mika. Pada saat kamu menggosok penggaris ke rambutmu yang kering, ada perpindahan muatan listrik dari rambut ke penggaris. Pada mulanya rambut dan penggaris bersifat netral. Pada saat kamu menggosokkan penggaris pada rambutmu, sejumlah atom di dalam rambutmu terganggu, sejumlah elektron di dalam rambutmu terlepas dan berpindah ke penggarismu. Akibatnya, penggarismu memperoleh tambahan elektron, dan penggarismu itu tidak lagi netral, tetapi memiliki muatan negatif. Rambutmu kehilangan elektron, sehingga rambutmu itu bermuatan positif.
4
Rangkaian Listrik
Ini merupakan salah satu contoh dari suatu gejala listrik statis yang diperoleh dengan cara menggosok. Listrik statis adalah berkumpulnya muatan listrik pada suatu benda. Sekarang coba kamu pikirkan contoh-contoh lain tentang listrik statis.
Saling Pengaruh antara Benda-benda Bermuatan Listrik Apakah yang menyebabkan benda-benda bermuatan listrik positif atau negatif? Mari kita tinjau kembali gejala penggaris yang dapat menarik sobekan kertas yang sudah dibahas sebelumnya. Sebelum kamu menggosok penggaris dengan rambut, muatan listrik penggaris itu netral. Atom-atom penggaris tersebut memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Pada saat kamu menggosok penggaris tersebut dengan rambut, gosokan itu menyebabkan elektron-elektron pindah dari rambut ke penggaris. Dengan membuat lebih banyak elektron terkumpul pada penggaris, kamu memberikan muatan listrik negatif pada penggaris tersebut. Penggaris itu bermuatan negatif, dan rambut tersebut bermuatan positif. Benda-benda seperti penggaris tersebut mendapatkan tambahan elektron, sedangkan rambut kehilangan elektron. Kita mengatakan kedua benda itu dimuati secara listrik statis. dari sini bisa dikatakan bahwa listrik statis adalah terkumpulnya muatanmuatan listrik pada suatu benda. Jadi, benda-benda memperoleh muatan listrik statis akibat kontak atau persentuhan satu sama lain, seperti pada saat kamu menggosok penggaris dengan kain atau rambut. Benda-benda yang bermuatan listrik dapat saling berinteraksi. Interaksi ini dapat berupa tarikan atau tolakan. Sebagaimana potongan kertas kecil yang dapat tertarik dan menempel pada penggaris yang telah bermuatan listrik. Benda-benda bermuatan sejenis akan tolak menolak, sedangkan benda-benda yang bermuatan tidak sejenis akan tarik menarik. Ini juga berarti bahwa ada gaya yang bekerja antara dua atau lebih benda yang bermuatan.
Rangkaian Listrik
5
Gambar 1.3 Benda dengan muatan berbeda akan tarik menarik, sedangkan benda dengan muatan sama akan saling tolak menolak
Hukum Coulomb tentang Muatan Listrik Kamu telah melihat bahwa terdapat interaksi atau gaya di antara benda-benda yang bermuatan. Gaya itu berupa tarik menarik antara dua muatan berbeda jenis atau tolak menolak antara dua muatan yang sejenis. Berdasarkan penelitian diperoleh bahwa besar gaya ini bergantung pada besar muatan dan jarak antara kedua muatan tersebut. Pada tahun 1785 seorang ahli fisika bangsa Perancis yang bernama Charles Coulomb (17361806) telah menyelidiki hubungan antara besaranbesaran tersebut di atas. Jenis peralatan yang digunakan oleh Coulomb tampak pada Gambar. 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. Ketika 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 1.4 Diagram memiliki ukuran yang sama, maka kedua bola Gambar percobaan Coulomb tersebut menerima muatan dengan jumlah yang sama.
6
Rangkaian Listrik
Notasi untuk muatan adalah q. Oleh karena itu, besarnya muatan pada bolabola A dan B dapat dituliskan dengan notasi qA dan qB. Coulomb menemukan bagaimana gaya antara kedua bola yang bermuatan, A dan B tergantung pada jarak tertentu. Pertama ia dengan hatihati mengukur besarnya gaya yang diperlukan untuk memutar kawat yang digantung melalui sudut yang diberikan. Dia kemudian menempatkan muatan Gambar 1.5 charles coulomb 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 tolakan. Colomb menunjukkan bahwa gaya F berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara kedua pusat bola. Secara matematis, hal ini dinyatakan sebagai 1 2 F~ r 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. Secara matematis, hal ini dapat ditulis sebagai
Rangkaian Listrik
7
F ~ qA qB Kesimpulan dari penelitian yang dilakukan oleh Coulomb dapat dinyatakan dengan pernyataan berikut ini. pernyataan ini yang sekarang dikenal sebagai hukum Coulomb. Besarnya gaya antara muatan qA dan muatan qB, yang dipisahkan oleh jarak r, adalah berbanding lurus dengan besarnya kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan-muatan tersebut.
Medan Listrik Sebelumnya telah dibahas bahwa setiap benda bermuatan listrik. Jika benda A yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruang yang di dalamnya sudah ada benda B. Jika benda B bermuatan listrik, benda A akan mengalami gaya listrik juga. Ruang di sekitar A maupun B disebut medan listrik. Jadi, yang dimaksud dengan medan listrik (E) adalah ruangan di sekitar benda bermuatan listrik yang mengalami gaya listrik.
Gambar 1.6 Medan listrik dari suatu muatan listrik
8
Rangkaian Listrik
Jika suatu benda yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruangan, maka dalam ruangan tersebut terdapat medan listrik. Jika benda lain yang bermuatan listrik diletakkan di ruang tersebut, maka kedua benda akan mengalami gaya. Jika muatan kedua benda sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tolak-menolak dan jika kedua benda mempunyai muatan yang tidak sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tarik-menarik. Medan listrik dilukiskan dengan garis-garis gaya listrik yang arahnya dari kutub positif ke kutub negatif. Kuat medan listrik bergantung pada kerapatan garis-garis gaya listrik. Besar kuat medan listrik dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.
Elektroskop Elektroskop adalah alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi muatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 1.7, 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-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga kedua daun elektroskop bermuatan positif dan saling menolak. Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Adapun, 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. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daunGambar 1.7 elektroskop daun elektroskop.
Rangkaian Listrik
9
Perlu dicatat bahwa dengan cara ini, kamu tidak dapat menentukan tanda muatan. Ini 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. Jika benda bermuatan negatif didekatkan, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar. Sebaliknya, 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).
Gambar 1.8 Elektroskop konduksi
Pengosongan Muatan Listrik Pada saat hujan turun, terkadang kamu akan melihat petir? 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 gedunggedung 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?
10
Rangkaian Listrik
Gambar 1.9 Petir yang terlihat di angkasa
Petir merupakan gejala alam yang timbul karena berkumpulnya sejumlah besar elektron 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. 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. Pengosongan terjadi apabila tersedia suatu jalan bagi elektronelektron 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
Rangkaian Listrik
11
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 1.9.
Gambar 1.9 Proses terjadinya petir
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. Penangkal petir, melindungi rumah dan bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang besar di dalam petir. Penangkal petir ini menyediakan suatu jalan aman, melalui 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 1.10. Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan listrik statis yang tidak menimbulkan kerusakan.
Gambar 1.10 Gedung yang dilengkapi penangkal petir
12
Rangkaian Listrik
Generator Van de Graff Generator Van de Graff adalah mesin pembangkit listrik yang biasa dipakai untuk penelitian di laboratorium. Salah satu contoh generator Van de Graff yang ada di Indonesia terdapat di Pusat Peragaan Iptek di Taman Mini Indonesia Indah. Meskipun jarang ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, kamu dapat mengetahui perihal generator tersebut melalui uraian berikut. Generator Van de Graff terdiri atas: a. dua ujung runcing yang terdapat di bagian atas dan bawah, b. sebuah silinder logam yang terdapat di bagian bawah, c. sebuah silinder polietilen yang terdapat di bagian atas, d. sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder, e. konduktor berongga berbentuk bola (kubah).
Gambar 1.11 Generator van de Graff
Generator Van de Graff prinsip kerjanya sama dengan menghasilkan muatan listrik dengan cara menggosok (metode gesekan). Gesekan antara sabuk karet dengan silinder logam bagian bawah menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet. Gesekan antara sabuk karet dengan silinder politilen bagian atas menimbulkan muatan listrik positif pada sabuk karet. Gerakan sabuk karet ke atas membawa muatan negatif mengalir ke kubah
Rangkaian Listrik
13
melalui ujung runcing di bagian atas. Elektron akan tersebar menempati seluruh permukaan kubah. Pada kubah bagian dalam tidak terdapat elektron. Adapun, gerakan sabuk karet ke bawah membawa muatan positif. Muatan positif sabuk karet ini mengalir melalui ujung runcing bawah ke tanah untuk dinetralkan. Silinder logam bawah dijalankan dengan motor listrik, sehingga sabuk karet terus-menerus bergerak, menghasilkan muatan negatif mengalir ke kubah, sehingga terbentuk muatan listrik yang besar pada kubah generator Van de Graff.
Mesin Fotokopi Pasti kamu sering pergi ke kios fotokopi, bukan? Kamu seringkali perlu memfotokopi dokumen seperti kartu pelajar, akta kelahiran, atau buku. Kamu tentu sudah merasakan pentingnya mesin fotokopi dalam kehidupan kita. Dengan mesin fotokopi kita dapat dengan mudah memperbanyak sebuah dokumen. Tahukah kamu bahwa mesin fotokopi bekerja berdasarkan prinsip listrik statis?
Gambar 1.12 Mesin fotokopi dapat dijumpai di kantor-kantor. Mesin fotokopi digunakan untuk memperbanyak dokumen
14
Rangkaian Listrik
Mesin fotokopi adalah peralatan kantor yang membuat salinan ke atas kertas dari dokumen, buku, dan sumber lain. Mesin fotokopi zaman sekarang menggunakan xerografi, sebuah proses kering yang bekerja dengan bantuan listrik dan panas. Mesin fotokopi lainnya dapat menggunakan tinta.
Gambar 1.13 Mesin fotokopi modern sekarang juga dapat digunakan untuk mencetak dokumen dari komputer, menscan gambar, dan mengirim faksimili.
Secara ringkas proses yang terjadi di dalam mesin fotokopi adalah sebagai berikut. Lampu expose menghasilkan cahaya yang sangat terang untuk menyinari dokumen yang sudah diletakkan di atas kaca dengan posisi terbalik ke bawah pada kaca. Gambar pada dokumen kemudian akan dipantulkan melalui lensa, kemudian lensa akan mengarahkan gambar tersebut ke arah tabung drum. Tabung drum adalah silinder dari bahan aluminium yang dilapisi selenium yang sangat sensitif terhadap cahaya.
Rangkaian Listrik
15
Gambar yang lebih terang pada permukaan drum akan mengakibatkan elektron-elektron muncul dan menetralkan ion-ion positif yang dihasilkan oleh kawat pijar (corona wire) sebelah atas drum (kawat 1), sehingga pada permukaan yang terang tidak ada elektron yang yang bermuatan, sedangkan pada cahaya yang yang lebih gelap akan menghasilkan tidak terjadi perubahan muatan, tetap bermuatan positif. Serbuk berwarna hitam (toner) bermuatan positif yang berada pada developer, akan tertarik oleh ion positif pada permukaan drum. Tegangan tinggi DC yang diberikan pada kawat pijar (corona wire) membuat drum bermuatan positif, kawat pijar (corona wire) terdapat dua buah, satu terdapat diatas drum (kawat 1), dan di bawah drum (kawat 2). Selembar kertas yang dilewatkan di bawah drum ketika drum berputar, sebelum kertas mencapai drum terlebih dahulu kertas dijadikan bermuatan positif oleh kawat 2, sehingga toner yang menempel pada kertas akan tertarik dengan sangat kuat ke kertas, karena gaya tarik muatan positif pada kertas lebih kuat dari pada muatan positif pada drum ditambah lagi dengan gaya gravitasi Berikutnya kertas akan di lewatkan melalui dua buah rol panas yang bertekanan, panas dari kedua rol tersebut akan melelahkan toner yang kemudian akan menempel erat ke kertas.peristiwa ini akan menghasilkan copian atau salinan gambar yang sama persis dengan aslinya. Setelah toner turun ke kertas drum akan terus berputar sampai melewati blade (cleaning blade) pembersih drum kemudian melalui kawat 1 (primary corona wire), sehingga drum kembali bermuatan positif dan siap kembali disinari terus berulang-ulang.
