MUATAN LISTRIK

1.         Muatan listrik

Setelah digosok dengan kain, kaca bisa menarik kripik. Setelah digosok pada rambut kering, sisir bisa menarik potongan-potongan kertas. Setelah digosokkan dengan kain, dua batang plastik yang didekatkan satu sama lain, saling bergerak menjahui atau tolak menolak. Sebaliknya batang plastik dan batang kaca yang didekatkan satu sama lain bergerak mendekati atau saling menarik… Bagaimana menjelaskan hal ini ?

Sebelum adanya teori atom atau kajian mengenai struktur materi, para ilmuwan mengatakan bahwa kaca atau plastik atau amber atau sisir atau benda apapun yang menunjukkan gejala yang sama dikatakan “bermuatan” akibat adanya proses penggosokan. Setelah mengalami proses penggosokan, benda seperti sisir atau plastik atau kaca sepertinya “memuati” sesuatu sehingga bisa bertingkah aneh Kalau tidak digosok, sisir atau plastik atau kaca tampak bisa-biasa saja. Nah, orang yunani kuno lebih dahulu mengamati gejala ini pada amber dan berdasarkan eksperimen, gejala yang ditunjukkan oleh plastik atau kaca juga mirip seperti yang dialami oleh amber, maka para ilmuwan menamakannya “muatan listrik”. Kata listrik (electric) di sini berasal dari kata yunani elektron, yang berarti amber. Dinamakan sesuai nama benda yang menunjukkan gejalanya. Jadi adanya proses penggosokan menyebabkan benda seperti kaca atau plastik atau amber mempunyai “muatan listrik” total.

2.         Jenis muatan listrik

Apakah muatan listrik yang dimiliki kaca dan plastik sama ? berdasarkan percobaan di atas, ketika dua batang plastik yang bermuatan didekati satu sama lain, keduanya saling menolak atau saling menjahui. Demikian juga ketika dua batang kaca yang bermuatan didekatkan satu sama lain, keduanya juga saling menolak atau saling menjahui. Sebaliknya ketika batang kaca yang bermuatan didekatkan dengan batang plastik yang bermuatan, keduanya saling tarik menarik atau saling mendekati.

Karena jenis bendanya sama, yakni plastik, maka kita bisa menyimpulkan bahwa jenis muatan listrik pada kedua batang plastik pasti sama. Demikian juga karena bendanya sama, yakni kaca, maka kita bisa menyimpulkan bahwa jenis muatan listrik pada kedua batang kaca pasti sama. Dalam hal ini, ada dua jenis muatan yang berbeda, yakni muatan listrik seperti pada plastik yang digosok dan muatan listrik seperti pada kaca yang digosok.

Dua batang kaca yang didekatkan, saling menjahui atau tolak menolak, demikian juga dua batang plastik yang didekatkan, saling menjahui atau tolak menolak, maka bisa disimpulkan bahwa muatan yang sejenis tolak menolak. Sebaliknya batang kaca dan plastik yang didekatkan saling tarik menarik atau bergerak mendekati satu sama lain maka bisa disimpulkan bahwa muatan yang tak sejenis saling tarik menarik.

Apakah benar hanya ada dua jenis muatan listrik ? mungkinkah ada jenis muatan listrik lain ? untuk mengetahui hal ini, tentu harus dilakukan eksperimen. Dirimu bisa melakukan berbagai eksperimen untuk mengetahui hal ini. Sesuai dengan eksperimen yang dilakukan para ilmuwan, diketahui bahwa hanya ada dua jenis muatan listrik, yakni muatan listrik seperti pada kaca yang digosok dan muatan listrik seperti pada plastik yang digosok. Mengapa hanya ada dua jenis muatan listrik ?

Seorang negarawan, filsuf dan ilmuwan Amerika serikat, yakni Benjamin Franklin (1706 – 1790) mengemukakan sebuah model untuk menjelaskan hal ini. Menurutnya, secara normal setiap benda memiliki sejumlah muatan listrik. Apabila sebuah benda digosokkan dengan benda lainnya maka akan terjadi perpindahan muatan listrik dari satu benda ke benda lainnya. Karena adanya perpindahan muatan listrik maka salah satu benda menjadi kelebihan muatan listrik, sedangkan benda lainnya menjadi kekurangan muatan listrik dalam jumlah yang sama. Om Franklin menggambarkan muatan listrik yang dihasilkan pada proses penggosokan dengan tanda positif dan tanda negatif. Dia memilih muatan listrik seperti pada kaca yang digosok dengan kain sebagai muatan positif. Jadi ketika kaca digosok dengan kain, kaca menerima muatan positif sedangkan kain menerima muatan negatif, dalam jumlah yang sama. Jenis muatan pada kaca berbeda dengan jenis muatan pada plastik;  karena muatan pada kaca bertanda positif maka muatan pada plastik bertanda negatif. Jadi ketika plastik digosok dengan kain, plastik menerima muatan negatif sedangkan kain menerima muatan positif dalam jumlah yang sama.

3.         Muatan listrik dan Struktur materi

Pemahaman mengenai muatan listrik disempurnakan setelah munculnya kajian mengenai struktur materi. Setiap materi di alam semesta tersusun dari atom-atom yang bersifat netral secara kelistrikan (tidak ada muatan listrik total). Setiap atom tersusun dari tiga partikel, yakni proton yang bermuatan positif, neutron yang bermuatan netral dan elektron yang bermuatan negatif. Setiap atom mempunyai suatu inti kecil yang padat, yang tersusun dari proton dan neutron. Bayangkan saja jika diameter atom beberapa kilometer maka ukuran inti atom kira-kira seperti bola pimpong. Inti atom yang netral dikelilingi oleh elektron yang jumlahnya sama dengan jumlah proton.

Muatan proton dan elektron sama besar dan berlawanan tanda. Dalam atom netral, jumlah muatan proton dan elektron sama dengan nol. Banyaknya proton atau elektron dalam sebuah atom netral suatu unsur dinamakan nomor atom (Z) dari unsur tersebut. Apabila satu atau lebih elektron dalam sebuah atom dihilangkan (maksudnya dipindahkan ke atom lain) maka atom tersebut dinamakan ion positif. Sebaliknya jika sebuah atom mendapatkan tambahan satu atau lebih elektron maka atom tersebut dinamakan ion negatif. Proses di mana suatu atom mendapat tambahan elektron atau kehilangan elektron dinamakan ionisasi. Sekian dulu ulasan mengenai atom…

Apabila jumlah proton dalam suatu benda, misalnya kaca atau plastik atau sisir, sama dengan jumlah elektron dalam benda tersebut, maka benda tersebut bersifat netral secara kelistrikan. Untuk membuat sebuah benda menjadi bermuatan negatif, maka kita bisa menambahkan sejumlah elektron pada benda tersebut. Sebaliknya untuk membuat sebuah benda bermuatan positif maka kita bisa menghilangkan sejumlah elektron dari benda tersebut. Mengapa kita menambahkan atau menghilangkan elektron, bukan proton ? Hal ini disebabkan karena elektron lebih mudah berpindah-pindah. Dalam pembahasan sebelumnya sudah dijelaskan bahwa proton berada dalam inti atom, sebaliknya elektron berada di luar inti atom. Karena berada di luar maka elektron lebih mudah berpindah-pindah atau dipindahkan.

Sekarang kita kembali ke pembahasan awal. Dalam ulasan sebelumnya dijelaskan bahwa ketika kaca digosokkan dengan kain, kaca menjadi bermuatan positif sedangkan kain menjadi bermuatan negatif. Perhatikan bahwa pada mulanya kaca atau kain bersifat netral secara kelistrikan. Ini berarti jumlah proton dan elektron dalam kaca sama besar. Demikian juga jumlah proton dan elektron dalam kain sama besar. Nah, setelah kaca digosokkan dengan kain, kaca menjadi bermuatan positif sedangkan kain menjadi bermuatan negatif. Ini bisa diartikan bahwa ketika kaca digosokkan dengan kain, sejumlah elektron pada kaca berpindah menuju kain. Karena kaca kehilangan sejumlah elektron maka kaca menjadi bermuatan positif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada kaca adalah positif. Sebaliknya kain menerima tambahan elektron sehingga kain menjadi bermuatan negatif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada kain adalah negatif.

Sebelumnya dijelaskan juga bahwa ketika plastik digosokkan dengan kain, plastik menjadi bermuatan negatif, sedangkan kain menjadi bermuatan positif. Pada mulanya plastik dan kain bersifat netral secara kelistrikan. Artinya jumlah proton dan elektron pada plastik sama besar. Demikian juga jumlah proton dan elektron pada kain sama besar. Setelah plastik digosokkan dengan kain, plastik menjadi bermuatan negatif sedangkan kain menjadi bermuatan positif. Hal ini bisa diartikan bahwa ketika plastik digosokkan dengan kain, sejumlah elektron pada kain berpindah menuju plastik. Karena plastik mendapat tambahan sejumlah elektron maka plastik menjadi bermuatan negatif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada plastik adalah negatif. Sebaliknya kain kehilangan sejumlah elektron sehingga kain mejadi bermuatan positif. Dalam hal ini, muatan listrik total pada kain adalah positif.

4.         Kekekalan muatan listrik

Ketika benda saling bergesekkan, elektron berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Akibatnya benda yang menerima sejumlah elektron menjadi bermuatan negatif (muatan listrik totalnya negatif) sedangkan benda yang kehilangan sejumlah elektron menjadi bermuatan positif (muatan listrik totalnya positif). Perhatikan bahwa pada mulanya benda-benda ini bersifat netral secara kelistrikan (muatan listrik total = 0). Setelah bergesekkan, salah satu benda mendapat muatan positif sedangkan benda yang lain mendapat muatan negatif. Walaupun tandanya berbeda tetapi jumlah muatan listrik total yang dimiliki masing-masing benda tersebut sama. Tahu dari mana kalau jumlah muatan listrik total yang dimiliki masing-masing benda sama ? karena jumlah elektron yang berpindah sama.

Dalam proses ini muatan tidak diciptakan, dalam arti muatan tidak muncul dari ketiadaan. Muatan sudah dimiliki oleh masing-masing benda tersebut, yang pada mulanya netral secara kelistrikan (muatan listrik totalnya nol). Walaupun setelah bergesekkan, salah satu benda menjadi bermuatan positif sedangkan benda yang lain menjadi bermuatan negatif, tetapi karena jumlah muatannya sama, sedangkan tandanya berbeda, maka jika dijumlahkan hasilnya nol. Muatan listrik tidak diciptakan, muatan listrik hanya mengalami perpindahan. Dalam hal ini, muatan listrik selalu kekal. Ini dikenal dengan julukan Hukum kekekalan muatan listrik. Btw, bedakan antara muatan listrik dengan muatan listrik total 

5.         Distribusi muatan listrik

Medan listrik tidak perlu hanya ditimbulkan oleh satu muatan listrik, melainkan dapat pula ditimbulkan oleh lebih dari satu muatan listrik, bahkan oleh distribusi muatan listrik baik yang diskrit maupun kontinu. Contoh-contoh distribusi muatan listrik misalnya:

• kumpulan titik-titik muatan
• kawat panjang lurus berhingga dan tak-berhingga
• lingkaran kawat
• pelat lebar berhingga atau tak-berhingga
• cakram tipis dan cincin
• bentuk-bentuk lain

-       Kumpulan titik-titik muatan

Untuk titik-titik muatan yang tersebar dan berjumlah tidak terlalu banyak, medan listrik pada suatu titik (dan bukan pada salah satu titik muatan) dapat dihitung dengan menjumlahkan vektor medan listrik di titik tersebut akibat oleh masing-masing muatan. Dalam kasus ini lebih baik dituliskan

Yang dibaca, medan listrik di titik akibat adanya muatan  yang terletak di . Dengan demikian medan listrik di titik akibat seluruh muatan yang tersebar dituliskan sebagai

 

 

di mana N    adalah jumlah titik muatan. Sebagai ilustrasi, misalnya ingin ditentukan besarnya medan listrik pada titik P yang merupakan perpotongan kedua diagonal suatu bujursangkar bersisi R, di mana terdapat oleh empat buat muatan titik yang terletak pada titik sudut-titik sudut bujursangkar tersebut. Untuk kasus ini misalkan bahwa q1=q2 =+Q dan q1=q2 = -Q dan ambil pusat koordinat di titik P (0,0) untuk memudahkan. Untuk kasus dua dimensi seperti ini, bisa dituliskan pula

 

yang akan memberikan

 

 

 

 

 

 

 

 

      sehingga

 

 

 

yang menghasilkan bahwa medan listrik pada titik tersebut adalah nol.

-          Kawat panjang lurus

 

Kawat panjang lurus merupakan salah satu bentuk distribusi muatan yang menarik karena bila panjangnya diambil tak-hingga, perhitungan muatan di suatu jarak dari kawat dan terletak di tengah-tengah panjangnya, menjadi amat mudah.

Untuk suatu kawat yang merentang lurus pada sumbu X, pada jarak z di atasnya, dengan kawat merentang dari  -α sampai b dari titik proyeksi P pada kawat, medan listrik di titik tersebut dapat dihitung besarnya, yaitu:

Seperti telah disebutkan di atas, apabila dan maka dengan menggunakan dalil L'Hospital diperoleh

Atau bila kawat diletakkan sejajar dengan sumbu-z dan bidang x-y ditembus kawat secara tegak lurus, maka medan listrik di suatu titik berjarak r dari kawat, dapat dituliskan medan listriknya adalah

dengan  ρ adalah vektor satuan radial dalam koordinat silinder:

 

di mana ϕ adalah sudut yang dibentuk dengan sumbu-x positif.

Referensi :
Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I  (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
Tipler, P.A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penebit Erlangga.
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2002. Fisika Universitas (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.