BAB VII LISTRIK STATIS
BAB 7. LISTRIK STATIS
A. Benda Bermuatan Listrik
Semua Benda tersusun oleh partikel. Partikel dipecah lagi menjadi bagian
yang disebut atom. Atom tersusun dari inti atom dan elektron. Inti atom terdiri
atas proton dan neutron. Adapun elektron bergerak mengelilingi inti atom pada
lintasannya dan mendapat gaya tarik inti atom.
Partikel yang bermuatan positif disebut proton. Partikel bermuatan negatif
disebut elektron. Sedangkan neutron merupakan partikel yang tidak
bermuatan.
Atom dikatakan bermuatan positif jika pada suatu atom
jumlah protonnya lebih banyak atau jumlah elektronnya lebih
sedikit. Dikatakan bermuatan negatif jika elektron lebih
banyak. Dan dikatan netral apabila jumlah elektron dan
proton seimbang.
Muatan listrik dilambangkan dengan huruf Q (satuan SInya adalah coulomb “C”)
B. Membuat Benda Bermuatan Listrik
Perhatikan gambar disamping!.
Ketika penggaris plastik digosok dengan kain wool, maka
elektron-elektron dari kain wool berpindah ke penggaris plastik,
sehingga penggaris plastik tersebut bermuatan listrik negatif.
Ketika batang kaca digosok dengan kain sutera, elektron-elektron pada batang kaca tersebut berpindah ke kain
sutera, sehingga batang kaca bermuatan positif
Ketika ebonit digosok dengan kain wool, maka elektron-elektron dari kain wool berpindah ke ebonit, sehingga
ebonit tersebut bermuatan listrik negatif.
Perhatikan tabel dibawah ini.
C. Sifat-sifat Muatan Listrik
Dua muatan yang sejenis apabila didekatkan maka akan tolak menolak
Dua muatan yang tidak sejenis apabila didekatkan maka akan tarik menarik
D. Hukum Coulomb
Hukum Coulomb ditemukan oleh ilmuan fisika dari Prancis yang bernama
Charles Augustin de Coulomb pada tahun 1785. Ia meneliti hubungan gaya listrik
dengan dua muatan dan jarak antara keduanya dengan menggunakan neraca puntir.
Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antara dua muatan listrik disebut
gaya coulomb (Fc). Apabila dua muatan yang berdekatan jenis muatannya sama, maka
gaya coulombnya berupa gaya tolak menolak. Sebaliknya, dua muatan yang
berdekatan dan memiliki muatan yang berbeda, maka gaya Coulombnya berupa gaya
tarik-menarik. Besar gaya coulomb bergantung pada:
1. Besar masing-masing muatan (Q1 dan Q2)
2. Kuadrat jarak antara dua muatan (r2)
Hukum coulomb: “Besar gaya tolak-menolak atau gaya tarik menarik antara dua benda bermuatan listrik,
berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara
kedua benda bermuatan”.
Secara matematik hukum Coulomb dirumuskan:
Fc =k
Q1 ×Q2
r
2
dengan:
Fc = gaya tolak-menolak atau tarik-menarik dalam satuan newton (N)
Q1 = besar muatan pertama dalam satuan coulomb (C)
Q2 = besar muatan kedua dalam satuan coulomb (C)
r = jarak antara dua benda bermuatan dalam satuan meter (m)
k = konstanta pembanding (besarnya 9 x 109 Nm2/ C2
Contoh soal:
1. Dua muatan sejenis besarnya + 2 x 10-6 C dan + 6 x 10-4 C. Jika jarak kedua muatan 6 cm, berapakah gaya
Coulomb yang dialami kedua muatan?
penyelesaian:
Diketahui:
Q1 = 2 x 10-6 C
Q2 = 6 x 10-4 C
r = 6 cm = 6 x 10-2 m
Ditanyakan:
Fc?
Jawab:
Fc =k
Q1 ×Q2
r2
6 ×10
( ¿¿−2)2
2 ×10−6 ×6 × 10−4
Fc =9 ×109
¿
9
Fc =
−6
−4
9 ×10 × 2× 10 × 6 ×10
=3 x 103 N
−4
36 ×10
2. Dua buah muatan besarnya Q1 dan Q2 berada pada jarak r memiliki gaya Coulomb sebesar Fc. Berapakah besar
gaya Coulomb, jika:
a. Muatan pertama diperbesar 6 kali?
Jawab:
Pada kondisi muatan diperbesar:
Q1 = 6 Q1 menyebabkan gaya Coulomb berubah menjadi F’, berlaku
F' =k
Q1 ×Q2
F' =6 k
r
F' =k
2
Q 1 ×Q2
r
2
6 Q 1 ×Q2
r
2
'
F =6 F c
b. Jarak kedua muatan diperbesar 4 kali?
Jawab:
Pada kondisi jarak diperbesar r’ = 4r, menyebabkan gaya coulomb berubah jadi F’ berlaku
'
F =k
Q1 ×Q 2
' 2
(r )
r
4¿
¿
¿
6
Q 1 ×Q2
F' =k
¿
F' =k
Q1 ×Q2
16 r
2
1 Q1 ×Q2
k
2
16
r
1
F' = F c
16
F' =
E. Penerapan Listrik Statis
1. Petir
Sebelum hujan badai, awan dalam kondisi netral. Ketika hujan badai, terjadi gesekan antara partikel-partikel
awan dengan udara sehingga menyebabkan awan bermuatan listrik. Jika awan melewati gedung yang tinggi,
muatan negatif di dasar awan akan menginduksi bangunan gedung hingga muatan positif bergerak ke atas
terkumpul di puncak gedung. Adapun muatan negatif ditolak ke dasar gedung. Perbedaan muatan antara awan
dengan puncak gedung menyebabkan medan listrik. Jika muatan pada awan bertambah, gaya elektrostatis akan
memaksa muatan negatif meloncat tiba-tiba dari dasar awan ke puncak gedung disertai bunga api listrik yang
disebut petir. Loncatan muatan melalui udara menghasilkan cahaya kuat dan panas yang menyebabkan udara
memuai secara mendadak dan pemuaian tersebut menghasilkan bunyi ledakan menggelegar yang disebut Guntur.
Orang yang pertama kali menyatakan bahwa petir adalah listrik statis adalah Benjamin Franklin pada tahun
1700. Dalam penyelidikannya dia menyatakan bahwa listrik statis dapat bergerak cepat pada bahan tertentu dan
permukaan runcing lebih banyak menarik elektron dari pada benda yang datar. Maka dari itu, bangunan yang
tinggi biasanya dipasang penangkal petir karena rentan tersambar petir. Penangkal petir terbuat dari tembaga yang
berujung runcing dan dipasang pada ujung bangunan.
Gambar proses terjadinya petir
2. Generator Van de Graff
GVdG adalah mesin pembangkit listrik yang biasa dipakai untuk penelitian di laboratorium. Meskipun jarang
ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, kamu dapat mengetahui GVdG melalui uraian berikut.
GVdG terdiri atas:
Dua ujung runcing yang terdapat dibagian atas dan bawah
Sebuah silinder logam yang terdapat di bagian bawah
Sebuah silinder politilen yang terdapat di bagian atas
Sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder
Konduktor berongga berbentuk bola (sebagai kutub)
GVdG pinsip kerjanya sama dengan menghasilkan muatan listrik dengan cara menggosok (metode gesekan).
Gesekan antara sabuk karet dengan silinder logam bagian bawah menimbulkan muatan negatif pada sabuk
karet. Gesekan sabuk karet dengan silinder politilen bagian atas menimbulkan muatan positif pada sabuk karet.
Gesekan sabuk karet ke atas membawa muatan negatif ke kubahmelalui ujung runcing di bagian atas. Elektron
akan tersebar menempati seluruh permukaan kubah. Pada kubah bagian dalam tidak terdapat elektron, adapun
disamping itu gerakan sabuk karet ke bawah membawa muatan positif. Muatan positif ini mengalir melalui
ujung runcing bawah ke tanah untuk dinetralkan. Silinder logam bawah dijalankan dengan motor listrik,
sehingga sabuk karet terus menerus bergerak dan menghasilkan muatan negatif mengalir ke kubah, sehingga
terbentuk muatan listrik yang besar pada kubah.
A. Benda Bermuatan Listrik
Semua Benda tersusun oleh partikel. Partikel dipecah lagi menjadi bagian
yang disebut atom. Atom tersusun dari inti atom dan elektron. Inti atom terdiri
atas proton dan neutron. Adapun elektron bergerak mengelilingi inti atom pada
lintasannya dan mendapat gaya tarik inti atom.
Partikel yang bermuatan positif disebut proton. Partikel bermuatan negatif
disebut elektron. Sedangkan neutron merupakan partikel yang tidak
bermuatan.
Atom dikatakan bermuatan positif jika pada suatu atom
jumlah protonnya lebih banyak atau jumlah elektronnya lebih
sedikit. Dikatakan bermuatan negatif jika elektron lebih
banyak. Dan dikatan netral apabila jumlah elektron dan
proton seimbang.
Muatan listrik dilambangkan dengan huruf Q (satuan SInya adalah coulomb “C”)
B. Membuat Benda Bermuatan Listrik
Perhatikan gambar disamping!.
Ketika penggaris plastik digosok dengan kain wool, maka
elektron-elektron dari kain wool berpindah ke penggaris plastik,
sehingga penggaris plastik tersebut bermuatan listrik negatif.
Ketika batang kaca digosok dengan kain sutera, elektron-elektron pada batang kaca tersebut berpindah ke kain
sutera, sehingga batang kaca bermuatan positif
Ketika ebonit digosok dengan kain wool, maka elektron-elektron dari kain wool berpindah ke ebonit, sehingga
ebonit tersebut bermuatan listrik negatif.
Perhatikan tabel dibawah ini.
C. Sifat-sifat Muatan Listrik
Dua muatan yang sejenis apabila didekatkan maka akan tolak menolak
Dua muatan yang tidak sejenis apabila didekatkan maka akan tarik menarik
D. Hukum Coulomb
Hukum Coulomb ditemukan oleh ilmuan fisika dari Prancis yang bernama
Charles Augustin de Coulomb pada tahun 1785. Ia meneliti hubungan gaya listrik
dengan dua muatan dan jarak antara keduanya dengan menggunakan neraca puntir.
Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antara dua muatan listrik disebut
gaya coulomb (Fc). Apabila dua muatan yang berdekatan jenis muatannya sama, maka
gaya coulombnya berupa gaya tolak menolak. Sebaliknya, dua muatan yang
berdekatan dan memiliki muatan yang berbeda, maka gaya Coulombnya berupa gaya
tarik-menarik. Besar gaya coulomb bergantung pada:
1. Besar masing-masing muatan (Q1 dan Q2)
2. Kuadrat jarak antara dua muatan (r2)
Hukum coulomb: “Besar gaya tolak-menolak atau gaya tarik menarik antara dua benda bermuatan listrik,
berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara
kedua benda bermuatan”.
Secara matematik hukum Coulomb dirumuskan:
Fc =k
Q1 ×Q2
r
2
dengan:
Fc = gaya tolak-menolak atau tarik-menarik dalam satuan newton (N)
Q1 = besar muatan pertama dalam satuan coulomb (C)
Q2 = besar muatan kedua dalam satuan coulomb (C)
r = jarak antara dua benda bermuatan dalam satuan meter (m)
k = konstanta pembanding (besarnya 9 x 109 Nm2/ C2
Contoh soal:
1. Dua muatan sejenis besarnya + 2 x 10-6 C dan + 6 x 10-4 C. Jika jarak kedua muatan 6 cm, berapakah gaya
Coulomb yang dialami kedua muatan?
penyelesaian:
Diketahui:
Q1 = 2 x 10-6 C
Q2 = 6 x 10-4 C
r = 6 cm = 6 x 10-2 m
Ditanyakan:
Fc?
Jawab:
Fc =k
Q1 ×Q2
r2
6 ×10
( ¿¿−2)2
2 ×10−6 ×6 × 10−4
Fc =9 ×109
¿
9
Fc =
−6
−4
9 ×10 × 2× 10 × 6 ×10
=3 x 103 N
−4
36 ×10
2. Dua buah muatan besarnya Q1 dan Q2 berada pada jarak r memiliki gaya Coulomb sebesar Fc. Berapakah besar
gaya Coulomb, jika:
a. Muatan pertama diperbesar 6 kali?
Jawab:
Pada kondisi muatan diperbesar:
Q1 = 6 Q1 menyebabkan gaya Coulomb berubah menjadi F’, berlaku
F' =k
Q1 ×Q2
F' =6 k
r
F' =k
2
Q 1 ×Q2
r
2
6 Q 1 ×Q2
r
2
'
F =6 F c
b. Jarak kedua muatan diperbesar 4 kali?
Jawab:
Pada kondisi jarak diperbesar r’ = 4r, menyebabkan gaya coulomb berubah jadi F’ berlaku
'
F =k
Q1 ×Q 2
' 2
(r )
r
4¿
¿
¿
6
Q 1 ×Q2
F' =k
¿
F' =k
Q1 ×Q2
16 r
2
1 Q1 ×Q2
k
2
16
r
1
F' = F c
16
F' =
E. Penerapan Listrik Statis
1. Petir
Sebelum hujan badai, awan dalam kondisi netral. Ketika hujan badai, terjadi gesekan antara partikel-partikel
awan dengan udara sehingga menyebabkan awan bermuatan listrik. Jika awan melewati gedung yang tinggi,
muatan negatif di dasar awan akan menginduksi bangunan gedung hingga muatan positif bergerak ke atas
terkumpul di puncak gedung. Adapun muatan negatif ditolak ke dasar gedung. Perbedaan muatan antara awan
dengan puncak gedung menyebabkan medan listrik. Jika muatan pada awan bertambah, gaya elektrostatis akan
memaksa muatan negatif meloncat tiba-tiba dari dasar awan ke puncak gedung disertai bunga api listrik yang
disebut petir. Loncatan muatan melalui udara menghasilkan cahaya kuat dan panas yang menyebabkan udara
memuai secara mendadak dan pemuaian tersebut menghasilkan bunyi ledakan menggelegar yang disebut Guntur.
Orang yang pertama kali menyatakan bahwa petir adalah listrik statis adalah Benjamin Franklin pada tahun
1700. Dalam penyelidikannya dia menyatakan bahwa listrik statis dapat bergerak cepat pada bahan tertentu dan
permukaan runcing lebih banyak menarik elektron dari pada benda yang datar. Maka dari itu, bangunan yang
tinggi biasanya dipasang penangkal petir karena rentan tersambar petir. Penangkal petir terbuat dari tembaga yang
berujung runcing dan dipasang pada ujung bangunan.
Gambar proses terjadinya petir
2. Generator Van de Graff
GVdG adalah mesin pembangkit listrik yang biasa dipakai untuk penelitian di laboratorium. Meskipun jarang
ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, kamu dapat mengetahui GVdG melalui uraian berikut.
GVdG terdiri atas:
Dua ujung runcing yang terdapat dibagian atas dan bawah
Sebuah silinder logam yang terdapat di bagian bawah
Sebuah silinder politilen yang terdapat di bagian atas
Sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder
Konduktor berongga berbentuk bola (sebagai kutub)
GVdG pinsip kerjanya sama dengan menghasilkan muatan listrik dengan cara menggosok (metode gesekan).
Gesekan antara sabuk karet dengan silinder logam bagian bawah menimbulkan muatan negatif pada sabuk
karet. Gesekan sabuk karet dengan silinder politilen bagian atas menimbulkan muatan positif pada sabuk karet.
Gesekan sabuk karet ke atas membawa muatan negatif ke kubahmelalui ujung runcing di bagian atas. Elektron
akan tersebar menempati seluruh permukaan kubah. Pada kubah bagian dalam tidak terdapat elektron, adapun
disamping itu gerakan sabuk karet ke bawah membawa muatan positif. Muatan positif ini mengalir melalui
ujung runcing bawah ke tanah untuk dinetralkan. Silinder logam bawah dijalankan dengan motor listrik,
sehingga sabuk karet terus menerus bergerak dan menghasilkan muatan negatif mengalir ke kubah, sehingga
terbentuk muatan listrik yang besar pada kubah.