Konsep Listrik Statis, Rumus dan Contoh Soal

Konsep Listrik Statis, Rumus dan Contoh Soal - Listrik statis adalah sebuah fenomena benda melepaskan elektron, listrik statis dapat terjadi karena adanya energi dari luar. Energi ini bisa berupa energi panas (digosok), energi couloumb (Induksi) dan energi listrik (dialiri arus listrik). Jadi untuk bisa menghasilkan gejala listrik statis kita bisa menggunakan ketiga cara tersebut, listrik statis sering juga disebut listrik yang diam.

Konsep Listrik Statis

Daftar Isi

1. Muatan Listrik
2. Hukum Coulomb
3. Medan Listrik
4. Beda Potensial dan Energi listrik
5. Kelistrikan pada Sel Saraf
6. Hantaran Listrik
7. Hewan-hewan Penghasil Listrik

Muatan Listik

Untuk memahami konsep listrik statis kita harus pahami dengan baik tentang konsep atom, bisa anda baca lebih lengkap di Atom dan Partikel Penyusunnya. Atom tersusun atas partikel subatom yaitu proton (bermuatan positif), neutron (tidak bermuatan), dan elektron (bermuatan negatif). Listrik sangat erat kaitannya dengan elektron dan proton. Karena neutron tidak bermuatan, maka neutron tidak memainkan peran dalam listrik. Elektron adalah partikel penyusun atom yang bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom (nukleus). Atom yang kelebihan elektron akan menjadi bermuatan negatif dan disebut sebagai ion negatif, contohnya Cl^-, (OH)^-, dan O^2-. Atom yang kekurangan elektron akan menjadi bermuatan positif dan disebut sebagai ion positif, contohnya H⁺, Na⁺, dan Mg²⁺.

Jika benda bermuatan listrik positif didekatkan dengan benda bermuatan listrik negatif maka akan saling tarik menarik. Sebaliknya, jika benda bermuatan listrik positif didekatkan dengan benda bermuatan listrik positif, atau benda bermuatan listrik negatif didekatkan dengan benda bermuatan listrik negatif akan saling tolak menolak. Interaksi kedua muatan tersebut merupakan gejala sederhana listrik statis. Pada umumnya jumlah elektron dan proton pada atom-atom sebuah benda adalah sama, sehingga atom-atom pada benda tersebut tidak bermuatan listrik atau netral. 

Salah satu caranya adalah dengan menggunakan elektroskop. Elektroskop memiliki 3 bagian utama, yaitu kepala elektroskop yang terbuat dari logam, penghantar atau konduktor yang menghubungkan kepala elektroskop dengan daun elektroskop, dan daun elektroskop yang terbuat dari lempeng emas atau alumunium. Daun elektroskop akan mekar apabila kepala elektroskop diberi muatan dengan cara mendekatkan benda bermuatan ke kepala elektroskop. 

Hukum Coulomb

Ilmuwan Perancis, Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806), menyelidiki hubungangaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik dua benda bermuatan listrik terhadap besarmuatan listrik dan jaraknya menggunakan alat neraca puntir Coulomb. 

Berdasarkan percobaan dengan menggunakan neraca puntir, Coulomb menyimpulkan bahwa besar gaya listrik antara dua benda bermuatan adalah: 

• Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan atau F ~ 1/r ² 
• Berbanding lurus dengan perkalian besar kedua muatan partikel atau F~ q₁ .q₂

Gaya Coulomb pada Muatan Listrik

Secara matematis, rumusan Gaya Coulomb (Fc ) dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:

F_c = gaya Coulomb (newton)

k = konstanta = 9 x 10⁹ Nm²/C²

r = jarak antara dua muatan (meter)

q₁ = besar muatan listrik pertama (coulomb)

q₂ = besar muatan listrik kedua (coulomb)

Contoh Soal

Dua buah muatan listrik positif yang ada di dalam membran sel saraf masing-masing sebesar q dan 2q terletak pada jarak 2 cm. Hitung berapakah gaya coulomb yang dialami kedua muatan tersebut jika q = 1,6 x 10^-19 C !

Diketahui:

Muatan 1 (q₁ ) = +q = 1,6 x 10^-19 C

 Muatan 2 (q₂ ) = +2q = 3,2 x 10^-19 C

Jarak kedua muatan (r) = 2 cm = 2 x 10^-2 m

Konstanta = 9 x 10⁹ Nm²/C²

Ditanya: gaya coulomb kedua muatan.

Jawab:

Jadi besar gaya coulomb yang dialami muatan positif q dan 2q yang terpisah pada jarak 2 cm adalah 11,52 x 10^-25 N

Medan Listrik

Seluruh benda yang ada di permukaan bumi atau sekitarnya akan ditarik menuju pusat bumi karena memiliki massa yang jauh lebih kecil dari pada massa bumi. Hal serupa ternyata juga terjadi pada muatan-muatan listrik. Muatanmuatan listrik memiliki medan listrik sehingga dapat mempengaruhi muatan lain yang berada tidak jauh darinya. Medan listrik dapat didefinisikan sebagai daerah di sekitar muatan yang masih kuat menimbulkan gaya listrik terhadap muatan lain. Medan listrik digambarkan oleh serangkaian garis gaya listrik yang arahnya keluar atau masuk ke dalam muatan. Arah garis gaya listrik ke dalam digunakan untuk menunjukkan muatan negatif dan arah garis medan listrik ke luar digunakan untuk menunjukkan muatan positif.

Garis Medan Listrik Dua Muatan

Selain melalui gambar, medan listrik suatu muatan dapat ditentukan besarnya dengan cara menghitung. Bagaimana cara menghitung besar kuat medan listrik? Agar dapat memahami cara menghitung besarnya medan listrik (E) perhatikan Gambar berikut dan penjelasan berikut.

Muatan Q didekati Muatan Tes q₀

Agar mengetahui besar kuat medan listrik muatan Q, sebuah muatan uji positif (q_o ) yang muatannya jauh lebih kecil diletakkan di dekat muatan tersebut dengan jarak r. Berdasarkan hukum Coulomb, muatan q_o tersebut akan mendapatkan gaya tolak dari muatan Q sebesar, 

karena kuat medan listrik (E) didefiniskan sebagai besarnya gaya listrik (F) yang bekerja pada satu satuan muatan uji (q_o), maka besarnya kuat medan listrik yang dialami oleh muatan uji tersebut:

Sehingga dapat disimpulkan bahwa besar kuat medan listrik pada suatu titik yang berjarak r dari muatan Q adalah:

Keterangan, 

E = medan listrik (N/C ) 

F = gaya coulomb (newton) 

q = besar muatan listrik (coulomb)

Contoh Soal

Gaya Coulomb yang dialami kedua muatan A dan B adalah sebesar 4 x 10^-4 N. Jika besar muatan A sebesar 4 x 10^-6 C dan muatan uji B sebesar 4 x 10^-12 C, berapakah besar kuat medan listrik yang dirasakan muatan uji B oleh muatan A tersebut?

Diketahui:

Besar gaya Coulomb = 4 x 10^-4 N

Besar muatan A = 4 x 10^-6 C

Besar muatan B = 4 x 10^-12 C

Ditanyakan:

besar kuat medan listrik yang dirasakan muatan uji B oleh muatan A (E_A ) 

Jawab:

Jadi, besar kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan A adalah 10⁸ N/C .

Beda Potensial dan Energi listrik

Orang yang pertama kali menyatakan bahwa petir terjadi akibat adanya gejala listrik statis adalah Benjamin Franklin (1706 – 1790). Menurutnya, petir adalah kilatan cahaya yang muncul akibat perpindahan muatan negatif (elektron) antara awan dan awan, atau antara awan dan bumi. Petir dapat terjadi ka rena adanya perbedaan potensial yang sangat besar antara dua awan yang berbeda, atau antara awan dengan bumi, sehingga akan terjadi lompatan muatan listrik, atau perpindahan elektron secara besar-besaran dari awan ke bumi, atau dari awan ke awan lainnya. 

Perpindahan muatan listrik (elektron) tersebut disebabkan oleh adanya perbedaan potensial listrik (beda potensial listrik). Besarnya beda potensial listrik dapat dihitung dengan membandingkan besar energi listrik yang diperlukan untuk memindahkan sejumlah muatan listrik. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:

∆ V = beda potensial listrik (volt)

 W = energi listrik (joule)

Q = muatan listrik (coulomb)

Contoh Soal

Berapakah beda potensial kutub-kutub baterai sebuah rangkaian jika baterai tersebut membutuhkan energi sebesar 60 J untuk memindahkan muatan sebesar 20 C? 

Diketahui: 

W = 60 J 

Q = 20 C 

Ditanya: 

beda potensial

Jawab: 

V = W/Q

V = 60/20 = 3 V

Kelistrikan pada Sel Saraf

Selain pada kabel, ternyata tubuh kita juga dialiri oleh arus listrik, khususnya pada syaraf yaitu dengan adanya impuls listrik. Bidang yang khusus mempelajari tentang aliran impuls listrik pada tubuh manusia disebut biolistrik. Tegangan pada tubuh berbeda dengan yang kita bayangkan seperti listrik rumah tangga. Kelistrikan pada tubuh hanya berkaitan dengan komposisi ion yang terdapat dalam tubuh, bukan listrik yang mengalir seperti pada kabel listrik di rumah-rumah.

Muatan yang ada di luar dan di dalam sel saraf tidak dapat saling tarik menarik dengan sendirinya karena ada pemisah berupa membran sel saraf. Tarik menarik antar muatan akan terjadi jika ada rangsangan dari neurotransmitter. 

Saat sel saraf tidak menghantarkan impuls, muatan positif Na⁺ melingkupi bagian luar membran sel. Pada kondisi demikian, membran sel saraf bagian luar bermuatan listrik positif dan membran sel bagian dalam bermuatan listrik negatif (Cl^- ).

Setiap manusia memiliki sistem saraf yang dapat mengontrol gerak otot. Sistem saraf terdiri atas sel-sel saraf berfungsi untuk menerima, mengolah, dan mengirim rangsangan yang diterima panca indera. Rangsangan ini disebut impuls. Setiap sel saraf terdiri atas 3 bagian, yaitu badan sel saraf, dendrit, dan akson atau neurit. Selain ketiga bagian tersebut, pada sel saraf juga terdapat bagian tambahan berupa selubung myelin. Myelin sebetulnya bukan bagian sel saraf, tetapi terdiri dari sel pembentuk myelin yang berfungsi menyelubungi akson. Berdasarkan keberadaan myelin, terdapat dua macam neuron, yaitu neuron yang berselubung myelin dan neuron yang tidak berselubung myelin. 

Hantaran Listrik

Sering kita mendengar bahwa listrik dapat mengalir pada kabel. Apa yang mengalir dan bahan apa yang dapat mengalirkan listrik? Pernyataan bahwa listrik mengalir sebenarnya berkaitan dengan muatan yang berpindah, sebab perpindahan elektron pada bahan akan menghasilkan arus listrik yang arahnya berlawanan dengan arah perpindahan elektron tersebut.

Sering kita melihat orang menggunakan kabel untuk menghantarkan listrik dari suatu ujung kabel ke ujung lainnya. Mengapa menggunakan kabel? Kabel biasanya terdiri dari bahan tembaga atau perak di bagian dalamnya dan dilapisi bahan plastik atau karet di bagian luarnya. Mengapa demikian? Hal ini berkaitan dengan kemampuan bahan untuk menghantarkan listrik. Setiap bahan memiliki daya hantar listrik yang berbeda-beda. Tembaga dan perak merupakan bahan yang paling baik untuk menghantarkan listrik, sedangkan plastik dan karet merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik. Apakah kamu sudah memahami mengapa logam perak atau tembaga pada kabel dilapisi plastik atau karet? Jika masih belum mengerti, pelajari materi berikut dengan teliti dan penuh semangat. 

a. Konduktor listrik 

Mengapa kabel digunakan untuk mengalirkan arus listrik dari sumber listrik ke peralatan elektronik? Agar arus listrik dapat disalurkan dengan baik, maka dibutuhkan bahan yang mampu menghantarkan arus listrik dengan baik pula. Pada bahan ini, elektron dapat mengalir dengan mudah. Bahan-bahan yang dapat digunakan untuk menghantarkan listrik disebut dengan konduktor listrik. Contoh dari konduktor listrik adalah tembaga, perak, dan emas. Meskipun perak dan emas merupakan konduktor yang sangat baik, tetapi karena harganya yang sangat mahal, kabel rumah tangga biasanya menggunakan bahan dari tembaga. 

b. Isolator listrik 

Mengapa kabel listrik perlu dilapisi dengan plastik atau karet? Pemberian plastik atau karet sebagai pelapis kabel bertujuan agar kabel lebih aman digunakan. Sifat plastik dan karet yang sangat buruk dalam menghantarkan arus listrik membuat kedua bahan tersebut masuk ke dalam kelompok bahan isolator. Bahan isolator adalah bahan yang sangat buruk untuk menghantarkan listrik karena di dalam bahan ini elektron sulit mengalir. 

c.Semikonduktor listrik 

Bahan-bahan yang berada pada suhu rendah bersifat sebagai isolator, sementara pada suhu tinggi bersifat sebagai konduktor disebut bahan semikonduktor listrik. Contoh bahan semikonduktor listrik ada lah karbon, silikon, dan germanium. Pada bidang elektronika, karbon biasa digunakan untuk membuat transistor yang kemudian dirangkai menjadi IC.

Setiap bahan memiliki kemampuan untuk menghantarkan listrik yang ber beda-beda tergantung nilai hambatan jenisnya. Semakin kecil hambatan jenis suatu bahan, maka akan semakin baik kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan listik.

Besar hambatan setiap jenis kawat yang panjangnya satu satuan panjang per satu satuan luas penampang disebut hambatan jenis (ρ).Besar hambatan jenis berbeda-beda untuk setiap jenis kawat. Berdasarkan pengamatan hambatan jenis, maka besar hambatan kawat (R) yang panjangnya (L) dan luas penampangnya (A) adalah:

Dengan:

R = hambatan kawat (ῼ)

ρ = hambatan jenis kawat (mῼ)

L = panjang kawat (m)

A = luas penampang kawat (m²)

Contoh Soal

Berapakah besar hambatan listrik sel saraf jika diketahui diameter akson adalah 5 x 10^-6 m, hambatan jenis sel saraf 6,37 x 10^-9 ῼm,dan panjang sel saraf 20 x 10^-6 m?

Diketahui :

Diameter = 5 x 10^-6 m = 2 r = 5 x 10^-6 m jadi r = 2,5 x 10^-6 m karena bentuk akson seperti kawat, maka kita bias mencari luas permukaan (A) dengan rumus luas lingkarran = π r²

A = 3,14 x (2,5 x 10^-6)² = 19,64 x 10^-12 m

ρ = 6,37 x 10^-9 ῼm

L = 20 x 10^-6 m

Jadi besar hambatan listrik sel saraf sebesar 6,49 x 10^-3 ῼ

Hewan-hewan Penghasil Listrik

Seperti manusia, hewan menghasilkan listrik sebagai impuls rangsang dalam tubuhnya untuk menanggapi rangsangan, bergerak, berburu mangsa, melawan predator, atau bahkan navigasi. Meskipun pada umumnya arus listrik yang dihasilkan sangat lemah, namun ada beberapa hewan yang dianugerahi keistimewaan oleh Tuhan Yang Maha Esa sehingga mampu menghasilkan arus listrik yang sangat kuat. Hewan apa sajakah yang mampu menghasilkan arus listrik yang kuat? Bacalah informasi berikut dengan teliti. 

a. Ikan Belalai Gajah

Ikan belalai gajah memiliki mulut yang panjang menyerupai bentuk belalai gajah. Ikan ini dilengkapi dengan organ khusus, yang disusun oleh ribuan sel electropax, pada bagian ekor yang mampu menghasilkan listrik statis bertegangan tinggi. Sel electroplax merupakan sel yang menghasilkan muatan negatif pada bagian dalam dan muatan positif pada bagian luar saat ikan belalai gajah dalam keadaan beristirahat. Arus listrik akan muncul pada saat otot ikan berkontraksi, pada saat itu pula ikan mampu mendeteksi keberadaan predator dan mangsa. 

b. Ikan Pari Elektrik 

Ikan pari elektrik mampu mengendalikan tegangan listrik yang ada pada tubuhnya. Kedua sisi kepala ikan pari elektrik mampu menghasilkan listrik hingga sebesar 220 volt. Besar tegangan ini sama seperti besar tegangan listrik yang ada di rumah. 

c. Hiu Kepala Martil 

Hiu kepala martil memiliki ratusan ribu elektroreseptor atau sel penerima rangsang listrik. Hiu kepala martil mampu menerima sinyal listrik hingga setengah milyar volt. Hiu kepala martil biasa menggunakan kemampuan mendeteksi sinyal listrik untuk mengetahui letak mangsa di bawah pasir, menghindari keberadaan predator, dan untuk mendeteksi arus laut yang bergerak sesuai medan magnet bumi. 

d. Echidnas 

Echidnas memiliki moncong memanjang yang berfungsi sebagai pengirim sinyal-sinyal listrik untuk menemukan serangga (mangsa). Elektroreseptor Echidnas terus menerus dibasahi agar lebih mudah untuk menghantarkan listrik. Hal inilah yang menyebabkan ke banyakan hewan yang memiliki sistem elektroreseptor berasal dari perairan. 

e. Belut Listrik 

Penelitian menunjukkan bahwa belut listrik dapat menghasilkan kejutan tanpa lelah selama satu jam. Besarnya jumlah energi listrik yang dihasilkan tersebut diyakini dapat membunuh manusia dewasa. 

f. Lele Elektrik 

Lele air tawar yang berasal dari perairan tropis di Afrika ini memiliki kemampuan untuk menghasilkan listrik hingga sebesar 350 volt. Besarnya energi yang dihasilkan lele elektrik sama seperti energi listrik yang diperlukan untuk menyalakan komputer selama 45 menit.