Teori Listrik Statis Fisika : Pengertian, Rumus, Contoh

Listrik

Listrik ada di sekitar kita, dan penting bagi kita di zaman modern.

Petir menyambar CN Tower di Toronto, Canada. Tower 1,814-foot (553 meters) diserang sekitar 80 kali tiap tahun, tapi lempeng tembaga yang panjang dari ujung atas ke bawah berisi penangkal petir. (Image: © Atomazul / Shutterstock)

Listrik menerangi rumah kita, menerangi dunia kita, dan menghidupi komputer-komputer kita.

Tapi apa itu listrik?

Gaya

Listrik adalah sebuah gaya.

Listrik merupakan salah satu dari 4 gaya dasar yang ada di alam semesta. 

Pengertian dasar listrik adalah

Partikal dasar memiliki muatan listrik berupa +1 atau −1 :

• + menolak + 
• − menolak − 
• + dan − saling suka/menarik satu sama lain

bisa kita sebut :

muatan yang sejenis saling tidak suka, dan muatan yang berlawanan saling suka.

Muatan listrik bisa dirasakan dari kejahuan (disebut medan listrik) sebenarnya bahkan tidak ada batas, tapi semakin jauh semakin lemah dayanya.

Mari kita pelajari lebih lanjut tentang partikel dasar ini

Atom

Sebuah atom terlihat seperti ini :

Quantum Microscope Image dari sebuah Atom
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.213001

Untuk mengertinya lebih baik, mari kita buat sedikit ilustrasi  (tapi atom tidak serapih ini ):

Di pusat ada proton dan neutron, dan sekeliling merak bergeraklah electron-elektron:

• proton punya sebuah muatan +1
• neutrons tidak memiliki muatan
• electrons punya sebuah muatan −1

kenapa + untuk proton ini berasal dari sejarah zaman Benjamin Franklin yang mempelajari kelistrikan di toples kaca.
kita bisa saja ganti satu sama lain antara + dan − dimana saja dan tidak ada salahnya!

Pada sebuah atom biasanya memiliki jumlah protons dan electrons yang sama, dan dalam keadaan seimbang.

Tapi electrons bisa dilepas dari atom!

Atom kita kehilangan sebuah elektron dan sekarang bermuatan positif
(Coba jumlah muatan dan negatif yang tersisa)

Sekarang kita memiliki atom bermuatan positif, dan sebuah elektron bermuatan negatif

Kita bisa membuat hal itu terjadi:

Contoh: Menggesek sebuah balon di rambutmu

• Menggesek balon tersebut mengangkat banyak elektron dari rambut, dan membuat balon bermuatan negatif.
• Rambut kehilangan elektron dan bermuatan positif sekarang.

Balon  yang sekarang bermuatan negatif. Dan rambutmu yang bermuatan positif.

muatan yang berlawanan saling suka, jadi + tertarik ke − dan rambutmu berdiri akhirnya!

Cobalah pada bulu hewan.

Gaya yang tidak terlihat dari muatan listrik memang salingmenarik rambut anjing itu dan balon.

Terlihat bahagia ya!

Kamu mungkin pernah melihat atau merasakannya sendiri ketika sebuah sweater menarik bajumu dll.

 

berjalan diatas karpet, dan saat memegang handel pintu, terasa tersetrum.

Kita menyebut hal ini "Listrik Statis" karena sering kali listrik ini hanya berdiam saja (statik artinya tidak bergerak).

Tapi hati-hati!

Kalau kamu menumpuk perbedaan muatan yang besar, muatan itu bisa kembali bermuatan seimbang secara sendiri dengan sebuah percikan.
Pelepasan secara otomatis itu disebut pelepasan electrostatis, gaya elektrostatis.
Contoh dramatisnya adalah petir.

Pada awan badai, muatan yang stabil dalam awan terpisah ketika rintik air dan kristal es tertiup oleh angin kencang (ke atas, ke bawah, dll). Muatan negatif cenderung berada di bawah awan :

Masing-masing muatan kecil mempunyai medan magnetnya tersendiri, dan mereka membentuk medan magnet yang besar, dimana bisa menarik muatan di tanah.

Apakah kamu pernah merasa saat badai hujan badai udara terasa berbeda? 

Akhirnya perbedaan muatan semakin cukup membesar, sehinggang *duarr* petir! 

Petir terjadi antara awan dan tanah, tapi juga di dalam awan dan di antara awan :

Petir itu terang karena udara di situ menjadi panas sampai sekitar 50,000°C (menjadi plasma), dan gelombang kejut yang tercipta menyebabkan guntur/geledek.

Jika kamu berada beberapa meter dari guntur suaranya terdengar "krak" karena guntur memecah penghalang suara yang ada. Dari jauh guntur terdengar seperti suara pada umumnya.

Arus

Gaya statis (seperti petir) itu berbahaya dan tidak begitu berguna. 

Apa yang kita mau adalah aliran yang berkontinu dari listrik yang disebut arus.

Disebut arus karena ini mirip dengan arus pada air: 

Tapi bagaimana bisa membuat kontinu?

Pakai magnet!

Listrik dan kemagnetan mereka berhubungan, dan secara gabungan disebut elektromagnetik :

Perubahan medan magnet menghasilkan medan listrik
(dan perubahan medan listrik menghasilkan medan magnet, juga)

Sederhananya menggerakan sebuah magnet melewati kawat membuat elektron bergerak sepanjang kawat (tekan "Move"):

Catatan untuk yang pingin tahu :

• sangat banyak jenis atom: pada kawat pendek terdapat lebih dari 10²² (10,000,000,000,000,000,000,000) atom
• arus listrik bergerak melewati kawat dengan kecepatan sekitar setengah dari kecepatan cahaya,
• masing-masing elektron tidak bergerak jauh karena ditangkap atom lainnya ... dimana mereka mengirim elektron ke atom lainnya. 
• jadi masing-masing elektron menghabiskan waktunya dari satu atom ke atom lain, dan bisa membutuhkan waktu berjam-jam untuk berjalan sejauh satu meter saja 
• dan ya, elektron cenderung melompat secara acak 

Jadi menggerakkan sebuah magnet melewati kawat membuat sebuah arus. Kita memperoleh arus listrik kita! 

Tapi ketika magnet berhenti bergerak, demikian juga arus. 

Jadi bagaimana cara kita tetap membuat arus mengalir? Memutar kawat di antara magnet adalah solusi yang bagus:

Untuk membuat lebih banyak arus mengalir kita dapat menggabung banyak kawat  memutar (disebut lekok) dan membuatnya besar, seperti :

Bagian generator besar
From Wikipedia user Astronomyinertia

Dan itulah bagaimana kita memperoleh arus listrik yang besar untuk rumah kita dan industri.

Kesimpulan

• Listrik adalah sebuah gaya dasar
• Listrik statik itu hanya menunggu untuk dilepas 
• Arus adalah listrik yang terus mengalir

Hukum Coulomb

Objek yang bermuatan membuat medan listri yang tidak terlihat di sekitar mereka. Kekuatan medan listrik itu dipengaruhi beberapa faktor, termasuk besar muatan, jarak yang terlibat, dan bentuk objeknya. Agak sedikit rumit. Kita bisa mempermudahnya dengan menganalisa "sumber titik" muatan. Sumber titik adalah objek bermuatan yang sangat-sangat lebih kecil dari jarak di antara mereka.






Charles Coulomb pertama kali menggambarkan medan listrik pada tahun 1780 an. Dia menemukan bahwa untuk sumber titik, gaya listriknya berubah bersamaan dengan perkalian dari muatan-muatan. Dengan kata lain, makinbesar muatan, makin besar medan listrik. Dan medannya beruabh berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan. Artinya semakin jauh jarak, gaya semakin kecil. Rumusnya dapat ditulis demikian :

F = k (Q1 X Q2) / d2

dimana F adalah gaya, Q1 dan Q2 adalah muatannya, dan d adalah jarak antara muatan. K adalah kostanta proposionalitas, dan bergantung pada material yang memisahkan muatan.