A. Benda Bermuatan Listrik

  - Benda Bermuatan Listrik merupakan materi Fisika SMP kelas 9. Kamu sudah mengetahui bahwa benda tersusun oleh partikel-partikel zat. Partikel zat yang ukurannya paling kecil dan tidak dapat dibagi-bagi lagi disebut atom. Dalam perkembangan ilmu pengetahuan selanjutnya, atom ternyata masih dapat dibagi-bagi lagi.
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.
Gaya ikat inti terhadap elektron antara bahan satu dengan 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 dikelompokkan menjadi tiga yaitu bermuatan negatif, bermuatan positif, dan 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.
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 “ + “ sedangkan muatan negative (elektron) ditandai “ – “.
Gambar 7.2a benda memiliki masing-masing 4 muatan positif dan muatan negatif. Karena jumlah proton (+) sama dengan jumlah elektron (-), maka benda tersebut termasuk benda netral. Gambar 7.2b benda memiliki 8 muatan positif dan 3 muatan negatif. Karena jumlah proton (+) lebih banyak daripada jumlah elektron (-) atau benda kekurangan elektron, maka benda tersebut termasuk bermuatan positif. Gambar 7.2c benda memiliki 3 muatan positif dan 7 muatan negatif. Karena jumlah proton (+) lebih sedikit daripada jumlah elektron (-) atau benda kelebihan elektron, maka benda tersebut termasuk bermuatan negatif. Muatan listrik dilambangkan dengan huruf Q. Satuannya dalam SI adalah coulomb (C).

B. Membuat Benda Bermuatan Listrik 

- Kamu sudah mengetahui bahwa atom ada yang bermuatan listrik dan ada yang netral. Demikian pula dengan benda. Benda netral dapat dibuat menjadi bermuatan listrik dengan cara menggosok. Mengapa hal itu dapat terjadi? Untuk memahami lebih jauh membuat benda netral menjadi benda bermuatan listrik ambil penggaris plastic dan serpihan kertas, kemudian gosokkan penggaris plastik pada rambut. Amati apa yang terjadi pada peritiwa tersebut!
Penggaris plastik yang semula dalam keadaan netral (tidak bermuatan listrik), sehingga tidak mampu menarik serpihan kertas kecil. Ketika penggaris plastik digosok kain wol berarti memberikan energi kepada elektron untuk berpindah. Perpindahan electron terjadi pada kain wol menuju penggaris plastik. Penggaris plastic akan bermuatan negatif karena mendapat sejumlah elektron dari kain wol. Akibatnya penggaris plastik kelebihan elektron. Pindahnya elektron pada kain wol mengakibatkan kain wol kekurangan electron sehingga kain wol bermuatan positif. Penggaris plastik yang telah bermuatan listrik dapat menarik serpihan kertas kecil.

Perpindahan elektron dari kain wol ke penggaris

Benda bermuatan positif maupun negatif dapat menarik benda netral. Benda yang bermuatan listrik berusaha memengaruhi muatan yang tidak sejenis pada benda netral dan berupaya menarik ke arahnya. Akibatnya pada benda netral tersebut terjadi pemisahan muatan. Peristiwa pemisahan muatan listrik pada benda netral akibat benda bermuatan listrik didekatkan disebut induksi listrik.
Induksi (pengaruh) listrik ini dapat digunakan untuk membuat benda netral menjadi bermuatan listrik. Benda bermuatan negatif jika didekatkan benda netral akan menarik semua muatan positif benda netral ke salah satu ujung, akibatnya ujung yang lain bermuatan negatif. Jika muatan negatif dihubungkan dengan bumi kemudian diputus, benda netral tadi akan berubah menjadi benda bermuatan positif.
Penggaris plastik yang digosok dengan kain wol dapat menarik kertas-kertas kecil. Serpihan kertas kecil dapat ditarik penggaris plastik yang telah bermuatan listrik negatif, karena kertas kecil yang netral itu terinduksi oleh muatan negatif dari mistar plastik. Elektron pada ujung kertas yang dekat dengan mistar akan ditolak dan pindah ke bagian ujung lainnya. Adapun, muatan positif kertas kecil akan ditarik dan berkumpul mendekati bagian ujung kertas yang dekat dengan penggaris. Akibat perbedaan jenis muatan tersebut, terjadilah tarik-menarik antara kertas dengan penggaris. Karena penggaris memiliki jumlah muatan yang lebih banyak, maka penggaris dapat menarik kertas kecil.

Penggaris yang sudah bermuatan listrik mampu menarik serpihan kertas

Kejadian yang sama terjadi pada batang kaca dan kain sutra yang mula-mula merupakan dua benda netral. Jika batang kaca digosok dengan kain sutra, elektron-elektron dari kaca akan berpindah menuju kain sutra. Kaca menjadi bermuatan positif, karena kekurangan elektron. Kain sutra yang mendapat tambahan elektron akan bermuatan negatif.
Jenis muatan yang dihasilkan bergantung jenis benda yang digosok dan jenis benda yang digunakan untuk menggosok. Kain wol dapat bermuatan positif jika digunakan untuk menggosok penggaris plastik. Namun, kain sutra dapat bermuatan negatif jika digunakan untuk menggosok kaca.
Kaca dan kain sutra mula-mula termasuk benda netral. Jika batang kaca digosok dengan kain sutra, akan terjadi perpindahan elektron dari kaca menuju kain sutra. Kaca akan kekurangan elektron sehingga bermuatan positif

C. Sifat-Sifat Muatan Listrik

 – Kali ini kita akan membahas Sifat-Sifat Muatan Listrik, sebelumnya kita sudah membahas pelajaran Fisika SMP Kelas 9 yaitu : Benda Bermuatan Listrik dan Membuat Benda Bermuatan Listrik.

Sifat-Sifat Muatan Listrik

Kamu sudah mengetahui bahwa benda bermuatan listrik, baik positif atau negatif, dapat menarik serpihan kertas kecil. Bagaimanakah jika benda-benda yang bermuatan saling didekatkan? Untuk mengetahui jawabannya cobalah melakukan kegiatan berikut secara berkelompok. Sebelumnya, bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

Percobaan Sifat-Sifat Muatan Listrik

Tujuan: Mengamati sifat dua benda bermuatan listrik.
Alat dan Bahan:
– Batang kaca
– Sisir plastik
– Ebonit
– Kain wol
– Statif
Cara Kerja:
1. Gosoklah batang kaca dengan kain wol, kemudian gantungkan pada statif.
2. Sisirlah rambut keringmu dengan sisir plastik beberapa kali.
3. Dekatkan sisir plastik pada salah satu ujung batang kaca. Amatilah ujung batang kaca?
4. Gosoklah ebonit dengan kain wol kemudian gantungkan pada statif.
5. Dekatkan sisir plastik dengan ebonit. Amatilah ujung ebonit.
Pertanyaan:
1. Apakah reaksi batang kaca dengan sisir plastik dan ebonite dengan sisir plastik berbeda? Mengapa?
2. Nyatakan kesimpulanmu dalam buku kerjamu.
Pada percobaan diperoleh bahwa batang kaca yang didekati sisir plastik akan tarik-menarik. Hal ini terjadi akibat gosokan dengan kain wol batang kaca bermuatan positif dan sisir plastik akan bermuatan negatif. Dengan demikian, muatan yang tidak sama (positif – negatif) apabila berdekatan akan saling menarik. Perbedaan terjadi pada ebonit dan sisir plastik. Ebonit yang didekati sisir plastik akan tolak-menolak. Hal ini disebabkan jenis muatan listrik yang dihasilkan akibat gosokan antara ebonit dan sisir plastik sama, yaitu muatan negatif. Jadi, muatan yang sejenis (negatif – negatif) jika berdekatan akan tolak-menolak.
Percobaan seperti Gambar a dan Gambar b menunjukkan adanya gaya tarik-menarik dan gaya tolak-menolak antara muatan dari benda yang berbeda, yaitu kaca dengan sisir plastik dan ebonite dengan sisir plastik. Dapatkah gaya tarik-menarik dan gaya tolakmenolak terjadi pada benda yang sama?

Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antarmuatan dapat terjadi pada benda yang sama, misalnya dua batang kaca. Jika kedua batang kaca digosok dengan kain sutra dan didekatkan, akan tolak-menolak, karena kedua benda bermuatan sejenis. Hal yang sama dapat terjadi pada dua penggaris plastik yang digosok dengan kain wol.

.

D. Hukum Coulomb

Charles Augustin de Coulomb, seorang fisikawan berkebangsaan Perancis, pada tahun 1785 pertama kali yang meneliti hubungan gaya listrik dengan dua muatan dan jarak antara keduanya dengan menggunakan sebuah neraca puntir. Untuk mengenang jasa Charles A. de Coulomb, namanya digunakan untuk satuan internasional muatan listrik, yaitu coulomb (C).
Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antara dua muatan listrik disebut gaya Coulomb (F_c). Apabila dua muatan yang berdekatan jenis muatannya sama, maka gaya Coulombnya berupa gaya tolak-menolak. Sebaliknya, dua muatan yang berdekatan jenis muatannya tak senama, maka gaya Coulombnya berupa gaya tarikmenarik.
Besar gaya Coulomb bergantung pada:
a. besar masing-masing muatan (Q₁ dan Q₂ ),
b. kuadrat jarak antara dua muatan (r²).

Hukum Coulomb berbunyi:

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:

Dengan:
F_c = gaya tolak-menolak atau gaya 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 Hukum Coulomb :

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?

2. Dua buah muatan besarnya Q₁ dan Q₂ berada pada jarak r memiliki gaya Coulomb sebesar F_C. Berapakah besar gaya Coulomb, jika:
a. muatan pertama diperbesar 6 kali,
b. jarak kedua muatan diperbesar 4 kali.
 

E. Penerapan Listrik Statis

 - Penerapan Listrik Statis merupakan lanjutan pembahasan kemarin tentang Sifat-Sifat Muatan Listrik dan  Hukum Coulomb yang merupakan materi Fisika SMP Kelas IX. Di sini kita akan membahas dua penerapan listrik statis yaiut Petir dan Generator Van Der Graff.

1. Petir (Halilintar)

Sebelum hujan badai awan dalam kondisi netral, jumlah proton sama dengan jumlah elektron. Ketika hujan badai terjadi gesekan antara partikel-partikel awan dengan udara sehingga menyebabkan awan bermuatan listrik. Apabila 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 jenis muatan antara awan dengan puncak gedung menyebabkan medan listrik. Apabila muatan pada awan bertambah, gaya elektrostatis akan memaksa muatan negatif meloncat secara tibatiba dari dasar awan ke puncak gedung yang disertai dengan bunga api listrik. Apabila hal itu terjadi, maka dikatakan gedung tersambar petir. Pelepasan muatan listrik secara tiba-tiba menghasilkan bunga api listrik yang disebut petir. Loncatan muatan melalui udara menghasilkan cahaya sangat kuat dan panas yang menyebabkan udara memuai mendadak. Pemuaian udara yang mendadak menghasilkan bunyi ledakan menggelegar yang disebut guntur. Petir dapat terjadi dari awan ke bumi, dari bumi ke awan, atau dari awan ke awan.

Orang yang pertama kali menyatakan bahwa petir merupakan listrik statis adalah Benjamin Franklin pada tahun 1700. Dalam penyelidikannya, dia mengungkapkan bahwa listrik statis dapat bergerak cepat pada bahan-bahan tertentu dan permukaan runcing lebih banyak menarik elektron daripada permukaan datar. Bagaimanakah menyelamatkan bangunan tinggi dari bahaya petir?
Untuk menghindari bahaya petir di atas gedung perlu dipasang penangkal petir yang terbuat dari tembaga yang ditancapkan ke dalam tanah. Adapun, tembaga yang berujung runcing dipasang pada ujung bangunan.

2. Generator Van de Graff

Generator Van de Graff adalah mesin pembangkit listrik yang biasa dipakai untuk penelitian di laboratorium. 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 politilen yang terdapat di bagian atas,
d. sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder,
e. konduktor berongga berbentuk bola (kubah).
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 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.