Ada gesekan yang merugikan tetapi ada pula gesekan yang
menguntungkan. Petir merupakan pertunjukan loncatan listrik statis yang
kasat mata. Pada dasarnya, petir terjadi karena adanya gesekan
antarpartikel. Fenomena gesekan sebagai pembangkit listrik itu akan kamu
pelajari pada bab ini. Pada bab ini kamu akan mempelajari hal-hal yang
berkaitan dengan gejala listrik statis dan penerapannya dalam kehidupan
sehari-hari.
Ketika menjelang hujan lebat turun, di langit tampak adanya kilat
yang mengeluarkan cahaya dan dalam selang waktu yang sangat singkat
terdengar suara guntur yang menggelegar. Petir merupakan loncatan muatan
yang dapat menimbulkan bunga api listrik. Petir mampu membakar pohon
besar atau gedung yang tinggi, karena suhunya dapat mencapai 28.0000 C.
Apakah yang menyebabkan terjadinya petir? Bagaimanakah proses terjadinya
petir?
A. BENDA BERMUATAN LISTRIK
Kamu sudah mengetahui bahwa benda tersusun oleh partikelpartikel
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 negatif (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 lakukan Kegiatan 7.1 secara berkelompok. Sebelumnya,
bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2
perempuan.
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 elektron terjadi pada kain
wol menuju penggaris plastik. Penggaris plastik akan bermuatan negatif
karena mendapat sejumlah elektron dari kain wol. Akibatnya penggaris
plastik kelebihan elektron. Pindahnya elektron pada kain wol
mengakibatkan kain wol kekurangan elektron sehingga kain wol bermuatan
positif. Penggaris plastik yang telah bermuatan listrik dapat menarik
serpihan kertas kecil.
Tahukah kamu mengapa serpihan kertas dapat menempel pada
penggaris plastik? Untuk mengetahui jawabannya, ikutilah uraian berikut.
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.
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
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.
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 7.6 dan Gambar 7.7 menunjukkan adanya gaya
tarik-menarik dan gaya tolak-menolak antara muatan dari benda yang
berbeda, yaitu kaca dengan sisir plastik dan ebonit 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 (Fc). 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).
D. PENERAPAN LISTRIK STATIS
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
(seperti Gambar 7.11), 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.
