ElektrostatikaBagian I (Muatan Listrik)

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Suatu batang plastik yang telah digosok dapat menarik potongan kecil kertas.

Suatu batang plastik yang telah digosok membelokkan aliran air.

Semua fenomena di atas termasuk fenomena

Kelistrikan Statis (Static Electricity)

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Setelah digosok benda-benda membawa muatan listrik (electric charge).

Setelah digosok penggaris berubah sifat

Menarik benda lain

(Bermuatan Listrik)

Awalnya tidak dapat menarik

benda lain (Netral)

Simbol untuk muatan listrik: q atau Q

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Ada berapa jenis muatan?

Bagaimana sifatnya?

Bagaimana interaksi antar muatan tersebut?

Perhatikan Percobaan Berikut:

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Dari percobaan-percobaan di atas dapat disimpulkan:

- Terdapat dua jenis muatan, yaitu muatan positif (kemudian dinamakan proton) dan muatan negatif (elektron).

- Antara dua muatan akan saling memberi gaya (gaya tolak atau tarik). Muatan sejenis saling tolak dan muatan tak sejenis saling tarik.

- Saat dua bahan saling digosok satu sama lain, maka kedua bahan dapat menjadi bermuatan (berlawanan). Elektron pindah dari satu benda ke benda yang lain (asumsi: hanya elektron yang dapat pindah).

- Muatan tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

- Hanya muatan negatif yang dapat bergerak. - Benda bermuatan negatif karena kelebihan

elektron.- Benda bermuatan positif karena kekurangan

elektron.

Partikel Dasar Penyusun Materi

Partikel Jenis Muatan Besar Muatan, (C)

Massa, (kg)

Elektron Negatif -1,6x10-19 9,109x10-31

Proton Positif +1,6x10-19 1,673x10-27

Neutron Netral 0 1,675x10-27

Satuan muatan adalah coulombs (C)

Satu elektron mempunyai muatan 1,6 x 10-19 C

Jadi 1 C setara dengan jumlah muatan dari 6 juta juta juta (6 1018) buah elektron atau proton.

~6 000 000 000 00 000 000 protons = 1 C

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Kenapa rambutnya berdiri?

Rambutnya membawa muatan dengan jenis yang sama sehingga saling tolak, dan menjadi berdiri.

++++ ++

+++

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Dari mana muatan berasal?Semua benda tersusun dari partikel-partikel yang disebut atom.

++ +

Elektron: muatan (e)

Proton: muatan (+e)

Neutron: NetralNeutron: Netral

Inti

• Dalam keadaan normal, jumlah proton = jumlah elektron, maka atom dalam keadaan keseimbangan (netral)

• Jika jumlah proton jumlah elektron, maka atom dalam ketakseimbangan atom menjadi bermuatan

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Isolator BanSarung Tangan

Kayu

Karet

Bahan yang tidak dapat memindahkan muatan dengan mudah

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

Konduktor

Bahan yang dapat memindahkan muatan dengan mudah

3.Semikonduktor: bahan yang sifatnya antara konduktor dan

isolator (contoh: Silicon, carbon, germanium).

4.Superkonduktor: bahan metal yang dapat menjadi konduktor

sempurna pada temperatur tertentu.

Cara Memberi Muatan(Method of Charging)

• Gesekan(Sudah dijelaskan sebelumnya)

• Induksi: Tidak ada terjadi kontak antara benda bermuatan dan benda netral.

• Hasil: kedua benda bermuatan berlawanan

Induksi ElektrostatikSudah diketahui:

• Muatan sejenis tolak-menolak dan muatan tak sejenis tarik-menarik.

• Benda bermuatan negatif mempunyai kelebihan elektron dan benda bermuatan positif memiliki kekurangan elektron.

• Batang acetat bermutan positif dapat menarik benda netral seperti potongan kertas.

Tetapi bagaimana benda bermuatan dapat menarik benda tak bermuatan?

1. Induksi penggaris bermuatan pada potongan kertas

+ + +

_ _____

++++++

Penggaris bermuatan

Potongan kertas

+ + + ++ + + + + + +

Gaya tolak pada ion-ion +

gaya tarik pada e

Muatan induksiCatatan: kedua benda tidak memperoleh ataupun kehilangan muatan

++

++++

2. Memuati dua kaleng logam dengan induksi

B A

Muatan total kedua kaleng

adalah nol

++++++

Muatan e diinduksi pada sisi yang terdekat ke batang.

e bergerak menjauh Muatan +e

diinduksi pada sisi

+

+

+

+

++

B A

Kedua kaleng

dipisahkan

++

++++

Jauhkan batang

+

+

+

+

++

B A

Kedua kaleng menjadi

bermuatan

Proses pemberian muatan seperti ini disebut induksi

Tidak ada muatan

total yang diperoleh ataupun hilang

3. Memberi muatan pada satu kaleng dengan induksi

(i) e tertarik ke sisi kanan+++++

+

dari bumi

(ii) e mengalir ke dalam untuk menggantikan e yang hilang pada sisi kiri.

e

e

++++++

(iii) Jari ditarik dari kaleng.

(iv) Muatan induksi tertinggal pada kaleng.(v) Batang bermuatan dijauhkan.

Kaleng menjadi bermuatan

Memberi Muatan Pada Elektroskop

Daun Emas(yang dapat membuka atau

menutup)

Kawat Tembaga

Plat Logam

Untuk melihat/mengulangi animasi click pada “restart”

Batang acetate bermuatan positif didekatkan ke plat logam, sehingga elektron-elektron pada elektroskop bergerak ke atas menuju plat logam dan daun emas pada bagian bawah menjadi bermuatan positif sehingga saling tolak dan membuka.

Selanjutnya, bila bola logam bermuatan positif ditempelkan pada elektroskop yang muatannya sudah mengutub, maka muatan negatif pada elektroskop akan mengalir ke bola logam. Sekarang elektroskop menjadi bermuatan positif

Bola logam bermuatan

Pegangan Isolasi

Click untuk melihat animasi

Untuk melihat/mengulangi animasi click pada “restart”

Selanjutnya, bila bola logam bermuatan positif ditempelkan pada elektroskop yang muatannya sudah mengutub, maka muatan negatif pada elektroskop akan mengalir ke bola logam. Sekarang elektroskop menjadi bermuatan positif

Bila bola logam bermuatan negatif ditempelkan pada elektroskop yang bermuatan positif dan daun terbuka, maka elektron pada bola logam akan mengalir ke dalam elektroskop. Elektroskop kembali netral dan daunnya kembali tertutup.

Generator Van de Graaff

Alat untuk menghasilkan muatan listrik yang besar

dan kontinu.

Pembagian Dan Pembumian Muatan(Charge Sharing & Earthing)

Bola kecil berbagi beberapa muatan dengan kubah logam.

_ __

__

___

_

__

_

_

_

_ _

__

___

_

__

_

_

_Bola berbagi lebih banyak muatan dengan kubah logam.

Jika bola diganti dengan yang lebih besar ….

Jika bola dihubungkan dengan bumi …...

_ _

__

___

_

__

_

_

_

Semua muatan kubah masuk ke bumi. TIDAK ADA muatan tersisa pada kubah.

Proses ini disebut earthing/grounding (pembumian/pentanahan)

Kelistrikan Statis Juga Dapat Berbahaya

• Saat bahan bakar mengalir keluar dari pipa pengisi bahan bakar menjadi bermuatan positif, karena pipa menarik elektron keluar dari bahan bakar.

• Muatan positif terdistribusi pada permukaan tanki

• Jika tercapai potensi yang cukup suatu ledakan dapat terjadi.

Tanki Bahan Bakar

Bagaimana cara mengatasi masalah ini?

Dengan menghubungkan tanki dan pipa ke tanah memungkinkan kelebihan muatan negatif pada pipa pindah ke tanah dan muatan negatif dari tanah tanah mengalir ke tabung untuk menetralkan kelebihan muatan positif tabung.

Hubungan ke tanah (Ground)

Kilat/Petir (Lightning)

Awan Menjadi sangat

“negatif” Permukaan Tanah Menjadi

sangat “positif”

• Air di awan menarik keluar elektron dari butiran air hujan.• Butiran membawa muatan positif dan mengumpulkannya

pada tanah.• Tegangan sangat tinggi terjadi antara awan dan tanah.• Suatu percikan yang sangat besar adalah cara agar muatan

negatif berpindah ke tanah untuk mendischarge awan.

Bagaimana kilat terbentuk?

Penangkal Petir(Lightning Conductor)

• Bekerja pada titik yang tersambar petir.

• Mencegah bangunan dari sambaran petir selama hujan lebat.

Central Plaza

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

e tiba-tiba melompat dari awan ke atap

menghasilkan cahaya kilat

• Awan juga menjadi bermuatan bila ditiup angin (gesekan)

• Jika awan membawa muatan ve

• Gaya tarik jadi sangat kuat sehingga…

angin anginangin

Þ Muatan +ve akan diinduksi pada atap

+ + + ++++ +

++++ +++

++++

+++

____

_____

__ __

___ _

__

AfdalJurusan Fisika

Universitas Andalas

+ + + ++++ +

++++ +++

++++

+++

____

_____

__ __

___ _

__

Rapat muatan lebih tinggi

menarik e dari awan

e

memberi rute untuk e lewat menuju tanah

Aliran ion-ion +ve (ion mengalir ke

luar)

Mengurangi muatan di atap

& menetralisir beberapa muatan pada awan

Penangkal petir mengurangi resiko dengan 2 cara:

e

e

e

e

e

Mobil Tanki (Petrol tanker):Muatan tercipta dalam ban karet (dengan gesekan) menghasilkan percikan listrik

menyebabkan ledakan jika uap minyak ada di udaraLedakan!

Rantai logam ountuk melewatkan muatan ke tanah.

Ban dibuat dari karet konduktif. Muatan tercipta selama terbang (karena gesekan)

Pesawat Udara

Dapat dikonduksi ke tanah pada saat landing.

Electrostatic point spraying(Cat semprot, parfum, ….)

Butiran saling tolak & menyebar.

Cat yang terpakai lebih sedikit dan menempel dengan lebih kuat pada benda.

• Butiran cat diberi muatan +ve

________

• Butiran bermuatan ditarik pada benda yang bermuatan induksi ve.

+

+++ +

++

+

++++

+

1. Tulislah 2 contoh peralatan yang bekerja berdasarkan prinsip elektrostatis.

2. Tulislah 3 contoh fenomena listrik statis dalam kehidupan sehari-hari.

3. Jelaskan proses yang terjadi sehingga sebuah sisir yang telah digosok dengan tangan dapat menarik potongan kertas yang netral.

4. Tulislah jenis-jenis muatan dan jelaskan sifatnya.5. Kenapa suatu benda menjadi bermutan negatif dan

posistif? 6. Bagaimana cara membuat benda netral menjadi

bermuatan?