Konsep Dasar Listrik Statis
Listrik statis (electrostatic) membahas
muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis
dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan
ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik
menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan
kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik.
Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam
muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Muatan listrik
timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke
benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan
positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron dikatakan bermuatan
negatif. Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik
suatu benda.
Dua buah benda yang memiliki muatan sejenis akan
saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Adapun dua buah
benda dengan muatan yang berbeda (tidak sejenis) akan saling tarik
menarik saat didekatkan satu sama lain. Tarik menarik atau tolak menolak
antara dua buah benda bermuatan listrik adalah bentuk dari gaya listrik
yang dikenal juga sebagai gaya coulomb.
Gaya Coulomb
Gaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding besar muatan listrik dari tiap-tiap benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.
Jika benda A memiliki muatan q1 dan benda B memiliki muatan q2 dan benda A dan benda B berjarak r satu sama lain, gaya listrik yang timbul di antara kedua muatan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Dimana
F adalah gaya listrik atau gaya coulomb dalam satuan newton k adalah konstanta kesebandingan yang besarnya 9 x 109 N m2 C–2 muatan q dihitung dalam satuan coulomb (C)
konstanta k juga dapat ditulis dalam bentuk
dengan ε0 adalah permitivitas ruang hampa yang besarnya 8,85 x 10–12 C2 N–1 m–2
Gaya listrik merupakan besaran vektor sehingga
operasi penjumlahan antara dua gaya atau lebih harus menggunakan konsep
vektor, yaitu sesuai dengan arah dari masing-masing gaya. Secara umum,
penjumlahan vektor atau resultan dari dua gaya listrik F1 dan F2 adalah sebagai berikut.
- untuk dua gaya yang searah maka resultan gaya sama
dengan penjumlahan dari kedua gaya tersebut. Adapun, untuk dua gaya
yang saling berlawanan, resultan gaya sama dengan selisih dari kedua
gaya
(gambar)
R = F1 + F2 dan R = F1 – F2
2.untuk dua gaya yang saling tegak lurus, besar resultan gayanya adalah
(gambar)
3untuk dua gaya yang membentuk sudut θ satu sama lain, resultan gayanya dituliskan sebagai berikut
(gambar)
Untuk penjumlahan lebih dari dua gaya,
perhitungannya dapat menggunakan metode analitis (lihat pembahasan
tentang analisis vektor).
Medan Listrik
Sebuah muatan listrik dikatakan memiliki medan
listrik di sekitarnya. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda
bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Jika muatan lain
berada di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik,
muatan tersebut akan mengalami gaya listrik berupa gaya tarik atau gaya
tolak.
Arah medan listrik dari suatu benda bermuatan
listrik dapat digambarkan menggunakan garis-garis gaya listrik. Sebuah
muatan positif memiliki garis gaya listrik dengan arah keluar dari
muatan tersebut. Adapun, sebuah muatan negatif memiliki garis gaya
listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut.
Besar medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik dinamakan kuat medan listrik. Jika sebuah muatan uji q’ diletakkan di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan, kuat medan listrik E benda tersebut adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya dibagi besar muatan uji. Jadi, dituliskan
dan F = E q’
Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Di sini kuat medan listrik dituliskan dalam satuan N/C.
Kuat medan listrik juga merupakan besaran vektor
karena memiliki arah, maka penjumlahan antara dua medan listrik atau
lebih harus menggunakan penjumlahan vektor. Arah medan listrik dari
sebuah muatan positif di suatu titik adalah keluar atau meninggalkan
muatan tersebut. Adapun, arah medan listrik dari sebuah muatan negatif
di suatu titik adalah masuk atau menuju ke muatan tersebut.
Dua plat sejajar yang
bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan listrik
timbul di antara dua plat tersebut. Kuat medan listrik di dalam dua plat
sejajar yang bermuatan listrik adalah
Dimana
σ adalah rapat muatan dari plat yang memiliki satuan C/m2
ε0 adalah permitivitas ruang hampa
Kita juga dapat menghitung kuat medan listrik dari sebuah bola konduktor berongga yang bermuatan listrik, yaitu sebagai berikut.
Di dalam bola (r < R), E = 0
Di kulit atau di luar rongga (r > R),
Energi Potensial Listrik
Dua buah benda bermuatan listrik yang terletak
berdekatan akan mengalami gaya listrik di antara keduanya. Suatu usaha
diperlukan untuk memindahkan (atau menggeser) salah satu muatan dari
posisinya semula. Karena usaha merupakan perubahan energi, maka besar
usaha yang diperlukan sama dengan besar energi yang dikeluarkan. energi
dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W) atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan dari posisi r1 ke posisi r2 adalah
Dengan demikian, usaha atau energi potensial untuk memindahkan sebuah muatan uji q’ yang berjarak r dari sebuah muatan lain q ke jarak tak berhingga dapat dituliskan sebagai berikut
Dimana
tanda minus berarti usaha yang dilakukan selalu melawan gaya tarik yang
ada (biasanya usaha yang dilakukan adalah usaha untuk melawan gaya
tarik antara dua muatan).
Potensial Listrik
Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu
posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik
sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian.
Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda
potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah
Dimana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V).
Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut
Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu
V = E r
Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik,
potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah.
Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung
menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.
Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.