Listrik statis terjadi ketika muatan listrik terkumpul di permukaan benda, biasanya akibat gosokan atau induksi. Rutherford (1911) menemukan bahwa atom memiliki inti kecil bermuatan positif (proton) dikelilingi ruang kosong, sedangkan Bohr (1913) menjelaskan elektron mengelilingi inti pada lintasan/kulit energi tertentu tanpa jatuh ke inti.
Struktur Atom dan Muatan Listrik
Atom tersusun dari proton (bermuatan positif, di inti), neutron (netral, di inti), dan elektron (bermuatan negatif, mengelilingi inti pada lapisan bertingkat—lapisan K menampung maksimal 2 elektron, lapisan L maksimal 8). Atom netral memiliki jumlah proton dan elektron sama; jika kehilangan elektron menjadi bermuatan positif (kation), jika mendapat elektron menjadi bermuatan negatif (anion). Muatan listrik timbul dari perpindahan elektron antarbenda saat digosokkan—misalnya balon digosok rambut membuat balon bermuatan negatif dan rambut bermuatan positif. Muatan sejenis saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis saling tarik-menarik.
Konduktor, Isolator, dan Semikonduktor
Bahan dibedakan menurut daya hantar listriknya: konduktor (tembaga, aluminium, perak) memiliki elektron bebas yang mudah bergerak sehingga menghantarkan listrik dengan baik; isolator (kayu, plastik, kaca, karet) menghambat aliran listrik karena elektronnya tidak bebas bergerak; semikonduktor (silikon, germanium) berada di antara keduanya dan menjadi bahan utama komponen elektronik seperti dioda dan transistor.
Induksi Muatan dan Elektroskop
Induksi adalah proses munculnya muatan pada benda netral akibat didekatkan benda bermuatan tanpa kontak langsung—prinsip ini mendasari teknologi seperti kapasitor. Elektroskop adalah alat pendeteksi muatan listrik yang terdiri dari batang logam, pelat logam, daun elektroskop, dan botol kaca pelindung; ketika benda bermuatan didekatkan pada pelat, daun elektroskop akan mengembang karena tolak-menolak, digunakan untuk mendeteksi keberadaan, menentukan jenis, dan memperkirakan besar muatan suatu benda.
Hukum Coulomb
Hukum Coulomb menyatakan gaya listrik antara dua muatan berbanding lurus dengan hasil kali besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya (F = k·q₁q₂/r², dengan k = konstanta Coulomb 9×10⁹ Nm²/C²).
Soal. Dua muatan listrik q₁ = 2×10⁻⁶ C dan q₂ = 3×10⁻⁶ C berjarak 0,5 meter. Berapa gaya tarik-menarik/tolak-menolak antara kedua muatan tersebut?
Pembahasan. Menggunakan rumus Coulomb F = k·q₁q₂/r² = 9×10⁹ × (2×10⁻⁶ × 3×10⁻⁶) / 0,5² = 0,216 Newton. Jika muatan sejenis, gaya bersifat tolak-menolak; jika berbeda jenis, gaya bersifat tarik-menarik.
Balon Tolak-Menolak
Tujuan. Mengamati bahwa gaya listrik makin besar jika muatan diperbesar, dan melemah saat jarak bertambah (∝ 1/r² secara kualitatif).
Langkah.
- Tiup dua balon, ikat, tempelkan benang pada masing-masing, lalu gantung berdampingan agar bebas bergerak.
- Gosok kedua balon dengan kain yang sama selama 15–20 detik hingga keduanya bermuatan sejenis dan saling tolak.
- Ukur jarak setimbang antar pusat balon (r₁), lalu ubah jarak titik gantung dan ukur kembali (r₂, r₃, dst, 4–5 variasi), gunakan sudut tali atau jarak pisah sebagai indikator besar gaya.
- Gosok kedua balon lebih lama (misalnya 40 detik) untuk memperbesar muatan, lalu ulangi pengukuran dan bandingkan dengan data awal.
Pertanyaan.
- Saat waktu menggosok ditambah, apa yang terjadi pada jarak atau sudut? Apa artinya terhadap besar muatan?
- Saat jarak r diperbesar, apakah indikator gaya membesar atau mengecil? Kaitkan dengan F ∝ 1/r² secara kualitatif.
- Sebutkan dua sumber kesalahan pengukuran pada percobaan ini dan cara menguranginya.
| Percobaan ke- | Waktu Menggosok (detik) | Jarak Setimbang r (cm) | Sudut Tali (°) |
|---|---|---|---|
| 1 | 20 | … | … |
| 2 | 20 | … | … |
| 3 | 40 | … | … |
| 4 | 40 | … | … |
Medan dan Potensial Listrik
Medan listrik adalah ruang di sekitar muatan tempat gaya listrik dapat dirasakan, digambarkan garis medan yang keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negatif; kerapatan garis menunjukkan kekuatan medan (semakin rapat, semakin kuat). Energi potensial listrik bergantung pada besar muatan, kuat medan, dan posisi muatan, bernilai nol pada jarak tak hingga dari muatan sumber. Potensial listrik (satuan volt) menggambarkan kemampuan medan listrik melakukan kerja per satuan muatan, dihitung dengan V = k·q/r—berbanding lurus dengan muatan sumber dan berbanding terbalik dengan jarak.
Listrik dalam Makhluk Hidup
Sel Saraf dan Impuls
Neuron (badan sel, dendrit, akson) mengirim sinyal listrik melalui tiga tahap: penerimaan rangsangan oleh reseptor sensorik menjadi potensial reseptor, pengolahan menjadi potensial aksi (melibatkan depolarisasi masuknya ion Na⁺ dan repolarisasi keluarnya ion K⁺), dan transmisi sinaptik ke neuron berikutnya lewat neurotransmiter. Impuls saraf dapat merambat hingga 120 m/detik, mendasari gerakan sadar (melalui otak, lebih lambat namun kompleks) maupun gerak refleks otomatis (hanya melalui sumsum tulang belakang, sangat cepat untuk melindungi tubuh dari bahaya).
Kelistrikan Jantung
Jantung memiliki sistem listrik alami dimulai dari simpul sinoatrial (SA node) sebagai "pacemaker alami" yang menyebarkan sinyal listrik hingga otot jantung berkontraksi memompa darah melalui empat ruang (atrium kanan-kiri, ventrikel kanan-kiri). Aktivitas ini dapat dipantau dengan elektrokardiogram (EKG) untuk mendeteksi gangguan seperti aritmia.
Kelistrikan Tulang
Tulang memiliki efek piezoelektrik: menghasilkan muatan listrik kecil saat mengalami tekanan mekanis akibat struktur kristal hidroksiapatit, membantu proses penyembuhan tulang patah, penyesuaian struktur tulang terhadap beban, serta mencegah osteoporosis melalui aktivitas fisik yang membebani tulang.
Hewan Penghasil Listrik
Beberapa hewan memanfaatkan listrik untuk berburu dan navigasi: ikan belalai gajah menggunakan elektrolokasi untuk mendeteksi mangsa di air keruh; pari listrik menghasilkan tegangan hingga 220 volt untuk melumpuhkan mangsa; belut listrik dapat menghasilkan tegangan hingga 600 volt untuk berburu dan bertahan; hiu kepala martil memiliki ampula Lorenzini yang mendeteksi medan listrik lemah dari mangsa; dan ekidna memiliki elektroreseptor di moncongnya untuk menemukan mangsa di bawah tanah.
Belut listrik dapat melepaskan tegangan hingga 600 volt—cukup untuk membuat orang dewasa terjatuh—namun ia menggunakannya secara bijak, hanya untuk berburu dan bertahan hidup.
Gratis — tolong sebarkan
Materi dan latihan di sini bisa dipakai siapa saja tanpa membayar dan tanpa mendaftar. Aplikasi Fitri Learning membawa semuanya ke HP, lengkap dengan nilai dan pembahasan, dan jalan tanpa internet setelah diunduh sekali.
Gratis, tanpa akunUnduh aplikasinya → Ilmu yang bermanfaatBagikan ke WhatsApp