Medan Listrik

C Pewarisan Sifat pada Manusia

II. Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut dengan tepat!

4. Medan Listrik

Konon, ketika Newton menemukan hukum gravitasi, diilhami oleh sebuah apel yang jatuh dari pohonnya ke tanah. Newton memikirkan mengapa hal tersebut terjadi. Hasil pemikirannya sampai pada sebuah kesimpulan bahwa di antara dua buah benda yang mempunyai massa ada interaksi tarik-menarik. Kesimpulan ini terkenal dengan hukum gravitasi Newton.

Buah apel akan jatuh ke tanah karena ada gaya tarik bumi yang disebut gaya gravitasi. Massa bumi jauh lebih besar daripada massa sebuah apel. Oleh karena itu, apel akan tertarik oleh bumi, bukan sebaliknya. Dalam hal ini, dikatakan bahwa apel terletak pada medan gravitasi bumi.

Dua buah muatan yang diletakkan pada jarak tertentu akan mengalami hal serupa dengan buah apel yang jatuh ke bumi. Sebuah muatan akan mempunyai medan listrik di sekitarnya Gambar 5.6 a. Batang P yang netral

(tidak bermuatan) b. Batang P didekatkan

dengan batang Q yang bermuatan ne-gatif. batang P b batang Q batang P a A B A B

sehingga jika sebuah muatan uji diletakkan pada jarak tertentu, muatan uji tersebut akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak dari muatan tersebut selama muatan uji tersebut berada dalam medan listrik bermuatan.

Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik. Benda bermuatan listrik mempunyai garis-garis, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.7. Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan negatif garis-garis gayanya menuju pusat. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif menuju muatan negatif seperti ditunjukkan pada Gambar 5.8.

Misalkan, sebuah muatan uji q diletakkan pada jarak tertentu dari muatan Q. Ternyata, muatan uji tersebut akan tertarik oleh muatan Q. Dalam hal ini muatan uji q berada di dalam medan listrik muatan Q. Bagaimana menentukan besarnya kuat medan listrik muatan Q? Kuat medan listrik didefinisikan sebagai berikut.

Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan uji q akibat adanya muatan Q dibagi dengan besarnya muatan uji q.

Dalam bentuk matematis, definisi tersebut dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.

gaya Coulomb kuat medan listrik

muatan uji = 2 2 Q q k _{Q q} r E k q r ⋅ ⋅ _⋅ = = ⋅ ... (5.2) Keterangan: E = kuat medan (N/C) Q = muatan (C)

r = jarak muatan uji ke muatan tertentu (m)

Dari Persamaan (5.2) terlihat bahwa untuk mengetahui besarnya kuat medan listrik dari sebuah muatan, kita hanya memerlukan besarnya muatan tersebut serta jarak muatan uji dari muatan yang akan dicari besar medan listriknya. Terlihat bahwa semakin besar muatannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk jarak yang sama. Semakin dekat muatan uji dari suatu muatan yang akan dicari kuat medannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk muatan yang sama.

Contoh

Hitunglah kuat medan listrik dari sebuah muatan Q yang muatannya 7 × 10-9 C pada jarak 7 cm dari muatan tersebut! Jawab:

Q = +7 × 10-9 C

r = 7 cm = 7 × 10-2 m

E = .... ?

Gambar 5.7 a. Medan listrik muatan positif.

b. Medan listrik muatan negatif.

a

b

Gambar 5.8 Garis-garis gaya listrik antara muatan positif dan negatif.

E = k ^{Q q}₂ r ⋅ ⋅ =

( )

9 9 2 2 7 10 9 10 7 10 − − × × ⋅ × = 1,29 × 104

Jadi, kuat medan listriknya sebesar 1,29 × 104 N/C.

6. Penerapan Listrik Statis

Listrik statis juga dapat dihasilkan dengan menggunakan generator listrik statis. Contoh generator listrik statis adalah generator Van de Graaff (Gambar 5.9).

Generator Van de Graaff menghasilkan listrik statis yang besar dengan metode gesekan. Gesekan antara silinder logam bawah dengan sabuk karet menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet. Gesekan antara silinder politen atas dengan sabuk karet menimbulkan muatan positif pada sabuk karet. Jadi, gerak sabuk karet ke atas selalu membawa muatan listrik negatif dan gerak ke bawah selalu membawa muatan listrik positif. Muatan listrik negatif menempati permukaan luar bola yaitu kubah. Di dalam bola tidak ada muatan listrik. Karena sabuk karet terus bergerak, maka muatan listrik negatif pada kubah terus bertambah. Muatan listrik positif pada sabuk karet bawah mengalir ke tanah, sehingga muatan ini dinetralkan oleh muatan listrik dari tanah.

Contoh penerapan listrik statis antara lain sebagai berikut. a. Pengendap elektrostatis pada cerobong asap, fungsinya

membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikel-partikel pencemar. b. Pengecatan mobil, penggunaan penyemprot cat elektrostatis. c. Mesin fotokopi (selain menerapkan konsep optik).

d. Petir

Petir merupakan fenomena listrik statis yang sering terjadi pada waktu hujan badai. Awan badai terbentuk oleh uap air, debu, garam dari lautan, dan bahan-bahan lainnya. Di dalamnya arus udara mengalir dengan kencang sehingga menyebabkan partikel-partikel di dalam awan tersebut tersebut saling bertabrakan. Pada peristiwa tabrakan itu terjadi pelepasan elektron antara partikel yang satu dengan partikel yang lain. Partikel yang kehilangan elektron akan bermuatan positif sedangkan partikel yang menerima elektron akan bermuatan negatif. Para ilmuwan belum mengetahui secara pasti mengapa partikel yang relatif lebih berat cenderung bermuatan negatif dan partikel yang lebih ringan cenderung bermuatan positif. Hal inilah yang menyebabkan pada bagian bawah awan berkumpul partikel bermuatan negatif dan pada bagian atas awan berkumpul partikel bermuatan positif.

silinder logam bola logam berongga (kubah) ujung lancip sabuk karet silinder logam ujung lancip

Gambar 5.9 Generator Van de Graaff

Info Sains

Apakah hanya listrik saja yang mempunyai medan?

Tidak, bukan hanya listrik saja yang memiliki medan. Misalnya gravitasi dan suhu. Pada prinsip-nya, selama suatu benda dapat merasakan pengaruh dari benda lain dikatakan benda tersebut berada dalam sebuah medan.

Tugas 5.1

Carilah pemanfaatan listrik statis yang lain dalam kehidupan sehari-hari kemudian diskusikan dengan teman kelompokmu!

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan gaya yang terjadi antarmuatan!

2. Apa yang dimaksud dengan medan listrik? Besaran-besaran fisika apa saja yang mempunyai medan?

3. Hitunglah kuat medan listrik dari sebuah muatan Q yang muatannya 5 × 10–9 C pada jarak 4 cm dari muatan tersebut!

4. Apa yang dimaksud beda potensial listrik?

5. Beda potensial listrik benda P dan benda Q diketahui sebesar 10 J/C dan besar muatan yang dapat dipindahkan adalah 20 C. Hitunglah usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan tersebut!

Latihan 5.2

Lampu pijar merupakan aplikasi pemanfaatan listrik. Lampu pijar menghasilkan energi cahaya dengan prinsip arus mengalir melewati kawat tipis dan menimbulkan sinar putih–panas. Saat arus listrik mengalir melalui kumparan, kumparan akan panas secara cepat dan memancarkan cahaya. Apa yang dimaksud dengan arus listrik?

B Listrik Dinamis

Selama hujan badai terjadi, bumi yang bermuatan positif akan menarik awan yang bermuatan negatif ke bawah. Pada proses ini muatan akan mencari proses penyaluran yang paling pendek, yaitu tempat-tempat yang paling dekat dengan awan, seperti gedung-gedung tinggi, pohon, dan antena pemancar. Ketika terjadi petir, suhunya dapat mencapai ribuan derajat Celsius dan mengandung energi ribuan mega volt. Kekuatan petir dapat menghancurkan gedung, membunuh hewan dan manusia, serta dapat memusnahkan pohon menjadi serpihan-serpihan.

Untuk melindungi gedung-gedung pencakar langit dari petir, Benjamin Franklin, ilmuwan abad ke-17, memprakarsai pembuatan penangkal petir. Saat ini para ilmuwan banyak melakukan eksperimen untuk memanfaatkan energi listrik dalam petir yang sangat besar.