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.

gaya coulomb antara dua benda bermuatan listrik

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.

1. 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.

Gambar

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.

Gambar

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

(gambar)(gambar)

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

(gambar)

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

Gambar

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 nmuatan, potensial listriknya dituliskan

sebagai berikut.

Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu

diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.

Hubungan antara gaya listrik, kuat medan listrik, usaha atau

energi potensial listrik, dan potensial listrik dapat digambarkan dalam

diagram berikut ini.