Listrik Statis — Pengisian Muatan, Hukum Coulomb & Contoh

Listrik statis adalah muatan listrik yang menumpuk pada suatu benda, bukan mengalir sebagai arus tetap. Inilah yang menjelaskan mengapa balon bisa menempel di dinding, pakaian berbunyi berderak di pengering, dan mengapa Anda bisa merasakan percikan setelah berjalan di atas karpet.

Pada kebanyakan benda padat sehari-hari, model yang berguna adalah elektron berpindah dari satu bahan ke bahan lain. Jika suatu benda menerima elektron, benda itu menjadi bermuatan negatif. Jika kehilangan elektron, benda itu menjadi bermuatan positif.

Bagaimana Listrik Statis Terbentuk

Kontak Dan Pemisahan

Banyak contoh listrik statis dimulai saat dua bahan saling bersentuhan lalu dipisahkan. Selama proses itu, sebagian elektron dapat berpindah dari satu permukaan ke permukaan lainnya. Menggosok dapat memperkuat efeknya karena menambah kontak, tetapi tidak menciptakan muatan dari ketiadaan.

Konduksi

Jika benda bermuatan menyentuh benda lain, muatan dapat berpindah melalui kontak langsung. Setelah itu, kedua benda mungkin berbagi muatan, meskipun hasilnya bergantung pada bahan dan pada apakah salah satu benda terhubung ke ground.

Induksi

Benda bermuatan yang berada di dekat benda lain juga dapat menyusun ulang muatan di dalam benda tersebut tanpa menyentuhnya. Dengan sendirinya, induksi biasanya menyebabkan pemisahan muatan, bukan muatan bersih permanen. Jika grounding ditambahkan dalam kondisi yang tepat, induksi dapat membuat benda memiliki muatan bersih.

Hukum Coulomb Untuk Muatan Statis

Listrik statis merupakan bagian dari elektrostatika, yaitu cabang yang mempelajari muatan diam. Hukum gaya utamanya adalah hukum Coulomb.

Untuk dua muatan titik di vakum,

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

dengan $F$ adalah besar gaya, $q_1$ dan $q_2$ adalah muatan, $r$ adalah jarak pemisah, dan $k \approx 8.99 \times 10^9\ \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$.

Rumus ini memberikan besar gayanya. Tanda muatan memberi tahu arahnya:

• muatan sejenis tolak-menolak
• muatan tidak sejenis tarik-menarik

Hukum Coulomb berlaku langsung ketika muatan dapat diperlakukan sebagai muatan titik. Untuk benda nyata seperti balon atau dinding, muatan tersebar di permukaan, sehingga gaya tepatnya lebih rumit. Meski begitu, hukum ini memberi pola utamanya: muatan yang lebih besar menghasilkan gaya yang lebih kuat, dan jika jarak digandakan maka gaya menjadi empat kali lebih kecil.

Contoh Soal: Gaya Antara Dua Muatan

Misalkan dua bola kecil bermuatan memiliki muatan

• $q_1 = 40\ \mathrm{nC} = 40 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $q_2 = -20\ \mathrm{nC} = -20 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $r = 5.0\ \mathrm{cm} = 0.050\ \mathrm{m}$

Tentukan besar gaya dan putuskan apakah gayanya tarik-menarik atau tolak-menolak.

Mulai dengan hukum Coulomb:

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

Substitusikan nilainya:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{|(40 \times 10^{-9})(-20 \times 10^{-9})|}{(0.050)^2}$$

Kalikan muatannya:

$$|q_1 q_2| = 8.0 \times 10^\{-16\}\ \mathrm\{C^2\}$$

Kuadratkan jaraknya:

$$r^2 = 2.5 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^2}$$

Sekarang hitung gayanya:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{8.0 \times 10^{-16}}{2.5 \times 10^{-3}} \approx 2.9 \times 10^{-3}\ \mathrm{N}$$

Jadi besar gayanya sekitar $2.9\ \mathrm{mN}$. Karena muatannya bertanda berlawanan, gayanya bersifat tarik-menarik.

Inti utamanya adalah pola kuadrat terbalik. Jika jaraknya menjadi dua kali lipat sementara muatannya tetap sama, gaya akan menjadi seperempat dari semula.

Mengapa Balon Bermuatan Menempel Di Dinding

Saat Anda menggosok balon pada rambut atau kain, muatan dapat berpindah ke balon. Jika balon bermuatan itu didekatkan ke dinding, muatan di dalam dinding akan sedikit bergeser. Polarisasi ini dapat menimbulkan gaya tarik bersih meskipun dinding secara keseluruhan tetap netral secara listrik.

Contoh ini menunjukkan mengapa listrik statis sehari-hari sering melibatkan perpindahan muatan sekaligus penyusunan ulang muatan, bukan hanya dua muatan titik yang terisolasi.

Kesalahan Umum Dalam Listrik Statis

• Mengatakan bahwa gesekan menciptakan muatan dari ketiadaan. Biasanya gesekan membantu memindahkan muatan antar bahan.
• Lupa bahwa elektron biasanya merupakan muatan yang bergerak dalam benda padat sehari-hari.
• Menggunakan hukum Coulomb seolah-olah setiap benda nyata adalah muatan titik.
• Mengabaikan satuan saat mengubah nanocoulomb atau sentimeter ke satuan SI.
• Menganggap induksi selalu meninggalkan muatan bersih permanen. Biasanya itu juga memerlukan grounding.

Di Mana Listrik Statis Digunakan

Listrik statis penting dalam mesin fotokopi, printer laser, pengendap elektrostatik, powder coating, dan beberapa proses pemisahan industri. Listrik statis juga penting dalam penanganan elektronik, karena pelepasan muatan elektrostatik dapat merusak komponen sensitif bahkan ketika percikannya terlalu kecil untuk disadari.

Kelembapan juga berpengaruh. Di udara kering, muatan cenderung bertahan lebih lama di permukaan, sehingga efek statis sering lebih mudah terlihat.

Coba Soal Hukum Coulomb Yang Mirip

Gunakan muatan yang sama seperti pada contoh soal, tetapi ubah jaraknya dari $0.050\ \mathrm{m}$ menjadi $0.10\ \mathrm{m}$. Hitung gaya barunya sebelum memakai kalkulator, lalu periksa apakah hasil kuadrat terbalik sesuai dengan intuisi Anda.