Elektrostatika

Konsep-konsep dasar elektrostatika

Sejarah kelistrikan diawali dengan diamatinya bahan ambar atau resin yang dalam bahasa Yunani berarti Elektron,
yang apabila bahan tersebut digosok dengan kulit binatang berambut akan dapat menarik benda–benda halus yang ringan yang setelah menempel padanya lalu ditolaknya.
Sifat demikian ternyata tertularkan pada benda lain yang disinggungkan atau yang ditempelkan padanya,
yang oleh karenanya benda itu lalu dikatakan bermuatan “keambaran” atau resinious.
Hal yang sama ternyata terjadi pula pada kaca yang digosok dengan kain sutera, yang penularannya menjadikan benda lain yang ditempelkan padanya bermuatan “kekacaan” atau vitrious.
Pada tahun 1733, Francois du Fay menemukan kenyataan bahwa di alam hanya ada dua jenis muatan saja, yaitu muatan resinious dan vitrious, dan dua benda yang muatannya sama akan tolak–menolak dan sebaliknya dua benda akan tarik–menarik jika muatannya berbeda.
Kemudian Benjamin Franklin (1706–1790) menemukan kenyataan bahwa dua jenis muatan resinious dan vitrious itu kalau digabungkan akan saling meniadakan seperti halnya dengan bilangan positif dan negatif. Sejak itu muatan resinious disebut muatan listrik negatif dan vitrious disebut dengan muatan listrik positif.
Melanjutkan percobaan Michelson dan Carlisle tentang elektrolisa, Michael Faraday (1791–1867) pada tahun 1883 mengemukakan terkuantisasinya muatan listrik menjadi unit–unit muatan, yang kemudian oleh Stoney pada tahun 1874, yang diperkuat oleh J.J. Thomson pada tahun 1897, dihipotesiskan adanya partikel pembawa muatan listrik yang lalu dinamakan elekron. Sebagai resin, elektron dikatakan menghasilkan muatan listrik negatif maka elektron pun akan bermuatan listrik negatif.

Hukum Coulomb

Meskipun J.C. Maxwell (1831-1879) berhasil memadukan semua hukum dan rumus kelistrikan dalam bentuk empat persamaan yang lalu dikenal sebagai persamaan maxwell sedemikian hingga semua gejala kelistrikan selalu dapat diterangkan berdasarkan atau dijabarkan dari keempat persamaan itu, pada hakikatnya keempat persamaan itu dapat dipadukan menjadi atau dapat dijabarkan dari hukum Coulomb:

yakni yang menyatakan bahwa gaya antara dua muatan listrik q1 dan q2 akan sebanding dengan banyaknya muatan listrik masing–masing serta berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara kedua muatan listrik tersebut, serta tergantung pada medium di mana kedua muatan itu berada, yang dalam perumusannya ditetapkan oleh suatu tetapan medium k.
Jadi hukum Coulomb merupakan hukum yang fundamental dalam ilmu kelistrikan, yang mendasari semua hukum dan rumus kelistrikan, seperti halnya hukum 'inisial Newton' dalam mekanika yang mendasari semua hukum dan rumus mekanika.
Dalam sistem satuan m.k.s, tetapan medium k tertuliskan sebagai
1/(4 π ε ), sehingga hukum Coulomb menjadi berbentuk:

dan ε disebut permitivitas medium.
Dengan F positif berarti gaya itu tolak-menolak dan sebaliknya F negatif berarti tarik–menarik.

Medan Listrik

Adanya muatan listrik di dalam ruang akan menyebabkan setiap muatan listrik yang ada di dalam ruangan itu mengalami gaya elektrostatis Coulomb, yaitu yang menurutkan hukum Coulomb di atas. Oleh sebab itu dikatakan bahwa muatan listrik akan menimbulkan medan listrik disekitarnya. Medan listrik dikatakan kuat apabila gaya pada muatan listrik di dalam ruangan bermedan listrik itu besar. Tetapi gaya coulomb itu besar terhadap muatan listrik yang banyak sehingga didefinisikan kuat medan listrik sebagai gaya pada satu satuan muatan listrik. Jadi dari hukum Coulomb di atas, kuat medan listrik oleh titik muatan listrik q adalah:
Di mana r ialah vektor satuan arah radial dari titik muatan q .
Sebagaimana gaya adalah besaran vektor maka begitu juga kuat medan listrik  sehingga kuat medan listrik oleh beberapa titik muatan listrik q1, q2, q3, … sama dengan jumlah vektor–vektor kuat medan listrik oleh masing–masing titik muatan listrik, yaitu:

Potensial Listrik

Sejalan dengan tenaga potensial dalam mekanika, potensial listrik didefinisikan sebagai yang sedemikian hingga turunnya tenaga potensial dari suatu titik A ke titik B sama dengan usaha yang dilakukan oleh satu satuan muatan listrik selama bergerak dari A ke B.
Untuk medan listrik yang oleh satu titik muatan q turunnya potensial listrik itu menjadi:

yang dengan mengambil VB = 0 untuk rB = , yakni dengan menyatakan potensial listrik itu di tempat yang jauh tak terhingga dari q adalah nol, sejalan dengan tiadanya potensi untuk melakukan usaha sebab kuat medan listrik E di r =  adalah nol, kita dapat merumuskan potensial listrik oleh titik muatan listrik q di tempat sejauh r dari titik muatan itu sebagai:

yang sama dengan usaha yang sama dengan oleh satu satuan muatan listrik yang bergerak dari tempat sejauh r dari q, ke tempat tak terhingga jauhnya dari q, atau dapat juga dikatakan sama dengan usaha yang diperlukan untuk mengambil satu satuan muatan listrik dari tempat jauh tak terhingga ke tempat sejauh r dari titik muatan q.
Selanjutnya didefinisikanlah satuan potensial volt. Jikalau usaha yang dilakukan oleh 1 coulomb muatan listrik adalah 1 joule maka turunan potensial adalah 1 volt, di mana muatan listrik satu coulomb adalah yang pada pemindahannya dalam pengendapan elektrolit mengendapkan 1,118 miligram Ag dari larutan elektrolit AgNO3. jelaslah bahwa untuk Q coulomb muatan yang melintasi benda potensial V volt, diperlukan usaha sebesar QV joule yang berarti coulomb Volt = joule.
Lebih lanjut, dalam hukum Coulomb, satuan permitivitas medium adalah yang sedemikian hingga apabila satuan untuk muatan listrik q
adalah coulomb dan satuan untuk jarak adalah meter, maka satuan untuk gaya elektrostatika Coulomb adalah Newton. Jadi untuk satuan permitivitas medium itu ialah coulomb2/ (newton meter)
Sejalan dengan yang berlaku dalam mekanika di mana gaya F = - gradien potensial, maka dalam elektrostatika juga berlaku hubungan kuat medan listrik E = - gradien potensial listrik V atau dirumuskan:
]
Di mana
 ialah operator deferensial vektor nabla Laplace, yaitu:

Dengan i, j, k, adalah vektor–vektor satuan panjang sumbu–sumbu koordinat X, Y, Z di dalam sisitem koordinat cartesius.

Tenaga Sistem Titik-titik Muatan Listrik

Yang dimaksud dengan tenaga sistem atau himpunan titik–titik muatan listrik di sini ialah tenaga yang diperlukan untuk menghimpun ataupun tenaga yang dikandung sistem titik–titik muatan listrik tersebut, yang adalah sama dengan usaha yang dilakukan oleh titik–titik muatan itu seandainya dibiarkan berserakan menuju jauh tak terhingga. Untuk menjelaskan penjabaran rumusnya, kita perhatikan Gambar 1.3 yang memeperlihatkan himpunan titik–titik muatan q1 yang berada di tempat potensial V1, q2 di tempat potensial listrik V2 dan seterusnya.
U1 = 0
U2 = q2V21
U3 = q3V31 + q3V32
U4 = q4V41 + q4V42 + q4V43
U = U1 + U2 + U3 + U4
Misalkan penghimpunan titik–titik muatan itu kita mulai dengan mengambil titik muatan q1 dari tempat jauh tak terhingga. Untuk ini tidak perlu melakukan usaha, sebab tidak ada tidak ada medan listrik yang harus diatasinya. Tetapi untuk mengambil q2 dari tempat jauh tak terhingga ke tempatnya yang diperlukan usaha karena diperlukan gaya untuk mengatasi medan listrik yang ditimbulkan oleh q1 dan usaha itu adalah sebesar U2 = q2V21 di mana V21 adalah potensial listrik di tempat q2 karena adanya muatan listrik q1, demikian seterusnya secara umum kita dapat menulis:
 dan 
Di mana U adalah tenaga sistem yang dimaksud.
Adapun potensial listrik di tempat qi diberikan oleh jumlah yang ada pada masing–masing muatan lainnya, yaitu:

Di lain pihak qiVij = qjVji

Elektrostatika Untuk Terapi

Yang dimaksud dengan elektrostatika untuk terapi adalah efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, yang statis (tidak berubah/bergerak) seperti elektron, ion, atau proton, dalam ruangan yang ada di sekitarnya dengan tegangan 9000 Volt yang bisa digunakan untuk kesehatan (Terapi Medan Elektrostatis). Secara sederhana energi elektrostatis dapat dihasilkan dengan menggosok dua buah isolator. Gaya elektrostatis yang timbul dapat menarik potongan kertas atau rambut berdiri. Terapi elektrostatis merupakan terapi yang dapat menciptakan tekanan seimbang ion dalam tubuh, terutama zat ion (ion postasium, sodium, magnesium, kalsium, dll.) dalam tubuh yang akan membuat tubuh menjadi lebih rileks. Terapi ini menggunakan tegangan listrik sebesar 9000 Volt dengan getaran 50x/detik (frekuensi 50 Hz) yang akan mampu untuk menggetarkan kotoran-kotoran yang menggumpal dan menempel pada dinding-dinding pembuluh darah, sehingga akan merontokkannya secara perlahan-lahan dan dalam kurun waktu 1 minggu dengan terapi 1 jam per 1 kali terapi untuk keluhan hipertensi akan berkurang atau bahkan sembuh dengan mengembalikan elastisitas pembuluh darah dengan vibrilasi yang timbul akibat stimulus listrik dengan menjadikan ruptur plak dalam pembuluh darah serta energi panas yang memvasodilatasi pembuluh darah.
Manfaat dari terapi medan elektrostatis ini antara lain membersihkan saluran darah, dengan getaran 50x/detik dengan tegangan listrik 9000 volt yang akan dikeluarkan melalui saluran pembuangan kita yaitu: urine, keringat dan juga kotoran (BAB), meningkatkan daya tahan tubuh, menambahkan Ion negatif dalam tubuh, membuang sel yang tidak baik (sel yang sudah mati), mempercepat pertumbuhan tulang dan mengurangi keropos tulang, meningkatkan produksi kalsium dalam tubuh, mempertahankan PH tubuh, menghacurkan lemak, kolesterol jahat dalam tubuh, mempercepat pemecahan gula dalam darah, kolesterol dalam darah, menguatkan otot jantung, fungsi paru-paru, tanpa efek samping, tanpa menggunakan obat-obatan, dan tanpa suntikan. Biasanya penggunaan terapi medan elektrostatis ini akan terasa khasiatnya terhadap tubuh setelah dilakukan 7 kali atau 1 minggu. (Baik dilakukan berturut-turut ataupun tidak)Terapi ini juga termasuk ke dalam terapi komplementer karena selain menstabilkan ion tubuh, medan magnet yang ditimbulkan oleh terapi ini akan bervibrasi sehingga timbul panas. Terkait materi selengkapnya ada dalam Biolistrik.