Muatan listrik

Muatan listrik adalah muatan dasar yang dimiliki oleh partikel penyusun atom, kecuali neutron. Karakteristik muatan dasar hanya dimiliki oleh proton dan elektron. Muatan listrik hanya dibedakan menjadi muatan positif  dan muatan negatif, serta muatan netral yang tersusun dari gabungan muatan positif dan muatan negatif dalam jumlah yang sama. Selain itu, muatan hanya ditemui pada sistem tertutup yang tidak sama dengan massa dan tidak teramati secara empiris. Keadaan dasar dari muatan adalah selalu memiliki kuantisasi berupa kelipatan bilangan bulat dengan nilai 1,602 × 10−19 C atau 4,77 ×10−10 satuan elektrostatik. Interaksi antarmuatan listrik akan terjadi jika benda-benda yang bermuatan didekatkan satu sama lain. Gaya tolak-menolak terjadi pada benda-benda yang bermuatan sejenis,sedangkan gaya tarik-menarik akan terjadi pada benda-benda yang bermuatan tidak sejenis. Konsep mengenai muatan listrik dijadikan sebagai prinsip dasar untuk menjelaskan tentang fenomena listrik.

Penamaan 
Benjamin Franklin (1706-1790) merupakan fisikawan yang memperkenalkan dan menggunakan istilah muatan listrik untuk pertama kali. Ia memperoleh dan menyimpan muatan listrik melalui tabung Leyden. Muatan listrik ini diperoleh dari tali layang-layang berlapis logam yang diterbangkan ketika banyak terjadi petir.

Jenis 
Muatan listrik hanya dibedakan menjadi dua jenis, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Penetapan muatan listrik menjadi hanya dua jenis dilakukan oleh ilmuwan berkebangsaan Amerika Serikat yaitu Benjamin Franklin. Kesimpulan bahwa muatan listrik hanya ada dua jenis diperoleh oleh Franklin melalui percobaan pada sebuah penggaris plastik dan sebuah batang kaca yang saling digosokkan.

Sifat-sifat

Pembentukan 
Setiap benda memiliki atom dengan bagian berupa proton, elektron dan neutron. Pembentukan muatan listrik pada suatu benda merupakan akibat dari susunan proton dan elektron dalam jumlah tertentu pada partikelnya. Sesuai dengan teori atom model Thomson, model Rutherford dan model Bohr, atom terdiri dari muatan positif di inti atom dan muatan negatif di luar inti atom. Di dalam inti atom, terdapat proton yang dijadikan sebagai muatan positif. Percobaan muatan listrik yang dilakukan oleh Milikan memperoleh muatan terkecil dengan nilai sebesar 1,6 ×1010 Coulomb. Pembentukan muatan hanya terjadi jika jumlah proton dan elektron tidak sama. Jika proton dan elektron dalam jumlah yang sama, maka benda dikatakan bermuatan netral. Benda dikatakan bermuatan negatif jika jumlah elektron lebih besar dibandingkan proton. Sedangkan benda dikatakan bermuatan positif jika jumlah proton lebih besar dibandingkan elektron. Proses pembentukan muatan listrik terjadi ketika atom melakukan ionisasi dengan cara melepas atau menangkap elektron.

Muatan listrik pada suatu benda dapat diperoleh melalui 3 cara, yaitu memberikan efek tribolistrik, konduksi atau induksi. Efek tribolistrik diperoleh dengan menggosokkan benda yang tidak bermuatan ke benda yang bermuatan. Konduksi dilakukan dengan menghubungkan benda bermuatan dengan benda yang tidak bermuatan, sedangkan induksi dilakukan dengan mendekatkan benda yang tidak bermuatan ke benda yang bermuatan.

Massa 
Massa dari muatan listrik berbeda dengan massa pada gaya gravitasi. Massa pada gaya gravitasi hanya terdiri dari massa positif, sedangkan pada muatan listrik, massa terbagi menjadi massa positif dan massa negatif. Keberadaan dua jenis massa menyebabkan muatan listrik dapat melakukan gaya tarik dan gaya tolak. Ini berbeda dengan gaya gravitasi yang hanya mampu melakukan gaya tarik karena hanya meiliki satu jenis massa.

Gaya tarik-menarik 
Sifat dari gaya tarik suatu muatan listrik diketahui setelah Charles Coulomb melakukan eksperimen pada tahun 1736-1806. Coulomb menguji dan menentukan besar gaya tarik antara dua buah muatan listrik. Dari hasil eksperimen, diperoleh tiga kesimpulan. Pertama, jika dua buah muatan listrik dengan sifat yang berbeda (negatif dan positif) saling didekatkan, maka akan terjadi gaya tarik-menarik antara kedua muatan tersebut. Sebaliknya, jika kedua muatan memiiliki sifat yang sejenis (positif-positif atau negatif-negatif), maka kedua muatan akan saling tolak-menolak. Kedua, besar gaya tarik antara kedua buah muatan selalu berbanding terbalik dengan jarak antara kedua buah muatan tersebut. Ketiga, ukuran fisik dari muatan listrik menentukan besar gaya tarik antara kedua buah muatan listrik. Sifat gaya tarik ini dikenal dan dijelaskan secara rinci dalam rumusan-rumusan dari hukum Coulomb.

Gaya elektrostatik 
Muatan listrik memiliki gaya elektrostatik antara dua muatan listrik partikel dengan nilai 1040 kali lebih besar dibandingkan dengan gaya gravitasi antara keduanya. Faktor penyebab besarnya gaya elektrostatik pada muatan listrik belum diketahui secara pasti. Namun,  Arthur Eddington dan Paul A.M. Dirac memberikan perkiraan bahwa fakor gaya elektrostatik pada muatan listrik sarna dengan akar kuadrat dari jumlah materi yang ada di alam semesta. Gaya yang terjadi antara dua buah muatan listrik memiliki arah yang tetap, yaitu pada garis medan listrik penghubung di antara kedua muatan.  Penetapan arah muatan listrik didasarkan kepada pengertian ruang yang isotropi.

Hukum

Hukum kekekalan muatan 
Hukum kekekalan muatan adalah hukum yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang berbeda dalam suatu proses pemindahan muatan adalah nol. Benda yang memperoleh muatan positif dari benda lain tetap akan menghasilkan sejumlah muatan negatif dengan jumlah yang sama pada daerah atau benda di sekitarnya. Benjamin Franklin (1706–1790) mengatakan bahwa dampak dari adanya hukum kekekalan muatan yaitu adanya perpindahan muatan dari benda yang satu ke benda yang lain. Muatan baru yang terdapat di dalam suatu benda bukanlah hasil ciptaan, melainkan hanyalah pemindahan muatan dari benda lain di sekitarnya.

Hukum Coulomb 
Gaya tarik-menarik terjadi pada dua muatan yang berlawanan sedangkan gaya tolak-menolak terjadi pada dua muatan yang tidak sejenis. Hukum Coulomb menyatakan bahwa "besarnya gaya tarik-menarik dan tolak-menolak antarmuatan listrik sebanding dengan ukuran muatan listrik masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antarmuatan listrik”. Hubungan antara gaya listrik dengan ukuran muatan listrik dan jarak antarmuatan ini dipelajari dan dikemukakan oleh fisikawan Prancis yang bernama Charles Augustin de Coulomb pada tahun 1785. Dalam percobaan, Coulomb menggunakan neraca puntir.

Penerapan konsep

Induksi listrik 
Induksi listrik merupakan pemisahan muatan listrik pada suatu benda akibat didekatkan dengan benda lain yang bermuatan listrik. Pemisahan muatan dari benda netral dapat dilakukan oleh benda bermuatan positif maupun benda bermuatan negatif. Pemisahan muatan dapat terjadi karena adanya gaya tarik atau gaya tolak muatan listrik. Induksi listrik digunakan untuk membuat benda netral menjadi bermuatan listrik. Gaya tarik akan terjadi pada benda bermuatan negatif yang didekatkan pada benda netral sehingga muatan positif  pada benda netral bergeser ke sisi lain dari benda netral dan muatan negatif dari bertambah ke sisi yang lain. Benda menjadi bermuatan positif jika muatan negatif dihubungkan dengan permukaan tanah kemudian diputus.

Medan listrik 
Muatan listrik mampu menghasilkan medan listrik. Pembuatan medan listrik dapat dilakukan oleh elektron, ion, atau proton di dalam ruangan yang ada di sekitarnya. Satuan medan listrik dnyatakan dalam Newton/Coulomb atau disingkat N/C. Medan listrik umumnya dipelajari dalam bidang fisika dan bidang elektronika, khususnya dalam kajian penghantar listrik seperti kawat atau kabel.

Penerapan praktis

Xerografi 
Chester Carlson menerapkan hukum Coulomb terhadap sebuah proses xerografi pada tahun 1940. Lapisan tipis fotokonduktif yang berbahan selenium diberikan ke permukaan silinder. Pada kondisi gelap, selenium akan bermuatan positif dan memiliki sifat konduktivitas yang buruk. Pencetakan gambar terjadi selama kondisi gelap, karena muatan listrik pada gambar tertahan di selenium. Pengumpulan gambar ke selenium dilakukan oleh suatu lensa cahaya. Selenium akan mengubah menjadi konduktor yang baik saat diberi sinar. Muatan positif akan terbawa pada bagian yang menerima sinar karena cahaya membawa muatan pembawa yang menghilangkan muatan positif pada selenium. Pada bagian yang gelap, muatan positif tidak berpindah. Suatu tinta bubuk yang bermuatan negatif dihembuskan pada permukaan gelap tersebut, sehingga muatan negatif pada tinta bubuk akan menempel pada bahan selenium. Penempelan bahan pada selenium menghasilkan gambar yang kemudian dikirim ke lembaran kertas yang bermuatan positif. Gambar menjadi permanen setelah tinta bubuk dilelehkan dengan suhu tinggi.

Elektroskop 
Elektroskop digunakan untuk mengetahui keberadaan suatu muatan listrik dan jenis muatan listrik yang ada di dalam suatu benda. Ektroskop terdiri dari sebuah peti kaca, dua buah daun elektroskop, bola logam, dan konduktor yang disekat dari peti. Peti kaca menjadi rumah bagi dua buah daun elektroskop. Kedua daun elektroskop dapat bergerak dan dihubungkan ke bola logam yang berada di luar peti kaca melalui konduktor.

Referensi

Daftar pustaka

Pranala luar 
 How fast does a charge decay?
 History of the electrical units.

Listrik
Fisika
Elektromagnetisme
Elektrostatika