Cas elektrik

Cas elektrik ialah sifat fizik bagi jirim yang menyebabkannya mengalami daya apabila ditempatkan di dalam medan elektromagnet. Cas dihitung dengan unit e (cas keunsuran) hampir-hampir sama dengan  (kecuali untuk zarah kuark yang mempunyai cas yang merupakan gandaan integer e/3) bersamaan 4.77 ×10−10 unit elektrostatik. Terdapat dua jenis cas elektrik – positif milik proton mempunyai satu cas e yang genap bilangan elektron luarnya, dan negatif dengan satu cas -e yang ganjil atau lebih. Bahan bercas sejenis akan saling tolak-menolak: cas positif menolak cas positif lain, tetapi tertarik dengan bahan bercas negatif; begitu juga sebaliknya. Konsep cas elektrik prinsip dasar untuk menjelaskan tentang fenomena elektrik.

Unit terbitan Sistem Unit Antarabangsa untuk menyukat sifat ini ialah coulomb (C), namun ampere-jam juga kerap digunakan dalam bidang kejuruteraan elektrik, selain juga unit cas keunsuran (e) dalam bidang kimia. Simbol Q kerap digunakan untuk menandakan cas. Kajian bagi cara bahan bercas bersaling tindak ialah elektrodinamik klasik, yang jitu selagi kesan kuantum boleh diabaikan.  Kajian bagi zarah sentiasa berubah, dan cara saling tindaknya ditengahi oleh foton, ialah elektrodinamik kuantum.

Cas elektrik ialah sifat abadi asasi bagi sesetengah zarah subatom, yang menentukan saling tindak elektromagnetnya. Jirim bercas elektrik dipengaruhi oleh, dan menghasilkan, medan elektromagnet. Saling tindak antara cas bergas dengan medan elektromagnet ialah sumber medan elektromagnet, yang merupakan salah satu daripada empat daya asasi (lihat juga: Medan magnet).

 Penamaan 
Benjamin Franklin (1706-1790) merupakan ahli fizik yang memperkenalkan dan menggunakan istilah charge yang asal dalam bahasa Inggeris ibundanya untuk pertama kali dari kajiannya yang memperoleh dari tali layang-layang berlapis logam yang diterbangkan ketika banyak terjadi petir lalu disimpan ke dalam tabung Leyden. Kesimpulan bahawa cas elektrik hanya ada dua jenis diperoleh oleh Franklin boleh dibuktikan kini dengan pengosokkan sebuah pembaris plastik dan sebuah batang kaca yang saling digosokkan.

 Sifat-sifat 

 Pembentukan 
Setiap benda memiliki atom dengan bagian berupa proton, elektron dan neutron. Pembentukan cas elektrik 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 cas positif di nukleus dan cas negatif di luar inti atom. Di dalam inti atom, terdapat proton yang dijadikan sebagai cas positif. Percubaan cas elektrik yang dilakukan oleh Milikan memperoleh cas terkecil dengan nilai sebesar 1,6 ×1010 Coulomb. Pembentukan cas hanya terjadi jika jumlah proton dan elektron tidak sama. Jika proton dan elektron dalam jumlah yang sama, maka benda dikatakan bercas netral. Benda dikatakan bercas negatif jika jumlah elektron lebih besar dibandingkan proton. Sedangkan benda dikatakan bercas positif jika jumlah proton lebih besar dibandingkan elektron. Proses pembentukan cas elektrik terjadi ketika atom melakukan ionisasi dengan cara melepas atau menangkap elektron.

Muatan elektrik pada suatu benda dapat diperoleh melalui 3 cara, iaitu memberikan kesan triboelektrik, konduksi atau induksi. Efek triboelektrik diperoleh dengan menggosokkan benda yang tidak bercas ke benda yang bercas. Konduksi dilakukan dengan menghubungkan benda bercas dengan benda yang tidak bercas, sedangkan induksi dilakukan dengan mendekatkan benda yang tidak bercas ke benda yang bercas.

 Jirim 
Jirim dari cas elektrik berbeza dengan jirim pada gaya graviti. Jirim pada gaya graviti hanya terdiri dari massa positif, sedangkan pada cas elektrik, massa terbagi menjadi jirim positif dan jirim negatif. Keberadaan dua jenis massa menyebabkan cas elektrik dapat melakukan gaya tarik dan gaya tolak. Ini berbeza dengan gaya graviti yang hanya mampu menarik kerana hanya meiliki satu jenis jirim.

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

 Gaya elektrostatik 
Cas elektrik memiliki kuasa elektrostatik antara dua cas elektrik zarah  dengan nilai 1040 kali lebih besar dibandingkan dengan kuasa gravitasi antara keduanya. Faktor penyebab besarnya gaya elektrostatik pada cas elektrik belum diketahui secara pasti. Namun,  Arthur Eddington dan Paul A.M. Dirac memberikan perkiraan bahawa fakor kuasa elektrostatik pada cas elektrik sarna dengan akar kuadrat dari jumlah bahan yang ada di alam semesta. Gaya yang terjadi antara dua buah cas elektrik memiliki arah yang tetap, iaitu pada garis medan elektrik penghubung di antara kededua cas.  Penetapan arah cas elektrik didasarkan kepada pengertian ruang yang isotropi.

 Hukum 

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

 Hukum Coulomb 
Gaya tarik-menarik terjadi pada dua cas yang berlawanan sedangkan gaya tolak-menolak terjadi pada dua cas yang tidak sejenis. Hukum Coulomb menyatakan bahawa "besarnya gaya tarik-menarik dan tolak-menolak antarcas elektrik sebanding dengan ukuran cas elektrik masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antarcas elektrik”. Hubungan antara gaya elektrik dengan ukuran cas elektrik dan jarak antarcas ini dipelajari dan dikemukakan oleh ahli fizik Perancis yang bernama Charles Augustin de Coulomb pada tahun 1785. Dalam percobaan, Coulomb menggunakan neraac puntir.

 Penerapan konsep 

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

 Medan elektrik 
Muatan elektrik mampu menghasilkan medan elektrik. Pembuatan medan elektrik dapat dilakukan oleh elektron, ion, atau proton di dalam ruangan yang ada di sekitarnya. Satuan medan elektrik dnyatakan dalam Newton/Coulomb atau disingkat N/C. Medan elektrik umumnya dipelajari dalam bidang fisika dan bidang elektronika, khususnya dalam kajian pengalir elektrik 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 bercas positif dan memiliki sifat keberaliran  yang buruk. Pencetakan gambar terjadi selama kondisi gelap, kerana cas elektrik 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 kerana cahaya membawa cas pembawa yang menghilangkan cas positif pada selenium. Pada bagian yang gelap, cas positif tidak berpindah. Suatu tinta bubuk yang bercas negatif dihembuskan pada permukaan gelap tersebut, sehingga cas negatif pada tinta bubuk akan menempel pada bahan selenium. Penempelan bahan pada selenium menghasilkan gambar yang kemudian dikirim ke lembaran kertas yang bercas positif. Gambar menjadi permanen setelah tinta bubuk dilelehkan dengan suhu tinggi.

 Elektroskop 
Elektroskop digunakan untuk mengetahui keberadaan suatu cas elektrik dan jenis cas elektrik 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.

 Lihat juga 
 Kuantiti elektrik
 Unit keelektromagnetan SI

 Rujukan 

 Daftar pustaka 








 Pautan luar 
 How fast does a charge decay? 
 Science Aid: Electrostatic charge Easy-to-understand page on electrostatic charge. 
 History of the electrical units. 


*
Kategori:Elektrik
Kategori:Kuantiti fizik
Kategori:Sifat kimia
Kategori:Hukum keabadian
Kategori:Elektromagnetisme
Kategori:Nombor kuantum perisa fizik zarah
Kategori:Spintronik