Listrik Statis: Konsep, Rumus, Contoh Penerapan, dsb

Listrik statis adalah listrik yang terjadi akibat adanya ketidakseimbangan muatan listrik di dalam atau di permukaan suatu benda. Tentunya kita telah mengetahui apa itu listrik. Terdapat dua jenis aliran listrik, yakni listrik statis dan listrik dinamis. Listrik dinamis adalah listrik yang selama ini kita jumpai dan gunakan dalam kehidupan sehari-hari untuk menyalakan lampu atau barang elektronik lain.

Lalu apa itu listrik statis? Untuk memahaminya dengan lebih baik, kita dapat melakukan percobaan sederhana. Contohnya adalah setelah kita menyisir (menggosokkan sisir berkali-kali pada rambut) cobalah dekatkan sisir tersebut pada potongan kertas yang tipis dan kecil. Maka kertas itu akan tertarik pada sisir.

Contoh percobaan lainnya dapat dilakukan menggunakan penggaris mika tipis yang fleksibel. Cobalah gosokkan dengan cepat mistar tersebut berkali-kali ke bagian tubuh kita (misalnya pada paha namun tertutup celana). Setelah itu, dekatkan mistar tersebut ke rambut, maka rambut kita akan tertarik ke mistar mika seakan melayang melawan gravitasi. Fenomena itu adalah bukti adanya listrik statis.

Konsep Listrik Statis

Bagaimana listrik statis dapat terjadi? Listrik statis terjadi akibat adanya perbedaan muatan listrik pada benda. Untuk memahaminya, kita harus mengetahui berbagai konsep listrik statis mulai dari muatan listrik, hukum Coulomb, medan listrik, dan perbedaan potensial energi listrik yang akan dipaparkan pada beberapa uraian di bawah ini.

Muatan Listrik

Atom tersusun atas partikel subatom yaitu proton (bermuatan positif), neutron (tidak bermuatan), dan elektron (bermuatan negatif). Neutron dan proton membentuk inti atom, sedangkan elektron bergerak di sekitar inti atom. Elektron inilah yang memiliki kaitan erat dengan fenomena kelistrikan pada suatu benda.

Elektron adalah partikel penyusun atom yang bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom. Benda yang kelebihan elektron disebut benda bermuatan negatif, sedangkan benda yang kekurangan elektron disebut benda bermuatan positif.

Jika benda bermuatan positif didekatkan dengan benda bermuatan negatif, akan tarik menarik. Sebaliknya, jika benda bermuatan positif didekatkan dengan benda bermuatan positif, atau benda bermuatan negatif didekatkan dengan benda bermuatan negatif, maka benda itu akan tolak menolak. Interaksi kedua muatan tersebut merupakan gejala listrik statis.

Dapat disimpulkan bahwa muatan listrik terdiri dari muatan listrik positif dan muatan listrik negatif:

1. Jika muatan listrik sejenis (positif dengan positif atau negatif dengan negatif) berdekatan, maka benar tersebut akan bersifat tolak-menolak.
2. Sebaliknya, muatan listrik yang berbeda (positif dengan negatif) benda tersebut akan bersifat tarik-menarik.

Pada umumnya jumlah elektron dan proton pada atom sebuah benda adalah sama, sehingga atom-atom pada benda tersebut tidak bermuatan atau netral. Jika benda tersebut netral, dapatkah sebuah benda diubah menjadi bermuatan?

Salah satu cara untuk mengubah benda menjadi bermuatan adalah dengan menggosokkan benda. Sisir atau penggaris plastik yang digosokkan pada rambut kering akan bermuatan negatif karena sisir atau penggaris plastik mengalami kelebihan elektron (elektron dari rambut berpindah ke sisir atau penggaris plastik). Sementara itu, kaca yang digosokkan pada rambut kering akan bermuatan positif karena kaca mengalami kekurangan elektron (elektron dari kaca berpindah ke rambut yang kering).

Hukum Coulomb

Ilmuwan Prancis, Charles Augustin Coulomb (1736 – 1806), menyelidiki hubungan gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik dua benda bermuatan listrik terhadap besar muatan listrik dan jaraknya menggunakan alat neraca puntir Coulomb seperti pada gambar di bawah ini.

Berdasarkan percobaan dengan menggunakan neraca puntir, Coulomb menyimpulkan interaksi dua benda yang bermuatan sebagai berikut.

1. Semakin besar jarak kedua benda yang bermuatan, semakin kecil gaya listrik antara benda tersebut dan sebaliknya.
2. Semakin besar muatan kedua benda, semakin besar gaya listrik antara benda tersebut.

Secara matematis, rumus gaya Coulomb (F_c ) dapat dituliskan sebagai berikut ini

dengan:

F_c = gaya Coulomb (newton) k = konstanta = 9 × 10⁹ Nm² /C²

r   = jarak antara dua muatan (meter)

q₁ = besar muatan listrik benda pertama (coulomb)

q₂ = besar muatan listrik benda kedua (coulomb)

Medan Listrik

Di sekitar muatan-muatan listrik ada medan listrik, yang dapat memengaruhi muatan lain yang berada tidak jauh darinya. Medan listrik merupakan daerah di sekitar muatan yang dapat menimbulkan gaya listrik terhadap muatan lain.

Medan listrik dapat digambarkan oleh serangkaian garis gaya listrik yang arahnya ke luar atau ke dalam muatan. Arah garis gaya listrik ke dalam digunakan untuk menunjukkan muatan negatif dan arah garis medan listrik ke luar digunakan untuk menunjukkan muatan positif.

Lalu bagaimana cara menentukan besar kuat medan listrik? Agar dapat memahami cara menentukan besarnya medan listrik (E) perhatikan gambar dan penjelasan di bawah ini.

Agar dapat mengetahui besar kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan Q, sebuah muatan uji (q_o ) yang muatannya jauh lebih kecil diletakkan di dekat muatan tersebut dengan jarak r. Berdasarkan hukum Coulomb, muatan q_o tersebut akan memperoleh gaya tolak dari muatan Q sebesar,

Kuat medan listrik (E) didefinisikan sebagai besarnya gaya listrik (F) yang bekerja pada satu satuan muatan uji (qo ), maka besarnya kuat medan listrik pada tempat muatan uji tersebut adalah:

Dapat disimpulkan bahwa besar kuat medan listrik pada suatu titik yang berjarak r dari muatan Q adalah:

dengan:

E = medan listrik (N/C)

F = gaya Coulomb (newton)

Q = besar muatan listrik (coulomb)

Beda Potensial dan Energi Listrik

Mengapa petir berbahaya? Apa sebenarnya petir? Orang yang pertama kali menyatakan bahwa petir terjadi akibat adanya gejala listrik statis adalah Benjamin Franklin (1706 – 1790). Menurutnya, petir adalah kilatan cahaya yang muncul akibat perpindahan muatan negatif (elektron) antara awan dan awan atau antara awan dan bumi.

Petir dapat terjadi karena adanya beda potensial yang sangat besar antara dua awan yang berbeda atau antara awan dengan bumi. Akibatnya akan terjadi lompatan muatan listrik atau perpindahan elektron secara besar-besaran dari awan ke awan atau dari awan ke bumi.

Besarnya beda potensial listrik dapat dihitung dengan membandingkan besar energi listrik yang diperlukan dengan jumlah muatan listrik yang dipindahkan, yaitu:

dengan:

∆V = beda potensial listrik (volt)

W = energi listrik (joule)

Q = muatan listrik (coulomb)

Contoh Listrik Statis dalam Kehidupan Sehari-hari

Listrik statis banyak ditemui di kehidupan sehari-hari. Contoh listrik statis yang dalam kehidupan sehari-hari dapat ditemui di kelistrikan pada sel saraf; hewan-hewan penghasil listrik seperti ikan belalai gajah, ikan pari listrik, belut listrik, lele listrik, dsb. Selain itu listrik statis juga diterapkan pada berbagai teknologi seperti pengendapan elektrostatis pada cerobong asap, mesin fotokopi, pengecatan mobil, dsb.

Berikut adalah penjelasan masing-masing contoh serta penerapan listrik statis dalam kehidupan sehari-hari.

Kelistrikan pada Sel Saraf

Tubuh kita dapat menunjukkan adanya gejala kelistrikan, khususnya pada saraf yang disebabkan adanya impuls atau sinyal pada sel saraf. Impuls tersebut adalah yang mengirimkan rasa sakit ketika kulit kita menerima rangsangan berupa cubitan. Rangsangan tersebut diubah menjadi impuls oleh sel saraf dalam kulit. Kajian yang khusus mempelajari tentang aliran impuls pada tubuh manusia disebut biolistrik.

Tegangan (beda potensial) pada tubuh berbeda dengan yang kita bayangkan seperti listrik rumah tangga. Kelistrikan pada tubuh hanya berkaitan dengan komposisi ion yang terdapat dalam tubuh, bukan listrik yang mengalir seperti pada kabel listrik di rumah-rumah.

Sel saraf menghantarkan impuls karena terjadi pertukaran ion-ion di dalam dan di luar membran sel saraf. Pertukaran ion tersebut tidak dapat terjadi begitu saja tanpa adanya rangsangan. Rangsangan yang cukup kuat dapat mengaktifkan pompa ion, sehingga menyebabkan terjadinya pertukaran ion. Saat sel saraf tidak menghantarkan impuls, muatan positif Na+ melingkupi bagian luar membran sel. Pada kondisi demikian, membran sel saraf bagian luar bermuatan listrik positif dan membran sel bagian dalam bermuatan listrik negatif (Cl- )

Setiap manusia memiliki sistem saraf yang dapat mengontrol seluruh aktivitas tubuh, contohnya gerak otot. Sistem saraf terdiri atas sel-sel saraf berfungsi untuk menerima, mengolah, dan mengirim rangsangan yang diterima panca indra. Setiap sel saraf terdiri atas tiga bagian, yaitu badan sel saraf, dendrit, dan akson atau neurit. Selain ketiga bagian tersebut, pada sel saraf juga terdapat selubung myelin. Berdasarkan ada dan tidaknya myelin, terdapat dua macam neuron, yaitu neuron yang berselubung myelin dan neuron yang tidak berselubung myelin.

Bagian Sel Saraf dan Fungsinya

Berikut adalah bagian sel saraf dan fungsinya masing-masing.

Hewan-Hewan Penghasil Listrik

Seperti manusia, hewan juga menghasilkan listrik sebagai impuls rangsang dalam tubuhnya untuk menanggapi rangsangan, bergerak, berburu mangsa, melawan predator, atau bahkan navigasi. Pada umumnya arus listrik yang dihasilkan sangat lemah, tetapi ada beberapa hewan yang mampu menghasilkan arus listrik yang sangat kuat. Hewan apa yang dapat menghasilkan arus listrik kuat? Berikut adalah pemaparannya.

Ikan Belalai Gajah

Dinamai ikan belalai gajah karena ikan ini memiliki mulut yang panjang menyerupai bentuk belalai gajah. Ikan belalai gajah dilengkapi dengan organ khusus, yang disusun oleh ribuan sel electroplax pada bagian ekor yang mampu menghasilkan listrik statis bertegangan tinggi. Sel electroplax merupakan sel yang menghasilkan muatan negatif pada bagian dalam dan muatan positif pada bagian luar saat ikan belalai gajah dalam keadaan beristirahat. Arus listrik akan muncul pada saat otot ikan berkontraksi dan pada saat yang bersamaan ikan mampu mendeteksi keberadaan predator dan mangsa.

Ikan Pari Listrik

Pari listrik mampu mengendalikan tegangan listrik yang ada pada tubuhnya. Kedua sisi kepala ikan pari listrik mampu menghasilkan listrik hingga sebesar 220 volt. Besar tegangan ini sama seperti besar tegangan listrik yang ada di rumah.

Hiu Kepala Martil

Hiu kepala martil memiliki ratusan ribu elektroreseptor atau sel penerima rangsang listrik. Jenis hiu ini mampu menerima sinyal listrik hingga setengah miliar volt. Hiu kepala martil biasa menggunakan kemampuan mendeteksi sinyal listrik untuk mengetahui letak mangsa di bawah pasir, menghindari keberadaan predator, dan untuk mendeteksi arus laut yang bergerak sesuai medan magnet bumi.

Echidna

Echidna memiliki moncong memanjang yang berfungsi sebagai pengirim sinyal-sinyal listrik untuk menemukan serangga (mangsa). Elektroreseptor echidna terus menerus dibasahi agar lebih mudah untuk menghantarkan listrik. Hal inilah yang menyebabkan kebanyakan hewan yang memiliki sistem elektroreseptor berasal dari perairan.

Belut Listrik

Penelitian menunjukkan bahwa belut listrik dapat menghasilkan kejutan tanpa lelah selama satu jam. Besarnya jumlah energi listrik yang dihasilkan diyakini dapat menyebabkan kematian pada manusia dewasa.

Lele Listrik

Lele air tawar yang berasal dari perairan tropis di Afrika ini memiliki kemampuan untuk menghasilkan listrik hingga sebesar 350 volt. Besarnya energi yang dihasilkan lele listrik sama seperti energi listrik yang diperlukan untuk menyalakan komputer selama 45 menit.

Penggunaan Listrik Statis dalam Teknologi

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, listrik statis banyak diterapkan pada berbagai teknologi yang membantu aktivitas manusia dalam menjalani kehidupannya sehari-hari. Berikut adalah beberapa penerapan listrik statis dalam teknologi.

Mesin Fotokopi

Selain menerapkan konsep optik, mesin fotokopi juga menerapkan konsep listrik statis. Komponen utama pada mesin fotokopi yang menerapkan listrik statis adalah penggunaan toner atau tempat bubuk hitam halus. Toner sengaja dibuat bermuatan negatif sehingga mudah ditarik oleh kertas.

Pengendap Elektrostatis pada Cerobong Asap

Pengendap elektrostatis berfungsi untuk membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikelpartikel kotor yang dapat mencemari udara. Komponen utama yang ada pada alat ini adalah kawat yang bermuatan negatif dan pelat logam yang bermuatan positif.

Pada saat asap kotor melewati kawat, beberapa partikel abu akan bermuatan negatif. Setelah itu, pelat logam yang bermuatan positif akan menarik partikel abu tersebut sehingga membentuk jelaga yang mudah dibersihkan.

Pengecatan Mobil

Butiran cat mobil akan bermuatan listrik ketika bergesekan dengan mulut pipa semprot dan udara. Butiran cat tersebut akan tertarik ke badan mobil apabila badan mobil diberi muatan yang berlawanan dengan muatan cat.

Referensi

1. Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan. (2017). Ilmu Pengetahuan Alam SMP/MTs Kelas IX. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.