Listrik Statis: Pengertian, Gejala, Muatan, Rumus, dan Contoh Soalnya

Sobat Pijar pasti pernah melihat kilatan petir di langit ketika mau atau sedang hujan, bukan? Kilatan cahaya petir terjadi karena gesekan dalam awan menghasilkan pemisahan muatan listrik. Ketika muatan mencapai tingkat yang cukup besar, terjadi loncatan listrik yang sangat cepat melalui udara, menciptakan kilatan cahaya yang terang. 

Nah, ternyata suara petir yang keras adalah efek dari panas yang dihasilkan oleh aliran listrik statis tersebut. Ingin tau lebih lengkap tentang materi listrik statis ini yang banyak kita temui dalam kehidupan sehari-hari?

Yuk, kita baca sampai habis artikel kali ini yang akan membahas tentang keseruan materi listrik statis. Semoga kamu bisa mendapatkan pemahaman yang luar biasa dari materi kali ini.

Baca juga: Listrik Arus Searah: Pengertian, Hukum, Rangkaian, dan Contoh Soalnya

Pengertian Listrik Statis

Listrik statis adalah saat benda-benda memiliki muatan listrik yang tidak bergerak dan tetap di tempatnya karena mereka saling "menarik" atau "tolak" satu sama lain akibat gesekan atau kontak dengan benda-benda lain. Contoh sederhananya adalah ketika balon menggosok rambut dan membuat rambut menempel pada balon karena adanya muatan listrik yang berbeda di antara keduanya.

Gejala Listrik Statis

Dalam kehidupan sehari-hari, terdapat beberapa gejala listrik statis yang dapat kita temui. Berikut adalah beberapa contoh nyata:

Petir

Salah satu contoh terkenal dari listrik statis adalah petir. Petir terjadi ketika ada perpindahan elektron yang besar di atmosfer, dimana bagian langit memiliki kelebihan elektron dan ini menciptakan loncatan listrik yang mengarah ke daerah dengan kekurangan elektron. 

Petir sering kali menyambar objek tertinggi di sekitarnya, seperti pohon atau menara, untuk menyalurkan kelebihan elektron, sehingga petir dapat dianggap sebagai contoh bahaya listrik statis.

Debu pada Layar Televisi

Jika Anda perhatikan layar televisi di rumah Anda, Anda mungkin akan melihat banyak debu yang menempel di sana. Ini adalah contoh lain dari gejala listrik statis. Debu dapat menempel pada layar TV karena muatan elektron yang ada pada layar menarik debu tersebut. Ini serupa dengan bagaimana penggaris plastik yang bermuatan negatif dapat menarik potongan kertas.

Dengan demikian, dalam kehidupan sehari-hari kita sering melihat contoh-contoh listrik statis seperti petir dan debu yang menempel pada layar televisi, yang terjadi akibat perbedaan muatan elektron yang menarik objek-objek di sekitarnya.

Muatan Listrik

Mari kita lanjutkan pembahasan tentang muatan listrik. Pada dasarnya, materi tentang listrik statis membahas benda atau atom yang memiliki muatan listrik. Jadi, sebaiknya kita memahami konsep atom terlebih dahulu. Tentu saja, kalian sudah sering mendengar tentang atom, bukan? Sekarang, mari kita lihat gambar atom di bawah ini.

Sumber: Istock Photo

Pada gambar atom di atas, kita bisa melihat bahwa atom terdiri dari dua bagian utama, yaitu inti atom dan kulit atom. Inti atom terdiri dari dua jenis partikel, yaitu proton yang bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan atau bersifat netral. Sedangkan kulit atom terdiri dari partikel-partikel yang bermuatan negatif yang disebut sebagai elektron.

Mungkin kalian bertanya-tanya, mengapa ada benda yang bermuatan negatif dan yang bermuatan positif? Secara prinsip, atom itu memiliki muatan netral. Namun, atom dapat berubah menjadi bermuatan positif atau negatif melalui perpindahan elektron.

1. Sebuah atom dikatakan netral jika jumlah proton dan elektron di dalamnya sama.
2. Sebuah atom dikatakan bermuatan positif ketika jumlah protonnya lebih banyak daripada jumlah elektronnya.
3. Sebuah atom dikatakan bermuatan negatif ketika jumlah protonnya lebih sedikit daripada jumlah elektronnya.

Dengan pemahaman ini, kita bisa lebih mendekati konsep muatan listrik dalam materi listrik statis.

Rumus Listrik Statis

Hukum Coulomb

Sumber: Repositori Kemdikbud

Salah satu rumus yang seringkali dijumpai dalam pelajaran tentang listrik statis adalah yang berkaitan dengan Gaya Coulomb. Apa sebenarnya Gaya Coulomb? Hukum Coulomb pada dasarnya adalah hukum yang menjelaskan tentang hubungan antara muatan listrik. Seperti yang kita ketahui, muatan listrik terbagi menjadi dua jenis, yaitu muatan positif dan muatan negatif.

Hukum ini menjelaskan kondisi ketika dua muatan listrik dengan jarak tertentu saling berinteraksi dan mengalami gaya tarik atau tolak. Besarnya gaya dalam Hukum Coulomb dipengaruhi oleh besarnya muatan listrik pada benda-benda tersebut. Gaya tarik akan terjadi ketika muatan listrik yang berbeda tanda (+ dan -) bertemu, sementara gaya tolak terjadi ketika muatan listrik sejenis (+/+ atau -/-) bertemu.

Rumus matematis yang digunakan untuk menghitung besar Gaya Coulomb adalah sebagai berikut:

$F = k\frac{q_1q_2}{r^2}$

Keterangan: 

$F$ = gaya coulomb ($N$)

$k$ = koefisien ($9 x 10^9 Nm^2/C^2$)

$r$ = jarak antar muatan ($m$)

$q_1$ dan $q_2$ = muatan masing-masing partikel ($C$)

Kuat Medan Listrik

Sumber: Repositori Kemdikbud

Medan listrik adalah daerah di sekitar partikel bermuatan listrik yang terus-menerus mengalami pengaruh gaya listrik, yang dikenal sebagai Gaya Coulomb. Dengan kata lain, muatan listrik memiliki kemampuan untuk menciptakan medan listrik. Dalam hal muatan positif, medan listrik bergerak menjauh dari muatan sumber. Sebaliknya, pada muatan negatif, medan listrik bergerak menuju ke arah muatan sumber.

Muatan benda yang menghasilkan medan listrik disebut sebagai "muatan sumber." Sementara itu, muatan listrik lain yang ditempatkan di dalam pengaruh medan listrik yang dihasilkan oleh muatan sumber disebut sebagai "muatan uji." Di bawah ini, terdapat rumus untuk menghitung kuat medan listrik:

$E = k\frac{Q}{r^2}$ atau $E = \frac{F}{q}$

Keterangan: 

$E$ = kuat medan listrik ($N/C$)

$F$ = gaya coulomb ($N$)

$r$ = jarak muatan uji terhadap muatan sumber ($m$)

$Q$ = besar muatan sumber ($C$)

$q$ = besar muatan uji ($C$)

Hukum Gauss

Sumber: Repositori Kemdikbud

Medan listrik divisualisasikan dengan menggunakan garis-garis medan listrik yang digambarkan sebagai garis khayal. Garis-garis medan listrik ini adalah garis bersambung yang selalu menuju ke arah muatan sumber medan listrik. Semakin banyak garis medan listrik yang tergambar, semakin kuat medan listriknya.

Hukum Gauss adalah prinsip yang menjelaskan tentang jumlah garis gaya listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup. Fluks listrik ini sama dengan jumlah muatan listrik yang terkurung oleh permukaan tertutup tersebut, dibagi oleh konstanta dielektrik vakum ε₀ (epsilon nol). Secara sistematis, hukum Gauss dapat dirumuskan sebagai berikut:

$\phi = EA cos\Theta = \frac{\sum q}{\varepsilon_0 }$

Keterangan: 

$A$ = luas permukaan tertutup ($m^2$)

$\phi$ = fluks listrik ($Wb/weber$)

$\Theta$ = sudut antara E dan arah normal

$E$ = medan listrik ($Nm^2/C^2$)

$\varepsilon_0$ = permitivitas udara

Hukum Gauss digunakan untuk memahami dan menghitung medan listrik yang dihasilkan oleh muatan listrik, dan ia membantu dalam memecahkan masalah-masalah elektrostatika yang melibatkan distribusi simetris muatan.

Energi Potensial

Energi potensial listrik adalah bentuk energi atau pekerjaan yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik dari satu lokasi ke lokasi lainnya. Untuk menghitungnya, kamu dapat menggunakan rumus energi potensial listrik seperti yang diberikan di bawah ini:

$E_p = k\frac{q_1q_2}{r}$

Keterangan: 

$E_p$ = energi potensial muatan uji

$k$ = koefisien ($9 x 10^9 Nm^2/C^2$)

$r$ = jarak terhadap sumber muatan (m)

$q_1$ dan $q^2$ =muatan masing-masing partikel ($C$)

Potensial Listrik

Potensial listrik adalah jumlah usaha yang diperlukan untuk memindahkan satu muatan dari satu titik ke titik lainnya, per satuan muatan. Untuk menghitung besarnya potensial listrik di suatu titik, Anda dapat menggunakan rumus potensial listrik berikut ini:

$V=k\frac{Q}{r}$

Keterangan: 

$V$ = potensial listrik ($volt$)

$Q$ = muatan sumber ($C$)

$k$ = koefisien ($9 x 10^9 Nm^2/C^2$)

$r$ = jarak terhadap sumber muatan ($m$)

Kapasitansi

Kapasitansi adalah sifat yang dimiliki oleh kapasitor atau kondensator dalam menyimpan muatan listrik. Kapasitansi kapasitor dinyatakan dalam satuan yang disebut farad (F). Satu farad (1 F) mengindikasikan kapasitas kapasitor untuk menyimpan satu coulomb (1 C) muatan listrik dengan tegangan satu volt (1 V). 

Dengan kata lain, kapasitansi mengukur sejauh mana kapasitor dapat menampung muatan listrik untuk suatu tegangan tertentu. Semakin besar nilai kapasitansi dalam farad, semakin banyak muatan listrik yang dapat disimpan oleh kapasitor pada tegangan yang sama.

Energi Kapasitor

Kapasitor adalah salah satu perangkat listrik yang berfungsi untuk menyimpan energi dalam jangka waktu singkat, sehingga energi tersebut dapat dilepaskan dengan cepat. Besar kapasitas kapasitor dapat dihitung dengan menggunakan rumus kapasitor seperti yang tertera di bawah ini:

$C = \frac{\varepsilon_0 A}{d}$

Keterangan: 

$C$ = kapasitas kapasitor ($Farad$ atau $f$)

$q$ = muatan antara dua keping ($C$)

$V$ = beda potensial antara dua keping ($volt$)

$A$ = luas penampang keping ($m^2$)

$\varepsilon$ = permitivitas dielektrik bahan

Contoh Soal Listrik Statis

Berikut contoh soal listrik statis dan pembahasannya : 

Dua muatan listrik, q1 = 3 µC dan q2 = -5 µC, ditempatkan pada jarak 10 cm satu sama lain dalam vakum. Hitunglah gaya elektrostatik antara keduanya!

Diketahui

k = ($8,99 x 10^9 Nm^2/C^2$)

$q_1$ = $3 x 10^{-6}C$

$q_2$ = $-5 x 10^{-6}C$

$r= 10 cm =0,1 m$

Ditanya:

$F$ ...?

$F = k\frac{q_1q_2}{r^2}$

$F = 8,99 \times 10^9\frac{(3\times10^{-6})(-5\times10^{-6})}{(0,1)^2}$

$F = 8,99 \times 10^9\frac{15\times10^{-12}}{0,01}$

$F = \frac{134850}{0,01}$

$F = 13485000$

Jadi gaya elektrostatik antara keduanya adalah $13,485 N$.

_________________________________

Baca juga: Ruang Lingkup Ilmu Fisika

Sobat Pijar telah menjelajahi dunia listrik statis dan beberapa konsep dasarnya. Semoga pemahaman mengenai listrik statis ini dapat memberikan wawasan yang berguna dan memperkaya pengetahuan kamu tentang fenomena listrik dalam kehidupan sehari-hari. 

Jangan ragu untuk terus menjelajahi dunia ilmu pengetahuan dan eksplorasi fenomena-fenomena menarik lainnya. Semoga artikel ini bermanfaat bagi kamu!

Yuk, belajar lebih lanjut mengenai Listrik Statis di Pijar Belajar! Kamu bisa mengakses ratusan bahkan ribuan konten dalam bentuk video materi, rangkuman, hingga latihan soal, lho!

Mulai berlangganan Pijar Belajar sekarang juga!