Listrik Statis Dalam Kehidupan Sehari-hari

 

Listrik Statis Dalam Kehidupan Sehari-hari

 

Apakah kamu pernah menggosokkan sisir pada rambutmu? Setelah menggosok sisir pada rambut, apakah kamu pernah mendekatkan sisir tersebut pada benda-benda kecil seperti potongan kertas? Apakah yang terjadi pada potongan kertas tersebut? Apakah potongan kertas tersebut tertarik pada sisir? Bagaimana hal ini dapat terjadi? Agar kamu dapat mengetahui jawabannya, ayo kita pelajari bab ini dengan penuh semangat!

Betapa luar biasa Tuhan yang menganugerahkan rahmat dan hidayah pada manusia berupa pikiran. Dengan pikiran, manusia dapat terus melakukan inovasi yang dapat menunjang kesejahteraan kehidupan manusia, salah satunya adalah listrik.

Coba amati lingkungan sekitarmu, apakah sudah ada listrik? Jika ada, digunakan untuk apa sajakah listrik tersebut? Pada sebagian daerah, listrik sudah menjadi penunjang utama kehidupan. Listrik digunakan untuk menyalakan lampu dan televisi, mengisi baterai telepon genggam, bahkan untuk menanak nasi. Listrik yang mengalir pada kabel atau rangkaian yang digunakan untuk berbagai peralatan elektronik tersebut akan dipelajari lebih lanjut pada pembahasan listrik dinamis. Pada bab ini akan membahas tentang konsep listrik statis dan gejalanya dalam kehidupan sehari-hari.

A.  Konsep Listrik Statis

1.    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. Bagaimana interaksi antarmuatan listrik pada suatu benda? Kejadian apa sajakah dalam kehidupan sehari-hari yang menggambarkan adanya gejala interaksi antara muatan listrik?

Apakah kamu bisa menjelaskan mengapa potongan kertas bisa menempel di sisir yang sudah digosokkan ke rambut? Hal tersebut terjadi karena ada kaitannya dengan elektron. 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, akan tolak menolak. Interaksi kedua muatan tersebut merupakan gejala listrik statis.

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? Bagaimana caranya?

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).

Tabel 4.1 menunjukkan urutan deret benda yang akan bermuatan negatif bila digosok dengan sembarang benda di atasnya dan akan bermuatan positif bila digosok dengan benda di bawahnya. Misalnya jika gelas digosokkan secara searah pada wol, maka gelas tersebut akan menjadi bermuatan positif dan wol akan menjadi bermuatan negatif. Deret semacam ini dinamakan deret tribolistrik.

Tabel 4.1 Deret Tribolistrik

No	Nama Benda	No	Nama Benda
1	Bulu kelinci	8	Kayu
2	Gelas (kaca)	9	Batu ambar
3	Mika (plastik)	10	Damar
4	Wol	11	Logam (Cu, Ni, Ag)
5	Bulu kucing	12	Belerang
6	Sutera	13	Logam (Pt, Au)
7	Kapas	14	Solenoid

Bagaimana cara mengetahui suatu benda bermuatan atau tidak? Salah satu cara untuk mengetahui muatan listrik pada benda adalah dengan menggunakan elektroskop. Perhatikan Gambar 4.2! Elektroskop memiliki tiga bagian utama, yaitu kepala elektroskop, daun elektroskop yang terbuat dari lempeng emas atau aluminium, dan logam penghantar atau konduktor yang menghubungkan kepala elektroskop dengan daun elektroskop. Daun elektroskop akan membuka apabila kepala elektroskop didekatkan dengan benda yang bermuatan listrik.

Agar dapat mengetahui jenis muatan listrik pada benda, maka elektroskop yang digunakan harus sudah bermuatan dan jenisnya telah diketahui. Jika lempeng daun elektroskop semakin membuka lebar, maka jenis muatan pada benda sama dengan jenis muatan pada elektroskop.

Sekarang, buatlah elektroskop dengan menggunakan alat dan bahan sederhana, seperti dari kertas aluminium serta botol minuman kemasan plastik. Diskusikan dengan teman kelompokmu tentang cara kerja elektroskop! Carilah informasi dengan bertanya kepada guru atau membaca berbagai buku untuk melengkapi tugasmu!

2.    Hukum Coulomb

Masih ingatkah kamu bahwa muatan listrik dapat saling menarik atau saling menolak? Bagaimana hubungan antara jarak dua benda yang bermuatan listrik terhadap gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik antar kedua benda? 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 4.3.

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

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

b.    Semakin besar muatan kedua benda, semakin besar gaya listrik antara benda tersebut.

 

Secara matematis, rumusan gaya Coulomb (Fc) dapat dituliskan sebagai berikut.

dengan :

F_C   = Gaya Coulomb

k      = Konstanta    = 9 x 10⁹ Nm²/C²

r      = jarak antara dua muatan (meter)

q1    = besar muatan listrik benda pertama (coulomb)

q2    = besar muatan listrik benda kedua (coulomb)

Contoh Soal

1.      Dua buah muatan listrik positif yang ada di dalam membran sel saraf masing-masing sebesar q dan 2q terletak pada jarak 2 cm. Hitung berapakah gaya Coulomb yang dialami kedua muatan tersebut jika q = 1,6 × 10–19 C !

(Besarnya konstanta (k) = 9 × 109 Nm2/C2)

Diketahui:

Muatan 1 (q1)  = +q           = 1,6 × 10–19 C

Muatan 2 (q2) = +2q          = 3,2 × 10–19 C

Jarak kedua muatan (r) = 2 cm = 2 × 10–2 m

Ditanya: gaya Coulomb kedua muatan.

Jawab:

Jadi besar gaya Coulomb yang dialami muatan positif q dan 2q yang terpisah pada jarak 2 cm adalah 1,152 × 10–24 N.

2.      Jika besar gaya Coulomb antara dua muatan identik A dan B adalah 1,6 N, serta kedua muatan tersebut terpisah pada jarak 3 cm, berapakah besar muatan A dan B?

Diketahui:

Gaya Coulomb kedua muatan        = 1,6 N

Jarak kedua muatan                        = 3 cm             = 0,03 m

Ditanya: besar muatan A dan B

Jawab:

Muatan A dan B identik sehingga qA        = qB    = qC

Jadi, besar muatan identik A dan B adalah 0,4 μC.

3.    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. Perhatikan Gambar 4.6!

Bagaimana cara menentukan besar kuat medan listrik? Agar dapat memahami cara menentukan besarnya medan listrik (E) perhatikan Gambar 4.7 dan penjelasan berikut.

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

 

Contoh Soal

1.      Gaya Coulomb yang dialami kedua muatan A dan B adalah sebesar 4 × 10–4 N. Jika besar muatan A sebesar 4 × 10–6 C dan muatan uji B sebesar 4 × 10–12 C, berapakah besar kuat medan listrik yang dirasakan muatan uji B oleh muatan A tersebut?

Diketahui:

Besar gaya Coulomb  = 4 × 10–4 N

Besar muatan A         = 4 × 10–6 C

Besar muatan B         = 4 × 10–12 C

Ditanya: besar kuat medan listrik yang dirasakan muatan uji B oleh muatan A (EA)

Jadi, besar kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan A adalah 108 N/C.

2.      Medan listrik yang dirasakan oleh muatan uji A terhadap muatan B sebesar 80 ^N/_C. Jika jarak kedua muatan tersebut adalah 3 cm, berapakah besar muatan B?

Diketahui:

Medan listrik                      = 80 N/C

Jarak kedua muatan            = 3 cm             = 0,03 m

Ditanya: besar muatan B

Jawab:

Jadi, besar muatan B adalah Q = 8 × 10^-12 C. 

4.    Beda Potensial dan Energi Listrik

Tahukah kamu, mengapa petir berbahaya? Apa sebenarnya petir itu? 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:

ΔV = beda potensial listrik (volt)

W = energi listrik (joule)

Q = muatan listrik (coulomb)

Contoh Soal

1.      Berapakah beda potensial kutub-kutub baterai sebuah rangkaian jika baterai tersebut membutuhkan energi sebesar 60 J untuk memindahkan muatan sebesar 20 C?

Diketahui:

W = 60 J

Q = 20 C

Ditanya: beda potensial

Jawab:

Jadi, beda potensial kutub-kutub baterai rangkaian tersebut adalah 3 Volt.

2.  Sebuah baterai memiliki beda potensial sebesar 1,5 V. Berapakah besar energi yang diperlukan baterai jika digunakan untuk memindahkan muatan sebanyak 40 C?

Diketahui:

Beda potensial = 1,5 V

Besar muatan = 40 C

Ditanya: besar energi untuk memindahkan muatan

Jawab:

W = V × Q = 1,5 V × 40 C= 60 J

Jadi, besar energi untuk memindahkan muatan tersebut sebesar 60 Joule.

B.  Penerapan Listrik Statis dalam Kehidupan Sehari-hari

1.    Kelistrikan pada Sela Saraf

Tubuh kita dapat menunjukkan adanya gejala kelistrikan, khususnya pada saraf yang disebabkan adanya impuls (sinyal pada sel saraf). Tahukah kamu mengapa kita dapat merasakan sakit ketika dicubit? Ternyata, rasa sakit tersebut muncul karena kulit kita menerima rangsangan berupa cubitan. Rangsangan ini selanjutnya diubah oleh sel saraf dalam kulit menjadi impuls. 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.

Tahukah kamu, bagaimana cara sel saraf menghantarkan impuls? Perhatikan Gambar 4.9!

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-). Perhatikan Gambar 4.10!

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.

aAgar dapat mengetahui sel saraf lebih lanjut, bacalah dengan teliti Tabel 4.3, kemudian tunjukkan bagian-bagian sel saraf pada Gambar 4.11!

 

Tabel 4.3 Bagian Sel Saraf dan Fungsinya

No.	Bagian Sel Saraf	Deskripsi	Fungsi
1.	Dendrit	Penonjolan badan sel yang bercabang-cabang dan berbentuk seperti cabang pohon.	Menerima impuls dari sel lain dan meneruskannya ke badan sel.
2.	Badan sel	Di dalamnya terdapat inti sel yang dikelilingi oleh sitoplasma. Sitoplasma mengandung organela sel seperti mitokondria, ribosom, Badan Golgi dan retikulum endoplasma khusus milik sel saraf yang disebut badan Nissl.	Meneruskan impuls dari dendrit ke akson.
3.	Akson/ Neurit	Penonjolan badan sel berbentuk panjang dan silindris. Setiap satu sel saraf hanya memiliki satu akson. Ujung akhir akson disebut dengan terminal akson. Terminal ini memiliki beberapa percabangan dan berbonggol. Pada bonggol inilah akan dilepaskan neurotransmitter dan disebut sebagai bonggol sinaptik.	Meneruskan impuls dari badan sel saraf ke sel saraf lain atau ke sel otot atau ke sel kelenjar. Pada bonggol sinaptik terjadi proses sinapsis, yaitu komunikasi antara sel saraf satu dengan yang lain atau sel saraf dengan sel otot dan sel kelenjar menggunakan neurotransmitter.
4.	Myelin	Selubung lemak berlapis-lapis, dihasilkan oleh sel Schwann. Lapisan lemak myelin sulit ditembus oleh ion-ion yang keluar dan masuk membran sel saraf pada bagian akson.	Mempercepat impuls saraf dengan membantu terjadinya loncatan muatan.
5.	Nodus Ranvier	Daerah akson terbuka yang tidak diselubungi myelin.	Tempat terjadinya tarik-menarik muatan listrik di membran sel saraf.

Sel saraf sering diibaratkan seperti kabel listrik karena memiliki bentuk dan mekanisme kerja yang hampir sama. Coba perhatikan Gambar 4.12! Setiap sel saraf memiliki satu akson yang mendukung terjadinya perambatan atau hantaran arus listrik. Selain akson, penghantar listrik lain di dalam tubuh makhluk hidup adalah cairan tubuh. Cairan tubuh dapat berupa darah, cairan jaringan dan sitosol yang terdapat dalam sitoplasma sel. Pada sel saraf juga terdapat isolator listrik, yaitu selubung myelin pada akson.

Pada akson tidak berselubung myelin, hantaran arus listrik dapat terjadi sepanjang akson. Pada akson berselubung myelin, beda potensial terjadi di daerah akson yang tidak diselubungi myelin atau di daerah yang disebut nodus Ranvier. Tarik menarik muatan listrik terjadi di nodus Ranvier satu dan seterusnya.

Dengan demikian, selain berfungsi sebagai pelindung akson, myelin juga dapat mempercepat terjadinya loncatan muatan listrik pada saraf.

2.    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 dianugerahi keistimewaan oleh Tuhan Yang Maha Esa sehingga mampu menghasilkan arus listrik yang sangat kuat. Hewan apa sajakah yang mampu menghasilkan arus listrik yang kuat? Bacalah informasi berikut dengan teliti.

a.    Ikan Belalai Gajah

Ikan belalai gajah (Gambar 4.14) memiliki mulut yang panjang menyerupai bentuk belalai gajah. Ikan ini 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.

b.    Ikan Pari Listrik

Ikan pari listrik (Gambar 4.15) 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.

c.    Hiu Kepala Martil

Hiu kepala martil (Gambar 4.16) memiliki ratusan ribu elektroreseptor atau sel penerima rangsang listrik. Hiu kepala martil 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.

d.    Ecidhna

Echidna (Gambar 4.17) 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.

e.    Belut Listrik

Penelitian menunjukkan bahwa belut listrik (Gambar 4.18) dapat menghasilkan kejutan tanpa lelah selama satu jam. Besarnya jumlah energi listrik yang dihasilkan diyakini dapat menyebabkan kematian pada manusia dewasa.

f.     Lele Listrik

Lele air tawar yang berasal dari perairan tropis di Afrika ini memiliki kemampuan untuk menghasilkan listrik hingga sebesar 350 volt. Perhatikan Gambar 4.19! Besarnya energi yang dihasilkan lele listrik sama seperti energi listrik yang diperlukan untuk menyalakan komputer selama 45 menit.

3.    Penggunaan Listrik Statis dalam Teknologi

a.    Pengendap Elektrostatis pada Cerobong Asap

Pengendap elektrostatis berfungsi untuk membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikel-partikel kotor yang dapat mencemari udara. Komponen utama yang ada pada alat ini adalah kawat yang bermuatan negatif dan pelat logam yang bermuatan positif. Perhatikan Gambar 4.20!

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.

b.    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.

c.    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.

Mahakuasa Tuhan yang telah menciptakan elektron. Adanya interaksi antarelektron, akan menyebabkan terjadinya gejala listrik statis. Karena adanya listrik ini, kita dapat melakukan berbagai aktivitas dengan lancar, baik pada siang hari maupun malam hari. Dengan adanya listrik ini pula, berbagai alat yang digunakan dalam bidang medis, industri, dan pendidikan dapat beroperasi dengan baik sehingga dapat membantu kinerja manusia.

Ternyata di dalam tubuh kita juga terdapat sel yang bermuatan listrik, masih ingatkah kamu apa nama sel itu? Selain itu, ternyata Tuhan juga telah menciptakan berbagai hewan yang dapat menghasilkan listrik sehingga hewan-hewan tersebut dapat menanggapi rangsang dengan baik, bergerak, berburu mangsa, melawan predator dan musuh, ataupun bernavigasi. Nah, masih ingatkah kamu hewan-hewan apa saja yang dapat menghasilkan listrik?

Dengan adanya kekuasaan dan nikmat Tuhan yang telah menciptakan dan merancang mekanisme kelistrikan ini, marilah kita senantiasa bersyukur dengan cara memanfaatkan mekanisme kelistrikan dengan baik. Bagaimanakah denganmu? sudahkah kamu mensyukuri nikmat ini?

 

 

 

 

 

 

 

Sumber : Buku IPA TERPADU Kelas 9 Semester 1 Kemdikbud