Muatan listrik

Coba anda gosokkan sisir rambut pada rambut yang kering lalu dekatkan sisir pada potongan-potongan kecil kertas. Atau gosokkan balon yang berisi udara dengan kain wol lalu dekatkan pada dinding tembok.  Apa yang anda amati ?  Jika anda mendekatkan sisir pada potongan-potongan kertas maka sisir menarik potongan-potongan kertas. Demikian juga jika anda mendekatkan balon dengan dinding maka balon akan menempel di dinding. Aneh ya… Mengapa sisir menarik potongan kertas ? Mengapa balon bisa menempel di dinding ?

Anda bisa melakukan percobaan berbeda. Siapkan dua batang kaca dan dua batang plastik. Gantungkan batang kaca dan batang plastik menggunakan tali. Gosokkan batang kaca dan batang plastik dengan kain. Setelah itu dekatkan batang kaca dengan batang plastik. Apa yang anda amati ? Bagaimana jika batang kaca didekatkan dengan batang kaca atau batang plastik didekatkan dengan batang plastik ? 

Fenomena seperti ini telah diamati orang yunani kuno. Orang yunani pada waktu itu mengamati fenomena ini menggunakan amber. Amber berasal dari getah pohon pinus yang sudah membatu, bercampur dengan serangga, bulu-bulu binatang dan daun yang terperangkap di dalam getah tersebut. Ketika amber digosok dengan wol, amber dapat menarik daun-daun kecil atau abu.

Para ilmuwan mengatakan bahwa kaca atau plastik atau amber atau sisir atau benda apapun yang menunjukkan gejala yang sama dikatakan “bermuatan” akibat adanya proses penggosokan. Setelah digosok, benda seperti sisir atau plastik atau kaca sepertinya “memuati” sesuatu sehingga bisa menarik benda lain. Jika tidak digosok, sisir atau plastik atau kaca tidak bisa menarik benda lain. Nah, orang yunani kuno lebih dahulu mengamati gejala ini pada amber dan berdasarkan eksperimen, gejala yang ditunjukkan oleh plastik atau kaca juga mirip seperti yang dialami oleh amber, maka para ilmuwan menamakannya “muatan listrik”. Kata listrik (electric) berasal dari kata yunani elektron, yang berarti amber. Dinamakan sesuai nama benda yang menunjukkan gejalanya. Jadi adanya proses penggosokan menyebabkan benda seperti kaca atau plastik atau amber mempunyai “muatan listrik” total.

Sifat-sifat muatan listrik

Apakah muatan listrik yang dimiliki kaca dan plastik sama ? Berdasarkan percobaan di atas, ketika dua batang plastik yang bermuatan didekati satu sama lain, keduanya saling menolak atau saling menjahui. Demikian juga ketika dua batang kaca yang bermuatan didekatkan satu sama lain, keduanya juga saling menolak atau saling menjahui. Sebaliknya ketika batang kaca yang bermuatan didekatkan dengan batang plastik yang bermuatan, keduanya saling tarik menarik atau saling mendekati.

Karena jenis bendanya sama, yakni plastik, maka kita bisa menyimpulkan bahwa jenis muatan listrik pada kedua batang plastik pasti sama. Demikian juga karena bendanya sama, yakni kaca, maka kita bisa menyimpulkan bahwa jenis muatan listrik pada kedua batang kaca pasti sama. Dalam hal ini, ada dua jenis muatan yang berbeda, yakni muatan listrik seperti pada plastik yang digosok dan muatan listrik seperti pada kaca yang digosok.

Dua batang kaca yang didekatkan, saling menjahui atau tolak menolak, demikian juga dua batang plastik yang didekatkan, saling menjahui atau tolak menolak, maka bisa disimpulkan bahwa muatan yang sejenis tolak menolak. Sebaliknya batang kaca dan plastik yang didekatkan saling tarik menarik atau bergerak mendekati satu sama lain maka bisa disimpulkan bahwa muatan yang tak sejenis saling tarik menarik.

Jenis-jenis muatan listrik

Apakah benar hanya ada dua jenis muatan listrik ? mungkinkah ada jenis muatan listrik lain ? untuk mengetahui hal ini, tentu harus dilakukan eksperimen. Dirimu bisa melakukan berbagai eksperimen untuk mengetahui hal ini. Sesuai dengan eksperimen yang dilakukan para ilmuwan, diketahui bahwa hanya ada dua jenis muatan listrik, yakni muatan listrik seperti pada kaca yang digosok dan muatan listrik seperti pada plastik yang digosok.

Seorang negarawan, filsuf dan ilmuwan Amerika serikat, yakni Benyamin Franklin (1706 – 1790) mengemukakan sebuah model untuk menjelaskan hal ini. Menurutnya, secara normal setiap benda memiliki sejumlah muatan listrik. Apabila sebuah benda digosokkan dengan benda lainnya maka akan terjadi perpindahan muatan listrik dari satu benda ke benda lainnya. Karena adanya perpindahan muatan listrik maka salah satu benda menjadi kelebihan muatan listrik, sedangkan benda lainnya menjadi kekurangan muatan listrik dalam jumlah yang sama. Benyamin Franklin menggambarkan muatan listrik yang dihasilkan pada proses penggosokan dengan tanda positif dan tanda negatif. Dia memilih muatan listrik pada kaca sebagai muatan positif. Kaca menarik plastik karenanya jika muatan pada kaca dipilih bertanda positif maka muatan pada plastik bertanda negatif. Menggunakan kesepakatan yang diusulkan oleh Benyamin Franklin maka benda bermuatan yang tarik menarik dengan batang kaca harus bermuatan negatif. Sebaliknya benda bermuatan yang tolak menolak dengan batang kaca harus bermuatan positif.

Muatan listrik dan Struktur materi

Pemahaman mengenai muatan listrik disempurnakan setelah munculnya kajian mengenai struktur materi. Setiap materi di alam semesta tersusun dari atom-atom yang bersifat netral secara kelistrikan (tidak ada muatan listrik total). Setiap atom tersusun dari tiga partikel, yakni proton yang bermuatan positif, neutron yang bermuatan netral dan elektron yang bermuatan negatif. Setiap atom mempunyai suatu inti kecil yang padat, yang tersusun dari proton dan neutron. Bayangkan saja jika diameter atom beberapa kilometer maka ukuran inti atom kira-kira seperti bola pimpong. Inti atom yang netral dikelilingi oleh elektron yang jumlahnya sama dengan jumlah proton.

Muatan proton dan elektron sama besar dan berlawanan tanda. Dalam atom netral, jumlah muatan proton dan elektron sama dengan nol. Banyaknya proton atau elektron dalam sebuah atom netral suatu unsur dinamakan nomor atom (Z) dari unsur tersebut. Apabila satu atau lebih elektron dalam sebuah atom berpindah ke atom lain maka atom tersebut dinamakan ion positif. Sebaliknya jika sebuah atom mendapatkan tambahan satu atau lebih elektron maka atom tersebut dinamakan ion negatif. Proses di mana suatu atom mendapat tambahan elektron atau kehilangan elektron dinamakan ionisasi.

Apabila jumlah proton dan elektron dalam suatu benda sama maka benda tersebut bersifat netral secara kelistrikan. Untuk membuat sebuah benda menjadi bermuatan negatif, maka kita bisa menambahkan sejumlah elektron pada benda tersebut. Sebaliknya untuk membuat sebuah benda bermuatan positif maka kita bisa menghilangkan sejumlah elektron dari benda tersebut. Mengapa kita menambahkan atau menghilangkan elektron, bukan proton ? Proton berada dalam inti atom, sebaliknya elektron berada di luar inti atom. Karena berada di luar maka elektron lebih mudah berpindah.

Setelah digosokan dengan kain, batang kaca menjadi bermuatan dan muatan pada kaca dipilih bertanda positif. Karenanya muatan pada kain yang digosokan dengan batang kaca harus bertanda negatif. Pada mulanya kaca atau kain bersifat netral secara kelistrikan. Ketika kaca digosokkan dengan kain, sejumlah elektron pada kaca berpindah menuju kain. Karena kaca kehilangan sejumlah elektron maka kaca bermuatan positif. Sebaliknya kain menerima tambahan elektron sehingga kain bermuatan negatif.

Sebaliknya, setelah digosokan dengan kain, batang plastik menjadi bermuatan dan muatan pada plastik dipilih bertanda negatif. Karenanya muatan pada kain yang digosokan dengan plastik harus bertanda positif. Pada mulanya plastik dan kain bersifat netral secara kelistrikan. Artinya jumlah proton dan elektron pada plastik sama besar. Demikian juga jumlah proton dan elektron pada kain sama besar. Setelah plastik digosokan dengan kain, plastic bermuatan negatif sedangkan kain menjadi bermuatan positif. Ini berarti sejumlah elektron pada kain berpindah menuju plastik. Karena plastik mendapat tambahan elektron maka plastik bermuatan negatif. Sebaliknya kain kehilangan sejumlah elektron sehingga kain mejadi bermuatan positif.