Muatan Listrik: Gaya Tarik-Tolak, Cara Muatan Berpindah, dan Kenapa Listrik Tidak Diciptakan

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 01: Pengantar Listrik (artikel 6 dari 7)

Muatan yang berbeda saling tarik, muatan yang sama saling tolak, dan itu saja aturan dasarnya. Ketika batang plastik digosok dengan kain wol, sebagian elektron berpindah dari wol ke plastik, sehingga plastik menjadi bermuatan negatif dan wol menjadi bermuatan positif. Tidak ada listrik yang diciptakan di situ. Elektron hanya berpindah tempat, dan jumlah seluruh muatan sebelum dan sesudah digosok tetap sama.

Tidak ada muatan baru yang muncul. Yang terjadi cuma elektron pindah dari kain ke batang.

Cara Muatan Berpindah

Dalam keadaan biasa, sebuah benda punya jumlah proton dan elektron yang sama sehingga muatannya netral. Benda menjadi bermuatan ketika keseimbangan itu terganggu, dan cara yang paling sederhana mengganggunya adalah dengan gesekan.

Ketika dua bahan berbeda digosokkan, salah satunya memegang elektron lebih erat daripada yang lain, sehingga bahan yang pegangannya longgar kehilangan sebagian elektronnya sementara bahan yang pegangannya erat menerima elektron itu dan menyimpannya di permukaan.

Pasangan bahan	Elektron berpindah dari	Hasilnya
Plastik digosok wol	Wol ke plastik	Plastik negatif, wol positif
Kaca digosok sutra	Kaca ke sutra	Kaca positif, sutra negatif
Balon digosok rambut	Rambut ke balon	Balon negatif, rambut positif

Perhatikan bahwa arah perpindahannya tidak selalu sama. Plastik menerima elektron, kaca justru melepasnya, dan yang menentukan arah itu adalah pasangan bahannya, bukan sifat salah satu bahan sendirian.

Yang perlu dipegang: menggosok tidak membuat muatan. Menggosok hanya memindahkannya. Kalau plastik mendapat sejuta elektron, maka wol kehilangan sejuta elektron yang sama persis, dan jumlah muatan keseluruhan tetap nol seperti sebelumnya. Aturan ini berlaku di seluruh kelistrikan dan dikenal sebagai kekekalan muatan.

Tarik dan Tolak

Aturannya singkat. Muatan yang berlawanan saling tarik, muatan yang sejenis saling tolak.

Demonstrasi klasiknya memakai dua bola kecil dari plastik ringan yang digantung dengan benang. Kalau keduanya disentuhkan ke batang plastik yang sudah digosok wol, keduanya menerima muatan negatif yang sama besar, dan begitu dilepas kedua bola itu bergerak saling menjauh sampai kedua benangnya membentuk sudut yang jelas terlihat dari jauh.

Sekarang ulangi dengan satu bola diberi muatan negatif dari plastik dan bola kedua diberi muatan positif dari kaca yang digosok sutra. Hasilnya kebalikannya. Kedua bola bergerak saling mendekat, menempel, dan setelah menempel beberapa saat muatannya saling menetralkan sehingga keduanya kembali menggantung lurus.

Dari percobaan sederhana itu muncul satu gagasan yang jauh lebih besar: muatan bisa mendorong dan menarik tanpa bersentuhan. Gaya itu bekerja menyeberangi ruang kosong, dan gagasan yang sama nantinya dipakai untuk menjelaskan bagaimana medan magnet memutar rotor motor tanpa ada bagian yang bersinggungan.

Seberapa Kuat Gaya Listrik

Gaya antara dua muatan bisa dihitung, dan angkanya mengejutkan.

Besar gayanya sebanding dengan kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Dalam satuan baku, tetapannya bernilai 8,99 × 10⁹.

Ambil contoh dua muatan masing-masing 1 mikrocoulomb yang terpisah sejauh 1 meter. Satu mikrocoulomb adalah sepersejuta coulomb, jadi perkaliannya menghasilkan 10^-12, dan hasil akhirnya:

F = 8,99 × 10⁹ × 10^-12 ÷ 1² = 8,99 × 10^-3 newton, atau sekitar 9 milinewton.

Sembilan milinewton setara dengan berat benda sekitar 0,9 gram. Kedengarannya sepele, sampai kita ingat bahwa satu mikrocoulomb itu muatan yang sangat kecil, sekitar 6,24 × 10¹² elektron, sedangkan arus sebesar 1 ampere memindahkan 6,24 × 10¹⁸ elektron setiap detik, yaitu sejuta kali lebih banyak.

Dua hal penting menyusul dari rumus itu. Pertama, karena jaraknya dikuadratkan, mendekatkan muatan menjadi setengah jarak semula melipatempatkan gayanya. Kedua, karena jaraknya di penyebut, gaya ini tidak pernah benar-benar nol, cuma mengecil sangat cepat.

Perlu disebut juga bahwa pada jarak sehari-hari gaya listrik ini jauh lebih besar daripada gaya gravitasi antara benda-benda yang sama. Di dalam inti atom urusannya lain lagi, karena di situ bekerja gaya inti kuat yang jauh lebih besar lagi pada jarak yang sangat pendek. Jadi gaya listrik adalah yang terkuat di antara gaya yang kita temui sehari-hari, bukan yang terkuat secara mutlak.

Sudut benangnya yang bercerita. Sejenis menjauh, berlawanan mendekat.

Kenapa Tangan Tidak Menembus Meja

Ini pertanyaan yang kelihatan iseng, tapi jawabannya langsung menyentuh inti bahasan.

Atom sebagian besar isinya ruang kosong. Inti atom sangat kecil dibanding keseluruhan atom, dan elektron berada jauh di luar sana dalam bentuk awan. Kalau diukur dari perbandingan ukurannya, dua benda padat yang saling ditekan seharusnya bisa saling menyusup dengan mudah.

Yang mencegahnya gaya listrik.

Permukaan setiap benda padat adalah lapisan elektron, dan elektron bermuatan negatif semua. Begitu telapak tangan menyentuh meja, elektron di kulit tangan berhadapan dengan elektron di permukaan meja, dan keduanya saling menolak dengan gaya yang menguat sangat cepat seiring jaraknya mengecil.

Jadi sensasi "padat" yang kita rasakan ketika memukul meja sebenarnya bukan benda yang bertemu benda. Yang kita rasakan adalah tolakan listrik antar-elektron, dan di dunia sehari-hari tolakan itu jauh lebih kuat dari apa pun yang sanggup kita kerahkan dengan tangan.

Menuju Listrik Statis

Muatan yang berpindah lewat gesekan dan kemudian menumpuk di suatu benda inilah yang disebut listrik statis. Namanya statis karena muatannya diam di tempat, tidak mengalir sebagai arus.

Tumpukan itu bisa berakhir mendadak. Kalau beda muatan antara dua benda cukup besar dan jaraknya cukup dekat, udara di antaranya bisa tembus dan muatan melompat sebagai percikan. Itulah yang terjadi saat tangan menyentuh gagang pintu logam setelah berjalan di atas karpet, dan itu pula yang terjadi dalam skala raksasa pada petir.

Di dunia industri, listrik statis bukan sekadar gangguan kecil. Cairan yang mengalir di dalam pipa, bubuk yang dipindahkan lewat selang, dan sabuk mesin yang berputar semuanya menimbulkan muatan statis, dan percikan dari muatan itu bisa menyalakan uap yang mudah terbakar. Penanganannya adalah bonding dan grounding, yaitu menyamakan potensial antar-benda dan menyalurkan muatan ke bumi sebelum sempat menumpuk.

Sudut Pandang Workshop

Di bengkel motor listrik, muatan statis paling sering mengganggu lewat dua jalan, dan keduanya tidak ada hubungannya dengan percikan dramatis.

Yang pertama adalah komponen elektronik. Modul kontrol, kartu driver, dan papan rangkaian di dalam inverter bisa rusak oleh muatan statis dari tubuh teknisi, dan yang membuat kerusakan ini licik adalah ia sering tidak langsung mematikan komponennya. Papan yang terkena biasanya masih bekerja, lalu gagal beberapa minggu kemudian, dan saat itu tidak ada yang mengaitkannya dengan pemasangan waktu itu.

Aturan di tempat saya sederhana: pegang papan di tepinya, jangan di kaki komponen, dan sentuh dulu rangka mesin yang sudah di-grounding sebelum tangan menyentuh papan, supaya muatan yang menumpuk di tubuh lepas lebih dulu ke rangka.

Yang kedua adalah pengukuran tahanan isolasi. Setelah belitan diuji dengan megger pada tegangan tinggi, belitan itu menyimpan muatan, dan muatan tersebut bisa menyengat orang berikutnya yang memegangnya. Alat megger yang baik melepas muatan itu sendiri setelah pengujian, tetapi tidak semua alat punya fitur itu dan tidak semua orang menunggu sampai selesai. Jadi kebiasaannya tetap sama, yaitu hubungkan singkat terminal ke rangka setelah pengujian, baru dipegang.

Satu hal lagi yang pantas disebut. Teknisi sering mengira muatan sisa itu kecil karena arusnya kecil. Memang arusnya kecil, dan karena itu biasanya tidak mematikan. Tapi kejutan mendadak di dekat mesin yang terbuka atau di atas tangga bisa berakibat jauh lebih buruk daripada sengatannya sendiri.

Cek Pemahaman

1. Dua benda bermuatan sama akan apa satu sama lain?
   Jawaban: tolak menolak.
2. Ke mana elektron berpindah saat plastik digosok dengan wol?
   Jawaban: dari wol ke plastik, sehingga plastik menjadi negatif.
3. Apakah menggosok menciptakan muatan listrik?
   Jawaban: tidak, muatan hanya berpindah dan jumlah totalnya tetap.
4. Berapa gaya antara dua muatan 1 mikrocoulomb yang berjarak 1 meter?
   Jawaban: sekitar 9 milinewton.
5. Apa yang membuat tangan tidak menembus meja?
   Jawaban: tolakan listrik antar-elektron di permukaan keduanya.

Baca Juga

• Pengertian Listrik: Atom, Elektron, dan Proton
• Listrik Statis, Bonding, dan Grounding di Lingkungan Kerja
• Kenapa Tembaga Jadi Konduktor dan Gas Mulia Tidak?
• Arah Arus Listrik: Elektron vs Arus Konvensional
• Berapa mA Arus Listrik yang Mematikan?

Ringkasan

• Muatan berlawanan saling tarik, muatan sejenis saling tolak.
• Benda netral punya jumlah proton dan elektron yang sama.
• Gesekan memindahkan elektron dari satu bahan ke bahan lain.
• Plastik yang digosok wol menjadi negatif, kaca yang digosok sutra menjadi positif.
• Arah perpindahan ditentukan oleh pasangan bahannya.
• Muatan tidak diciptakan, hanya berpindah, sehingga jumlah totalnya tetap.
• Gaya antara dua muatan 1 mikrocoulomb berjarak 1 meter sekitar 9 milinewton.
• Gaya listrik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, jadi mendekat dua kali melipatempatkan gayanya.
• Tangan tidak menembus meja karena elektron di kedua permukaan saling menolak.
• Muatan yang menumpuk dan diam disebut listrik statis, dan di industri ia ditangani dengan bonding dan grounding.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Kenapa muatan sejenis saling tolak menolak?

Karena itulah sifat dasar muatan listrik, yaitu muatan yang berlawanan saling tarik dan muatan yang sejenis saling tolak, dan sifat ini tidak diturunkan dari aturan lain yang lebih sederhana. Yang bisa dihitung adalah besarnya, yaitu sebanding dengan kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, sehingga dua muatan yang didekatkan menjadi setengah jarak semula akan saling menolak empat kali lebih kuat.

Bagaimana sebuah benda menjadi bermuatan?

Benda menjadi bermuatan ketika jumlah elektronnya tidak lagi sama dengan jumlah protonnya, dan cara paling sederhana membuatnya terjadi adalah dengan gesekan antara dua bahan berbeda. Bahan yang memegang elektron lebih longgar akan kehilangan sebagian elektronnya dan menjadi bermuatan positif, sedangkan bahan yang pegangannya lebih erat menerima elektron itu dan menjadi bermuatan negatif.

Apakah listrik bisa diciptakan?

Tidak, muatan listrik tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan, yang terjadi hanyalah perpindahan elektron dari satu tempat ke tempat lain. Kalau sebuah batang plastik menerima sejumlah elektron dari kain wol, maka kain wol itu kehilangan elektron dalam jumlah yang sama persis, sehingga jumlah muatan keseluruhan sebelum dan sesudahnya tetap sama.

Seberapa kuat gaya antara dua muatan listrik?

Untuk dua muatan masing-masing 1 mikrocoulomb yang terpisah sejauh 1 meter, gayanya sekitar 9 milinewton, setara dengan berat benda sekitar 0,9 gram. Angka itu terlihat kecil, tetapi satu mikrocoulomb sendiri adalah muatan yang sangat kecil, yaitu sekitar 6,24 kali 10 pangkat 12 elektron, sejuta kali lebih sedikit daripada yang dipindahkan arus 1 ampere setiap detik.

Kenapa tangan tidak menembus meja padahal atom sebagian besar ruang kosong?

Karena permukaan setiap benda padat adalah lapisan elektron yang semuanya bermuatan negatif, sehingga elektron di kulit tangan dan elektron di permukaan meja saling menolak dengan gaya yang menguat sangat cepat ketika jaraknya mengecil. Sensasi padat yang kita rasakan saat memukul meja sebenarnya bukan benda bertemu benda, melainkan tolakan listrik antar-elektron yang jauh lebih kuat dari tenaga yang sanggup dikerahkan tangan.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 1, bagian Transferring Charges dan Electrical Forces (modul internal Motor Academy).
• Tetapan Coulomb 8,99 × 10⁹ N·m²/C² menurut nilai tetapan fisika baku.
• Jumlah muatan elementer 6,24 × 10¹⁸ elektron per coulomb menurut nilai muatan elektron baku.