Atom, merupakan wujud partikel terkecil yang menyusun semua material di dunia ini. Sebuah benda, komputer yang kamu gunakan, sepatu yang kamu pakai bahkan tubuh kamu sendiri, semuanya tersusun atas atom-atom. Atom sendiri terdiri dari inti yang padat yang dikelilingi oleh awan bermuatan negatif yang dikenal dengan nama elektron. Inti atom ini sendiri terdiri atas proton (bermuatan positif) dan neutron yang netral. Kenapa disebut awan diatas? Jika kamu perhatikan gambar dibawah ini, gambar tersebut merupakan bentuk susunan atom yang mungkin sudah familiar dengan kita. Tapi garis perlintasan elektron bukanlah lintasan dalam artian yang sebenarnya. Tapi meununjukkan bahwa pada garis tersebut merupaan daerah dengan peluang terbanyak kita dalam menentukan elektron. Ibarat kamu menyebar kelereng, maka pada gambar berikutnya, garis merah menunjukkan peluang kita mendapatkan kelereng dalam satu garis lurus adalah yang paling banyak bila dibandingkan dengan kamu meletakkan garis tersebut pada posisi yang lain Nah, elektron dan proton inilah yang berperan dalam gejala listrik statis. Muatan muatan ini saling mempengaruhi satu sama lain yang tentunya berbeda-beda interaksinya tergantung jenis muatannya. Tapi, secara umum, jenis muatan yang sama akan saling tolak menolak dan muatan yang berbeda akan saling tarik menarik.

Hukum Coulomb

Dulu Anda pasti telah melakukan beberapa percobaan sederhana untuk menunjukkan listrik statis. Salah satu percobaan yang mudah dilakukan adalah percobaan dengan sisir plastik. Mula-mula sisir plastik tidak dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Setelah sisir Anda gosokkan pada rambut kering, kira-kira 20 kali, sisir sekarang dapat menarik sobekan-sobekan kertas.

Gambar 4.1.1 Sisir plastik menarik sobekan kertas

Mengapa sisir yang semula tidak dapat menarik kertas lalu dapat menarik kertas setelah sebelumnya digosok-gosokkan pada rambut? Sebelum sisir digosok-gosokan pada rambut, sisir adalah netral (tidak bermuatan listrik) sehingga tidak dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Setelah sisir digosok-gosokan pada rambut, sisir menjadi bermuatan listrik, sehingga dapat menarik sobekan-sobekan kertas.

Prosesnya sisir yang bermuatan listrik dapat menarik sobekan-sobekan kertas dapat dijelaskan sebagai berikut. Dalam kebanyakan atom atau molekul netral, pusat muatan positif berimpit dengan pusat muatan negatif. Ketika isolator itu (misalnya,sobekan-sobekan kertas) didekati oleh benda bermuatan listrik (misalnya, sisir yang bermuatan listrik positif), pusat muatan negatif ditarik mendekati benda bermuatan positif. Hal ini akan menghasilkan muatan positif. Dengan demikian, akan dihasilkan muatan lebih negatif pada sisi yang berdekatan dengan benda pemberi muatan. Ini menghasilkan muatan lebih negatif pada sisi yang berdekatan dengan benda pemberi muatan. Muatan yang berbeda jenis ini menghasilkan gaya tarik menarik sehingga isolator dapat menempel pada benda bermuatan listrik.

Muatan listrik merupakan entitas dasar dan menjadi primadona dalam elektrostatika. Muatan listrik dapat dipindah dari suatu benda ke benda lainnya dengan cara menggosok atau cara lainnya, akan tetapi muatan tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Ada dua jenis muatan yaitu positif dan negatif. Muatan yang sejenis bersifat tolak-menolak, dan muatan yang tak sejenis akan tarik-menarik.

Muatan listrik itu tersimpan dalam benda-benda yang berada di sekeliling kita, seperti misalnya pada plastik yang digosok dengan wool, gelas yang digosok dengan sutera pada kilat, dan masih banyak yang lainnya lagi.

Benda-benda yang bermuatan akan mengerjakan gaya terhadap benda bermuatan lainnya. Gaya ini dinamakan gaya elektrostatik. Gaya ini bergantung pada besarnya muatan masing-masing benda dan bergantung pada jarak ke dua benda. Perhatikan Gambar :

Interaksi dua muatan positif

Hukum gaya elektrostatik ini pertama kali ditemukan secara eksperimen oleh Coulomb dalam tahun 1784, sehingga hukum ini dinamakan hukum Coulomb, dan bentuk persamaannya adalah :

F= k

.................................................(4.1.1)

Harga konstanta elektrostatik k adalah : k =

= 9,0×109 N.m2/C2.

Besaran εo ini disebut konstanta permitivitas ruang hampa yang harganya 8,85×10-12 C2/N.m2.

Dalam bentuk vektor hukum Coulomb dapat dinyatakan dalam bentuk :

= k

(4.1.2)

Misalkan dua muatan q1 dan q2 berada pada jarak r seperti pada Gambar 4.1.5. Vektor satuan digunakan untuk menyatakan arah

dan

pada muatan tersebut.

Gambar 4.1.5. Interaksi antara dua muatan

Gaya pada muatan q2 adalah

= k

Gaya pada muatan q1 adalah

= - k

Jika dua muatan mengerjakan gaya secara serentak pada muatan ketiga, maka gaya total yang dialami oleh muatan ketiga itu di dapat dengan cara penjumlahan vektor.

Medan Listrik

Medan listrik adalah suatu ruang yang masih dipengaruhi oleh muatan listrik. Seperti pada gambar , jika disekitar muatan listrik q diletakkan muatan lain +q berjarak r, maka pada +q akan timbul gaya interaksi. Semakin jauh muatan +q dari muatan q , atau semakin besar r nya maka gaya interaksinya semakin kecil. Dan akhirnya akan menjadi nol.

Lebih lengkapnya dapat dikatakan bahwa medan listrik adalah sebagai ruang disekitar muatan

listrik dimana titik-titik bermuatan yang berada didalamnya , timbul gaya Elektrostatis. Kekuatan dari medan listrik tersebut dapat dicari dengan menghitung gaya elektrostatis tiap satuan muatannya

Atau Secara Metematis Dapat Dituliskan :

Kuat Medan Listrik Yang Ditimbulkan Oleh Muatan Q Pada Suatu Titik Yang Bermuatan Listrik Q Dirumuskan :

Sekarang untuk kuat medan listrik disuatu titik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan yang segaris dapat dihitung dengan cara menjumlahkannya. Kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh masing-masing muatan dijumlahkan secara vektor, dengan didahului mencari arah medan listrik oleh masing-masing muatan listrik sesuai dengan jenis muatannya.

Perhatikan gambar diatas , kuat medan listrik dititik P secara vektor adalah: EP = E1- E2+E3

Kuat medan listrik dititik p merupakan resultan kuat medan listrik E1 dan E2 yang besarnya adalah:

Pada gambar diatas tampak gambaran pusat garis-garis medan listrik dari muatan titik. Besar kecilnya kuat medan listrik disuatu titik dinyatakan dengan kerapatan garis medan listrik. Kerapatan garis medan listrik disuatu tempat disebut dengan fluks medan listrik.fluks medan listrik yang menembus satu satuan luas bidang secara tegak lurus sebanding dengan kuat medan listriknya.

Jika sebuah bidang kecil ?A ditembus oleh garis medan listrik sebesar ?F secara tegak lurus , kuat medan listrik dititik tersebut dinyatakan sebagai :

Garis-garis gaya listrik untuk dua muatan liatrik adalah sebagai berikut :

Indeks n pada

an merupakan komponen

a yang tegak lurus dengan medan listrik E. Untuk titik-titik yang berada diudara atau ruang hampa , persaman tersebut dapat ditulis menjadi:

Sehingga secara umum persamaan dapat ditulis:

Keterangan:

Contoh Soal:

Suatu Ruangan Mempunyi Kuat Medan Listrik Sebesar 4X10^-4 N/C. Sebuah Bidang Datar Seluas 0,2 M²Membentuk Sudut 60⁰ terhadap arah kuat medan listrik. Tentukan Jumlah Garis Gaya Listrik Yang Menembus Permukaan Bidang Datar Tersebut !

Medan Listrik Pada Bola Konduktor Berongga

Jika sebauh bola konduktor dimuati ( misal muatan positif ), maka distribusi muatan tersebut akan mengikuti sifat interaksi muatan. Karena muatan-muatan sejenis tolak-menolak, maka distribusi muatan pada bola konduktor bola berongga berada dipermukaan bola, sedang di dalam bola tidak terdapat muatan.

Maka Besarnya kuat medan listrik di a ( di dalam bola )

jari-jari < r adalah nol ( E_a = 0 ).
Besarnya medan listrik dipermukaan bola dapat dihitung dengan rumus

E = kQ/r² dengan r jari-jari bola; dan
Besarnya kuat medan listrik di luar bola konduktor beronga dapat dihitung dengan rumus

E = kQ/R² dengan R jarak titik yang ditinjau dihitung dari pusat bola.

Grafik hubungan antara E dan r untuk bola konduktor berongga adalah ..

Medan Listrik Pada Konduktor Keping Sejajar

Dua buah keping sejajar dimuati listrik masing-masing +q dan –q ( muatan berlawanan ) seperti pada gambar. Maka :

a. Kuat medan listrik diantara kedua keping adalah : E =

dimana

b. Kuat medan listrik di luar keping : E = 0 dimana r > d

Rapat muatan listrik (

) dideffinisikan sebagai muatan listrik persatuan luas atau

Sedangkan besar potmsial listrik diantara keping dirumuskan sebagai :

dimana

Dan Potensial Listrik Diluar Keping Dapat Dihitung Dengan Rumus :

Dimana d Adalah Lebar Keping. dimana r > d

Hukum Gauss

Untuk membahas hukum Gauss, lebih dahulu masukkan pengertian Fluks Iistrik. Fluks adalah besaran medan yang menembus dalam arah yang tegak lurus suatu permukaan tertentu. Fluks listrik menyatakan medan listrik yang menembus dalam arah tegak lurus suatu permukaan.
Fluks listrik Φ yang melalui permukaan datar seluas A adalah :

Φ = E A cos φ = E•A

Dimana:

E adalah Muatan Listrik.
A adalah Luas Permukaan.
Φ adalah Fluk Listrik.
Φ adalah sudut kemiringan permukaan.
Sedangkan Hukum Gauss sendiri berbunyi “Fluks total yang melalui sebuah permukaan tertutup sama dengan sebuah konstanta kali muatan total yang tercakup”. Secara matematis dapat dituliskan:

Hukum Gauss dapat digunakan untuk menghitung medan listrik dari sistem yang mempunyai kesimetrian yang tinggi (misalnya simetri bola, silinder, atau kotak). Untuk menggunakan hukum gauss perlu dipilih suatu permukaan khayal yang tertutup (permukaan gauss). Bentuk permukaan tertutup tersebut dapat sembarang.

SIFAT LISTRIK MATERIAL
Berdasarkan pada sifat listriknya, material atau bahan dapat dibedakan menjadi 3. Yaitu antara lain sebagai berikut:
Konduktor
Konduktor adalah bahan yang dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik sehingga konduktor sering disebut juga penghantar listrik yang baik. Pada konduktor yang baik, jumlah elektron-elektron bebas, yaitu elektron-elektron yang mempunyai energi cukup besar (terletak pada lintasan yang paling luar) adalah banyakdan bebas bergerak, misalkan pada bahan tembaga, setiap atom tembaga menyumbangkan 1 elektron bebas.

Penghantar dalam teknik elektronika adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik, baik berupa zat padat, cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Konduktor adalah bahan yang sangat baik kemampuannya dalam menghantarkan listrik, hampir seluruh logam logam adalah konduktor.

Contoh konduktor diantaranya adalah emas, perak, tembaga, alumunium, seng, besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin membesar. Jadi sebagai penghantar emas adalah sangat baik, tetapi karena sangat mahal harganya, maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan.
Isolator
Tidak semua bahan dapat mengalirkan arus listrik, hal tersebut tidak berarti bahwa arus listrik tidak mengalir dalam rangkaian tertutup. Hal ini disebabkan karena hambatan jenis penghantar terlalu besar sehingga sulit menghantarkan arus listrik.
Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Hampir seluruh bahan non logam adalah isolator. Contoh isolator adalah asbes, kayu kering, gelas, plastik, karet dll.

Dalam bahan isolator , elektron-elektron tidak bebas bergerak . Hal ini karena setiap atom dari bahan isolator terikat dengan kuat. Pada isolator, setiap muatan elektron dipegang erat oleh inti atomnya, sehingga pada suhu ruangan/normal tidak mungkin adanya pengaliran arus listrik.
Apabila isolator diberi tegangan besar sehingga menghasilkan energi listrik yang mampu mengatasi energi pengikat elektron, elektron akan dapat berpindah. Dengan demikian isolator dapat mengalirkan arus listrik.Berdasarkan hal itu di katakan bahwa pada tegangan yang tinggi, isolator dapat berfungsi sebagai konduktor.
Semikonduktor
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara isolator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon (Si), germanium (Ge), dan gallium arsenide.

Terdapat dua jenis semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik, semikonduktor intrinsik biasanya hanya terdiri dari Ge atau Si saja, sedangkan semikonduktor ekstrinsik gabungan dari dua jenis bahan atau lebih.
Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut materi doping).
Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Potensial Listrik

Potensial listrik dilambangkan dengan V , dengan satuannya adalah Volt atau Joule /Coulomb. Potensial listrik merupakan besarnya energi potensial listrik pada setiap satu satuan muatan . Jika dirumuskan adalah sebagai berikut:

Perhatikan Gambar Diatas, Besar Potensial Listrik Di Titik P Ialah:
V= EP/q = kqQ/qr

Keterangan :
V = potensial listrik di titik p(V)
Q = muatan listrik (c)
r = jarak titik p dengan muatam Q (m)

Potensial listrik merupakan besaran scalar , tidak seperti kuat medan listrik yang merupakan besaran vector. Jika sebuah titik dipengaruhi oleh beberpa muatan dengan jarak yang berbeda-beda maka besar potensial listrik dititik P tersebut merupakan jumlah scalar potensial listrik dari masing-masing muatan pada titik P. Jika dibuat suatu rumusan :

usaha yang telah kita rumuskan pada uraian sebelumnya mempunyai hubungan dengan potensial ini. Usaha untuk memindahkan muatan q dari titik yang mempunyai potensial Va ke titik yang mempunyai potensial Vbadalah:

atau dapat ditulis dengan persamaan:

Dengan:
W = usaha (joule)
Q = muatan ( c )
V = beda potensial (volt)

Potensial listrik oleh bola konduktor bermuatan

Potensial listrik disekitar atau didalam bola konduktor bermuatan dapat ditentukan dengan cara menganggap muatan bola tersebut berada dipusat bola.pada gambar terdapat tiga titik yang masing –masing berada di dalam bola , dipermukan bola dan diluar bola . Ketiganya mempunyai besar potensial masing-masing adalah:

1. Pada titik A (didalam bola)
besar potensial didalam bola akan sama dengan besar potensial dipermukaan bola. Hal ini karena konduktor bersifat equipotensial yaitu mempunyai potensial yang sama di setiap titiknya.