Muatan listrik ada di sekitar Anda, tetapi Anda hanya benar-benar menyadarinya pada kesempatan langka, seperti ketika rambut Anda berdiri setelahnya Anda melepas topi atau ketika Anda mendapatkan sengatan tajam ketika Anda mengulurkan tangan untuk menyentuh sesuatu setelah menggosok kaki Anda di sepanjang karpet.
Kedua fenomena ini adalah contoh darilistrik statis, sesuatu yang mungkin Anda pelajari ketika Anda masih kecil. Tapi bagaimana muatan listrik statis membuat rambut Anda berdiri dan mengapa itu bisa memberi Anda kejutan listrik statis?
Apa yang sebenarnya terjadi di tingkat atom yang menghasilkan pengalaman universal ini? Mempelajari detail tentang listrik statis memberi Anda wawasan yang jauh lebih detail tentang sifat materi yang menakjubkan ini.
Dasar-dasar Muatan Listrik
Muatan listrik adalah sifat dasar materi. Itu dipisahkan menjadi muatan positif dan muatan negatif, dan meskipun beberapa partikel adalah netral secara elektrik - seperti neutron - ini sebenarnya terdiri dari yang lebih mendasar partikel yangmelakukanmembawa muatan listrik.
Dua partikel bermuatan yang paling penting untuk diketahui ketika Anda belajar tentang listrik statis adalah dua komponen utama atom: proton dan elektron.
Proton bermuatan positif, dengan muatan +e, sedangkan elektron bermuatan negatif pada –e, dimanae = 1.602 × 10−19 C. C di sini adalah singkatan daricoulomb, yang merupakan satuan SI untuk muatan listrik. 10−19 memberitahu Anda bahwa partikel bermuatan memilikisangat kecilnilai muatan dibandingkan dengan satu coulomb – dua muatan hanya 1 C yang dipisahkan oleh satu meter akan menghasilkan gaya yang lebih besar daripada daya dorong peluncuran roket Saturn V!
Aturan dasar bagaimana muatan listrik bekerja adalah bahwa muatan yang berlawanan akan menarik dan muatan yang sejenis akan tolak-menolak. Jadi jika Anda membawa elektron dekat elektron lain, mereka akan mendorong diri mereka sendiri, sedangkan jika Anda membawa elektron dekat proton, itu akan tertarik padanya.
Pengertian Listrik Statis
Pada tingkat paling dasar, listrik statis hanya mengacu pada muatan yang tidak bergerak. Namun, ada lebih dari itu! Hal utama tentang listrik statis adalah bahwa hal itu terjadi ketika ada ketidakseimbangan muatan, dan ketidakseimbangan ini pada dasarnya menciptakanpotensial listrik, artinya terdapat potensi arus listrik untuk mengalir (untuk menyeimbangkan muatan) karena posisi partikel pembawa muatan.
Dalam atom, dan sebagian besar benda sehari-hari, ada keseimbangan antara positif dan negatif muatan (yaitu antara proton dan elektron), sehingga mereka netral secara elektrik jika dianggap semua bersama.
Jadi jika Anda mendekatkan satu atom ke atom lainnya, tidak akan ada gaya listrik di antara mereka karena semua muatan positif diseimbangkan dengan muatan negatif, sehingga tidak ada muatan bersih untuk menghasilkan a memaksa.
Meskipun sebenarnya sedikit lebih rumit dari ini (karena elektron selalu bergerak, jadi mereka tidak soselalumemblokir muatan positif dari proton), situasi netral ini menciptakan kontras yang jelas dengan apa yang terjadi ketika ada penumpukan muatan statis.
Intinya, ketika sebuah benda (seperti rambut Anda setelah menggosok balon di atasnya) mendapatkan kelebihan atau kekurangan muatan (lebih atau lebih sedikit elektron daripada dalam keadaan biasa), maka ia tidak lagi netral dan dapat menghasilkan apa yang Anda sebut statis listrik. Sebaliknya, listrik biasa adalahgerakan terus menerusmuatan (dalam bentuk elektron dalam arus listrik), sedangkan listrik statis tidak melibatkan gerakansampaibiaya menyeimbangkan satu sama lain - dan mungkin memberi Anda kejutan tajam dalam prosesnya!
Cara Kerja Listrik Statis
Listrik statis pada dasarnya bergantung pada ketidakseimbangan antara muatan positif dan muatan negatif, tetapi sebenarnya hanya elektron yang benar-benar bergerak untuk menciptakan ketidakseimbangan ini.
Dalam sebuah atom, proton terikat erat di dalam nukleus (bersama dengan neutron), dan keduanya adalah jauh lebih berat daripada elektron bermuatan negatif yang tinggal di "awan" di sekitar bagian luar inti.
Karena partikel yang lebih ringan ini berada di luar, ketika satu objek melakukan kontak dengan yang lain, itu adalah elektron yang dapat mentransfer di antara mereka, dan menggosoknya bersama-sama meningkatkan laju muatan membangun. Jadi jika suatu benda mengambil elektron tambahan, ia menjadi bermuatan negatif, sedangkan jika kehilangan elektron ia menjadi bermuatan positif.
Bahan isolasi menahan muatan statis dengan baik, sedangkan konduktor yang baik hanya akan mempertahankan muatan statis dalam situasi tertentu. Konduktor yang diberi elektron ekstra tidak memiliki muatan statis karena elektron dapat mengalir bebas ke seluruh bahan (yang merupakan definisi konduktor yang baik).
Jadi, penumpukan muatan apa pun menghilang terlalu cepat untuk menciptakan listrik statis yang nyata, dan itu dapat berpindah ke objek lain kecuali jika benar-benar terisolasi dari lingkungan lainnya. Karena arus tidak dapat mengalir dalam isolator, penumpukan statis dengan cepat menciptakan ketidakseimbangan muatan yang mencolok dan dengan demikian menghasilkan listrik statis.
Karena muatan sejenis tolak menolak, dan muatan berlawanan tarik menarik, ketika sesuatu memiliki muatan statis akan menempel pada barang yang bermuatan berlawanan, dan terkadang juga bisamempolarisasikanatom dalam objek yang netral dan tempelkan juga – seperti balon menempel ke dinding setelah Anda menggosokkannya di kepala.
Jika penumpukan muatan cukup besar dan tegangan yang relatif tinggi dicapai antara dua permukaan atau benda, muatan dapat melompat dari satu benda ke benda lainnya. Inilah sebabnya mengapa Anda bisa mendapatkan sengatan listrik dari sengatan listrik statis jika Anda menggosok kaki Anda di lantai dan kemudian menyentuh kenop pintu.
Contoh Listrik Statis
Ada banyak contoh listrik statis yang akan Anda temui dalam kehidupan sehari-hari, bahkan jika Anda tidak perlu memikirkan peran muatan statis dalam pengoperasiannya.
Salah satu contoh yang paling umum adalah pakaian statis yang melekat, terutama setelah menggunakan pengering, yang menjaga kondisi ideal untuk listrik statis untuk berkembang, dan juga melibatkan pakaian yang bergesekan satu sama lain dan berpotensi mengambil elektron ekstra pada cara. Kejutan statis dari pakaian yang dikenakan dengan cara ini cenderung cukup kecil, tetapi Anda pasti masih menyadarinya ketika Anda mendapatkannya!
Mesin fotokopi adalah contoh yang bagus tentang bagaimana listrik statis dapat dimanfaatkan dengan baik. Cahaya terang yang memindai dokumen menciptakan "bayangan" listrik gambar pada fotokonduktif (mis. peka cahaya) sabuk, dan saat sabuk berputar, ia mengambil partikel toner bermuatan negatif karena statis biaya.
Di bawahnya, sabuk lain membawa selembar kertas, memberikannya muatan statis positif yang kuat dalam prosesnya. Ketika muatan negatif dari toner bertemu dengan muatan positif di atas kertas, toner membekas dirinya ke selembar kertas, dalam pola yang sama seperti bayangan yang diambil oleh fotokonduktif sabuk.
Contoh lain akan membawa Anda kembali ke kelas fisika di sekolah: Generator Van de Graaff, dan demonstrasi klasik di mana seseorang yang menyentuh bola membuat rambutnya berdiri. Generator bekerja berdasarkan pergerakan muatan listrik statis, dengan sabuk bergerak sepanjang perangkat dan dua "sisir" logam untuk mengontrol muatan statis.
Sisir bermuatan positif di bagian bawah (terhubung ke suplai listrik) menarik elektron dari sabuk, meninggalkannya dengan muatan positif bersih, dan muatan ini diambil oleh sisir di bagian atas, yang menyebarkannya ke kubah besar di bagian atas. puncak. Jika Anda menyentuh kubah selama proses pengisian, setiap helai rambut Anda mengambil muatan yang cocok dan saling menolak, membuatnya berdiri tegak!
Percobaan Layang-layang Benjamin Franklin Benjamin
Baut petir adalah demonstrasi yang sangat dramatis dari kekuatan listrik statis, dan Benjamin Franklin membuktikannya dalam salah satu demonstrasi ilmiah paling terkenal sepanjang masa dengan mengikatkan kunci pada tali layang-layang basah selama badai petir.
Meskipun mitos bahwa layang-layang benar-benar disambar petir (ini kemungkinan akan membunuh Franklin), medan listrik dari badai diambil oleh tali, yang – seperti demonstrasi generator Van de Graaff klasik – membuat untaian benang berdiri akhir. Akhirnya, Franklin menyentuh kuncinya dan merasakan sengatan listrik statis, dengan jelas menunjukkan hubungan antara listrik dan petir.
Tentu saja, para ilmuwan telah mengisi lebih banyak detail tentang prosesnya sejak zaman Benjamin Franklin. Sama seperti pakaian yang saling bergesekan di pengering atau balon yang bergesekan dengan rambut Anda, muatan statis yang menciptakan petir berasal dari gesekan, dan dari kristal es di udara dingin yang bertemu dengan tetesan air dari udara yang hangat massa.
Muatan menumpuk di berbagai tempat di cloud, dan ketika ada perbedaan yang cukup tinggi dalam potensial listrik antara tempat-tempat ini (yaitu tegangan yang cukup tinggi), dilepaskan dalam bentuk a petir. Ini biasanya terjadidalamawan atau di antara dua awan, tetapi kadang-kadang baut akan menghantam tanah.
Seri Triboelektrik
Pembentukan muatan statis yang disebabkan oleh gesekan dan gesekan secara teknis disebut efek triboelectric, dan berdasarkan artikel ini Anda sudah mengetahui detail penyebabnya dan bagaimana itu bekerja. Benda-benda yang bersentuhan satu sama lain menyebabkan salah satu dari mereka mengambil elektron ekstra (semua membawa muatan negatif) dan yang lainnya mengembangkan kekurangan elektron dan karenanya menjadi jaringan positif biaya.
Namun, sejauh mana bahan yang berbeda mengambil muatan negatif atau kehilangan elektron dan mendapatkan muatan positif bervariasi berdasarkan karakteristik material. Sementara isolator umumnya lebih baik dalam mengambil muatan statis, isolator yang berbeda mengambilnya pada tingkat yang berbeda.
Misalnya, sebagian besar jenis karet, dan khususnya Teflon, mengambil elektron dengan sangat mudah dan karenanya sangat bagus untuk demonstrasi dan potongan teknologi yang bergantung pada listrik statis. Bahan berbeda berdasarkan "keelektronegatifannya", yang pada dasarnya berarti afinitas elektronnya, atau kecenderungannya untuk mengambilnya dari benda lain.
Seri triboelektrik menempatkan bahan yang berbeda ke dalam urutan berdasarkan kemampuan mereka untuk mengambil muatan statis positif atau negatif. Benda-benda yang ditempatkan di bagian atas rangkaian triboelektrik cenderung mengambil muatan positif, sedangkan mereka yang berada di bawah lebih mungkin untuk mendapatkan elektron dan mengambil muatan negatif sebagai hasil. Semakin besar pemisahan antara dua item dalam deret triboelektrik, semakin banyak gesekan keduanya akan menghasilkan muatan statis pada keduanya.
Bahaya Listrik Statis
Sementara sebagian besar demonstrasi listrik statis adalah tampilan yang menyenangkan atau keingintahuan kecil yang Anda ditemui dalam kehidupan sehari-hari, penting untuk diingat bahwa muatan statis yang tidak diinginkan dapat berakibat serius konsekuensi.
Misalnya, percikan tunggal dari listrik statis dapat memicu cairan atau gas yang mudah terbakar dan berpotensi menyebabkan ledakan. Penumpukan statis dari geser di kursi mobil Anda bahkan berpotensi menyebabkan masalah saat when datang untuk mengisi bensin Anda, jadi Anda harus selalu menyentuh bagian logam mobil sebelum mengisi naik.
Tentu saja,palinglistrik statis waktu benar-benar hanya sebuah fenomena yang menarik, tetapi memahami cara kerjanya dapat membantu Anda menghindari bencana dalam beberapa situasi.