Apa itu listrik?
Listrik didefinisikan sebagai “aliran elektron melalui material dan perangkat sederhana” atau “gaya yang menggerakkan elektron”. Para ilmuwan berpendapat bahwa listrik dihasilkan oleh partikel-partikel yang sangat kecil, yaitu elektron dan proton. Partikel-partikel ini terlalu kecil untuk dilihat secara langsung, namun mereka ada sebagai partikel subatomik dalam sebuah atom. Untuk memahami bagaimana partikel-partikel ini bekerja, kita harus terlebih dahulu mempelajari struktur atom itu sendiri.
ATOM
Elemen merupakan blok penyusun dasar dari semua materi. Atom adalah partikel terkecil dari suatu elemen yang masih mempertahankan sifat-sifat dari elemen tersebut. Sebuah atom terdiri dari inti bermuatan positif yang dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif, sehingga secara keseluruhan atom bersifat netral secara listrik. Inti atom tersusun atas dua jenis partikel subatomik, yaitu proton dan neutron, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Proton, Neutron, dan Elektron
Proton adalah partikel yang membawa satuan muatan positif yang besarnya sama dengan muatan elektron tetapi bertanda berlawanan. Neutron sedikit lebih berat daripada proton dan tidak memiliki muatan listrik, sesuai dengan namanya. Kedua partikel ini terdapat di dalam inti atom.
Elektron adalah partikel dasar bermuatan negatif (-) yang mengorbit inti atom dalam lintasan melingkar atau kulit-kulit tertentu. Gerakan elektron inilah yang menjadi dasar dari fenomena listrik.
Keseimbangan Muatan dalam Atom
Secara keseluruhan, atom bersifat netral secara listrik karena jumlah muatan positif pada proton diimbangi oleh jumlah muatan negatif pada elektron. Struktur ini memungkinkan adanya gaya tarik antara elektron dan proton, menjaga kestabilan atom.
Proton merupakan muatan positif (+) dasar dari listrik dan berada di dalam inti atom. Jumlah proton di dalam inti menentukan nomor atom dari suatu atom atau unsur. Sebagai contoh, atom karbon memiliki enam proton di dalam intinya; oleh karena itu, nomor atom karbon adalah enam, seperti terlihat pada Gambar 2.
Gaya Elektrostatik
Salah satu hal menarik tentang atom adalah adanya gaya tarik antara elektron dan inti atom. Gaya tarik ini dikenal sebagai gaya elektrostatik, yaitu gaya yang menjaga agar elektron tetap berada di orbitnya. Untuk mempermudah pemahaman, gaya ini sering digambarkan dengan garis-garis seperti yang terlihat pada Gambar 3.
Tanpa adanya gaya tarik elektrostatik, elektron yang bergerak sangat cepat tidak akan mampu bertahan pada orbitnya di sekitar inti atom. Gaya ini bekerja karena adanya perbedaan muatan: elektron bermuatan negatif, sedangkan inti atom yang berisi proton membawa muatan positif. Kedua muatan yang berlawanan ini saling menarik, menjaga agar elektron tetap berada di jalurnya. Benda-benda yang dapat saling menarik karena perbedaan muatan inilah yang disebut sebagai benda bermuatan listrik.
Hukum Pertama Elektrostatik
Muatan negatif pada elektron besarnya sama, namun berlawanan arah dengan muatan positif pada proton. Muatan-muatan ini disebut muatan elektrostatik.Secara alami, muatan yang berbeda jenis (seperti elektron dan proton) akan saling tarik-menarik, sedangkan muatan yang sejenis akan saling tolak-menolak.
Fakta ini dikenal sebagai Hukum Pertama Elektrostatik atau sering juga disebut hukum muatan listrik. Hukum ini sangat penting untuk dipahami karena menjadi salah satu konsep dasar dalam ilmu kelistrikan.Beberapa atom dapat kehilangan elektron, sementara yang lain dapat menangkap elektron tambahan. Dengan demikian, elektron dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya.
Ketika perpindahan ini terjadi, keseimbangan antara muatan negatif dan positif tidak lagi ada. Salah satu benda akan memiliki kelebihan elektron dan menjadi bermuatan negatif, sedangkan benda lainnya akan kekurangan elektron dan menjadi bermuatan positif.Benda-benda yang bisa mengandung miliaran atom ini tetap mengikuti hukum elektrostatik yang sama seperti interaksi antara elektron dan proton.
Elektron yang dapat bergerak bebas di dalam suatu benda disebut sebagai elektron bebas, yang akan dibahas lebih detail pada bagian berikutnya. Semakin banyak elektron bebas yang dimiliki suatu benda, semakin besar pula muatan listrik negatifnya. Dengan kata lain, besarnya muatan listrik dapat digunakan sebagai ukuran jumlah elektron dalam suatu benda.
Medan Elektrostatik
Terdapat gaya khusus yang bekerja di antara benda-benda bermuatan seperti yang telah dibahas sebelumnya. Gaya ini muncul akibat adanya medan elektrostatik, yaitu medan yang terbentuk di sekitar setiap partikel atau benda yang bermuatan.
Medan elektrostatik ini, beserta gaya yang ditimbulkannya, dapat digambarkan menggunakan garis-garis khusus yang disebut “garis gaya” seperti yang terlihat pada Gambar 4.
Interaksi Antar Medan Listrik
Benda-benda bermuatan dapat saling tarik-menarik atau tolak-menolak karena cara medan-medan listrik mereka berinteraksi.
Gaya ini selalu ada pada setiap benda yang memiliki muatan. Ketika dua benda dengan muatan berlawanan didekatkan, medan elektrostatiknya akan terkonsentrasi di area di antara kedua benda tersebut, seperti terlihat pada Gambar 5.
Arah panah kecil pada gambar menunjukkan arah gaya yang akan bekerja pada elektron jika dilepaskan ke dalam medan listrik tersebut.
Tolak-Menolak pada Muatan Sejenis
Ketika dua benda dengan muatan sejenis didekatkan, garis-garis gaya dari medan elektrostatik akan saling tolak-menolak, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.
Fenomena ini menunjukkan bahwa medan listrik dari muatan yang sama tidak akan bergabung, melainkan menciptakan gaya yang mendorong kedua benda menjauh satu sama lain.
Kekuatan Gaya Tarik-Menarik atau Tolak-Menolak
Besar gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda bermuatan dipengaruhi oleh dua faktor utama:
- Jumlah muatan pada masing-masing benda
- Jarak antara kedua benda tersebut
Semakin besar muatan pada kedua benda, semakin kuat medan elektrostatiknya. Sebaliknya, semakin jauh jaraknya, medan elektrostatik menjadi semakin lemah.
Hukum ini dikenal sebagai Hukum Coulomb, yang menyatakan bahwa:
[ F = k_e \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2} ]F = gaya elektrostatik (Newton)
ke​ = konstanta Coulomb (8.99×109 N⋅m2/C28.99 \times 10^9 \, \mathrm{N \cdot m^2 / C^2}8.99×109N⋅m2/C2)
,q_1, q_2,= besar muatan pada masing-masing benda (Coulomb)
r = jarak antara kedua benda (meter
BEDA POTENSIAL
Beda potensial adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan seberapa besar gaya elektrostatik antara dua benda bermuatan. Jika sebuah benda bermuatan ditempatkan di antara dua benda yang memiliki perbedaan potensial, benda tersebut akan berusaha bergerak ke arah tertentu sesuai dengan polaritas muatannya.
Misalnya, jika sebuah elektron ditempatkan di antara benda yang bermuatan negatif dan benda yang bermuatan positif, maka perbedaan potensial akan mendorong elektron bergerak menuju benda yang bermuatan positif. Hal ini karena elektron, yang memiliki muatan negatif, akan ditolak oleh benda bermuatan negatif dan ditarik oleh benda bermuatan positif (lihat Gambar 7).
Karena adanya gaya dari medan elektrostatiknya, muatan listrik memiliki kemampuan untuk melakukan kerja dengan cara menggerakkan partikel bermuatan lain melalui gaya tarik-menarik atau tolak-menolak. Kemampuan untuk melakukan kerja inilah yang disebut sebagai “potensial”.
Oleh karena itu, jika terdapat perbedaan muatan antara satu partikel dengan partikel lainnya, maka terdapat perbedaan potensial di antara keduanya. Jumlah total dari semua perbedaan potensial partikel bermuatan dalam suatu medan elektrostatik disebut sebagai gaya gerak listrik (Electromotive Force / EMF).
Satuan dasar untuk mengukur perbedaan potensial adalah “volt”. Simbol yang digunakan untuk menyatakan perbedaan potensial adalah “V”, yang menunjukkan kemampuan untuk melakukan kerja dalam menggerakkan elektron. Karena satuan yang digunakan adalah volt, maka perbedaan potensial ini juga sering disebut sebagai “tegangan” (voltage). Pembahasan mengenai satuan volt akan dijelaskan lebih rinci pada bab berikutnya.
Elektron bebas
Elektron bergerak sangat cepat mengelilingi inti atom. Di satu sisi, gaya elektrostatik berusaha menarik elektron mendekat ke inti, sementara gerakan elektron cenderung menjauhkannya. Keseimbangan antara dua gaya ini membuat elektron tetap berada pada orbitnya.
Setiap elektron berada pada tingkat energi yang berbeda-beda. Tingkat energi ini sebanding dengan jaraknya dari inti atom—semakin jauh dari inti, semakin tinggi tingkat energinya. Elektron-elektron tersebut tersusun dalam lintasan atau kulit (shell) yang mengelilingi inti secara berlapis-lapis.
Kulit-kulit ini diberi nama berdasarkan huruf, dimulai dari yang paling dekat dengan inti, yaitu: K, L, M, N, O, P, dan Q. Masing-masing kulit hanya dapat menampung jumlah elektron maksimum tertentu. Sebagai contoh, kulit K hanya dapat menampung dua elektron, sedangkan kulit L dapat menampung hingga delapan elektron. Setiap atom memiliki jumlah elektron yang sesuai dengan kulitnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.
Terdapat dua aturan sederhana mengenai kulit elektron yang memungkinkan kita memprediksi distribusi elektron pada setiap unsur:
- Jumlah maksimum elektron yang dapat menempati kulit terluar dari sebuah atom adalah delapan.
- Jumlah maksimum elektron yang dapat menempati kulit kedua dari luar adalah delapan belas.
Hal penting yang perlu diingat adalah bahwa ketika kulit terluar suatu atom berisi delapan elektron, atom tersebut menjadi sangat stabil atau sulit mengalami perubahan struktur. Sebaliknya, atom yang hanya memiliki satu atau dua elektron pada kulit terluarnya cenderung lebih mudah melepaskan elektron dibandingkan atom dengan kulit penuh.
Elektron yang berada di kulit terluar disebut elektron valensi. Ketika energi eksternal seperti panas, cahaya, atau energi listrik diberikan pada material tertentu, elektron-elektron ini dapat menyerap energi, menjadi tereksitasi, dan berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Jika energi yang diberikan cukup besar, sebagian elektron valensi dapat terlepas dari atom dan menjadi elektron bebas.
Pergerakan elektron bebas inilah yang menghasilkan arus listrik pada konduktor logam. Atom yang kehilangan atau mendapatkan satu atau lebih elektron disebut mengalami ionisasi. Jika atom kehilangan elektron, ia menjadi bermuatan positif dan disebut ion positif. Sebaliknya, jika atom mendapatkan elektron, ia menjadi bermuatan negatif dan disebut ion negatif.
Ringkasan – Gaya di Sekitar Atom
- Gaya Elektrostatik (Electrostatic Force)
Gaya yang menjaga elektron tetap mengorbit di sekitar inti atom. - Medan Elektrostatik (Electrostatic Field)
Gaya yang bekerja antara benda bermuatan sehingga dapat saling tarik-menarik atau tolak-menolak. - Beda Potensial (Potential Difference)
Ukuran besarnya gaya elektrostatik antara dua benda bermuatan. Menurut Hukum Coulomb, gaya tarik atau tolak ini berbanding lurus dengan hasil kali muatan kedua benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. - Gaya Gerak Listrik (Electromotive Force / EMF)
Jumlah dari semua beda potensial pada partikel-partikel bermuatan di dalam medan elektrostatik. - Muatan Ion (Ion Charge)
Ditentukan oleh kehilangan atau penambahan elektron bebas.- Jika atom mendapatkan elektron, ia menjadi bermuatan negatif (ion negatif).
- Jika atom kehilangan elektron, ia menjadi bermuatan positif (ion positif).
Sumber :
1. Indonesia Maintenance Club
2.DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK ELECTRICAL SCIENCE Volume 1 of 4
3.An Introduction to Electrical Science By Adrian Way.good