Listrik Statis

Ditemukan berabad-abad yang lalu bahwa jenis bahan tertentu secara misterius akan menarik satu sama lain setelah digosok bersama. Misalnya, setelah menggosokkan sepotong sutra ke kaca, sutra dan kaca akan cenderung saling menempel. Memang, ada gaya tarik menarik yang dapat ditunjukkan bahkan ketika kedua bahan tersebut dipisahkan:

Kaca dan sutra bukan satu-satunya bahan yang diketahui berperilaku seperti ini. Siapa pun yang pernah menyentuh balon lateks hanya untuk menemukan bahwa balon itu mencoba menempelkannya telah mengalami fenomena yang sama. Lilin parafin dan kain wol adalah sepasang bahan lain yang diakui oleh para peneliti awal sebagai gaya tarik menarik setelah digosok bersama:

Fenomena ini semakin menarik ketika diketahui bahwa bahan yang identik, setelah digosok dengan kainnya masing-masing, selalu saling tolak menolak:

Juga dicatat bahwa ketika sepotong kaca yang digosok dengan sutra terkena sepotong lilin yang digosok dengan wol, kedua bahan tersebut akan saling tarik menarik:

Lebih lanjut, ditemukan bahwa setiap bahan yang menunjukkan sifat tarik-menarik atau tolak menolak setelah digosok dapat diklasifikasikan ke dalam salah satu dari dua kategori yang berbeda:tertarik pada kaca dan ditolak oleh lilin, atau ditolak oleh kaca dan tertarik pada lilin. Itu salah satu atau yang lain:tidak ada bahan yang ditemukan yang akan tertarik atau ditolak oleh kaca dan lilin, atau yang bereaksi satu tanpa bereaksi terhadap yang lain.

Perhatian lebih diarahkan pada potongan kain yang digunakan untuk menggosok. Ditemukan bahwa setelah menggosok dua potong kaca dengan dua potong kain sutra, tidak hanya potongan kaca yang saling tolak tetapi juga kainnya. Fenomena yang sama terjadi pada potongan wol yang digunakan untuk menggosok lilin:

Sekarang, ini benar-benar aneh untuk disaksikan. Lagi pula, tidak satu pun dari benda-benda ini yang tampak berubah karena gesekan, namun mereka pasti berperilaku berbeda dari sebelum mereka digosok. Perubahan apa pun yang terjadi untuk membuat bahan-bahan ini menarik atau menolak satu sama lain tidak terlihat.

Beberapa peneliti berspekulasi bahwa "cairan" yang tidak terlihat sedang dipindahkan dari satu objek ke objek lain selama proses penggosokan dan bahwa "cairan" ini mampu mempengaruhi kekuatan fisik dari jarak jauh. Charles Dufay adalah salah satu peneliti awal yang mendemonstrasikan bahwa pasti ada dua jenis perubahan yang berbeda yang dilakukan dengan menggosokkan pasangan benda tertentu bersama-sama. Fakta bahwa ada lebih dari satu jenis perubahan yang dimanifestasikan dalam bahan-bahan ini terbukti dari fakta bahwa ada dua jenis gaya yang dihasilkan:tarik dan penolakan . Transfer cairan hipotetis dikenal sebagai muatan .

Seorang peneliti perintis, Benjamin Franklin, sampai pada kesimpulan bahwa hanya ada satu cairan yang dipertukarkan antara benda yang digosok, dan bahwa dua "muatan" yang berbeda tidak lebih dari kelebihan atau kekurangan dari satu cairan itu. Setelah bereksperimen dengan lilin dan wol, Franklin menyarankan agar wol kasar menghilangkan sebagian cairan tak kasat mata ini dari lilin halus, menyebabkan kelebihan cairan pada wol dan kekurangan cairan pada lilin. Perbedaan yang dihasilkan dalam kandungan cairan antara wol dan lilin kemudian akan menyebabkan gaya tarik menarik, karena cairan mencoba untuk mendapatkan kembali keseimbangan sebelumnya antara kedua bahan.

Mendalilkan keberadaan "cairan" tunggal yang diperoleh atau hilang melalui penggosokan paling baik untuk perilaku yang diamati:bahwa semua bahan ini jatuh dengan rapi ke dalam salah satu dari dua kategori ketika digosok, dan yang paling penting, bahwa dua bahan aktif bergesekan satu sama lain. lainnya selalu jatuh ke dalam kategori yang berlawanan sebagaimana dibuktikan oleh ketertarikan mereka yang tidak berubah-ubah satu sama lain. Dengan kata lain, tidak pernah ada waktu di mana dua bahan saling bergesekan keduanya menjadi positif atau negatif.

Mengikuti spekulasi Franklin tentang wol yang menggosok sesuatu dari lilin, jenis muatan yang dikaitkan dengan lilin yang digosok dikenal sebagai "negatif" (karena dianggap kekurangan cairan) sedangkan jenis muatan yang terkait dengan gesekan wol menjadi dikenal sebagai "positif" (karena seharusnya memiliki kelebihan cairan). Sedikit yang dia tahu bahwa dugaannya yang tidak bersalah akan menyebabkan banyak kebingungan bagi siswa listrik di masa depan!

Pengukuran yang tepat dari muatan listrik dilakukan oleh fisikawan Prancis Charles Coulomb pada tahun 1780-an menggunakan alat yang disebut keseimbangan torsi mengukur gaya yang dihasilkan antara dua benda bermuatan listrik. Hasil kerja Coulomb mengarah pada pengembangan satuan muatan listrik yang dinamai untuk menghormatinya, coulomb . Jika dua benda "titik" (benda hipotetis yang tidak memiliki luas permukaan yang cukup besar) diberi muatan yang sama hingga berukuran 1 coulomb, dan ditempatkan terpisah 1 meter (sekitar 1 yard), mereka akan menghasilkan gaya sekitar 9 miliar newton (sekitar 2 miliar pound), baik menarik atau menolak tergantung pada jenis muatan yang terlibat. Definisi operasional coulomb sebagai satuan muatan listrik (dalam hal gaya yang dihasilkan antara muatan titik) ditemukan sama dengan kelebihan atau kekurangan sekitar 6.250.000.000.000.000 elektron. Atau, dinyatakan dalam istilah terbalik, satu elektron memiliki muatan sekitar 0,000000000000000000016 coulomb. Karena satu elektron adalah pembawa muatan listrik terkecil yang diketahui, angka muatan terakhir untuk elektron ini didefinisikan sebagai muatan dasar .

Belakangan diketahui bahwa "cairan" ini sebenarnya terdiri dari materi yang sangat kecil yang disebut elektron , dinamakan demikian untuk menghormati kata Yunani kuno untuk amber:bahan lain yang menunjukkan sifat bermuatan ketika digosok dengan kain.

Komposisi Atom

Eksperimen telah mengungkapkan bahwa semua objek terdiri dari "blok bangunan" yang sangat kecil yang dikenal sebagai atom dan atom-atom ini pada gilirannya terdiri dari komponen yang lebih kecil yang dikenal sebagai partikel . Tiga partikel dasar yang menyusun sebagian besar atom disebut proton , neutron dan elektron . Sementara sebagian besar atom memiliki kombinasi proton, neutron, dan elektron, tidak semua atom memiliki neutron; contohnya adalah isotop protium (1H1) hidrogen (Hidrogen-1) yang merupakan bentuk hidrogen paling ringan dan paling umum yang hanya memiliki satu proton dan satu elektron. Atom terlalu kecil untuk dilihat, tetapi jika kita bisa melihatnya, mungkin akan terlihat seperti ini:

Meskipun setiap atom dalam sepotong material cenderung bersatu sebagai satu kesatuan, sebenarnya ada banyak ruang kosong antara elektron dan gugus proton dan neutron yang berada di tengah.

Model kasar ini adalah model elemen karbon, dengan enam proton, enam neutron, dan enam elektron. Dalam atom mana pun, proton dan neutron terikat sangat erat, yang merupakan kualitas penting. Gumpalan proton dan neutron yang terikat erat di pusat atom disebut nukleus , dan jumlah proton dalam inti atom menentukan identitas unsurnya:ubah jumlah proton dalam inti atom, dan Anda mengubah jenis atomnya. Faktanya, jika Anda dapat menghilangkan tiga proton dari inti atom timbal, Anda akan mencapai impian para alkemis lama untuk menghasilkan atom emas! Ikatan ketat proton dalam inti bertanggung jawab atas identitas unsur kimia yang stabil, dan kegagalan para alkemis untuk mencapai impian mereka.

Neutron jauh kurang berpengaruh pada karakter kimia dan identitas atom daripada proton, meskipun mereka sama sulitnya untuk ditambahkan atau dihilangkan dari nukleus, karena terikat sangat erat. Jika neutron ditambahkan atau diperoleh, atom akan tetap mempertahankan identitas kimia yang sama, tetapi massanya akan sedikit berubah dan mungkin memperoleh nuklir yang aneh properti seperti radioaktivitas.

Namun, elektron memiliki kebebasan yang jauh lebih besar untuk bergerak di dalam atom daripada proton atau neutron. Faktanya, mereka dapat tersingkir dari posisinya masing-masing (bahkan meninggalkan atom sepenuhnya!) dengan energi yang jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan untuk mengeluarkan partikel di dalam nukleus. Jika ini terjadi, atom masih mempertahankan identitas kimianya, tetapi terjadi ketidakseimbangan penting. Elektron dan proton unik karena mereka tertarik satu sama lain dalam jarak tertentu. Gaya tarik-menarik jarak inilah yang menyebabkan gaya tarik-menarik antara benda yang digosok, di mana elektron dipindahkan dari atom aslinya untuk berada di sekitar atom benda lain.

Elektron cenderung menolak elektron lain pada jarak tertentu, seperti halnya proton dengan proton lainnya. Satu-satunya alasan proton mengikat bersama dalam inti atom adalah karena gaya yang jauh lebih kuat yang disebut gaya nuklir kuat yang memiliki efek hanya di bawah jarak yang sangat pendek. Karena perilaku tarik-menarik/menolak antara partikel individu, elektron dan proton dikatakan memiliki muatan listrik yang berlawanan. Artinya, setiap elektron memiliki muatan negatif, dan setiap proton bermuatan positif. Dalam jumlah yang sama dalam sebuah atom, mereka saling menetralkan keberadaan satu sama lain sehingga muatan bersih dalam atom adalah nol. Inilah sebabnya mengapa gambar atom karbon memiliki enam elektron:untuk menyeimbangkan muatan listrik enam proton dalam nukleus. Jika elektron pergi atau elektron tambahan tiba, muatan listrik bersih atom akan menjadi tidak seimbang, meninggalkan atom "bermuatan" secara keseluruhan, menyebabkannya berinteraksi dengan partikel bermuatan dan atom bermuatan lain di dekatnya. Neutron tidak tertarik atau ditolak oleh elektron, proton, atau bahkan neutron lain dan karenanya dikategorikan tidak bermuatan sama sekali.

Proses elektron datang atau pergi adalah persis apa yang terjadi ketika kombinasi bahan tertentu digosok bersama:elektron dari atom satu bahan dipaksa oleh gesekan untuk meninggalkan atom masing-masing dan berpindah ke atom bahan lain. Dengan kata lain, elektron terdiri dari "cairan" yang dihipotesiskan oleh Benjamin Franklin.

Apa itu Listrik Statis?

Hasil dari ketidakseimbangan "cairan" (elektron) antar benda ini disebut listrik statis . Disebut “statis” karena elektron yang dipindahkan cenderung tetap diam setelah dipindahkan dari satu bahan isolasi ke bahan isolasi lainnya. Dalam kasus lilin dan wol, ditentukan melalui eksperimen lebih lanjut bahwa elektron di wol benar-benar ditransfer ke atom dalam lilin, yang persis kebalikan dari dugaan Franklin! Untuk menghormati penunjukan Franklin tentang muatan lilin sebagai "negatif" dan muatan wol menjadi "positif", elektron dikatakan memiliki pengaruh pengisian "negatif". Jadi, sebuah objek yang atomnya telah menerima kelebihan elektron dikatakan negatif bermuatan, sedangkan benda yang atomnya kekurangan elektron dikatakan positif dibebankan, sama membingungkannya dengan sebutan ini. Pada saat sifat sebenarnya dari "cairan" listrik ditemukan, nomenklatur muatan listrik Franklin terlalu mapan untuk dapat dengan mudah diubah, dan tetap demikian sampai hari ini.

Michael Faraday membuktikan (1832) bahwa listrik statis sama dengan yang dihasilkan oleh baterai atau generator. Listrik statis, sebagian besar, merupakan gangguan. Bubuk hitam dan bubuk tanpa asap memiliki grafit ditambahkan untuk mencegah pengapian karena listrik statis. Ini menyebabkan kerusakan pada sirkuit semikonduktor yang sensitif. Meskipun dimungkinkan untuk memproduksi motor yang ditenagai oleh tegangan tinggi dan karakteristik arus rendah dari listrik statis, ini tidak ekonomis. Beberapa aplikasi praktis listrik statis termasuk pencetakan xerografi, filter udara elektrostatik, dan generator Van de Graaff tegangan tinggi.

TINJAUAN:

• Semua bahan terdiri dari "blok bangunan" kecil yang dikenal sebagai atom .
• Semua atom yang terbentuk secara alami mengandung partikel yang disebut elektron , proton , dan neutron , dengan pengecualian isotop protium (₁ H ¹ ) hidrogen.
• Elektron bermuatan listrik negatif (-).
• Proton bermuatan listrik positif (+).
• Neutron tidak bermuatan listrik.
• Elektron dapat terlepas dari atom jauh lebih mudah daripada proton atau neutron.
• Jumlah proton dalam inti atom menentukan identitasnya sebagai elemen unik.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Listrik Statis
• Lembar Kerja Struktur Atom