Listrik merupakan salah satu kebutuhan pokok manusia di era modern ini. Tanpa listrik, aktivitas pasti akan terganggu. Di balik manfaat listrik yang begitu besar, tahukah Anda bahwa ada partikel bermuatan yang menyebabkan adanya listrik?
Ya, partikel itu disebut sebagai muatan listrik. Dalam sebuah penghantar, akan terjadi pergerakan muatan listrik. Nah, pergerakan muatan listrik ini akan menghasilkan arus listrik yang kuat yang bisa kamu gunakan untuk mengisi daya handphone, menyalakan lampu, menyalakan AC, dan masih banyak lagi lainnya.
Lalu, apa yang dimaksud dengan muatan listrik? Daripada penasaran, yuk simak selengkapnya!
Pengertian Muatan Listrik
Muatan listrik adalah muatan dasar yang terkandung dalam atom. Seperti yang Anda ketahui, dalam sebuah atom terdapat dua partikel bermuatan atau muatan listrik, yaitu elektron dan proton. Interaksi antara muatan akan menghasilkan gaya yang disebut gaya elektrostatik.
Mekanisme interaksinya sama dengan interaksi magnetik, yaitu jika muatan yang sejenis didekatkan maka akan terjadi gaya tolak menolak, jika muatan yang berbeda didekatkan akan terjadi gaya tarik menarik.
Besarnya gaya tolak atau tarik sebanding dengan perkalian kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.
Jenis Muatan Listrik
Pada pembahasan di atas telah dijelaskan bahwa muatan listrik terdiri dari dua macam yaitu elektron dan proton. Lalu, apa perbedaan keduanya?
Elektron
Elektron bermuatan negatif dengan nilai muatan 1,6 × 10-19 C. Di dalam atom, elektron selalu berputar mengelilingi inti atom dengan lintasan dan energi tertentu.
Elektron ditemukan pada tahun 1897 oleh seorang ilmuwan Inggris, yaitu JJ Thompson. Muatan listrik negatif ini diyakini sebagai partikel elementer karena tidak memiliki substruktur atau komponen dasar lainnya.
Proton
Proton adalah muatan listrik positif yang memiliki nilai muatan yang sama dengan elektron. Ide awal tentang proton ditemukan oleh Eugene Goldstein. Namun, ciri dan keberadaan elektron yang jelas baru ditemukan oleh seorang ilmuwan dari Selandia Baru, yaitu Ernest Rutherford.
Dalam penelitiannya, Rutherford menyimpulkan bahwa proton terkonsentrasi pada inti atom. Menurut Rutherford, jumlah proton dalam inti atom sama dengan jumlah elektron yang mengelilinginya. Sifat proton adalah memiliki massa 1.800 kali lebih besar dari massa elektron dan rentan terhadap peluruhan.
Selain kedua muatan di atas, ada lagi partikel atom yang tidak bermuatan, yaitu neutron. Neutron terletak di inti atom bersama dengan proton. Partikel-partikel ini ditemukan oleh James Chadwick pada tahun 1932.
Dalam penelitiannya, Chadwick mengamati bahwa ada radiasi berilium yang tidak biasa ketika dia ditembak dengan partikel alfa. Oleh karena itu, Chadwick menyimpulkan bahwa radiasi yang tidak biasa ini disebabkan oleh partikel yang tidak bermuatan, sehingga dinamakan sebagai neutron yang berarti netral.
Muatan Listrik dalam Atom
Atom adalah materi terkecil yang tidak dapat dibagi menjadi materi lain dengan reaksi kimia biasa. Struktur atomnya menyerupai tata surya kita, yaitu di tengahnya terdapat inti atom yang terdiri dari proton dan neutron.
Sedangkan di bagian luar inti terdapat elektron yang terus berputar mengelilingi inti. Berdasarkan keadaan elektronnya, atom dibedakan menjadi tiga, yaitu sebagai berikut.
Atom netral
Atom netral adalah atom yang bermuatan listrik positif (proton) sama dengan muatan listrik negatif (elektron). Misalnya Na (natrium), Cu (tembaga), Ca (kalsium), dan sebagainya.
Atom Negatif
Atom negatif adalah atom yang memiliki lebih banyak elektron daripada proton. Lalu, bagaimana agar jumlah elektronnya bisa lebih banyak? Ada kecenderungan atom tertentu untuk mendapatkan elektron dari atom lain ketika terjadi ikatan kimia. Nah, elektron yang ditangkap menghasilkan atom bermuatan negatif. Contoh atom Cl dapat menjadi Cl- karena menangkap elektron di kulit terluarnya.
Atom Positif
Atom positif adalah atom yang memiliki lebih banyak proton daripada elektron. Atom tertentu memiliki kecenderungan untuk kehilangan elektron di kulit terluarnya. Akibatnya, jumlah proton menjadi lebih banyak daripada elektron. Misalnya, atom Mg menjadi Mg2+ karena kehilangan 2 elektron di kulit terluarnya.
Rumus Muatan Listrik
Ketika sebuah penghantar diberi tegangan atau beda potensial pada kedua ujungnya, maka elektron atau muatan yang ada di dalamnya akan bergerak. Pergerakan muatan listrik ini disebut arus listrik kuat. Arus listrik yang dihasilkan sebanding dengan nilai muatan listrik per satuan waktu. Secara matematis, rumus muatan listrik dinyatakan sebagai berikut.
Deskripsi Rumus
Q = muatan listrik (C)
I = kuat arus listrik (A)
t = waktu (s)
Untuk lebih jelasnya, lihat contoh berikut.
Arus yang mengalir dalam sebuah kumparan adalah 1,5 A. Tentukan muatan yang mengalir selama 3 detik!
Dikenal
I = 1,5 A
t = 3 detik
Ditanya : Q = …. ?
Menjawab
Anda dapat menentukan muatan listrik yang mengalir dalam kumparan dengan rumus:
Q = lt = (1,5)(3) = 4,5 C
Jadi, muatan listrik yang mengalir pada kumparan tersebut adalah 4,5 C.
Interaksi Muatan Listrik
Interaksi antara muatan listrik akan menghasilkan gaya yang disebut gaya listrik atau lebih dikenal dengan gaya Coulomb. Gaya Coulomb ini dapat berupa gaya tarik atau gaya tolak seperti yang telah dibahas sebelumnya. Secara matematis, gaya interaksi antar muatan listrik dirumuskan sebagai berikut.
Formula Interaksi Muatan Listrik
Deskripsi Rumus
F = Gaya Coulomb atau gaya listrik (N)
k = konstanta Coulomb yang nilainya 9 × 109 Nm2/C2
Q1 = muatan listrik pertama (C)
Q2 = muatan listrik ke-2 (C)
r = jarak antara dua muatan
Contoh Soal Muatan Listrik
Agar Anda lebih memahami materi kali ini, mari kita lihat contoh soal di bawah ini.
Contoh Soal Pertama
Dua muatan masing-masing 6 µC dipisahkan sejauh 30 cm. Berapakah besarnya gaya tolak menolak antara kedua muatan tersebut?
Dikenal
Q1 = Q2 = 6µC = 6 × 10-6 C
k = 9 x 109 Nm2/C2
r = 30 cm = 0,3 m
diminta: F=…?
Menjawab
Besarnya gaya tolak menolak antara kedua muatan dirumuskan sebagai berikut
Jadi, besarnya gaya tolak menolak antara kedua muatan tersebut adalah 3,6 N
Contoh Soal Dua
Muatan A dan muatan B masing-masing adalah 3 µC dan 4 µC. Keduanya berjarak 10 cm. Jika pemisahan dibuat 25 cm, tentukan rasio gaya Coulomb awal dan akhir!
Diskusi
Q1 = 3µC = 3 × 10-6 C
Q2 = 4µC = 4 × 10-6 C
k = 9 x 109 Nm2/C2
R1 = 10 cm
R2 = 25 cm
Ditanya: F1 : F2 =…?
Menjawab
Anda dapat menentukan perbandingan gaya Coulomb awal dan akhir dengan rumus berikut.
Jadi, perbandingan gaya Coulomb awal dan akhir kedua muatan adalah 25 : 4.
Itulah pembahasan Quipper Blog kali ini. Semoga bermanfaat, ya. Untuk mendapatkan materi lengkapnya, buruan gabung dengan Quipper Video. Salam Quippers!
