Pengertian Muatan Listrik, Arus Listrik, Medan Listrik dan Potensial Listrik
Listrik adalah rangkaian fenomena fisika yang berhubungan dengan kehadiran dan aliran muatan listrik. Listrik menimbulkan berbagai macam efek yang telah umum diketahui, seperti petir, listrik statis, induksi elektromagnetik dan arus listrik. Adanya listrik juga bisa menimbulkan dan menerima radiasi elektromagnetik seperti gelombang radio.
Muatan Listrik
Adanya muatan akan menghasilkan gaya elektrostatis: muatan memberikan gaya pada muatan lainnya, sebuah efek yang diketahui sejak zaman kuno. Sebuah bola ringan yang digantung dari senar dapat diberi muatan dengan menyentuhkannya dengan pengaduk kaca yang telah dimuati dengan menggosokkannya pada kain. Jika ada bola yang sama dimuati dengan pengaduk kaca yang sama, maka akan menolak bola pertama: muatan bekerja pada kedua bola. Dua bola yang dimuati dengan batang amber yang digosok juga menolak satu sama lain. Namun, jika satu bola dimuati oleh pengaduk kaca, dan lainnya dengan batang amber, kedua bola ini akan tarik menarik. Fenomena ini kemudian diinvestigasi di akhir abad ke-18 oleh Charles-Augustin de Coulomb. Penemuan ini kemudian memunculkan aksiom yang terkenal: muatan sejenis akan tolak-menolak dan muatan berlawanan jenis akan tarik-menarik.
Gaya yang bekerja pada partikel akan memberi muatan pada partikel itu sendiri, maka muatan akan memiliki kecenderungan untuk tersebar berlipat ganda pada permukaan berkonduksi. Besarnya gaya elektromagnetik, entah tarik-menarik atau tolak-menolak, dituliskan dalam Hukum Coulomb, yang menghubungkan gaya dengan hasil kali muatan dan memiliki hubungan kuadrat terbalik dengan jarak antar keduanya. Gaya elektromagnetik sangat kuat, hanya berada di belakang gaya nuklir kuat, namun ia bergerak ke semua arah. Sebagai perbandingan dengan gaya gravitasi yang jauh lebih lemah, gaya elektromagnetik akan mendorong kedua elektron terpisah 1042 kali daripada gaya tarik-menarik gravitasi yang saling menarik mereka.
Studi telah menunjukkan bahwa sumber muatan adalah dari tipe partikel subatomik tertentu yang memiliki sifat muatan listrik. Muatan listrik menimbulkan dan berinteraksi dengan gaya elektromagnetik, satu dari empat interaksi dasar di alam. Pembawa paling umum dari muatan listrik adalah elektron dan proton. Penelitian menunjukkan bahwa muatan adalah kekekalan kuantitas, artinya muatan bersih antara sebuah sistem terisolasi akan selalu konstan tanpa memperhatikan perubahan yang terjadi pada sistem tersebut.Dalam sistem, muatan dapat berpindah antar tubuh, entah melalui kontak langsung atau dilewatkan material berkonduksi seperti kawat. Sebutan listrik statis merujuk pada adanya muatan bersih pada suatu benda, biasanya disebabkan oleh kedua material berbeda yang digosok bersamaan, menyebabkan perpindahan muatan dari satu benda ke benda lainnya.
Muatan pada elektron dan proton berlainan tanda, maka jumlah muatan dapat diekspresikan negatif atau positif. Dengan konvensi, muatan yang dibawa elektron ditulis negatif, dan proton positif, sebuah kesepakatan yang berasal dari kerja Benjamin Franklin. Jumlah muatan biasanya diberi simbol Q dan satuannya coulomb, tiap elektron membawa muatan yang sama kira-kira −1.6022 × 10−19 coulomb. Jika proton memiliki muatan yang sama dan berlainan, maka muatannya +1.6022 × 10−19 coulomb. Muatan tidak hanya dimiliki oleh materi, namun juga antimateri, tiap antipartikel memiliki hubungan muatan yang sama dan berlawanan dengan partikel lainnya.
Muatan dapat diukur dengan beberapa cara, salah satu instrumen awal adalah elektroskop berdaun-emas, yang saat ini masih digunakan untuk demonstrasi di kelas, telah digantikan oleh elektrometer elektronik.
Arus Listrik
Perpindahan muatan listrik dikenal dengan nama arus listrik, besarnya diukur dalam ampere. Arus dapat terdiri dari partikel bermuatan apapun yang berpindah; biasanya adalah elektron, namun muatan apapun yang berpindah menghasilkan arus.
Menurut konvensi lama, arus positif didefinisikan sebagai yang memiliki arah yang sama dari aliran muatan positif yang dikandungnya, atau aliran dari bagian paling positif dari sirkuit ke bagian paling negatif. Saat ini disebut dengan arus konvensional. Gerakan elektron bermuatan negatif di sekitar sirkuit listrik, maka dianggap positif pada arah "berlawanan" dari elektron tersebut. Meski begitu, tergantung kondisinya, arus listrik dapat terdiri dari aliran partikel bermuatan dari salah satu arah, atau bahkan bersamaan dari kedua arah. Konvensi positif ke negatif digunakan luas untuk menyederhanakan kondisi ini.
Proses ketika arus listrik melewati material disebut konduksi listrik, dan sifatnya bervariasi tergantung dari partikel bermuatan dan material yang mereka lewati. Contoh arus listrik misalnya konduksi logam, di mana elektron mengalir melalui konduktor listrik seperti logam, dan elektrolisis, di mana ion (atom bermuatan) mengalir melalui cairan atau plasma. Ketika partikel itu sendiri dapat berpindah agak lambat, medan listrik yang menggerakkan mereka dapat memperbanyak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, memungkinkan signal lsitrik untuk lewat dengan cepat pada kawat.
Arus akan menyebabkan beberapa pengaruh. Air bisa terdekomposisi melalui arus dari tumpukan volta, ditemukan oleh Nicholson dan Carlisle tahun 1800, proses ini sekarang dikenal dengan elektrolisis. Hasil karya mereka kemudia dikembangkan Michael Faraday tahun 1833. Arus yang melalui resistansi listrik akan menyebabkan panas, efek yang dipelajari matematis oleh James Prescott Joule tahun 1840. Salah satu penemuan terpenting dalam ilmu tentang arus oleh Hans Christian Ørsted tahun 1820, ketika ia menyaksikan arus dalam kawat menganggu kerja jarum kompas magnet. Ia menemukan elektromagnetisme, interaksi dasar antara listrik dan magnet. Tingkat keluaran elektromagnetik yang dihasilkan api listrik cukup tinggi untuk menghasilkan gangguan elektromagnet yang bisa menganggu kerja alat.
Pada teknik atau aplikasi rumah tangga, arus seringkali dijelaskan dalam arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC). Sebutan ini merujuk pada bagaimana arus bervariasi terhadap waktu. Arus searah, diproduksi sebagai contoh dari baterai dan diperlukan oleh hampir seluruh peralatan elektronik, adalah aliran dari bagian positif sirkuit ke bagian negatif. Aliran ini biasanya dibawa oleh elektron, mereka akan berpindah melalui arah berlawanan. Arus bolak-balik adalah arus yang berbalik arah berulang-ulang; hampir selalu membentuk gelombang sinus. Arus bolak-balik akan bergetar bolak-balik dalam konduktor tanpa tanpa muatan berpindah tiap jarak seiring waktu. Nilai waktu rata-rata arus bolak balik adalah nol, namun energi akan dikeluarkan pada satu arah, kemudian kebalikannya. Arus bolak-balik dipengaruhi oleh sifat-sifat listrik yang tidak dapat dilihat pada arus searah keadaan tunak, seperti induktansi dan kapasitansi. Sifat-sifat ini menjadi penting ketika rangkaian ditujukan pada respon transien, seperti ketika pertama kali diberi energi.
Medan Listrik
Konsep medan listrik pertama kali diperkenalkan oleh Michael Faraday. Medan listrik tercipta dari benda bermuatan di ruang yang mengelilinginya, dan menghasilkan gaya yang diberikan pada muatan manapun yang berada pada cakupan medan tersebut. Medan listrik bekerja di antara 2 muatan dengan perilaku yang serupa dengan medan gravitasi bekerja di antara 2 massa, dan akan berbanding kuadrat terbalik dengan jarak. Namun, ada perbedaan di antara keduanya. Gravitasi selalu bekerja tarik menarik, menarik kedua massa bersama, sedangkan medan listrik bisa menghasilkan tarikan atau tolakan. Ketika objek besar seperti planet umumnya tidak membawa muatan bersih, medan listrik pada jarak tertentu nilainya nol. Oleh karena itu gravitasi menjadi dominan di alam semesta, meskipun jauh lebih lemah.
Sebuah medan listrik umumnya beragam pada suatu ruang, dan kekuatannya pada satu titik didefiniskan sebagai gaya (per satuan muatan) yang mengenai muatan diam imajiner jika diletakkan pada titik tersebut. Konsep ini, dinamai 'muatan tes', haruslah sangat kecil untuk menghindari medan listriknya sendiri menganggu medan utama dan juga harus diam untuk menghindari efek medan magnet. Karena medan listrik didefiniskan dalam gaya, dan gaya adalah vektor, maka medan listrik juga vektor, memiliki besaran dan arah. Secara spesifik, medan listrik adalah medan vektor.
Studi mengenai medan listrik diciptakan oleh muatan diam yang disebut elektrostatis. Medan dapat divisualisasikan dengan set garis imajiner yang arahnya pada semua titik adalah sama dengan medan tersebut. Konsep ini pertama kali diperkenalkan Faraday, di mana kata 'garis gaya' terkadang masih digunakan. Garis medan adalah jalur-jalur titik tempat muatan positif akan terlihat seperti dipaksa untuk berpindah di dalam medan tersebut; namun ini hanyalah konsep imajiner tanpa keberadaan yang sesungguhnya. Medan menembus semua ruang di antara garis-garis tersebut. Garis gaya terpancar dari muatan diam memiliki beberapa sifat: pertama, mereka berawal dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif. Kedua, mereka harus masuk ke konduktor manapun pada sudut yang benar, ketiga, mereka tidak boleh memotong atau berdekatan antara satu sama lain.
Objek berkonduksi berongga membawa semua muatannya pada permukaan. Maka medan di dalam objek bernilai nol.Ini merupakan prinsip operasi sangkar Faraday, kerangka logam berkonduksi yang mengisolasi dalamnya dari efek listrik dari luar.
Prinsip elektrostatis sangat penting ketika mendesain peralatan dengan voltase tinggi. Ada batas medan listrik tertentu yang dapat ditahan oleh medium apapun. Diatas titik ini, akan terjadi kegagalan listrik dan percikan api dan terjadi flashover di antara bagian yang bermuatan. Udara, misalnya, cenderung akan muncul percikan di sepanjang celah kecil pada medan listrik diatas 30 kV per sentimeter. Jika celahnya diperbesar, maka kekuatan breakdown juga melemah, sekitar 1 kV per sentimeter. Paling mudah bisa dilihat pada kilat, terjadi ketika muatan menjadi terpisah di awan dengan naiknya kolom udara dan menaikkan medan listrik di udara hingga lebih besar dari yang bisa ditahan. Voltase dari awan kilat yang besar bisa mencapai 100 KV dan bisa mengeluarkan energi hingga 250 kWh.
Kekuatan medan sangat dipengaruhi oleh objek berkonduksi di dekatnya, terutama menjadi besar ketika dipaksa untuk melekuk disekitar titik objek. Asas ini kemudian dipelajari pada konduktor kilat, ujung tajam yang di mana mendorong kilat untuk terarah kesitu, dan bukan ke gedung yang dilindunginya.
Potensial Listrik
Konsep dari potensial listrik sangat berhubungan dekat dengan medan listrik. Sebuah muatan yang diletakkan dalam sebuah medan listrik akan mendapat gaya, dan akan membuat membuat muatan melawan gaya tersebut yang membutuhkan kerja. Potensial listrik pada tiap titik didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk membawa sebuah muatan dari jarak tak terbatas ke titik tersebut. Diukur dalam satuan volt yang berarti satu volt adalah potensial di mana harus dihasilkan kerja 1 joule untuk membawa muatan sebesar 1 coulomb dari jarak tak terhingga. Definisi potensial ini hanya sedikit memiliki kegunaan, dan konsep yang lebih sering dipakai adalah perbedaaan potensial listrik yaitu energi yang dibutuhkan untuk memindahkan sebuah muatan antara 2 titik tertentu. Sebuah medan listrik memiliki karakteristik khusus yaitu konservatif di mana jalur yang dilewati muatan tidak berhubungan: semua jalur antara 2 titik tertentu menghabiskan energi yang sama, maka nilai perbedaan potensial dapat ditentukan.
Pada praktiknya, biasanya didefinisikan titik referensi di mana potensial dapat dinyatakan dan dibandingkan. Karena harus ditentukan maka acuan yang paling umum digunakan adalah bumi itu sendiri, yang diasumsikan memiliki potensial yang sama di manapun. Titik acuan ini biasanya diambil dari bumi. Bumi diasumsikan memiliki jumlah muatan negatif dan positif yang sama banyak dan tak terbatas, maka tak dapat dialiri listrik.
Potensial listrik adalah besaran skalar yang berarti hanya memiliki nilai dan tidak memiliki arah. Dapat dianalogikan dengan tinggi: ketika sebuah objek yang dilontarkan akan jatuh pada ketinggian yang berbeda akibat medan gravitas maka muatan akan 'jatuh' melalui tegangan yang disebabkan oleh medan listrik. Pada peta relief menunjukkan garis kontur menandai titik-titik pada ketinggian yang sama, sekelompok garis menandai titik-titik dengan potensial yang sama (atau ekuipotensial) dapat digambarkan di sekitar objek bermuatan elektrostatis. Ekuipotensial akan memotong semua garis gaya pada sudut siku. Ekuipotensial juga harus terletak paralel dengan permukaan konduktor listrik|konduktor, jika tidak maka akan menghasilkan gaya yang dapat membawa muatan sampai bahkan potensial pada permukaan.
Medan listrik secara formal didefinisikan sebagai gaya yang diberikan per atuan muatan, namun konsep dari potensial memberikan definisi yang lebih baik: medan listrik adalah gradien lokal dari potensial listrik. Diukur dalam volt per meter, arah vektor dari medan listrik adalah garis kemiringan terbesar dari potensial, di mana ekuipotensial terletak paling dekat bersamaan.
sumber Wikipedia
0 Response to "Pengertian Muatan Listrik, Arus Listrik, Medan Listrik dan Potensial Listrik"
Posting Komentar