B. Kegiatan Belajar 1. Kegiatan Belajar 1 Muatan Listrik a. Tujuan Kegiatan Pembelajaran Setelah mempelajari kegiatan belajar 1, diharapkan Anda dapat: 1. Melakukan percobaan untuk memperoleh jenis muatan listrik statis dengan cara menggosok. 2. Menganalisis mengapa memperoleh muatan listrik statis pada saat 3. udara lembab lebih sulit daripada memperoleh muatan listrik ketika udara kering. 4. Melakukan percobaan untuk memperoleh kesimpulan bahwa muatan sejenis tolakmenolak dan muatan tak sejenis tarik-menarik. 5. Menyebutkan hukum kekekalan muatan listrik. 6. Menjelaskan model atom sederhana. 7. Melakukan percobaan menggunakan elektroskop untuk mendapatkan muatan listrik dengan cara induksi dan dengan cara konduksi. 8. Menjelaskan proses terjadinya petir. 9. Menjelaskan bagaimana cara melindungi bangunan tinggi dari sambaran petir. b. Uraian Materi Pada saat hujan turun, pernahkah anda melihat petir? Petir adalah peristiwa alam yang sangat berbahaya dan ditakuti semua orang, karena petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara. Apabila seseorang tersambar petir, maka tubuh orang tersebut akan terbakar. Akibat berbahayanya petir, maka gedung-gedung bertingkat yang cukup tinggi dilengkapi dengan penangkal petir. Apa yang menyebabkan terjadinya petir? Mengapa tubuh orang yang tersambar petir terbakar? Mengapa gedung-gedung bertingkat yang tinggi dilengkapi dengan penangkal petir? Dengan modul ini, kita akan mempelajari dan mendiskusikan bagaimana cara memperoleh listrik statis dan cara pengosongannya sebagaimana petir dan manfaat penangkal petir. MUATAN LISTRIK
Pernahkah anda terkejut ketika tangan anda menyentuh layar TV? Apakah yang menyebabkan peristiwa sengatan yang kadang-kadang disertai rasa sakit itu? Sengatan itu merupakan akibat yang ditimbulkan oleh listrik statis. Petir yang sering Anda lihat pada saat hari hujan itu juga merupakan contoh peristiwa alam yang disebabkan listrik statis. Apakah listrik statis itu? Terjadinya Listrik Statis Kata listrik dalam bahasa Inggris electric, berasal dari bahasa Yunani elektron, yang berarti amber. Amber adalah pohon damar yang membatu, dan pengetahuan kuno membuktikan bahwa jika anda menggosok batang amber dengan sepotong kain, maka amber menarik potongan daun kecil-kecil atau debu. Batang karet keras, batang kaca, atau penggaris plastik, jika digosok dengan sepotong kain juga akan menunjukkan efek amber atau listrik statis sebagaimana yang kita sebut sekarang. Barangkali anda telah memiliki pengalaman tentang listrik statis yakni ketika anda menyisir rambut kering, atau ketika menyetrika baju nilon. Pada setiap kasus tadi, suatu benda menjadi bermuatan listrik karena proses gosokan dan dikatakan memiliki muatan listrik. Apakah seluruh muatan listrik sama? Atau mungkinkah terdapat lebih dari satu jenis? Jenis Muatan Listrik Sesuai dengan hasil percobaan anda, terdapat dua jenis muatan listrik. Ketika penggaris plastik kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan pada penggaris plastik pertama, penggaris pertama bergerak menjauhi penggaris kedua. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1a. Ketika batang kaca kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan pada batang kaca pertama, batang kaca kedua juga bergerak menjauhi batang kaca pertama. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1b. Tetapi, jika batang kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang bermuatan, akan didapatkan bahwa keduanya akan saling menarik, Gambar 1c.
Karena itu, muatan pada batang kaca haruslah berbeda dengan muatan pada penggaris plastik. Memang, melalui eksperimen seluruh muatan benda dapat dikategorikan ke dalam dua jenis. Setiap benda bermuatan yang ditarik oleh penggaris plastik, akan ditolak oleh batang kaca, atau setiap benda yang ditolak oleh penggaris plastik, akan ditarik oleh batang kaca. Jadi terdapat dua jenis muatan listrik yaitu, muatan yang ditolak batang kaca bermuatan, dan muatan yang ditarik batang kaca bermuatan. Dua jenis muatan listrik yang ditunjukkan tersebut dinyatakan oleh seorang Amerika, seorang saintis, seorang filosuf yang bernama Benjamin Franklin (1706-1790) sebagai muatan positif dan muatan negatif. Franklin memilih muatan pada batang kaca yang digosok adalah muatan positif, sedangkan muatan pada penggaris plastik yang digosok (atau amber) adalah muatan negatif. Sampai sekarang kita masih mengikuti perjanjian ini. Hukum Kekekalan Muatan Franklin mengusulkan bahwa jumlah muatan yang dihasilkan oleh suatu benda melalui suatu proses penggosokan, adalah sama dengan jumlah muatan positip dan negatip yang dihasilkan. Jumlah bersih muatan yang dihasilkan oleh suatu benda selama proses penggosokan adalah nol. Contoh, ketika penggaris plastik digosok dengan kain wol, plastik memperoleh muatan negatip dan kain wol memperoleh muatan positip dengan jumlah yang sama. Muatan-muatan tersebut dipisahkan, namun jumlah kedua jenis muatan adalah sama. Ini adalah contoh dari suatu hukum yang berlaku sampai sekarang, yang dikenal dengan nama hukum kekekalan muatan listrik yang berbunyi:
Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang berbeda (penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu proses penggosokan adalah nol. Jika suatu benda atau suatu daerah ruang memperoleh muatan positif, maka akan dihasilkan sejumlah muatan negatif dengan jumlah yang sama pada daerah atau benda di sekitarnya. Muatan Listrik dalam Suatu Atom Gambar 2 memperlihatkan model atom sederhana, terdiri dari muatan positif di dalam inti, dikelilingi satu atau lebih elektron. Inti berisi protonproton bermuatan positif, dan netron yang tidak bermuatan listrik. Besarnya muatan proton dan elektron adalah sama, tetapi tandanya berlawanan. Karena itu atom-atom netral berisi protonproton dan elektronelektron dengan jumlah yang sama. Meskipun demikian, suatu atom kadang- kadang akan kehilangan satu atau lebih elektron, atau akan memperoleh elektron-elektron ekstra. Pada kasus ini, atom akan bermuatan positip atau negatip, dan disebut ion. Umumnya, ketika benda dimuati melalui gosokan, benda-benda akan mempertahankan muatannya hanya sebentar, kemudian kembali ke keadaan etral. Kemana muatan pergi? Dalam beberapa kasus, hal ini dinetralkan oleh ion- on bermuatan di udara (misalnya, oleh tumbukan dengan pertikel-partikel bermuatan, yang kita kenal sebagai sinar kosmik dari ruang angkasa yang mencapai bumi). Hal yang penting diketahui, bahwa muatan dapat lepas ke inti air di udara. Ini karena molekul-molekul air adalah polar, meskipun molekul-molekul air tersebut adalah netral, muatan molekul-molekul air tidaklah disalurkan secara seragam sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3. Jadi elektron-elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas ke udara karena ditarik menuju molekul-molekul positip air. Di sisi lain, bendabenda yang dimuati secara positip, dapat dinetralkan oleh hilangnya
(berpindahnya) elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke bendabenda bermuatan positip tersebut. Pada udara kering, listrik statis lebih mudah diperoleh karena udara berisi lebih sedikit molekul-molekul yang dapat berpindah. Pada udara lembab, adalah sulit untuk membuat benda bermuatan tahan lama. Cara Memperoleh Muatan Listrik Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam logam yang netral akan ditarik menuju logam yang bermuatan positif tersebut sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 4. Karena sekarang logam kedua tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan cara kontak, dan kedua benda tersebut akhirnya memiliki muatan dengan tanda yang sama. Bila benda yang bermuatan positip didekatkan pada batang logam yang netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak meninggalkan batang, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positip pada ujung yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
Muatan tersebut dikatakan telah diinduksikan pada kedua ujung batang logam. Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Tentu saja tidak ada uatan yang dihasilkan dalam batang; muatan hanya dipisahkan. Jumlah muatan pada batang logam masih sama dengan nol. Meskipun demikian, jika dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan, satu bermuatan positip dan yang lain bermuatan negatip. Cara lain untuk menginduksi muatan pada benda logam adalah dengan jalan menghubungkan logam tersebut menuju ground melalui kawat konduktor sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6a ( berarti ground). Selanjutnya benda dikatakan di groundkan atau dibumikan. Karena bumi sangat besar dan dapat menyalurkan elektron, maka bumi dengan mudah dapat menerima ataupun memberi elektron-elektron; karena itu dapat bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk muatan. Jika suatu benda bermuatan negatip didekatkan ke sebuah logam, maka electron-elektron bebas dalam logam akan menolak dan beberapa electron akan bergerak menuju bumi melalui kabel (Gambar 6b). Ini menyebabkan logam bermuatan positif. Jika sekarang kabel dipotong, maka logam akan memiliki muatan induksi positif (Gambar 6c). ELEKTROSKOP
\Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk mendeteksi uatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 7, di dalam sebuah peti kaca erdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadangkadang yang apat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari emas. Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda yang bermuatan positip didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan terjadi melalui induksi, elektron-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga kedua daun elektroskop bermuatan positip dan saling menolak (Gambar 8a). Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Sedangkan, jika bola dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun elektroskop memperoleh muatan positip, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 8b. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daun-daun elektroskop. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa dengan cara ini, anda tidak dapat menentukan tanda muatan, karena dalam setiap kasus, kedua daun elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu elektroskop dapat digunakan untuk menentukan tanda muatan jika
pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya secara negatip, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9a. Sekarang, jika benda bermuatan negatip didekatkan, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar. Di sisi lain, jika muatan positip didekatkan, maka elektron-elektron akan diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatip dan jarak pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit), seperti pada Gambar 9c. PENGOSONGAN MUATAN LISTRIK Loncatan muatan listrik terjadi pada saat muatan listrik bergerak secara bersamasama. Kejadian ini disebut pengosongan listrik statis. Pengosongan itu ditunjukkan oleh sambaran petir pada Gambar 10.
Muatan listrik dapat hilang dengan pengosongan. Pengosongan terjadi apabila tersedia suatu jalan bagi elektron-elektron untuk mengalir dari suatu benda bermuatan ke benda lain. Perpindahan muatan listrik statis dari satu benda ke benda lain disebut penetralan atau pengosongan muatan statis. Pengosongan itu lazim juga disebut pentanahan, karena muatan itu sering dikosongkan dengan cara menyalurkan ke tanah. Pengosongan muatan statis di udara dapat terjadi sangat besar sehingga menimbulkan suara dahsyat yang kita sebut guntur. Proses terjadinya petir dapat dijelaskan pada Gambar 11a, 11b, dan 11c. Bacalah keterangan ketiga gambar tersebut. PENANGKAL PETIR Batang logam penangkal petir sering dipasang di atas atap rumah bertingkat atau di atas bangunan tinggi, dan dihubungkan ke dalam tanah melalui kabel logam. Penangkal petir, melindungi rumah dan bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang besar di dalam petir. Penangkal petir ini menyediakan suatu jalan aman, atau pentanahan, agar arus listrik petir mengalir masuk ke dalam tanah, bukan melewati rumah atau bangunan lain. Pernahkah anda melihat penangkal petir? Pernahkah anda melihat bangunan tinggi yang ilengkapi dengan penangkal petir seperti Gambar 12. Penangkal
petir itu merupakan contoh pengosongan muatan statis yang tidak menimbulkan kerusakan c. Rangkuman Muatan positif adalah muatan yang sejenis dengan muatan yang dimiliki oleh kaca jika digosok dengan kain sutera. Muatan negatif adalah muatan yang sejenis dengan muatan yang dimiliki oleh penggaris plastik jika digosok dengan kain wol. Muatan yang sejenis tolak-menolak dan muatan yang tak sejenis tarik-menarik. Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang berbeda (misalnya, penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu proses penggosokan adalah nol.
Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif proton dan netron) dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif. Mendapatkan muatan pada batang logam netral dengan induksi dapat dilakukan dilakukan dengan cara mendekatkan batang logam bermuatan pada batang logam netral tersebut. Mendapatkan muatan pada batang logam netral dengan konduksi dapat dilakukan dilakukan dengan cara menyentuhkan batang logam bermuatan pada batang logam netral tersebut. Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk mendeteksi muatan listrik. Daun-daun elektroskop akan mengembang apabila kepala elektroskop dimuati baik dengan cara induksi, maupun dengan cara konduksi. Petir adalah contoh pengosongan muatan statis di udara. Untuk menghindari kerusakan pada bangunan yang tinggi dari sambaran petir, dapat dilakukan dengan cara memasang penangkal petir pada bangunan tersebut. d. Tugas 1. Buatlah elektroskop sederhana dari botol plastik air mineral sebagai peti kaca, grenjeng rokok sebagai daun-daun elektroskop, dan paku besar sebagai batang konduktor. 2. Ujilah elektroskop buatan anda tersebut dengan jalan memuati dengan cara induksi dan konduksi menggunakan kertas transparansi yang digosok dengan kain. Kumpulkan elektroskop buatan anda dan laporkan hasil analisis pengujian pada pertemuan berikutnya. e. Tes Formatif 1. Jelaskan: (a) mengapa penggaris plastik yang digosok dengan kain dapat menarik potongan-potongan kertas kecil, (b) mengapa sesaat kemudian potongan- otongan kertas tersebut lepas kembali 2. Apa yang akan terjadi pada penggaris plastik yang telah digosok dengan kain wol dan tergantung pada seutas tali bila didekati dengan penggaris plastik lain yang juga digosok dengan kain wol? Mengapa demikian? 3. Seperti soal no. 2) tetapi yang didekatkan batang kaca yang telah digosok dengan kain sutera.
4. Mengapa daun-daun elektroskop akan mengembang bila kepala elektroskop didekati dengan plastik transparansi yang telah digosok dengan kain? Apa yang akan terjadi bila plastik transparan tersebut 5. dijauhkan? Mengapa demikian? 6. Seperti soal no 4) tetapi plastik transparan yang telah digosok dengan kain disentuhkan? Apa yang akan terjadi bila plastik transparan tersebut dijauhkan? Mengapa demikian? 7. Jelaskan mengapa untuk menghindari kerusakan pada bangunan yang tinggi dari sambaran petir, dipasang penangkal petir? f. Tindak Lanjut Bila anda telah menyelesaikan tugas kegiatan I. selanjutnya kerjakanlah tes formatif I. Untuk melihat kebenaran hasil kerja anda, cocokan jawaban andea dengan kunci jawaban yang ada pada akhir modul. Jika anda telah mencapai skor di atas 70 maka anda di perkenankan untuk melanjutkan ke modul atau kegiatan II. Jika anda baru mencapai skor 50 70, kerjakan kembali tes formatif pada modul ini. Sedangkan bagi anda yang mencapai skor dibawa 50 pelajari kembali seluruh kegiatan pada modul ini JumlahsoalBenar Skor = x100 JumlahSeluruhsoal f. Kunci Jawaban 1) (a) karena penggaris plastik yang telah digosok dengan kain menjadi bermuatan listrik negatif dan bersifat menarik benda-benda kecil dan ringan termasuk potongan-potongan kertas kecil, (b) sesaat kemudian potongan-potongan kertas kecil lepas kembali karena muatan penggaris tersebut dinetralkan kembali oleh molekul-molekul air di udara yang bersifat polar, yakni muatan negatif penggaris pergi menuju muatan positif molekul-molekul air di udara. 2) Penggaris plastik yang tergantung pada seutas tali akan ditolak oleh penggaris plastik lain yang didekatkan padanya karena keduanya bermuatan sejenis, yakni keduanya bermuatan negatif.
3) Penggaris plastik yang tergantung pada seutas tali akan ditarik oleh batang kaca yang didekatkan padanya karena keduanya bermuatan tak sejenis, penggaris plastik menjadi bermuatan negatif, batang kaca menjadi bermuatan positif. 4) Daun-daun elektroskop akan mengembang bila kepala elektroskop didekati dengan plastik transparansi yang telah digosok dengan kain, karena daun-daun elektroskop akan bermuatan listrik negatif akibat induksi sehingga saling menolak. Bila plastik transparansi tersebut dijauhkan maka muatan negatif pada daun-daun elektroskop tersebut akan netral kembali, karena memuati dengan cara induksi pada dasarnya hanya pemisahan muatan-muatan negatif dan positif. 5) Daun-daun elektroskop akan mengembang bila kepala elektroskop disentuh dengan plastik transparansi yang telah digosok dengan kain, karena daun-daun elektroskop akan bermuatan listrik negatif akibat konduksi sehingga saling menolak. Bila plastik transparansi tersebut dijauhkan maka daun-daun elektroskop tersebut dalam beberapa saat akan tetap mengembang, karena daun-daun elektroskop masih bermuatan negatif. 6) Untuk menghindari kerusakan pada bangunan yang tinggi dari gambaran petir, maka pada bangunan yang tinggi tersebut dipasang penangkal petir ena penangkal petir menyediakan suatu jalan aman bagi arus listrik petir sehingga mengalir masuk ke dalam tanah dan tidak melewati bangunan tinggi tersebut. g. Lembar Kerja Percobaan 1 1). Alat dan Bahan o 1 buah penggaris plastik baru o 1 potong kain wol o Potongan kertas kecil-kecil 2). Langkah Kerja
a) Gosok-gosoklah penggaris plastik dengan kain wol. b) Dekatkan dengan segera penggaris plastik yang telah digosok tersebut pada potongan-potongan kecil kertas (lihat Gambar 13). c) Amati apa yang terjadi pada potongan kertas. 3). Analisis Prediksikan mengapa beberapa saat kemudian kertas lepas dari penggaris? Kemana muatan pergi? Percobaan 2 1). Alat dan Bahan 2 buah penggaris plastik (usahakan relatif baru) 2 buah batang kaca 1 potong kain wol 1 potong kain sutera 1 buah statif benang 2). Prosedur a) Gantungkan salah satu penggaris plastik pada statif melalui seutas benang, kemudian gosoklah salah satu ujung penggaris tersebut keras-keras dengan kain wol. b) Sesaat kemudian, gosoklah penggaris yang lain pada salah satu ujungnya secara keras dengan kain wol, dekatkan pada ujung penggaris pertama yang telah digosok. Amati dan catatlah hasilnya pada tabel data. c) Dengan cara yang sama, lakukanlah untuk batang kaca yang digosok dengan kain sutera.
d) Sekarang, gosoklah kembali salah satu ujung penggaris plastik yang telah digantungkan pada statif tersebut dengan kain wol, kemudian gosoklah salah satu ujung batang kaca dengan kain sutera dan dekatkan pada ujung penggaris bermuatan tersebut. Amati dan catatlah hasilnya pada tabel data. 3). Data Hasil Observasi Buatlah tabel data sesuai dengan hasil percobaan di atas 4). Analisis dan kesimpulan Buatlah kesimpulan berdasarkan data yang anda peroleh. Percobaan 3 1). Alat dan Bahan 1 buah penggaris plastik baru 1 potong kain wol 1 buah elektroskop 2). Langkah Kerja a) Gosok-gosoklah ujung penggaris plastik baru dengan kain wol. b) Sentuhkan ujung penggaris tersebut ke bola logam elektrroskop dan lihat daundaunnya 3). Analisis dan Kesimpulan a. Deskripsikan hasilnya. b. Buatlah gambar untuk menjelaskan hasil tersebut. c. Sentuh bola logam elektroskop dengan tangan sehingga daun-daun elektroskop mengempis. Apakah anda menyangka bahwa kain wol dapat menggerakkan daundaun elektroskop? Mengapa? Coba deskripsikan dan jelaskan hasilnya Percobaan 4 1). Alat dan Bahan 1 buah elektroskop 1 buah penggaris baru 1 potong kain wol 2). Prediksi
Mulailah dengan daun-daun elektroskop kempis. Prediksikan apa yang terjadi jika ujung penggaris plastik yang bermuatan didekatkan (tapi tidak menyentuh) pada bola logam elektroskop. 3). Menguji Prediksi Ujilah prediksi Anda, dengan cara menggosok ujung penggaris dengan kain wol dan mendekatkannya (tidak menyentuh) pada bola logam elektroskop. 4). Analisis dan Kesimpulan Jelaskan prediksi Anda. Gambarkan dan jelaskan hasil yang Anda peroleh.