Muatan listrik

Besar muatan satu elektron adalah 1.602176634 × 10⁻¹⁹ coulomb, sehingga satu coulomb setara dengan besar muatan sekitar 6.24 miliar miliar elektron.

Mengapa balon yang digosok menempel di dinding

Gosokkan balon pada sweter wol, lalu tempelkan ke dinding. Balon itu bisa tetap menempel sendiri. Plastik pembungkus melekat pada mangkuk, kaus kaki menempel pada kemeja saat keluar dari pengering, dan sisir yang digosokkan ke rambut kering bisa menarik potongan kertas. Ribuan tahun lalu, orang mengamati hal serupa pada ambar, yaitu fosil getah pohon: ambar yang digosok menarik potongan jerami. Kata electric berasal dari kata Yunani untuk ambar, elektron. Semua itu merupakan akibat muatan listrik. Dalam setiap contoh tadi, muatan timbul karena dua bahan digosokkan.

Dua jenis muatan

Percobaan dengan batang yang digosok menunjukkan bahwa hanya ada dua jenis muatan. Gosok dua batang kaca dengan sutra, lalu gantung berdekatan: keduanya saling menolak. Kedua kain sutra juga saling menolak. Namun, batang kaca dan kain sutra saling menarik. Benjamin Franklin menamai kedua jenis muatan itu positif dan negatif. Aturannya singkat: muatan sejenis tolak-menolak, muatan berbeda jenis tarik-menarik. Gaya ini melemah saat jarak antarmuatan bertambah. Karena itu, balon harus menyentuh atau hampir menyentuh dinding.

Dari mana muatan berasal? Setiap atom memiliki inti yang berisi proton bermuatan positif dan, pada sebagian besar atom, neutron yang tidak bermuatan, dikelilingi elektron bermuatan negatif. Atom biasa memiliki jumlah elektron dan proton yang sama, sehingga muatan totalnya nol dan disebut netral. Proton terikat di dalam inti, tetapi beberapa elektron terikat lebih longgar. Gesekan memindahkan elektron dari satu permukaan ke permukaan lain. Saat ambar digosok dengan sutra, ambar menerima elektron dan menjadi negatif; sutra kehilangan elektron dan menjadi positif. Tidak ada muatan yang tercipta: muatan hanya berpindah.

Berapa besar muatan? Coulomb

Muatan diukur dalam coulomb, dilambangkan C. Muatan bebas terkecil dalam materi biasa adalah muatan satu proton, yang disebut muatan elementer e. Sejak 2019, nilainya ditetapkan secara tepat: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Elektron membawa −e dan proton +e. Karena muatan satu elektron sangat kecil dibandingkan satu coulomb, satu coulomb setara dengan jumlah elektron yang sangat besar: 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸. Muatan benda selalu merupakan kelipatan bilangan bulat dari e. Muatannya bisa 3e atau 1 000 000e, tetapi tidak pernah 2.5e. Dalam fisika, ini disebut kuantisasi muatan.

Aturan kedua adalah kekekalan muatan: muatan total sistem terisolasi tidak pernah berubah. Saat kamu menggosokkan balon ke rambut, besar muatan negatif yang diterima balon tepat sama dengan muatan positif yang diperoleh rambut. Jika dijumlahkan, hasilnya tetap nol. Aturan ini belum pernah terbukti gagal, baik pada balon yang digosok maupun pada tumbukan partikel.

Konduktor dan isolator

Dalam logam, sebagian elektron tidak terikat pada satu atom tertentu. Elektron bebas ini dapat bergerak ke seluruh bagian logam, sehingga muatan mudah berpindah. Bahan seperti ini disebut konduktor: tembaga, aluminium, perak, dan emas merupakan contoh yang baik. Pada plastik, karet, kaca, dan udara kering, hampir semua elektron tetap berada pada atomnya, sehingga muatan sulit berpindah. Bahan ini disebut isolator. Kabel rumah menggunakan keduanya: tembaga di dalam untuk menghantarkan muatan, plastik di luar agar muatan tidak mencapai tanganmu. Penggosokan paling efektif pada isolator karena muatan yang dipindahkan tetap di tempatnya, bukan menyebar.

Dari muatan diam ke muatan mengalir

Balon yang digosok menyimpan muatan sampai menyentuh sesuatu. Baterai berbeda: baterai terus mendorong muatan mengelilingi kawat yang membentuk lintasan tertutup. Di laboratorium rangkaian di bawah, titik biru mewakili elektron yang bergerak melalui kawat. Panel hasil menghitung berapa coulomb yang melewati baterai setiap detik, lalu mengubahnya menjadi jumlah elektron.