Apa itu listrik?

Apa itu listrik? – Sebenarnya listrik ada di mana-mana di sekitar kita. Karena listrik, kita bisa menghidupkan berbagai macam peralatan elektronik seperti HP, komputer, lampu, setrika, AC, dan banyak lagi yang lainnya. Sulit untuk hidup tanpa adanya listrik terutama di dunia modern seperti saat ini.

Di balik peran vital listrik dalam hidup kita, pernah gak sesekali kita bertanya apa sih listrik itu? Bentuk nya bagaimana, seperti apa, cara kerja nya gimana, dll… Alih-alih hanya menikmati keberadaanya dalam hidup kita.

Pengertian listrik

Listrik secara singkat didefinisikan sebagai aliran muatan listrik. Sebuah definisi sederhana yang mengandung banyak sekali hal-hal kompleks.

Dari mana muatan listrik itu berasal? Bagaimana kita bisa memindahkan muatan-muatan tersebut dari satu titik ke titik lainnya? Ke mana muatan listrik tersebut berpindah? Bagaimana muatan listrik menyebabkan peralatan listrik bisa bergerak atau membuat lampu menyala?

Ada begitu banyak pertanyaan di benak kita! Untuk mulai menjelaskan apa itu listrik, kita akan memulai penjelasan kali ini dengan benda terkecil yang ada di alam semesta. Yang menjadi cikal bakal terbentuknya segala macam benda yang ada di muka bumi ini.

Atom

Untuk memahami dasar-dasar kelistrikan, kita perlu memulai pemahaman kita tentang atom, salah satu materi dasar kehidupan dan materi.

Atom ada dalam lebih dari seratus bentuk berbeda sebagai unsur kimia seperti hidrogen, karbon, oksigen, dan tembaga. Dalam jumlah banyak, atom dapat bergabung untuk membuat molekul, yang membangun materi yang dapat kita lihat dan sentuh secara fisik.

Struktut atom sangat kecil, sekitar 300 pikometer (3×10^-10 atau 0,0000000003 meter). Satu sen tembaga (jika benar-benar terbuat dari 100% tembaga) akan memiliki 3,2×10 22 atom (32.000.000.000.000.000.000 atom) tembaga di dalamnya.

Bahkan atom saja tidak cukup kecil untuk menjelaskan cara kerja listrik. Kita perlu memahami lebih dalam lagi tentang materi-materi penyusun atom itu sendiri yakni proton, neutron, dan elektron.

Struktur dasar atom

Atom terdiri dari tiga partikel berbeda yakni elektron, proton, dan neutron. Setiap atom memiliki nukleus pusat, tempat proton dan neutron tersusun rapat. Di sekitar nukleus terdapat sekelompok elektron yang mengorbit.

Setiap atom memiliki setidaknya satu proton di dalamnya. Jumlah proton dalam sebuah atom sangat penting, karena menentukan unsur kimia apa yang diwakili oleh atom tersebut. Misalnya:

Atom dengan hanya satu proton adalah hidrogen,
Atom dengan 29 proton adalah tembaga,
Atom dengan 94 proton adalah plutonium.

Jumlah proton ini disebut nomor atom. Pasangan inti proton, neutron, memiliki tujuan penting yakni menjaga proton dalam inti dan menentukan isotop atom.

Memahami Elektron sangatlah penting untuk memahami bagaimana cara kerja listrik. Dalam keadaan paling stabil dan seimbang, atom memiliki jumlah elektron yang sama dengan proton. Seperti pada model atom Bohr di bawah ini, sebuah inti dengan 29 proton (atom tembaga) dikelilingi oleh jumlah elektron yang sama.

Elektron atom tidak selamanya terikat pada atom. Elektron pada orbit terluar atom disebut elektron valensi. Dengan gaya luar yang cukup, elektron valensi dapat terlepas dari orbit atom dan menjadi bebas. Elektron bebas inilah yang memungkinkan kita untuk memindahkan muatan, yang kemudian kita sebut dengan itulah listrik.

Aliran muatan

Seperti yang disebutkan di atas. Listrik didefinisikan sebagai aliran muatan listrik. Muatan adalah materi (massa, volume, atau kepadatan). Semua materi ini dapat diukur. Sama seperti kita dapat mengukur seberapa banyak massa yang dimiliki sesuatu. Kita juga dapat mengukur berapa banyak muatan yang dimilikinya. Intinya, muatan terdiri dari 2 jenis yakni muatan + (positif) dan – (negatif).

Untuk bisa memindahkan muatan, kita memerlukan sebuah carrier (pembawa muatan). Di situlah pengetahuan kita tentang partikel atom khususnya elektron dan proton akan sangat berguna.

Elektron selalu membawa muatan negatif, sedangkan
proton selalu bermuatan positif
Neutron (sesuai dengan namanya) bersifat netral, tidak bermuatan.

Baik elektron dan proton membawa jumlah muatan yang sama, hanya jenisnya yang berbeda.

Muatan elektron dan proton penting, karena memberikan kita sarana untuk mengerahkan gaya pada ke duanya yakni Gaya elektrostatik!

Gaya electrostatic

Gaya elektrostatik (juga disebut hukum Coulomb ) adalah gaya yang bekerja antara muatan.

Hukum coulomb Menyatakan bahwa muatan-muatan yang sejenis akan saling tolak menolak, sedangkan muatan-muatan yang berlainan jenis akan tarik-menarik.

Besarnya gaya yang bekerja pada dua muatan tergantung pada seberapa jauh ke duanya dari satu sama lain. Semakin dekat dua muatan, semakin besar gaya (baik mendorong bersama-sama, atau menarik diri).

Berkat gaya elektrostatik, elektron akan mendorong elektron lain dan tertarik ke proton. Gaya ini adalah bagian dari daya tarik yang menyatukan atom, tetapi juga merupakan alat yang kita butuhkan untuk membuat elektron (dan muatan) mengalir!

Membuat Aliran muatan

Sekarang kita memiliki semua alat untuk membuat muatan mengalir. Elektron dalam atom dapat bertindak sebagai pembawa muatan kita, karena setiap elektron membawa muatan negatif. Jika kita dapat membebaskan elektron dari sebuah atom dan memaksanya untuk bergerak, kita dapat menciptakan listrik.

Contoh adalah atom tembaga. Salah satu unsur material yang paling bagus untuk aliran muatan. Dalam keadaan seimbang, tembaga memiliki 29 proton dalam intinya dan jumlah elektron yang sama yang mengorbit di sekitarnya.

Elektron mengorbit pada jarak yang bervariasi dari inti atom. Yang lebih dekat ke inti atom akan mendapat tarikan yang jauh lebih kuat ke pusat daripada yang berada di orbit yang jauh. Yang terluar dari sebuah atom disebut elektron valensi, ini membutuhkan sedikit gaya untuk dibebaskan dari atom.

Dengan menggunakan gaya elektrostatik yang cukup pada elektron valensi, kita dapat mengeluarkan elektron dari orbit di sekitar atom untuk menciptakan elektron bebas.

Sebagai contoh, kita akan menggunakan kawat tembaga yang memiliki atom yang tak terhitung jumlahnya. Karena elektron bebas pada kawat tembaga mengambang di ruang antara atom, elektron itu ditarik dan didorong oleh muatan di sekitarnya di ruang itu.

Dalam kondisi ini, elektron bebas akhirnya menemukan atom baru untuk diikuti; dalam melakukannya, muatan negatif elektron itu mengeluarkan elektron valensi lain dari atom. Sekarang elektron baru melayang melalui ruang bebas untuk melakukan hal yang sama. Efek berantai ini dapat berlanjut terus menerus untuk menciptakan aliran elektron yang disebut arus listrik .

Daya konduksi

Beberapa jenis unsur atom lebih baik daripada yang lain dalam melepaskan elektronnya. Untuk mendapatkan aliran elektron terbaik, kita akan menggunakan atom yang tidak mengikat elektron valensinya dengan sangat erat. Konduktivitas suatu unsur menggambarkan seberapa erat ikatan elektron pada atom.

Elemen dengan konduktivitas tinggi, yang memiliki elektron yang sangat mobile, disebut konduktor. Ini adalah jenis bahan yang ingin kita gunakan untuk membuat kabel dan komponen lain yang membantu aliran elektron. Logam seperti tembaga, perak, dan emas biasanya merupakan pilihan utama untuk konduktor yang baik.

Unsur dengan konduktivitas rendah disebut isolator. Isolator pun tak kalah penting, yakni untuk mencegah aliran elektron. Isolator populer termasuk kaca, karet, plastik, dan udara.

Listrik Statis dan dinamis

Sebelum kita melangkah lebih jauh, mari kita bahas dua bentuk listrik yakni statis atau dinamis.

Listrik statis

Yakni penumpukan muatan berlawanan pada benda yang dipisahkan oleh isolator. Ia akan tetap ada sampai dua kelompok muatan yang berlawanan dapat menemukan jalur antara satu sama lain untuk menyeimbangkan sistem.

Ketika muatan menemukan cara untuk menyeimbangkan sistem, maka akan terjadi pelepasan statis. Daya tarik muatan menjadi begitu besar sehingga dapat mengalir bahkan melalui isolator terbaik (udara, kaca, plastik, karet, dll.).

Pelepasan muatan statis dapat berbahaya tergantung pada media apa yang dilalui muatan dan ke permukaan apa muatan tersebut dialirkan. Muatan yang mengalir melalui celah udara dapat menghasilkan kejutan yang terlihat saat elektron yang bergerak bertabrakan dengan elektron di udara, yang menjadi tereksitasi dan melepaskan energi dalam bentuk cahaya.

Salah satu contoh paling nyata dari pelepasan listrik statis adalah petir. Ketika sistem awan mengumpulkan muatan yang cukup relatif terhadap kelompok awan lain atau tanah bumi, muatan akan mencoba untuk menyeimbangkan.

Saat awan terlepas, sejumlah besar muatan positif (atau terkadang negatif) mengalir di udara dari tanah ke awan menyebabkan efek yang terlihat yang kita semua kenal.

Listrik statis juga biasa terjadi ketika kita menggosok balon di kepala kita untuk membuat rambut kita berdiri, atau ketika kita menggosok lantai dengan sandal berbulu.

Dalam setiap kasus, gesekan dari menggosok berbagai jenis bahan akan mentransfer elektron. Benda yang kehilangan elektron menjadi bermuatan positif, sedangkan benda yang mendapatkan elektron menjadi bermuatan negatif. Kedua objek menjadi tertarik satu sama lain sampai mereka dapat menemukan cara untuk menyeimbangkan muatan.

Listrik dinamis

Listrik dinamis adalah bentuk listrik yang memungkinkan semua alat elektronik kita bekerja. Bentuk listrik ini ada ketika muatan dapat terus mengalir. Berbeda dengan listrik statis di mana muatan berkumpul dan tetap diam, listrik saat ini bersifat dinamis, muatan selalu bergerak. Kita akan fokus pada bentuk listrik ini sampai akhir artikel.

Jaringan listrik

Agar dapat mengalir, arus listrik membutuhkan suatu rangkaian yakni suatu lingkaran bahan konduktif yang tertutup dan tidak pernah berakhir. Sebuah sirkuit seperti kabel konduktif yang terhubung ujung ke ujung, tetapi sirkuit yang berguna biasanya berisi campuran kawat dan komponen lain yang mengontrol aliran listrik. Satu-satunya aturan dalam membuat sirkuit adalah tidak boleh memiliki celah isolasi di dalamnya.

Jika kita memiliki kawat yang penuh dengan atom tembaga dan ingin menginduksi aliran elektron melaluinya, semua elektron bebas membutuhkan suatu tempat untuk mengalir ke arah umum yang sama.

Tembaga adalah konduktor yang hebat, sempurna untuk membuat muatan mengalir. Jika rangkaian kawat tembaga putus, muatan tidak dapat mengalir di udara, yang juga akan mencegah muatan apa pun ke tengah untuk mengalir ke mana pun.

Di sisi lain, jika kawat dihubungkan ujung ke ujung, semua elektron memiliki atom tetangga dan semuanya dapat mengalir dalam arah umum yang sama.

Kita sekarang mengerti bagaimana elektron dapat mengalir, tetapi bagaimana kita membuatnya mengalir? Kemudian, begitu elektron mengalir, bagaimana mereka menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menerangi bola lampu atau memutar motor? Untuk itu, kita perlu memahami medan listrik.

Medan Listrik

Kita memiliki pegangan dasar tentang bagaimana elektron mengalir melalui materi untuk menciptakan listrik. Itu saja yang ada untuk listrik. Yah, hampir semua. Sekarang kita membutuhkan sumber untuk menginduksi aliran elektron. Paling sering sumber aliran elektron itu berasal dari medan listrik.

Apa itu medan listrik?

Medan listrik adalah alat yang digunakan untuk memodelkan interaksi fisik yang tidak melibatkan kontak yang dapat diamati. Medan listrik tidak dapat dilihat karena tidak memiliki penampilan fisik, tetapi efeknya sangat nyata.

Kita semua secara tidak sadar akrab dengan satu bidang khususnya yakni medan gravitasi bumi, efek dari benda besar yang menarik benda lain. Medan gravitasi bumi dapat dimodelkan dengan sekumpulan vektor yang semuanya mengarah ke pusat planet, di mana pun kita berada di permukaan, kita akan merasakan gaya yang mendorong Anda ke arah itu.

Kekuatan atau intensitas medan tidak seragam di semua titik di lapangan. Semakin jauh kita dari sumber medan, semakin sedikit efek medan tersebut. Besarnya medan gravitasi bumi berkurang saat kita semakin jauh dari pusat bumi ini.

Saat kita menjelajahi medan listrik khususnya mengingat bagaimana medan gravitasi bumi bekerja, kedua medan memiliki banyak kesamaan. Medan gravitasi memberikan gaya pada benda bermassa, dan medan listrik memberikan gaya pada benda bermuatan.

Electric field (e-fields) adalah sesuatu yang sangat penting dalam memahami bagaimana listrik dimulai dan terus mengalir. Medan listrik menggambarkan gaya tarik atau dorong dalam ruang antara muatan.

Dibandingkan dengan medan gravitasi bumi, medan listrik memiliki satu perbedaan utama: sementara medan bumi umumnya hanya menarik benda-benda bermassa lain (karena semuanya secara signifikan kurang masif), medan listrik mendorong muatan menjauh sesering mereka menariknya.

Arah medan listrik

Arah medan listrik selalu didefinisikan sebagai arah pergerakan muatan uji positif jika dijatuhkan di dalam medan. Muatan uji harus sangat kecil, agar muatannya tidak mempengaruhi medan.

Kita bisa mulai dengan membangun medan listrik untuk muatan positif dan negatif soliter. Jika kita menjatuhkan muatan uji positif di dekat muatan negatif, muatan uji akan tertarik ke arah muatan negatif. Jadi, untuk satu muatan negatif, kita menggambar panah medan listrik yang mengarah ke dalam ke segala arah. Muatan uji yang sama dijatuhkan di dekat muatan positif lain akan menghasilkan tolakan ke luar, yang berarti kita menarik panah keluar dari muatan positif.

Kelompok muatan listrik dapat digabungkan untuk membuat medan listrik yang lebih lengkap.

Medan listrik seragam di atas menunjukan keluar dari muatan positif, menuju negatif. Bayangkan muatan uji positif kecil dijatuhkan di bidang elektronik; itu harus mengikuti arah panah. Seperti yang telah kita lihat, listrik biasanya melibatkan aliran elektron – muatan negatif – yang mengalir melawan medan listrik.

Medan listrik memberi kita gaya dorong yang kita butuhkan untuk menginduksi aliran arus. Medan listrik dalam rangkaian umpamanya seperti pompa elektron: sumber besar muatan negatif yang dapat mendorong elektron, yang akan mengalir melalui rangkaian menuju gumpalan muatan positif.

Potensial Listrik (Energi)

Saat kita memanfaatkan listrik untuk memberi daya pada sirkuit, alat, dan gadget kita, kita benar-benar mengubah energi. Sirkuit elektronik harus dapat menyimpan energi dan mentransfernya ke bentuk lain seperti panas, cahaya, atau gerak. Energi yang tersimpan dalam rangkaian disebut energi potensial listrik.

Untuk memahami energi potensial kita perlu memahami energi secara umum. Energi didefinisikan sebagai kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha pada benda lain, yang berarti memindahkan benda tersebut pada jarak tertentu. Energi datang dalam berbagai bentuk, beberapa dapat kita lihat (seperti mekanik) dan yang lainnya tidak dapat kita lihat (seperti kimia atau listrik). Terlepas dari apa bentuknya, energi ada di salah satu dari dua keadaan : kinetik atau potensial.

Sebuah benda memiliki energi kinetik ketika sedang bergerak. Besarnya energi kinetik yang dimiliki suatu benda bergantung pada massa dan kecepatannya. Energi potensial, di sisi lain, adalah energi yang tersimpan ketika suatu benda diam. Ini menggambarkan berapa banyak pekerjaan yang bisa dilakukan benda jika digerakkan. Ini adalah energi yang secara umum dapat kita kendalikan. Ketika suatu benda digerakkan, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik.

Mari kembali menggunakan gravitasi sebagai contoh. Bola bowling yang tidak bergerak di puncak menara Khalifa memiliki banyak energi potensial (tersimpan). Setelah dijatuhkan, bola – yang ditarik oleh medan gravitasi – dipercepat menuju tanah. Saat bola berakselerasi, energi potensial diubah menjadi energi kinetik (energi dari gerak). Akhirnya semua energi bola diubah dari potensial menjadi kinetik, dan kemudian diteruskan ke apa pun yang dipukulnya. Ketika bola berada di tanah, ia memiliki energi potensial yang sangat rendah.

Energi Potensial Listrik

Sama seperti massa, dalam medan gravitasi memiliki energi potensial gravitasi, muatan dalam medan listrik memiliki energi potensial listrik . Energi potensial listrik suatu muatan menggambarkan berapa banyak energi yang tersimpan yang dimilikinya, ketika digerakkan oleh gaya elektrostatik, energi tersebut dapat menjadi kinetik, dan muatan tersebut dapat melakukan kerja.

Seperti bola bowling yang berada di puncak menara, muatan positif di dekat muatan positif lain memiliki energi potensial yang tinggi; dibiarkan bebas bergerak, muatan tersebut akan ditolak dari muatan sejenis. Sebuah muatan tes positif ditempatkan di dekat muatan negatif akan memiliki energi potensial yang rendah, analog dengan bola bowling di tanah.

Untuk menanamkan sesuatu dengan energi potensial, kita harus melakukan pekerjaan dengan memindahkannya dari jarak jauh. Dalam kasus bola bowling, pekerjaan berasal dari mengangkatnya ke atas 163 lantai, melawan medan gravitasi. Demikian pula, pekerjaan harus dilakukan untuk mendorong muatan positif melawan panah medan listrik (ke arah muatan positif lain, atau menjauh dari muatan negatif). Semakin jauh ke atas lapangan, semakin banyak pekerjaan yang harus Anda lakukan. Demikian juga, jika Anda mencoba menarik muatan negatif dari muatan positif–melawan medan listrik–Anda harus melakukan usaha.

Untuk setiap muatan yang terletak dalam medan listrik, energi potensial listriknya bergantung pada jenis (positif atau negatif), jumlah muatan, dan posisinya di dalam medan. Energi potensial listrik diukur dalam satuan joule ( J ).

Potensial Listrik

Potensial listrik dibangun di atas energi potensial listrik untuk membantu menentukan berapa banyak energi yang disimpan dalam medan listrik. Ini adalah konsep lain yang membantu kita memodelkan perilaku medan listrik. Potensial listrik tidak sama dengan energi potensial listrik!

Pada setiap titik dalam medan listrik, potensial listrik adalah jumlah energi potensial listrik dibagi dengan jumlah muatan pada titik tersebut. Ini menghilangkan jumlah muatan dari persamaan dan memberi kita gambaran tentang berapa banyak energi potensial yang dapat diberikan oleh area spesifik medan listrik. Potensial listrik datang dalam satuan joule per coulomb ( J/C ), yang kita definisikan sebagai volt (V).

Dalam medan listrik mana pun ada dua titik potensial listrik yang sangat menarik bagi kita. Ada titik potensial tinggi, di mana muatan positif akan memiliki energi potensial setinggi mungkin, dan ada titik potensial rendah, di mana muatan akan memiliki energi potensial serendah mungkin.

Salah satu istilah yang paling umum kita bahas dalam mengevaluasi listrik adalah tegangan . Tegangan adalah perbedaan potensial antara dua titik dalam medan listrik. Tegangan memberi kita gambaran tentang seberapa besar gaya dorong yang dimiliki medan listrik.

Dengan energi potensial dan potensial di bawah ikat pinggang kami, kami memiliki semua bahan yang diperlukan untuk membuat listrik saat ini. Ayo lakukan!

Kesimpulan!

Setelah mempelajari fisika partikel, teori medan, dan energi potensial, berikut ini adalah kesimpulan yang dapat kita tarik secara umum mengenai apa sih listrik itu sebenanrya?

Pengertian listrik adalah aliran muatan. Biasanya muatan listrik akan dibawa oleh elektron yang mengalir bebas.
Elektron bermuatan negatif terikat secara longgar pada atom bahan konduktif. Dengan sedikit dorongan, kita dapat membebaskan elektron dari atom dan membuatnya mengalir ke arah yang umumnya seragam.
Sebuah sirkuit tertutup bahan konduktif menyediakan jalan bagi elektron untuk terus mengalir.
Muatan didorong oleh medan listrik. Kita membutuhkan sumber potensial listrik (tegangan), yang mendorong elektron dari titik energi potensial rendah ke energi potensial yang lebih tinggi.