Pengantar Kelistrikan: Muatan Listrik

(Ringkasan Fisika). Kita mulai pembahasan tentang muatan listrik dengan suatu percobaan sederhana yang melibatkan gaya tarik-menarik muatan. Andaikan kita menggosok suatu batang plastik dengan bulu binatang dan menggantungkan batang tersebut dengan seutas tali sehingga dapat berputar bebas. Jika kita dekatkan batang ini dengan batang plastik kedua yang juga telah digosok dengan bulu binatang, terlihat bahwa kedua batang saling tolak menolak. Kita dapat mengulangi percobaan dengan hasil yang sama dengan menggunakan dua batang gelas yang telah digosok dengan sehelai kain sutera. Walaupun demikian, jika digunakan sebatang plastik yang digosok dengan sutera, dapat diamati bahwa kedua batang akan saling tarik-menarik.

Ketika kita menggosok sebatang plastik dengan bulu binatang atau sebatang gelas dengan sutera, kita membuat batang menjadi "bermuatan" atau termuati. Jika percobaan diulangi dengan berbagai macam material, kita temukan bahwa semua benda-benda bermuatan dapat diklasifikasikan menjadi dua golongan-yaitu benda-benda yang bermuatan seperti batang plastik yang digosok dengan bulu binatang dan benda-benda bermuatan seperti batang gelas yang digosok dengan sutera. Negarawan dan Ilmuwan besar Amerika Benjamin Franklin, mengusulkan suatu model untuk menjelaskan mengapa ini semua terjadi. Dia menyatakan bahwa secara normal setiap benda mempunyai sejumlah muatan listrik dan jika kedua benda digosok bersama, sebagian muatan-muatan ini akan berpindah dari benda yang satu ke benda yang lainnya. Hal ini mengakibatkan salah satu benda menjadi kelebihan muatan dan benda lainnya kekurangan muatan dalam jumlah yang sama. Franklin menggambarkan muatan-muatan yang dihasilkan dengan tanda positif (+) dan negatif (-).
Franklin memilih jenis muatan yang diterima oleh batang gelas yang digosok dengan sutera sebagai muatan positif, sehingga dapat diartikan bahwa potongan sutera menerima muatan negatif dalam jumlah yang sama. Selanjutnya, atas dasar perjanjian Franklin, plastik yang digosok dengan bulu binatang menerima muatan negatif dan bulu binatang menerima muatan positif yang sama besarnya. Seperti yang dapat diamati dari percobaan, jika dua benda yang keduanya bermuatan positif, atau keduanya bermuatan negatif akan tolak menolak dan dua benda yang membawa muatan berlawanan jenis akan saling tarik menarik.

Kita telah mengetahui bahwa materi terdiri atas atom-atom yang bersifat netral secara kelistrikan. Setiap atom mempunyai suatu inti kecil yang padat yang terdiri dari proton yang bermuatan positif dan neutron yang tidak bermuatan. Jumlah proton di dalam suatu inti sama dengan nomor atom Z dari inti tersebut. Di sekitar inti ada sejumlah elektron bermuatan negatif yang sama banyaknya. Elektron dan proton merupakan partikel yang sangat berbeda. Proton memiliki massa 2000 kali massa elektron. Tetapi muatan proton dan elektron sama besar dan berlawanan tanda. Proton pembawan muatan positif, sedangkan elektron pembawan muatan negatif.

Ketika benda-benda berada dalam keadaan saling bergesekan, seperti ketika keduanya digosokkan satu sama lain, elektron-elektron berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Satu benda mengalami kelebihan sejumlah elektron sehingga menjadi bermuatan negatif dan benda lainnya mengalami kekurangan elektron sehingga bermuatan positif. Dalam proses ini, muatan tidak diciptakan, tetapi hanya mengalami perpindahan. Muatan total dari kedua benda tidak berubah. Dalam hal ini, muatan bersifat kekal. Hukum Kekekalan Muatan merupakan suatu hukum dasar dari alam. Pada interaksi-interaksi tertentu antara partikel-partikel dasar (partikel elementer), partikel bermuatan seperti elektron akan diciptakan atau dianihilasi.

Dalam sistem SI, satuan muatan adalah Coulomb, yang diartikan dalam bentuk arus listrik, Ampere. Ampere merupakan satuan arus yang digunakan sehari-hari dalam pekerjaan yang berhubungan dengan listrik. Coulomb adalah jumlah muatan yang mengalir melalui suatu penampang kawat dalam waktu satu detik bila besarnya arus dalam kawat adalah satu ampere.