Muatan Listrik dan Struktur Materi dan Sifat Muatan

Muatan Listrik dan Struktur Materi

Eksperimen pemberian muatan pada batang dengan menggosoknya dengan bulu atau sutra seperti yang telah disampaikan pada artikel sebelumnya, terlihat tidak ada perubahan pada tampilan batang. Lalu, apa yang sebenarnya terjadi pada batang saat proses eksperimen pemberian muatan itu? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita harus melihat lebih dekat pada struktur atom, bahan penyusun materi biasa.

Struktur atom dapat dideskripsikan sebagai gabungan dari tiga partikel, yaitu: elektron yang bermuatan negatif, proton yang bermuatan positif dan neutron yang tak bermuatan (Lihat Gambar 1).

Gambar 1. Struktur Atom

Proton dan neutron adalah gabungan dari entitas yang lain yang dinamakan quark, yang mempunyai muatan sebesar ± 1/3 dan ± 2/3 kali muatan elektron. Quark yang terisolasi belum diamati, dan ada alasan teoritis yang dipercayai bahwa pada prinsipnya tidak mungkin untuk mengamati sebuah quark yang diisolasi.

Proton dan neutron dalam sebuah atom membentuk sebuah teras (core) kecil yang sangat padat yang dinamakan inti (nukleus), dengan dimensi yang ordernya sebesar 10^-15 m. Elektron-elektron mengelilingi inti, yang membentang keluar mencapai jarak yang ordernya sebesar 10^-10 m dari inti itu. Seandainya sebuah atom berukuran beberapa kilometer maka intinya akan berukuran sebesar sebuah bola tenis. Elektron yang bermuatan negatif dipertahankan di dalam atom itu oleh gaya tarik listrik yang dikerahkan pada elektron itu oleh inti yang bermuatan positif. (Proton-proton dan neutron-neutron dipertahankan di dalam inti atom yang stabil oleh sebuah interaksi tarikan, yang dinamakan gaya inti atau gaya nuklir, yang mengatasi tolakan listrik dari proton-proton. Gaya nuklir itu mempunyai jangkauan yang pendek, yang ordernya sebesar dimensi inti, dan efeknya tidak membentang jauh diluar inti itu).

Massa masing-masing partikel, sampai ketelitian yang diketahui sekarang ini adalah

• Massa elektron = m_e = 9.10938215(45) x 10^-31 kg
• Massa proton = m_p = 1.672621637(83) x 10^-27 kg
• Massa neutron = m_n = 1.674927211(84) x 10^-27 kg

Bilangan dalam kurung adalah ketidakpastian dalam kedua angka terakhir. perhatikan bahwa massa proton dan massa neutron hampir sama dan secara kasarnya adalah 2000 kali massa elektron. Lebih 99,9% massa setiap atom terkonsentrasi di dalam intinya.

Muatan negatif elektron itu tepat mempunyai besar yang sama dengan muatan positif dari Proton. Dalam sebuah atom netral banyaknya elektron sama dengan banyaknya Proton dalam inti, dan muatan listrik netto (jumlah aljabar dari semua muatan) persis sama dengan nol (lihat Gambar 2a). Banyaknya Proton atau elektron dalam sebuah atom netral suatu unsur dinamakan nomor atom atau atomic number dari unsur itu. Jika satu atau lebih elektron dihilangkan, struktur muatan positif yang tertinggal dinamakan ion positif (Lihat Gambar 2b). Ion negatif adalah sebuah atom yang telah memperoleh satu atau lebih elektron (Lihat Gambar 2c). Perolehan atau kehilangan elektron dinamakan ionisasi atau ionization.

Gambar 2. (a) Sebuah atom netral memiliki elektron sebanyak proton. (b) Ion positif memiliki defisit elektron. (c) Ion negatif memiliki kelebihan elektron

Bila jumlah total Proton dalam sebuah benda makroskopik menyamai jumlah total elektron, maka muatan totalnya adalah nol dan benda itu secara keseluruhan netral secara listrik. Untuk membuat suatu benda memiliki kelebihan muatan negatif, kita dapat melakukannya baik dengan menambah muatan negatif pada sebuah benda netral maupun dengan menghilangkan muatan positif dari benda tersebut. Demikian juga, kita dapat menciptakan suatu kelebihan muatan positif baik dengan menambahkan muatan positif maupun menghilangkan muatan negatif. Dalam kebanyakan kasus, elektron yang bermuatan negatif (dan yang sangat mudah berpindah-pindah) ditambahkan atau dihilangkan dan sebuah benda yang bermuatan positif adalah benda yang telah kehilangan beberapa komplemen normal elektronnya. Bila kita berbicara mengenai muatan sebuah benda, kita selalu mengartikannya sebagai muatan nettonya. muatan itu selalu merupakan bagian yang sangat kecil (biasanya tidak lebih dari 10^-12) dari muatan positif atau muatan negatif total dalam benda itu.

Muatan Listrik Bersifat Kekal

Tersirat dalam pembahasan sebelumnya adalah dua prinsip yang sangat penting. Pertama adalah prinsip kekekalan muatan (principle of conservation of charge):

Jumlah aljabar dari semua muatan listrik dalam setiap sistem tertutup adalah konstan.

Jika kita menggosok bersama-sama sebuah batang plastik dan selembar bulu, yang pada mulanya keduanya tak bermuatan, batang itu mendapat sebuah muatan negatif (karena batang itu mengambil elektron dari bulu itu) dan bulu itu mendapat sebuah muatan positif yang besarnya sama (karena bulu itu selalu kehilangan elektron sebanyak elektron yang didapat oleh batang). Maka muatan listrik total pada kedua benda itu secara bersama-sama tidak berubah. Dalam setiap proses pemberian muatan, muatan tidak diciptakan atau tidak dihancurkan; muatan itu semata-mata hanya dipindahkan dari satu benda ke benda lain.

Kekekalan muatan diyakini sebagai hukum kekekalan universal, dan tidak ada bukti eksperimental yang melanggar prinsip ini. Bahkan dalam interaksi energi tinggi di mana partikel-partikel diciptakan dan dihancurkan, seperti penciptaan pasangan elektron positron muatan total dari setiap sistem tertutup secara eksak adalah konstan.

Prinsip penting yang kedua adalah bahwa:

Besarnya muatan elektron atau Proton adalah satuan alami muatan.

Setiap jumlah muatan listrik yang dapat diamati selalu merupakan kelipatan bulat dari satuan dasar ini. Kita mengatakan bahwa muatan adalah terkuantisasi. Contoh yang cukup dikenal mengenai kuantisasi adalah uang. bila anda membayar tunai sebuah barang dalam sebuah toko, Anda harus melakukannya dalam penambahan-penambahan 1 sen. uang tunai tidak dapat dibagi ke dalam jumlah yang lebih kecil dari 1 sen, dan muatan listrik tidak dapat dibagi ke dalam jumlah yang lebih kecil dari muatan dari satu elektron atau Proton (muatan quark ± 1/3 dan ± 2/3 dari muatan elektron, barangkali tak dapat diamati sebagai muatan yang terisolasi. Jadi muatan pada sebarang benda makroskopik selalu sama dengan nol dan atau sama dengan kelipatan bulat (negatif atau positif) dari muatan elektron.

 Sumber

Young, H.,D., dan Freedman, R.,A., 2007, University Physics 13^th edition, Pearson-Addison Wesley, New York.