Induksi elektrostatis

Induksi elektrostatis merupakan proses pemindahan muatan suatu benda akibat benda lain yang bermuatan listrik yang berada didekatnya.^[1] Karena terdapat benda bermuatan, suatu konduktor netral terjadi proses pengutuban muatan yang dimana salah satu ujung bermuatan positif, ujung lainnya bermuatan negatif.^[1] Induksi elektrostatik pertama kali diamati oleh ilmuwan Inggris John Canton pada tahun 1753 dan profesor dari Swedia Johan Carl Wilcke pada tahun 1762.^[2] Generator elektrostatis seperti mesin Wimshurst, generator Van de Graaff, dan elektroforus, menggunakan prinsip induksi elektrostatis ini. Karena adanya proses induksi menyebabkan potensial elektrostatik (tegangan) bernilai konstan untuk setiap titik di seluruh penghantar (konduktor).^[3] Induksi elektrostatis juga dapat menimbulkan daya tarik benda nonkonduktif ringan seperti balon, kertas, atau potongan styrofoam, dan menyebabkan benda-benda tersebut bermuatan. Hukum induksi elektrostatis berlaku secara dinamis sejauh pendekatan kuasistatik dapat diterapkan. Induksi elektrostatis berbeda dengan induksi elektromagnetis.

Penjelasan

Demonstrasi induksi, pada tahun 1870-an. Terminal positif dari mesin elektrostatis (kanan) ditempatkan di dekat silinder kuningan yang tidak bermuatan (kiri), menyebabkan ujung kiri memperoleh muatan positif dan ujung kanan memperoleh muatan negatif. Elektroskop bola empulur kecil yang tergantung dari bawah menunjukkan bahwa muatan terkonsentrasi di ujungnya.

Butiran styrofoam menempel di bulu kucing. Listrik statis yang menumpuk di bulu menyebabkan polarisasi molekul styrofoam karena induksi elektrostatis yang mengakibatkan styrofoam menempel di bulu kucing.

Sebuah benda netral tanpa muatan sebetulnya memiliki jumlah muatan listrik positif dan muatan listrik negatif yang sama dan tersebar di setiap bagian, terletak berdekatan sehingga muatan listrik bersih sama dengan nol. Muatan listrik positif berada pada inti atom yang terikat pada struktur atom dan tidak dapat bergerak bebas. Muatan listrik negatif yaitu elektron pada atom. Elektron dapat bergerak bebas pada benda-benda yang dapat menghantarkan listrik (konduktor).

Ketika sebuah benda berisi muatan listrik didekatkan dengan benda tidak bermuatan seperti sepotong logam, maka akan terjadi induksi yang dijelaskan oleh hukum Coulomb yang menyebabkan pemisahan muatan internal pada benda tidak bermuatan tadi. Misalnya, jika muatan positif didekatkan ke benda (lihat gambar elektroda silinder di dekat mesin elektrostatik), elektron dalam logam akan tertarik ke arahnya dan bergerak ke sisi benda yang menghadapnya. Ketika elektron bergerak keluar dari suatu daerah, muatan positif tertinggal dan menyebabkan muatan total pada atom menjadi tidak seimbang sehingga mengakibatkan atom tersebut bermuatan positif. Ini menghasilkan daerah muatan negatif pada benda yang paling dekat dengan muatan luar, dan daerah muatan positif pada bagian yang jauh darinya. Ini disebut muatan induksi. Jika muatan eksternal negatif, polaritas daerah bermuatan akan dibalik.

Karena proses ini hanyalah berupa penyusunan muatan yang sudah ada di benda, proses ini tidak mengubah total muatan yang ada dalam benda, hanya terjadi proses polarisasi. Efek induksi ini reversibel; jika muatan di dekatnya dihilangkan, gaya tarik-menarik antara muatan internal positif dan negatif menyebabkan benda menjadi netral kembali.

Penginduksian muatan

Menggunakan elektroskop untuk menunjukkan adanya induksi elektrostatis. Elektroskop memiliki daun/jarum yang menjadi muatan saat batang bermuatan didekatkan.

Induksi elektrostatis juga dapat digunakan untuk menempatkan muatan bersih pada suatu objek. Jika, ketika dekat dengan muatan positif, benda di atas terhubung sesaat melalui jalur konduktif ke tanah listrik, yang merupakan reservoir besar muatan positif dan negatif, beberapa muatan negatif di tanah akan mengalir ke objek, di bawah tarikan muatan positif di dekatnya. Ketika kontak dengan tanah terputus, objek dibiarkan dengan muatan negatif bersih.

Metode ini dapat didemonstrasikan dengan menggunakan elektroskop yang merupakan alat untuk mendeteksi muatan listrik. Elektroskop dilepaskan lalu benda bermuatan didekatkan ke terminal atas instrumen. Induksi menyebabkan pengutuban muatan di dalam batang logam elektroskop, sehingga terminal atas terkumpul muatan yang berlawanan dengan muatan pada ujung benda bermuatan, sedangkan daun elektroskop mendapatkan muatan dengan polaritas yang sama. Karena kedua daun elektroskop memiliki muatan yang sama, maka kedua daun akan membuka karena adanya tolak menolaak karena terisi muatan yang sama. Elektroskop yang pada awalnya netral tidak ada perpindahan muatan dari dan keluar elektroskop, ketika benda bermuatan dipindahkan dari elektroskop, daun-daun elektroskop akan bersatu kembali.

Tetapi jika terdapat kontak listrik singkat antara terminal elektroskop dan tanah (ground), misalnya dengan menyentuh terminal dengan jari, hal ini menyebabkan muatan mengalir dari ground ke terminal karena ditarik oleh muatan pada objek yang dekat dengan terminal. Muatan ini menetralkan muatan di daun elektroskop, sehingga daun-daun itu bersatu kembali. Elektroskop sekarang berisi muatan bersih yang polaritasnya berlawanan dengan muatan objek. Ketika kontak listrik ke ground terputus misalnya ketika jari di angkat, muatan tambahan yang baru saja mengalir ke dalam elektroskop tidak dapat lepas, dan instrumen menahan muatan bersih. Muatan ditahan di bagian atas terminal elektroskop oleh daya tarik muatan penginduksi. Tetapi ketika muatan penginduksi dipindahkan, muatan dilepaskan dan menyebar ke seluruh terminal elektroskop ke daun, sehingga daun elektroskop membuka lagi.

Tanda muatan yang tertinggal pada elektroskop setelah penetralan dengan tanah selalu berlawanan tanda dengan muatan penginduksi eksternal.^[4] Dua aturan dalam induksi elektrostatis adalah:^[4]^[5]

Jika benda tidak dibumikan, muatan yang berdekatan akan menginduksi muatan yang sama besar dan berlawanan arah pada benda tersebut.
ika ada bagian dari objek yang ditanahkan untuk sementara saat muatan penginduksi berada didekatnya, muatan yang berlawanan polaritas dengan muatan penginduksi akan ditarik dari tanah ke dalam objek, dan akan ditinggalkan dengan muatan yang berlawanan dengan muatan penginduksi.

Medan elektrostatis di dalam penghantar bernilai nol

Pertanyaan yang tersisa adalah seberapa besar muatan induksi. Pergerakan muatan disebabkan oleh gaya yang diberikan pada muatan oleh medan listrik pada objek luar bermuatan yang dijelaskan oleh hukum Coulomb. Saat muatan dalam benda logam terus terpisah, daerah positif dan negatif yang dihasilkan menciptakan medan listriknya sendiri, yang melawan medan muatan eksternal.^[3] Proses ini berlanjut sangat cepat (dalam sepersekian detik) hingga tercapai keseimbangan di mana muatan induksi memiliki ukuran dan bentuk yang tepat untuk menghilangkan medan listrik eksternal di seluruh bagian dalam logam penghantar.^[3]^[6] Kemudian muatan bergerak yang tersisa (elektron) di bagian dalam logam tidak lagi merasakan gaya dan resultan gerak muatan sama dengan nol dan gerak muatan terhenti.^[3]

Muatan induksi pada permukaan benda

Karena muatan bergerak (elektron) di bagian dalam benda logam bebas bergerak ke segala arah, tidak akan pernah ada konsentrasi muatan statis di dalam logam; jika ada, akan tersebar dengan cepat karena saling tolak-menolak.^[3] Oleh karena itu dalam induksi, muatan yang dapat bergerak (elektron) berpindah dalam penghantar karena adanya muatan listrik eksternal sedemikian rupa sehingga netralitas penghantar tetap terjaga; dibagian manapun pada penghantar, elektron menyeimbangkan netralitas penghantar. Elektron bergerak ke permukaan benda dan terkumpul di sana tanpa bisa berpindah karena adanya batas.^[3] Permukaan benda merupakan satu-satunya tempat dimana muatan listrik bersih berada.

Hal ini mendasari prinsip bahwa muatan elektrostatik pada penghantar konduktif berada di permukaan penghantar.^[3]^[6] Medan listrik eksternal menginduksi muatan di permukaan penghantar yang secara tepat menghilangkan medan listrik di dalamnya.^[3]

Tegangan di seluruh penghantar adalah konstan

Tegangan atau potensial elektrostatik antara dua titik didefinisikan sebagai energi (usaha) yang diperlukan untuk memindahkan muatan kecil melalui medan listrik antara dua titik, dibagi dengan ukuran muatan. Jika terdapat medan listrik dari titik $\mathbf {b}$ ke titik $\mathbf {a}$ maka akan memberikan gaya pada muatan listrik yang bergerak dari titik $\mathbf {a}$ ke titik $\mathbf {b}$ . Harus ada usaha atau gaya luar yang diberikan pada muatan agar berpindah dari titik $\mathbf {b}$ melawan gaya yang ditimbulkan oleh medan listrik sehingga energi potensial elektrostatis pada muatan menjadi meningkat. Dari uraian tersebut, potensial di titik $\mathbf {b}$ lebih tinggi dibandingkan potensial di titik $\mathbf {a}$ . Medan listrik E(x) pada setiap titik x merupakan gradien (rerata perubahan) dari potensial elektrostatis $V(\mathbf {x} )$ :

\nabla V=\mathbf {E} \,

Karena tidak ada medan listrik di dalam penghantar untuk mengerahkan gaya pada muatan $(\mathbf {E} =0)\,$ didalam penghantar, gradien dari potensial elektrostatis adalah nol.^[3]

\nabla V=\mathbf {0} \,

Dalam elektrostatis, adanya induksi elektrostatis membuat potensial (tegangan) di seluruh penghantar adalah konstan.

Induksi elektrostatis pada bahan dielektrik

Potongan kertas tertarik oleh Piringan Bermuatan

Efek induksi juga dapat terjadi pada benda nonkonduktif (dielektrik), yang menyebabkan benda dapat menarik benda kecil nonkonduktif ringan seperti balon, potongan kertas atau styrofoam oleh adanya muatan listrik statis.^[7]^[8]^[9]^[10] (lihat kucing, di atas) serta pakaian yang kadang menjadi lengket.

Pada kasus penghantar nonkonduktor, elektron terikat pada atom atau molekul dan tidak bebas bergerak di sekitar objek seperti pada konduktor; namun elektron tersebut dapat bergerak sedikit di dalam molekul. Jika muatan positif didekatkan dengan benda nonkonduktif, elektron di setiap molekul tertarik ke arahnya, dan bergerak ke sisi molekul yang menghadap muatan, sedangkan inti positif tersisa bergerak sedikit ke sisi yang berlawanan dari molekul. Karena muatan negatif sekarang lebih dekat ke muatan eksternal daripada muatan positif, daya tariknya lebih besar daripada tolak-menolak muatan positif dan menghasilkan gaya tarik bersih kecil molekul ke arah muatan. Efek ini terjadi mikroskopis tetapi karena ada begitu banyak molekul sehingga cukup kuat untuk menggerakkan benda ringan seperti styrofoam.

Perubahan distribusi muatan dalam penghantar karena medan listrik eksternal disebut polarisasi terinduksi,^[7] dan molekul terpolarisasi ini disebut dipol (berbeda dengan molekul polar), yang memiliki ujung positif dan negatif karena strukturnya, bahkan tanpa adanya muatan eksternal. Prinsip inilah yang mendasari cara kerja elektroskop bola empulur.^[11]

Bacaan lebih lanjut

^ ^a ^b "Electrostatic induction". Britannica.com Online. Britannica.com Inc. 2008. Diakses tanggal 2008-06-25.
^ Fleming, John Ambrose (1911). "Electricity". Dalam Chisholm, Hugh. Encyclopædia Britannica. 9 (edisi ke-11). Cambridge University Press. hlm. 179–193; see page 181, second para, three lines from end. ... the Swede, Johann Karl Wilcke (1732–1796), then resident in Germany, who in 1762 published an account of experiments in which....
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. hlm. 127–128. ISBN 978-1107014022.
^ ^a ^b Cope, Thomas A. Darlington. Physics. Library of Alexandria. ISBN 1465543724.
^ Hadley, Harry Edwin (1899). Magnetism & Electricity for Beginners. Macmillan & Company. hlm. 182.
^ ^a ^b Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, magnetism, and light. US: Academic Press. hlm. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.
^ ^a ^b Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Matter and Interactions (edisi ke-3rd). USA: John Wiley and Sons. hlm. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
^ Paul E. Tippens, Electric Charge and Electric Force, Powerpoint presentation, p.27-28, 2009, S. Polytechnic State Univ. Diarsipkan April 19, 2012, di Wayback Machine. on DocStoc.com website
^ Henderson, Tom (2011). "Charge and Charge Interactions". Static Electricity, Lesson 1. The Physics Classroom. Diakses tanggal 2012-01-01.
^ Winn, Will (2010). Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Light. USA: Author House. hlm. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3.
^ Kaplan MCAT Physics 2010-2011. USA: famous Publishing. 2009. hlm. 329. ISBN 978-1-4277-9875-6. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2014-01-31.

Pranala luar

Media tentang Electrostatic induction di Wikimedia Commons
"Charging by electrostatic induction". Regents exam prep center. Oswego City School District. 1999. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2008-08-28. Diakses tanggal 2008-06-25.

[BritannicaOnline-1] "Electrostatic induction". Britannica.com Online. Britannica.com Inc. 2008. Diakses tanggal 2008-06-25.

[Britannica-2] Fleming, John Ambrose (1911). "Electricity". Dalam Chisholm, Hugh. Encyclopædia Britannica. 9 (edisi ke-11). Cambridge University Press. hlm. 179–193; see page 181, second para, three lines from end. ... the Swede, Johann Karl Wilcke (1732–1796), then resident in Germany, who in 1762 published an account of experiments in which....

[Purcell-3] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). Electricity and Magnetism. Cambridge Univ. Press. hlm. 127–128. ISBN 978-1107014022.

[Cope-4] Cope, Thomas A. Darlington. Physics. Library of Alexandria. ISBN 1465543724.

[Hadley-5] Hadley, Harry Edwin (1899). Magnetism & Electricity for Beginners. Macmillan & Company. hlm. 182.

[Saslow-6] Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, magnetism, and light. US: Academic Press. hlm. 159–161. ISBN 0-12-619455-6.

[Sherwood-7] Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Matter and Interactions (edisi ke-3rd). USA: John Wiley and Sons. hlm. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.

[Tippens-8] Paul E. Tippens, Electric Charge and Electric Force, Powerpoint presentation, p.27-28, 2009, S. Polytechnic State Univ. Diarsipkan April 19, 2012, di Wayback Machine. on DocStoc.com website

[Henderson-9] Henderson, Tom (2011). "Charge and Charge Interactions". Static Electricity, Lesson 1. The Physics Classroom. Diakses tanggal 2012-01-01.

[Winn-10] Winn, Will (2010). Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Light. USA: Author House. hlm. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3.

[Kaplan-11] Kaplan MCAT Physics 2010-2011. USA: famous Publishing. 2009. hlm. 329. ISBN 978-1-4277-9875-6. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2014-01-31.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]