Muatan Listrik: Pengertian, Rumus, Sifat, Jenis (Contoh Soal)

Daftar Isi

Muatan listrik adalah istilah yang diberikan pada partikel atom yaitu partikel proton dan elektron. Proton bermuatan positif, sedangkan elektron bermuatan negatif.

Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali akan membahas tentang segala hal yang berkaitan dengan muatan listrik.

Sebagaimana yang dipahami, konsep tentang muatan merupakan konsep paling dasar dalam kelistrikan. Semua gejala kelistrikan berasal dari muatan listrik.

Masih ingat tidak materi sebelumnya tentang gaya Coulomb? Nah, gaya Coulomb ini merupakan gaya yang disebabkan oleh partikel-partikel bermuatan listrik.

Lantas, seperti apa sih hakikat muatan listrik itu? Bagaimana bentuk rumusnya? Semuanya akan kita bahas dalam materi ini, lengkap dengan sifat, jenis, contoh soal dan jawabannya.

Baiklah, kita mulai saja penjelasannya...

Daftar Isi

• 1Pengertian Muatan Listrik
• 2Simbol dan Satuan Muatan Listrik
• 3Rumus Muatan Listrik
• 4Jenis Muatan Listrik
• 5Sifat Muatan Listrik
• 6Contoh Soal Muatan Listrik
• 7Kesimpulan

Pengertian Muatan Listrik

Apa yang dimaksud dengan muatan listrik? Pada dasarnya, muatan listrik adalah istilah yang diberikan pada partikel atom yaitu partikel proton dan elektron.

Proton merupakan partikel atom bermuatan positif, sedangkan elektron merupakan partikel atom bermuatan negatif. Perhatikan gambar atom berikut ini!

 

 

Semua unsur tersusun oleh satu jenis atom-atom. Atom itu sendiri disusun oleh partikel-partikel lebih kecil yang disebut partikel subatom, yaitu proton, neutron, dan elektron.

Proton dan neutron terletak di dalam inti atom (nukleus), di luarnya terdapat elektron yang berputar mengelilingi inti.

Proton dan elektron memiliki besar yang sama, tetapi jenis muatan yang berbeda. Sementara neutron, merupakan partikel yang tidak memiliki muatan. 

Muatan proton sebesar +1,6 x 10^-19 C, sedangkan muatan elektron sebesar -1,6 x 10^-19 C. 

Simbol dan Satuan Muatan Listrik

Dalam fisika, besaran muatan listrik disimbolkan dengan Q atau q dengan satuan dalam SI adalah Coulumb (C), yang diambil dari nama fisikawan Prancis Charles Augustin de Coulomb.

 

Muatan listrik merupakan besaran turunan. Selain itu, muatan listrik adalah besaran skalar sehingga untuk menyatakannya cukup dengan nilai atau angka saja beserta satuannya.

Rumus Muatan Listrik

Besar muatan listrik sebuah benda dihitung berdasarkan jumlah elektron yang terkandung di dalam benda tersebut, dirumuskan:

Q = n . e

Keterangan:

• Q = muatan listrik (C)
• n = jumlah elektron 
• e = muatan elektron (C)

Muatan listrik secara individual tidak dapat dilihat, ditimbang, ataupun didefinisikan. 

 

Muatan listrik hanya dapat dirasakan efeknya. Ibarat angin, tidak dapat dilihat, tetapi efeknya dapat diamati dan dirasakan.

 

Olehnya itu, kita juga dapat menghitung besar muatan listrik berdasarkan efek yang ditimbulkannya. Salah satu dari efek tersebut adalah gaya listrik atau gaya Coulomb. 

Gaya Coulomb adalah gaya tarik-menarik atau tolak menolak di antara partikel-partikel bermuatan listrik, dirumuskan dengan persamaan matematis:

F = k . ^Q₁.Q₂/_r²

Keterangan:

• F = gaya Coulomb (N)
• Q₁, Q₂ = muatan setiap partikel (C)
• r = jarak antara kedua muatan (m)
• k = konstanta Coulomb 9 x 10⁹ (^N/_m²C²)

Dari rumus di atas, rumus muatan listrik bisa dituliskan dengan persamaan matematis:

Q₁ . Q₂ = ^{F . r2}/_k

Jenis Muatan Listrik

Sebagaimana yang dijelaskan di atas, muatan listrik ada dua macam, yaitu muatan listrik positif dan muatan listrik negatif.

 

Benjamin Franklin menentukan jenis muatan ini berdasarkan eksperimen penggosokan batang kaca dan plastik dengan kain.

 

Sebuah batang kaca digantungkan dengan tali dan digosok keras dengan kain untuk membuatnya bermuatan. 

 

Ketika batang kaca kedua, yang juga telah dimuati dengan cara yang sama, didekatkan ke yang pertama, terlihat bahwa satu batang kaca menolak yang lainnya. 

Dengan cara yang sama, jika sebuah penggaris plastik yang telah digosok didekatkan dengan penggaris plastik lain yang bermuatan, kembali tampak adanya gaya tolak-menolak.

Tetapi, pada saat batang kaca yang bermuatan didekatkan dengan plastik bermuatan, maka keduanya saling menarik. Berarti, muatan pada kaca pasti berbeda dengan muatan pada plastik.

Berdasarkan eksperimen ini, Benjamin Franklin berkesimpulan bahwa ada dua jenis muatan listrik. 

 

Ia kemudian menetapkan batang kaca yang digosok dengan kain bermuatan positif, sedangkan plastik yang digosok dengan kain bermuatan negatif. 

Sifat Muatan Listrik

Pada percobaan diperoleh bahwa batang kaca yang didekati batang kaca yang lain akan tolak-menolak, sama dengan plastik dan plastik yang lain. Namun, ketika batang kaca didekati dengan plastik akan tarik-menarik. 

Dengan demikian, muatan yang sama (kaca-kaca, plastik-plastik) apabila berdekatan akan saling menolak, sedangkan muatan yang tidak sama (kaca-plastik) akan saling menarik.

Jadi, dapat disimpulkan bahwa sifat muatan listrik ada dua macam, yaitu tarik-menarik dan tolak menolak.

Jika muatan positif bertemu dengan muatan positif lainnya (atau negatif dengan negatif), maka akan saling tolak-menolak. 

 

 

Tetapi, ketika muatan positif bertemu dengan muatan negatif, maka akan saling tarik-menarik. 

 

Contoh Soal Muatan Listrik

Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang muatan listrik: 

Contoh Soal 1

Dua buah muatan masing-masing 20 μC dan 24 μC terpisah pada jarak 12 cm. Hitunglah besar gaya tolak-menolak yang bekerja pada muatan tersebut. 

Jawab:

Diketahui:

• q₁ = 20 μC = 20 x 10^-6 C
  
• q₂ = 24 μC = 24 x 10^-6 C
• r = 12 cm = 0,12 m = 12 x 10^-2 m 
• k = 9 x 10^{9 N}/_m²C²

Ditanyakan:

• F....?

Penyelesaian:

 

F = k . ^q₁.q₂/_r²

   = 9 x 10⁹ . ^{20 x 10-6. 24 x 10-6}/_{(12 x 10^-2)²}

   = ^4,32/_{144 x 10^-4}

   = 300 N

 

Jadi, besar gaya tolak-menolak antara kedua muatan tersebut adalah 300 N.

Contoh Soal 2

Tiga buah muatan masing-masing q₁ = 10 μC, q₂ = 20 μC, dan q₃ = -30 μC, ditempatkan pada titik-titik sudut segitiga sama sisi yang panjang sisinya 40 cm. Berapa besar gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q₁.

Jawab: 

Diketahui:

• q₁ = 10 μC = 10 x 10^-6 C
  
• q₂ = 20 μC = 20 x 10^-6 C
• q₃ = -30 μC = -30 x 10^-6 C 
• r = 40 cm = 40 x 10^-2 m 
• k = 9 x 10^{9 N}/_m²C²

Ditanyakan:

• F₁....?

Penyelesaian:

 

Besarnya gaya antara q₁ dan q₂ adalah F₁₂ (gaya tolak): 

F₁₂ = k . ^q₁.q₂/_r²

      = 9 x 10⁹ . ^{10 x 10-6. 20 x 10-6}/_{(40 x 10^-2)²}

      = ^1,8/_{1.600 x 10^-4}

      = 11,25 N

 

Besarnya gaya antara q₁ dan q₃ adalah F₁₃ (gaya tarik):

 

F₁₃ = k . ^q₁.q₃/_r²

      = 9 x 10⁹ . ^{10 x 10-6. 30 x 10-6}/_{(40 x 10^-2)²}

      = ^2,7/_{1.600 x 10^-4}

      = 16,9 N

 

Besar gaya F₁ adalah: 

 

Jadi, besar gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q₁ adalah 25,54 N.

Kesimpulan 

Jadi, muatan listrik adalah istilah yang diberikan pada partikel atom yaitu partikel proton dan elektron. Proton bermuatan positif, sedangkan elektron bermuatan negatif. 

 

Gimana adik-adik, udah paham kan materi muatan listrik di atas? Jangan lupa lagi yah.

 

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.

 

Referensi:

• Tajudin. 2007. Mudah Menguasai Fisika SMP Kelas 3. Jakarta: Kawan Pustaka.
• Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika/Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga.