MEDAN LISTRIK: Pengisian Muatan Objek dengan Cara Induksi

23.2 Pengisian Muatan Objek dengan Cara Induksi

Hal ini mudah untuk mengklasifikasikan bahan-bahan dalam hal kemampuan elektron untuk bergerak melalui materi:

Konduktor listrik adalah bahan yang beberapa elektron merupakan electron bebas yang tidak terikat pada atom dan dapat bergerak relatif bebas pada materi, isolator listrik adalah bahan di mana semua elektron terikat pada atom dan tidak bisa bergerak bebas pada materi.

Bahan-bahan seperti kaca, karet, dan kayu kering termasuk ke dalam kategori isolator listrik. Ketika bahan tersebut mungkin dijadikan bermuatan dengan cara menggosok, hanya daerah yang digosok menjadi bermuatan dan partikel bermuatan tidak dapat pindah ke daerah lain dari materi tersebut.

Sebaliknya, bahan seperti tembaga, aluminium, dan perak adalah konduktor listrik yang baik. Ketika bahan tersebut bermuatan dalam beberapa wilayah kecil, muatan mudah berdistribusi sendiri ke seluruh permukaan material.

Semikonduktor adalah bahan kelas ketiga, dan sifat listriknya di suatu tempat antara isolator dan konduktor. Silikon dan germanium adalah contoh terkenal dari semikonduktor yang biasa digunakan dalam pembuatan berbagai chip elektronik yang digunakan dalam komputer, telepon seluler, dan sistem home theater. Sifat listrik dari semikonduktor dapat diubah sesuai perintah dengan penambahan sejumlah atom tertentu ke bahan.

Untuk memahami bagaimana untuk mengisi muatan konduktor dengan proses yang dikenal sebagai induksi, perhatikan neutral (tidak bermuatan) mengkonduksikan bola yang terisolasi dari tanah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 23.3a. Ada jumlah yang sama antara elektron dan proton dalam bola jika muatan pada bola adalah persis nol. Ketika batang karet bermuatan negatif didekatkan ke bola, elektron di wilayah terdekat dari batang mengalami gaya tolak dan bermigrasi ke sisi berlawanan dari bola. Migrasi ini meninggalkan sisi bola dekat batang dengan efektif muatan positif karena jumlah elektron berkurang seperti pada Gambar 23.3b. (Sisi kiri bola pada Gambar 23.3b bermuatan positif seolah-olah muatan positif pindah ke daerah ini, tapi ingat bahwa hanya elektron bebas yang bergerak.) Proses ini terjadi bahkan jika batang benar-benar menyentuh bola. Jika percobaan yang sama dilakukan dengan sebuah kawat terhubung dari bola ke Bumi (Gambar 23.3c), beberapa elektron dalam konduktor begitu kuat ditolak oleh kehadiran muatan negatif dalam batang yang mereka keluarkan dari bola melalui kawat ke Bumi. Simbol  pada ujung kawat pada Gambar 23.3c menunjukkan bahwa kawat yang terhubung ke tanah, yang berarti reservoir, seperti Bumi, yang dapat menerima atau menyediakan elektron bebas dengan efek yang dapat diabaikan pada karakteristik listriknya. Jika kawat ke tanah kemudian dihilangkan (Gambar 23.3d), bola konduksi mengandung kelebihan muatan positif induksi karena memiliki elektron lebih sedikit daripada yang diperlu untuk melepaskan muatan positif dari proton. Ketika batang karet akan diangkat dari sekitar bola (Gambar 23.3e), induksi muatan positif ini tetap pada bola yang tak dibumikan. Perhatikan bahwa batang karet tidak kehilangan satu pun dari muatan negatif selama proses ini.

Pengisian muatan sebuah objek dengan induksi tidak memerlukan kontak dengan obyek yang menginduksi muatan. Ini berbeda dengan pengisian muatan objek dengan menggosok (yaitu, dengan konduksi), yang memerlukan kontak antara dua benda.

Sebuah proses yang mirip dengan induksi dalam konduktor terjadi dalam isolator. Dalam kebanyakan molekul netral, pusat muatan positif bertepatan dengan pusat muatan negatif. Di hadapan objek bermuatan, namun, pusat-pusat dalam setiap molekul dalam isolator bisa berubah sedikit, sehingga muatan lebih positif pada salah satu sisi molekul dari pada sisi yang lain. Penataan kembali muatan dalam molekul individu menghasilkan lapisan muatan pada permukaan isolator seperti yang ditunjukkan pada Gambar 23.4a. Kedekatan muatan positif pada permukaan objek dan muatan negatif pada permukaan insulator menghasilkan gaya yang menarik antara objek dan isolator. Pengetahuan Anda tentang induksi dalam isolator akan membantu Anda menjelaskan mengapa batang bermuatan menarik potongan kertas netral seperti yang ditunjukkan pada Gambar 23.4b. (Serway, 2010: 660-661)