Aplikasi Elektrostatika

Aplikasi Elektrostatika. Aplikasi praktis dari elektrostatika dapat ditemukan pada alat seperti lightening rods dan electrostatic precipitator serta pada proses xerografi dan pengecatan mobil. Peralatan lain yang dibuat berdasarkan prinsip elektrostatika adalah generator elektrostatik, mikroskop medan-ion, dan mesin roket yang dikendalikan oleh ion.

Generator Van de Graaff

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa jika sebuah konduktor bermuatan disentuhkan dengan konduktor berongga, maka semua muatan dari konduktor bermuatan tersebut dipindahkan ke konduktor berongga. Secara prinsip, muatan pada konduktor berongga dan potensial listriknya dapat ditingkatkan tanpa batas dengan mengulang-ulang proses tersebut tadi.

Pada tahun 1929 Robert J. Van de Graff (1901-1967) menggunakan prinsip tersebut untuk merancang dan membuat sebuah generator elektrostatik. Jenis generator ini banyak digunakan pada penelitian fisika nuklir. Berikut ini adalah skema generator Van de Graaff.

Muatan listrik dibawa secara terus-menerus menuju elektroda berpotensial tinggi melalui sabuk isolator yang bergerak. Elektroda berpotensial tinggi tersebut merupakan lengkungan logam berongga yang dipasang pada kolom isolator. Sabuk diberi muatan pada titik A dan dilewatkan di antara jarum logam yang berbentuk sisir dan sebuah kisi yang ditanahkan. Jarum-jarum tersebut dipasang pada tegangan positif 10⁴ volt. Muatan positif pada sabuk yang bergerak dipindahkan ke lengkungan logam oleh sisir jarum pada titik B. Oleh karena medan listrik di dalam lengkungan dapat diabaikan, muatan positif pada sabuk dpat dengan mudah dipindahkan ke konduktor tanpa mempertimbangkan potensialnya. Secara praktis, potensial listrik pada lengkungan logam dapat ditingkatkan hingga terjadinya penghilangan muatan melalui udara. Karena batas medan listrik di udara sekitar 3 x 10⁶ V/m, maka potensial pada suatu daerah dengan radius 1 m dapat ditingkatkan mencapai maksimum 3 x 10⁶ V/m. Potensial ini dapat lebih ditingkatkan lagi dengan menambah radius lengkungan logam dan dengan menempatkan semua sistem di dalam sebuah wadah yang diisi dengan gas bertekanan tinggi.

Generator Van de Graaff dapat menghasilkan beda potensial sebesar 20 juta volt. Proton-proton yang dipercepat melalui beda potensial sebesar ini akan menerima energi yang cukup untuk memicu reaksi nuklir antara proton-proton tersebut dan berbagai sasaran inti nuklir yang lain.

Generator yang lebih kecil biasanya digunakan di kelas dan museum. Jika seseorang yang terisolasi dari tanah menyentuh bola pada generator Van de Graaff, badannya dapat diangkat pada potensial listrik yang tinggi. Rambut akan menerima muatan positif, dan setiap helai rambut akan tolak menolak.

The Electrostatic Precipitator, (Pengendap Elektrostika ?)

Salah satu aplikasi penting dari pelepasan muatan dalam gas adalah electrostatic precipitator . Alat ini menghilangkan material tertentu dari pembakaran gas, sehingga dapat mengurangi polusi udara. Alat ini secara khusus digunakan di daerah yang menggunakan bahan bakar minyak dan industri-industri yang menimbulkan banyak asap. Sistem terbaru dari alat ini mampu menghilangkan lebih dari 99% abu dari asap.

Beda potensial yang tinggi (sekitar 40 – 100 kV) dipasang di antara seutas kawat yang membentang ke bawah melalui pusat dan dinding pipa yang ditanahkan. Kawat tersebut dipasang pada potensial listrik negatif terhadap dinding pipa sehingga medan listriknya mengarah ke kawat. Besar medan listrik di dekat kawat menjadi cukup tinggi untuk menimbulkan daerah tak bermuatan di sekitar kawat; udara di dekat kawat mengandung ion positif, elektron, dan, dan ion negatif seperti O₂^-. Udara yang akan dibersihkan memasuki pipa dan bergerak di dekat kawat. Ketika elektron dan ion negatif yang terbentuk mengalami percepatan menuju dinding luar karena adanya medan listrik, maka partikel-partikel kotor yang ada di udara tersebut menjadi bermuatan melalui tumbukan dan penangkapan ion. Oleh karena sebagian besar partikel kotor tersebut bermuatan negatif, maka partikel-partikel tersebut juga ditarik ke dinding pipa oleh medan listrik. Ketika pipa digerak-gerakan secara periodik, partikel-partikel kotor tersebut jatuh dan berkumpul di dasar pipa. Sebagai tambahan untuk mengurangi jumlah butiran material di atmosfir, electrostatic precipitator memulihkan kembali material-material berharga dalam bentuk oksida logam.

Xerografi dan Printer Laser

Ide dasar dari xerografi dikembangkan oleh Chester Carlson, yang memperoleh hak paten untuk xerografi pada tahun 1940. Bagian unik dari proses ini adalah penggunaan bahan fotokonduksi untuk menghasilkan gambar. (Fotokonduktor adalah bahan yang bersifat konduktor lemah dalam keadaan gelap tetapi dapat menjadi konduktor yang baik jika dikenai cahaya).

Proses xerografi digambarkan seperti berikut ini.

 
 

Pertama-tama, permukaan plat atau drum yang telah dilapisi film tipis dari bahan fotokonduksi (biasanya selenium atau senyawa selenium) diberi muatan positif statis dalam keadaan gelap. Bayangan dari halaman yang akan dikopi kemudian difokuskan oleh sebuah lensa ke atas permukaan drum tersebut. Permukaan fotokonduksi hanya bersifat konduktif pada daerah yang dikenai cahaya. Pada daerah ini, cahaya menghasilkan pembawa muatan dalam fotokonduktor yang memindahkan muatan positif dari drum. Muatan positif yang tinggal di daerah fotokonduktor yang tidak dikenai cahaya, akan membentuk bayangan benda berupa distribusi muatan positif.

Selanjutnya, serbuk bermuatan negatif yang disebut toner (tinta bubuk) disapukan pada permukaan fotokonduksi. Tinta tersebut hanya menyatu dengan daerah bayangan yang berisi muatan positif. Pada titik tersebut, bayangan menjadi terlihat. Tinta (bayangan) kemudian dipindahkan permukaan kertas yang bermuatan positif. Tinta sepenuhnya akan pindah ke kertas karena meleleh setelah melewati  rol bersuhu tinggi dan membentuk salinan.

Printer laser bekerja dengan prinsip yang sama, kecuali penggunaan berkas laser yang diarahkan dengan komputer sebagai pengganti lensa untuk menyinari bahan fotokonduktor.