Muatan Bergerak : Hukum Kekekalan Muatan

Prev : Arus Listrik

Pada artikel sebelumnya kita telah membahas definisi dari arus listrik yang timbul akibat adanya perpindahan muatan dari satu titik ke titik lain. Pada dasarnya ketika suatu muatan berpindah, besar jumlah muatan dalam ruangan asal dan ruangan dimana muatan berpindah akan berubah secara terbalik satu sama lain. Perhatikan gambar berikut.

• 

Gambar di atas merupakan gambar ruangan sebelumnya yang disajikan dalam dua dimensi, dimana ruangan dengan muatan positif merupakan ruang A yang dikelilingi oleh ruangan bermuatan negatif di tiap sisinya. Perhatikan bahwa jika kita pindahkan beberapa muatan negatif dari ruang B, C, D, dan E ke ruangan A, maka besar muatan listrik di ruangan A akan berkurang.

Dengan kata lain, apabila banyaknya muatan yang dipindahkan ke ruangan A secara keseluruhan adalah -Δq, maka muatan dalam ruangan A yang besar awalnya adalah Q_Ai akan berubah menjadi Q_Af, dimana

Dari perspektif lain, jumlah muatan dalam ruangan B, C, D, dan E secara keseluruhan yang awalnya memiliki besar Q_BCDEi berubah menjadi Q_BCDEf, yaitu

Apabila kita gabungkan hubungan ini dengan yang sebelumnya, kita akan peroleh bahwa

Perhatikan bahwa dalam kasus ini, ketika muatan negatif berpindah ke ruangan A, maka muatan di dalam ruangan tersebut akan menjadi lebih negatif. Hal ini diungkapkan oleh ruas kanan dari Persamaan (3). Dalam waktu yang bersamaan, muatan dalam ruangan B, C, D, dan E yang merupakan asal dari muatan yang berpindah tadi kehilangan beberapa muatan negatifnya dengan besar yang sama, sehingga ruangan tersebut menjadi lebih positif. Perhatikan bahwa tidak ada muatan yang menghilang atau muncul secara cuma-cuma dalam semua ruangan, namun hanya berpindah tempat saja. Ini disebut sebagai hukum kekekalan muatan, yang mengatakan bahwa muatan tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, namun hanya dapat berpindah tempat dari satu tempat ke tempat lain. Hukum kekekalan muatan juga berlaku apabila muatan positif dari A yang bergerak ke B, C, D, dan E, mengingat penjabaran matematisnya akan sama persis dengan contoh di atas.

Sekarang kita akan membahas kasus yang lebih rumit lagi, dimana ruangan A menerima muatan negatif -q₁ dari ruangan D dan memberi muatan positif q₂ ke ruangan E secara bersamaan.

Dalam kasus ini, kita akan mengamati yang terjadi dalam ruangan A. Pada dasarnya ruangan A mengalami pertambahan muatan -q₁ dan pengurangan muatan q₂. Dengan demikian, besar muatan di dalam ruangan A adalah

Seperti yang telah kita lihat, besar muatan di ruangan A ternyata mengalami pengurangan akibat masuknya –q₁ dan keluarnya q₂. Ini identik dengan apabila kasusnya adalah apabila ruangan A menerima muatan negatif sebesar –q₂.

Secara umum, apabila besar muatan yang masuk ke suatu ruangan adalah Q_in dan yang keluar dari ruangan tersebut adalah Q_out, maka besar muatan dalam ruangan tersebut yang awalnya adalah Q_i akan berubah menjadi Q_f, atau

Persamaan (4) ini merupakan ungkapan umum dari hukum kekekalan muatan. Apabila kita terapkan pada contoh pertama sebelumnya, tidak ada muatan yang keluar dari ruangan A, sehingga Q_out = 0, menyisakan nilai Q_in yang nilainya adalah -Δq.

Next : Hukum Arus Kirchhoff