Apa Itu Hukum Coulumb? Cara Mudah Belajar Gaya Coulumb/Gaya Listrik

Pengantar

Benda-benda yang bermuatan listrik tak sejenis akan tarik menarik, sebaliknya benda-benda yang bermuatan listrik sejenis akan tolak menolak. Faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara benda-benda yang bermuatan listrik ? Bagaimana menentukan besar gaya tarik atau gaya tolak antara benda-benda yang bermuatan listrik ? pertanyaan seperti ini mendorong fisikawan Perancis, Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806) untuk melakukan eksperimen pada tahun 1784. Hasil temuan om Charles diberi julukan hukum Coulomb dan diwariskan kepada kita saat ini.

Hukum Coulomb

Untuk mengetahui faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara benda-benda bermuatan listrik, om Charles melakukan eksperimen menggunakan neraca puntir. Alat ini mirip seperti yang digunakan om Cavendish ketika mengkaji gaya gravitasi.

Bedanya Cevendish menggunakan bola bermassa, sebaliknya Charles Coulomb menggunakan bola konduktor bermuatan listrik.  Ukuran bola konduktor bermuatan sangat kecil sehingga bisa dianggap sebagai muatan titik. Untuk membuat bola konduktor menjadi bermuatan listrik dan untuk memvariasikan besarnya muatan pada bola konduktor bermuatan listrik, Charles Coulomb menggunakan cara induksi.

Pemberian muatan listrik pada konduktor dengan cara induksi sudah dijelaskan pada pokok bahasan muatan induksi. Cara memvariasikan besarnya muatan listrik pada bola konduktor dilakukan seperti ini. Misalnya mula-mula terdapat sebuah bola konduktor yang bermuatan listrik. Agar muatan pada bola konduktor tersebut menjadi setengah dari muatannya mula-mula, maka bola konduktor tersebut disentuhkan dengan bola konduktor lainnya yang ukurannya sama. Ketika disentuhkan maka muatan akan terbagi merata pada kedua bola tersebut.

Pada mulanya Charles menyelidiki pengaruh besarnya muatan listrik yang dimiliki oleh bola konduktor bermuatan listrik terhadap besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara dua bola konduktor bermuatan listrik. Charles Coulomb menemukan bahwa besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara dua bola konduktor bermuatan, sebanding dengan muatan pada masing-masing bola konduktor tersebut.

Dalam hal ini, jika muatan pada sebuah bola konduktor ditambahkan menjadi 2 kali lipat maka besarnya gaya tarik atau gaya tolak juga bertambah menjadi dua kali lipat. Jika muatan pada kedua bola konduktor ditambahkan menjadi dua kali lipat maka besarnya gaya tarik atau gaya tolak bertambah menjadi empat kali lipat.

Coulomb menyimpulkan bahwa besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara dua bola konduktor bermuatan (dua muatan titik) sebanding dengan hasil kali antara besarnya muatan pada bola konduktor pertama dengan besarnya muatan pada bola konduktor kedua.  Secara matematis ditulis seperti ini :

Charles juga menyelidiki pengaruh jarak antara kedua bola konduktor bermuatan dengan besarnya gaya tarik atau gaya tolak. Charles menemukan bahwa jika jarak antara kedua bola konduktor bermuatan ditambahkan menjadi dua kali lipat (jarak digandakan) maka besarnya gaya tarik atau gaya tolak berkurang menjadi ¼ dibandingkan dengan besarnya gaya mula-mula, ketika jarak antara dua bola konduktor tidak digandakan.

Jika jarak antara dua bola konduktor bermuatan dikurangi menjadi dua kali lipat maka besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara dua bola konduktor bermuatan bertambah menjadi 4 kali dibandingkan dengan besarnya gaya mula-mula, ketika jarak antara dua bola konduktor tidak dikurangi.

Charles menyimpulkan bahwa besarnya gaya tarik atau gaya tolak antara dua bola konduktor bermuatan listrik sebanding dengan kuadrat jarak antara kedua bola konduktor tersebut. Secara matematis ditulis seperti ini :

Dari hasil eksperimennya, Charles Coulomb menyimpulkan bahwa besarnya gaya tarik atau gaya tolak (gaya listrik) antara dua muatan titik sebanding dengan hasil kali muatan-muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan-muatan tersebut. Kesimpulannya ini diberi julukan dengan hukum Coulomb. Secara matematis, hukum Coulomb bisa ditulis seperti ini :

Hukum Coulomb menjelaskan gaya antara dua muatan ketika muatan berada dalam keadaan diam. Muatan q1 atau q2 bisa bernilai positif dan bisa juga bernilai negatif. Sebaliknya besarnya gaya listrik (F) selalu bernilai positif. Arah gaya tarik atau gaya tolak antara kedua muatan selalu berada pada garis lurus yang menghubungkan kedua muatan tersebut.

Nilai positif atau negatif dari suatu muatan hanya berpengaruh pada jenis gaya yang terjadi antara muatan yang berinteraksi. Jika q1 dan q2 bernilai negatif maka kedua benda muatan saling tolak menolak (gambar 2). Demikian juga jika q1 dan q bernilai positif maka kedua benda bermuatan saling tolak menolak (gambar 2). Jika q1 postif (atau negatif) dan q2 negatif (atau positif) maka kedua benda bermuatan saling tarik menarik (gambar 1). Perhatikan gambar bentar… F12 = gaya yang dikerjakkan oleh benda bermuatan 1 pada benda bermuatan 2, sebaliknya F21 = gaya yang dikerjakkan oleh benda bermuatan 2 pada benda bermuatan 1.

k dalam persamaan di atas adalah konstanta pebanding. Nilai k bergantung pada sistem satuan yang digunakan.  Dalam sistem SI, nilai k adalah :

k = 8,987551787 x 109 N.m2/C2 = 8,988 x 109 N.m2/C2

Dalam SI, biasanya k ditulis sebagai

Persamaan hukum Coulomb bisa ditulis kembali menjadi seperti ini :

Satuan Muatan

Satuan SI untuk muatan adalah Coulomb (1 C). 1 C merupakan jumlah muatan yang jika diletakkan pada dua benda (benda dianggap seperti titik atau partikel) yang berjarak 1 meter, akan menyebabkan masing-masing benda tersebut memberikan gaya listrik (gaya tarik atau gaya tolak) sebesar :

9 juta Newton ? Gayanya sangat besar… kesimpulannya muatan 1 C sangat besar.

Muatan elektron

Satuan muatan yang paling kecil adalah besarnya muatan sebuah elektron atau sebuah proton. Biasa disebut sebagai muatan dasar. Besarnya muatan dasar diberi simbol e :

e = 1,602 x 10-19 C

e ditetapkan bertanda positif sehingga muatan elektron adalah –e, sedangkan muatan proton adalah +e. Karena suatu benda tidak bisa memperoleh atau melepaskan pecahan atau potongan-potongan ;) elektron maka muatan total suatu benda harus merupakan kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar. e, 2e, 3e, 4e, 5e… Karenanya muatan listrik dikatakan terkuantisasi. Kita andaikan muatan seperti mata uang rupiah.. muatan elektron seperti mata uang rupiah terkecil yakni 100 rupiah. Jumlah uang yang kita miliki biasanya merupakan kelipatan bilangan bulat dari 100 rupiah.

Prinsip superposisi gaya-gaya

Perlu diketahui bahwa hukum Coulomb hanya menjelaskan interaksi dari dua muatan titik. Walaupun demikian, berdasarkan eksperimen yang dilakukan oleh para ilmuwan, ditemukan bahwa jika dua muatan mengerjakan gaya pada muatan lain (sebut saja muatan ketiga), maka gaya total yang bekerja pada ketiga merupakan jumlah dari gaya yang dikerjakan oleh muatan pertama pada muatan ketiga dan gaya yang dikerjakan oleh muatan kedua pada muatan ketiga. Hasil ini disebut sebagai prinsip superposisi gaya. Gaya merupakan besaran vektor sehingga penjumlahan gaya dilakukan secara vektor.

Bagaimana...sudah ada pencerahan? katakan mulai dari sekarang FISIKA HARUS ASYIK, maka ajaib seketika itu juga FISIKA MEMANG ASYIK :) Semoga bermanfaat dan tetap semangat. BRAVO!!!