Hukum Coulomb !! Yuk pahami rahasianya

Hukum Coulomb pertama kali dikemukakan oleh Charles Augustin de Coulomb seorang fisikawan asal Perancis pada tahun 1785, atas jasanya dibidang fisika nama Coulomb dijadikan menjadi satuan muatan listrik dan gaya listrik disebut juga gaya Coulomb. Beliau, meneliti terkait dengan hubungan antara besar gaya listrik dengan besar muatan dan jarak antar muatan.
Penelitian yang dilakukan oleh Charles Coulomb, pada akhirnya menyimpulkan bahwa “Besarnya gaya interaksi antar muatan listrik sebanding dengan besar muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya”. Pernyataan di atas tersebut kemudian hukum Coulomb yang mana secara matematis dituliskan sebagai berikut

Keterangan :
F_C = Gaya Listrik / Gaya Coulomb (N)
k = konstanta (Nm²/C²)
q₁₂ = besar muatan (C)
r = jarak antar muatan (m)
ε₀ = Permivitas ruang hampa (Nm²/C²)

jika kedua muatan berada dalam medium selain vakum atau udara, permivitas medium ε dihitung dengan persamaan berikut

Dengan εr permivitas relatif atau tetapan dielektrik

Nah, ketika melihat suatu persamaan fisika kebanyakan siswa akan merasa sulit dihafal, bingung menghitungnya, dsb. Untuk mengatasi hal tersebut kita bisa menggunakan teknik “jembatan keledai” dengan membuat sebuah kalimat dari rumus di atas agar mudah diingat, misalkan rumus di atas dapat dibuat sebuah kalimat “KaQiQuRemuk2”, silahkan membuat kalimat-kalimat lain yang sekiranya mudah dihafal.

Sekarang mari kita lakukan analisis dari gaya listrik sesuai hukum Coulomb di atas, perhatikan gambar berikut

(a) dua muatan yang berlawanan jenis timbul gaya listrik yang saling tarik-menarik

(b) dua muatan yang sejenis timbul gaya listrik yang saling tolak-menolak

Berdasarkan gambar di atas, maka kita dapat mengetahui bahwa arah gaya listrik bisa berubah bergantung pada jenis muatan yang berinteraksi, Perhatikan pula indeks yang dituliskan pada gaya listrik di atas bermakna F₁₂ adalah gaya yang bekerja pada muatan 1 karena muatan 2, F₂₁ adalah gaya yang bekerja pada muatan 2 karena muatan 1. Definisi tersebut merupakan implikasi karena berlakunya Hukum III Newton tentang gaya Aksi-Reaksi. Jadi dapat dikatakan bahwa, gaya listrik yang timbul antara dua muatan merupakan pasangan gaya Aksi-Reaksi. Lebih jauh, jika diperhatikan lagi hukum Coulomb ini perlu diperhatikan 2 point utama

1. Gaya listrik sebanding dengan besar muatan
Semakin besar muatan yang berinteraksi, maka gaya listrik yang timbul akan semakin besar, begitu pula sebaliknya

2. Gaya listrik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
Semakin jauh jarak antara muatan listrik, maka besar gaya listriknya akan semakin kecil

Dua point di atas adalah sifat kesebandingan secara matematis dari suatu persamaan atau rumus matematis, sehingga kita dapat menuliskan persamaan perbandingannya

Indeks “B” untuk keadaan akhir dan indeks “A” untuk keadaan awal, Silahkan dibuktikan sendiri ya ….

Penting !! Persamaan perbandingan dapat dipahami dengan mudah dengan memperhatikan sifat kesebandingan dan indeks yang dituliskan. Jika dua besaran sebanding maka penulisan indeksnya tetap (antara gaya “F” dengan besar muatan “q”) dan jika dua besaran berbanding terbalik maka penulisan indeksnya dibalik (antara gaya “F” dan jarak “r”).

Satu konsep lagi yang perlu diperhatikan dalam menggunakan hukum Coulomb ini yakni bahwa gaya listrik merupakan besaran vector, sehingga dalam analisisnya kita juga harus mematuhi kaidah – kaidah atau konsep yang berlaku di besaran vektor.

Nah untuk lebih memahami penggunaan hukum Coulomb ini perhatikan beberapa contoh soal berikut ini
Contoh Soal
soal 1
Dua bola X dan Y terpisah sejauh 9 m. muatan pada bola X adalah 3 μC dan muatan pada bola Y adalah 1 μC. Jika F adalah besar gaya X pada Y, nilainya adalah ….
A. k x 10^-12 N
B. 1/3 k x 10^-12 N
C. 1/9 k x 10^-12 N
D. 1/27 k x 10^-12 N
E. 1/81 k x 10^-12 N
Kunci jawaban : “D”

pembahasan soal nomor 1:

q₁ = 3 μC = 3 . 10^-6 C
q₂ = 1 μC = 1 . 10^-6 C
r = 9 m
F … ?

soal 2
Dua bola bermuatan kecil terpisah sejauh 0,05 m dan saling tola-menolak dengan gaya 18 x 10^-4 N. ketika bola bermuatan terpisah sejauh 0,15 m dalam medium yang sama, gaya tolak-menolak sebesar ….
A. 1 x 10^-4 N
B. 2 x 10^-4 N
C. 3 x 10^-4 N
D. 6 x 10^-4 N
E. 8 x 10^-4 N
Kunci jawaban : “B”

pembahasan soal nomor 2:

r_A = 0,05 m = 5 . 10^-2 m
F_A = 18 x 10^-4 N
r_B = 0,15 m = 15 . 10^-2 m
F_B … ?
Karena gaya listrik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, maka persamaan perbandingannya dapat ditulis

soal 3
Total dua muatan q₁ dan q₂ adalah 5 μC, jika kedua muatan tersebut dipisahkan sejauh 3 m, setiap muatan akan merasakan gaya listrik sebesar 4 mN. Besar q₁ dan q₂ berturut-turut adalah ….
A. -4μC dan 10μC
B. 3μC dan 3μC
C. 4μC dan 2μC
D. 5μC dan 1μC
E. 8μC dan -2μC
Kunci Jawaban :

pembahasan soal nomor 3:

q₁ + q₂ = 5μC
q₂ = 5 . 10^-6 – q₁
r = 3 m
F = 4 mN = 4 . 10^-3 N

soal 4
Muatan +Q coulomb ditempatkan di x = -1 m dan muatan -2Q coulomb ditetapkan di x = +1 m. Muatan uji +q coulomb yang diletakkan di sumbu X akan mengalami gaya total nol jika ia diletakkan di x = ….

A. –(3 + √8) m
B. -1/3 m
C. 0 m
D. 1/3 m
E. (3 + √8) m
Kunci jawaban :

pembahasan soal nomor 4:

Dari pertanyaan di atas, ada 2 kondisi letak muatan +q yakni di antara kedua muatan (indside) atau di bagian samping (outside) baik di samping kanan atau kiri agar total gayanya sama dengan nol.
Resultan gayanya sama dengan nol pada muatan ketiga dapat diperoleh dengan syarat kedua gaya listrik yang dihasilkan pada muatan +q harus berlawanan arah dan sama besar. jika ingin mendapatkan gaya yang berlawanan arah dari kedua muatan, maka muatan +q harus diletakkan di samping kedua muatan tidak boleh ditengah, dan supaya sama besar, maka muatan +q harus lebih dekat ke muatan yang besar dan lebih jauh dari muatan yang kecil. Oleh karena itu, posisi yang paling mungkin adalah berada di sebelah kiri muatan +Q seperti gambar berikut

maka

soal 5
Tiga muatan sejenis dan sama besar Q terletak pada satu bidang. Jika pusat-pusat tiap muatan dihubungkan terbentuk segitiga sama sisi dengan panjang sisi 2a. besar gaya Coulomb yang dialami oleh salah satu muatan dinyatakan dalam, k, Q, dan a adalah …..
A. (kQ²/a²) √3
B. (kQ²/2a²) √3
C. (kQ²/3a²) √3
D. (kQ²/4a²) √3
E. (kQ²/5a²) √3
Kunci Jawaban : “D”

pembahasan soal nomor 5:

Untuk menjawab soal di atas perhatikan ilustrasi berikut ini

Perlu diperhatikan, bahwa jarak antar muatan sama (karena di titik sudut segitiga sama sisi) dan besar muatannya sama, maka besar gaya interaksi di salah satu muatan adalah sama besar (F₃₁ = F₃₂) sehingga kita bisa mencari salah satunya saja

Untuk menentukan besarnya Resultan gaya dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut

soal 6
Dua muatan masing-masing 8μC dan 2 μC diletakkan pada sumbu X pada jarak 6 m satu sama lain. Muatan pertama terletak pada pusat koordinat. Agar sebuah muatan negative tidak mengalami gaya sedikitpun, maka muatan ini harus diletakkan pada posisi ….
A. X = - 4m
B. X = - 2m
C. X = 2m
D. X = 4m
E. X = 8m
Kunci Jawaban : “C”

pembahasan soal nomor 6:

Resultan gayanya sama dengan nol pada muatan ketiga dapat diperoleh dengan syarat kedua gaya listrik yang dihasilkan pada muatan -q harus berlawanan arah dan sama besar. jika ingin mendapatkan gaya yang berlawanan arah dari kedua muatan, maka muatan -q harus diletakkan di antara kedua muatan tidak boleh ditengah, dan supaya sama besar, maka muatan -q harus lebih dekat ke muatan yang besar dan lebih jauh dari muatan yang kecil. Oleh karena itu, posisi yang paling mungkin adalah seperti gambar berikut

Maka