Betapa sulitnya manusia memberikan gambaran tentang situasi dunia pada beberapa abad yang lalu ketika pemakaian listrik baru saja dimulai. Pada waktu itu, beberapa orang telah memiliki penerangan listrik di rumahnya.
Motor listrik dan baterai kuno yang dipakai pada waktu itu masih merupakan suatu keajaiban. Sungguh sangat berbeda dengan keadaan sekarang ini, banyak benda yang ada di sekitar kita menggunakan listrik dalam berbagai cara.
Oleh karena pemakaiannya yang begitu luas maka kita perlu mempelajari bagaimana listrik memberikan suatu pengaruh pada dunia tempat kita berada. Studi tentang listrik dibagi menjadi dua bagian, yaitu listrik statis (electrostatic) dan listrik dinamik (electrodinamic). Listrik statis mempelajari muatan listrik yang berada dalam keadaan diam, sedangkan listrik dinamik mempelajari muatan listrik yang bergerak yang disebut arus listrik.
√ Hukum Kekekalan Momentum : Pengertian Beserta Contohnya
Daftar Isi Artikel
Hukum Coulomb
-
Interaksi Elektrostatik antara Dua Muatan
Mari kita coba melakukan percobaan. Coba Anda siapkan dua buah batang kaca dan sehelai kain sutera. Gosoklah kedua batang kaca itu dengan kain sutera. Gantunglah batang kaca pertama dengan benang pada posisi mendatar. Bawalah batang kaca kedua mendekati batang kaca pertama. Apakah yang terjadi?
Ulangi percobaan itu dengan dua batang plastik (misalnya sisir platik) yang digosok dengan kain wol. Akan kita amati bahwa batang kaca itupun tolak-menolak dengan kain wol. Coba Anda ulangi lagi percobaan itu dengan mendekatkan batang plastik ke batang kaca yang digantung.Ternyata kedua batang itu tarik-menarik. Kesimpulan yang dapat kita peroleh dari percobaan tersebut antara lain sebagai berikut.
- Muatan listrik dibagi dua jenis, yaitu muatan listrik positif dan muatan negatif. Batang kaca dan bendabenda bermuatan listrik lain yang bertingkah seperti batang kaca bermutan positif. Batang plastik dan benda-benda bermuatan listrik lain yang bertingkah seperti batang plastik bermuatan negatif.
- Dua benda bermuatan sejenis tolak-menolak dan dua benda bermuatan tidak sejenis tarik-menarik.
- Terjadinya Muatan Listrik
Batang kaca digosok dengan kain sutera menjadi bermuatan negatif. Batang plastik digosok dengan wol menjadi bermuatan listrik positif. Bagaimana kita menjelaskan hal ini? Model atom Rutherford menyatakan bahwa atom disusun oleh sejumlah proton bermuatan positif yang terdapat dalam inti atom yang dikelilingi oleh sejumlah elektron bermuatan negatif.
Atom bersifat netral karena jumlah proton dalam inti atom sama dengan jumlah elektron yang mengitari inti atom. Hanya elektron yang berperan pada interaksi antara satu atom dengan atom lainnya. Elektron dapat keluar atau masuk ke dalam susunan atom, terutama elektron terluar yang dinamakan elektron valensi.
Rumus Gerak Melingkar Posisi Sudut
Jika elektron keluar dari susunan atom maka jumlah proton bermuatan positif lebih banyak dari jumlah elektron bermuatan negatif sehingga atom menjadi bermuatan positif. Jika elektron masuk pada susunan atom maka jumlah proton bermuatan positif lebih sedikit dari jumlah elektron yang bermuatan negatif sehingga atom bermuatan negatif.
Ketika batang digosok dengan wol, elektron-elektron wol menuju ke batang plastik sehingga batang plastik kelebihan elektron dan batang plastik menjadi bermuatan negatif. Ketika batang kaca digosok dengan kain sutera, elektronelektron batang kaca menuju ke kain sutera sehingga batang kaca kekurangan elektron dan batang kaca menjadi bermuatan positif.
2. Gaya Coulomb antara Dua Muatan Titik
Dua muatan listrik sejenis tolak-menolak dan dua muatan listrik tidak sejenis tarik-menarik. Ini berarti antara dua muatan listrik timbul gaya listrik (tolak-menolak atau tarikmanarik). Bagaimana besar gaya ini terhadap besar muatan dan jarak antara kedua muatan? Hubungan gaya tarik atau tolak antara dua bola bermuatan dengan jarak kedua muatan ditentukan oleh seorang pakar fisika berkebangsaan Prancis bernama Charles Coulomb, pada 1785.
Dalam eksperimennya, Coulomb menggunakan sebuah neraca puntir. Jika bola A yang bermuatan diletakkan pada tempatnya maka bola B ditolak oleh bola A (bola B dan A keduanya bermuatan positif). Ini mengakibatkan lengan neraca terpuntir dan dalam keadaan seimbang lengan neraca mencapai kedudukan yang baru. Dari sudut puntiran ini,
Coulomb mengukur besar gaya listrik. Dengan mengubah-ubah jarak antara bola B dan A, gaya listrik dapat diukur sebagai fungsi jarak. Coulomb menyimpulkan bahwa gaya tarik atau gaya tolak berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua bola bermuatan. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut
Bagaimana muatan mempengaruhi gaya listrik tersebut? Pertama kali Coulomb mengukur gaya tolak antara bola A dan bola B pada suatu jarak tertentu. Kemudian, ia pun membagi muatan bola A menjadi dua sehingga muatan A menjadi setengah muatan awalnya.
√ Arus Bolak Balik : Resistor, Induktor, dan Kapasitor dalam Rangkaian AC
Ia mendapatkan bahwa besar gaya tolak menjadi setengah kali semula. Percobaan diulangi dengan membagi muatan bola A menjadi seperempat muatan awalnya.Ia mendapatkan bahwa besar gaya tolak menjadi seperempat kali semula. Coulomb menarik kesimpulan bahwa gaya tarik atau gaya tolak antara dua bola bermuatan sebanding dengan muatan-muatannya. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
Dengan cara menggabungkan kedua kesimpulan ini, Coulomb menyatakan hukumnya yang dinamakan hukum Coulomb, yaitu:
“Gaya tarik atau tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan.”
Secara matematis hukum Colulomb dapat dinyatakan sebagai berikut.
Gaya Coulomb mirip gaya gravitasi yaitu keduanya adalah gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Kedua gaya ini tergolong sebagai gaya alamiah. Pada saat ini, ada empat macam gaya alamiah yang telah diketahui antara sebagai berikut.
√ Hukum Fluida : Archimedes, Pascal, Hidrostatis
- Gaya gravitasi, bekerja pada semua partikel dan menjaga planet-palnet tetap pada orbitnya mengitari matahari.
- Gaya elektromagnetik, bekerja di antara partikel bermuatan danmerupakan gaya yang mengikat atom-atom dan molekul-molekul.
- Gaya lemah (weak force), terjadi dalam peristiwa peluruhan radioaktif.
- Gaya kuat (strong force), menjaga neutron-neutron dan proton-proton bersama-sama dalam sebuah inti atom.
- Gaya Coulomb dalam Bahan Apabila medium muatan bukan ruang hamap udara maka besar gaya Coulomb antara muatan q1 dan q2 berkurang
Jika gaya Coulomb dalam ruang hampa dibandingkan dengan gaya Coulomb dalam bahan maka kan diperoleh
- Resultan Gaya Coulomb pada Sebuah Muatan
Akibat Beberapa Muatan Kita telah mempelajari gaya yang dialami sebuah bola bermuatan karena adanya bola bermuatan lain di dekatnya. Sekarang timbul pertanyaan, bagaimana vektor gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah bola bermuatan karena adanya dua atau lebih bola bermuatan lain di dekatnya?
Dalam hal ini ukuran bola bermuatan dianggap jauh lebih kecil daripada ukuran jarak antara bola sehingga bola dapat dianggap sebagai benda titik atau pertikel. Gambar di atas menunjukkan vektor-vektor gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q2 . Vektor gaya Coulomb pada q2 yang hanya disebabkan oleh muatan q1 adalah F21 (tolak-menolak) dan yang hanya disebabkan oleh muatan
q3 adalah F23 (tarik-menarik) serat yang hanya disebabkan oleh muatan q4 adalah F24 (tola-menolak). Anda dapat melihat ampak ada tiga vektor gaya Coulomb yang bekerja pada q2 , yaitu F21, F23, dan F24. Gaya tolak yang bekerja pada q2 merupakan resultan dari ketiga vektor gaya ini, antara lain.
Secara umum, gaya total yang bekerja pada sebuah muatan merupakan resultan (penjumlahan vektor) dari gaya-gaya yang bekerja pada muatan tersebut akibat interaksi dengan muatan-muatan yang ada di sekitarnya. a. Apabila muatan q3 diletakkan di tengah-tengah kedua muatan negatif. Maka,
Agar resultan gaya Coulomb pada q3 sama dengan nol maka gaya Coulomb pada q3 , oleh q1 harus sama dengan besar gaya Coulomb pada q3 oleh q2 .
Jadi, agar resultan gaya Colulomb pada q3 sama dengan bolmaka muatan q3 diletakkan 0,3 m dari q1 .
√ Vektor Fisika : Satuan, Posisi, Kecepatan dan Contohnya