Jenis muatan listrik dibagi ke dalam dua macam yakni muatan positif dan muatan negatif. Masing-masing muatan listrik yang ada pada benda akan menimbulkan gaya di sekelilingnya. Untuk mengetahui berapa besar gaya dari benda bermuatan listrik digunakan hukum Coulomb.
Contoh fenomena sederhana dari gaya benda bermuatan yang bisa disaksikan di kehidupan adalah gaya yang muncul di ujung batu baterai. Ujung batu baterai memiliki muatan listrik negatif dan positif. Ketika muatan sama didekatkan muncul gaya tolak menolak, jika muatan berbeda timbul gaya tarik menarik.
Fenomena gaya tolak menolak dan tarik menarik kedua muatan listrik tersebut bisa dijelaskan melalui gaya elektrostatis. Fenomena elektrostatis sangat terkait dengan gaya Coulomb. Oleh karena itu, pada artikel kali ini akan dibahas lebih jauh terkait bunyi hukum Coulomb dan rumusnya.
Hukum Coulomb
1. Pengertian
Konsep mengenai hukum ini diungkapkan pertama kalinya oleh ilmuwan Fisika asal Perancis di tahun 1785 yaitu Charles Augustin de Coulomb. Awal dari konsep mengenai gaya Coulomb sebenarnya sudah dibahas oleh ilmuwan dan kaum pemikir sejak tahun 600 SM (Sebelum Masehi).
Penelitian Coulomb melibatkan sebuah alat yang disebut neraca torsi. Alat ini berfungsi untuk mengukur berapa besar gaya yang ditimbulkan oleh dua buah benda yang diberi muatan listrik. Dua benda ini kemudian Coulomb pisahkan oleh jarak tertentu.
Dari eksperimen yang dilakukannya, Coulomb kemudian merumuskan hukum listrik statis yang kemudian dikenal sebagai hukum Coulomb. Secara singkat, hukum ini berbunyi bahwa interaksi dari dua buah benda bermuatan listrik akan menimbulkan gaya di sekelilingnya.
Muatan listrik yang sejenis akan saling tolak menolak sementara muatan listrik yang berlainan jenisnya akan saling tarik menarik. Gaya tarik menarik dan tolak menolak ini disebut sebagai gaya elektrostatis.
Coulomb juga menyatakan dalam postulatnya bahwa besar dari gaya yang ditimbulkan oleh kedua benda bermuatan tersebut akan berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak benda serta berbanding lurus dengan hasil perkalian kedua muatannya.
2. Rumus
Berdasarkan bunyi hukum listrik statis yang diutarakan Charles Auguste de Coulomb, bisa dibuat rumus matematis untuk menghitung besar dari gaya Coulomb yang timbul antara dua benda bermuatan listrik. Berikut persamaan matematisnya:
F = k
Keterangan:
F = Gaya Coulomb (N)
k = Konstanta Coulomb (9 x 10⁹ N.m²/C²)
r = jarak antara kedua muatan
q1 = Muatan benda ke-1 (C)
q2 = Muatan benda ke-2 (C)
Dilihat dari persamaan bisa disimpulkan bahwa nilai gaya Coulomb akan semakin besar tatkala jarak antara kedua muatan (r) diperkecil atau semakin didekatkan satu dengan yang lainnya. Jika jarak kedua muatan (r) diperbesar atau saling dijauhkan maka gaya Coulomb yang timbul semakin kecil.
Simbol C atau dibaca Coulomb adalah satuan Standar Internasional (SI) untuk muatan listrik. Besar satuan Coulomb pada soal biasanya juga dilambangkan menggunakan µC dan nC. Konversi dari besar satuan Coulomb tersebut sebagai berikut:
1 nC (nano Coulomb) = 1 x C
1 µC (micro Coulomb) = 1 x C
Beberapa Contoh Hukum Coulomb dalam Kehidupan Sehari-Hari
Ada banyak contoh fenomena alam di kehidupan sehari-hari yang merupakan penerapan dari hukum ini. Ketika dua ujung magnet saling didekatkan, maka akan timbul gaya yang bisa dirasakan di sekeliling kedua ujung magnet tersebut.
Jika ujung salah satu magnet bermuatan positif didekatkan dengan ujung magnet lainnya yang bermuatan negatif atau bisa juga logam bermuatan negatif, maka magnet akan menempel. Hal ini juga berlaku sebaliknya untuk muatan berbeda namun berlawanan.
Ketika muatan magnetnya sama, misal sama-sama positif atau sama-sama negatif maka akan timbul gaya tolak menolak yang membuat ujung magnet tidak bisa menempel. Contoh fenomena alam berikutnya yang bisa disaksikan yakni pada kerja penangkal petir di bangunan gedung ataupun rumah.
Penangkal petir yang dipasang biasanya mempunyai muatan listrik positif. Sementara petir umumnya memiliki muatan listrik negatif.
Jadi tatkala petir menyambar maka penangkal petir yang bermuatan positif akan langsung menangkap petir untuk dialirkan ke dalam tanah. Muatan listrik petir dialirkan melalui kabel konduktor hingga menjadi netral dan tidak membahayakan listrik di dalam bangunan.
Skema Gaya Coulomb yang Timbul dari Dua Muatan
Pengerjaan soal gaya Coulomb akan lebih mudah jika dibuat gambar skema posisi kedua muatan yang dipisahkan berdasarkan jarak (r) tertentu. Ketika membuat skema posisi kedua benda bermuatan, tuliskan juga jenis muatan kedua benda tersebut.
Pada Gambar 1. terlihat benda bermuatan positif q1 berada pada jarak tertentu (r) dari q2 yang juga bermuatan positif. Muatan q1 akan memperoleh gaya tolakan akibat berinteraksi dengan muatan q2 sebesar F12 ke sisi kiri.
Sementara muatan q2 yang berinteraksi dengan q1 juga akan memperoleh gaya tolakan sebesar F21 ke sisi kanan. Sehingga kedua benda bermuatan tersebut akan saling menjauh akibat gaya tolak menolak.
Soal Hukum Coulomb dan Penjelasannya
Untuk membantu Anda memahami penggunaan dari persamaan matematis teori listrik statis, di bawah ini sudah dikumpulkan berbagai contoh soal hukum Coulomb beserta jawabannya.
Dua buah benda bermuatan listrik X dan Y berada pada jarak sejauh 4 meter. Masing-masing benda tersebut memiliki muatan listrik sebesar +5 x C dan -4 x C. Di antara benda bermuatan X dan Y terdapat titik Z yang berjarak 1 meter dari benda Y dan memiliki muatan listrik +2 x C.
Hitung berapakah besar gaya elektrostatis dari muatan yang ada di titik Z tersebut.
Diketahui:
qX = +5 x C
qY = -4 x C
qZ = +2 x C
rXY = 4 meter
rZY = 1 meter
Ditanya: Besar gaya elektrostatis muatan Z (Fz)?
Jawab:
Muatan qZ bermuatan positif sehingga akan saling tarik menarik dengan muatan qY. Sebaliknya, muatan qZ akan saling tolak menolak dengan muatan qX karena sama-sama bermuatan positif.
Sehingga total gaya elektrostatis yang dialami oleh qZ adalah penjumlahan antara gaya tarik menarik Fzy dan gaya tolak menolak Fzx.
Fz = Fzy + Fzx
Fz = k ( + )
Fz = k ( + )
Fz = 9 x 10⁹ ( + )
Fz = 9 x 10⁹ ( + )
Fz = 72 + 10 = 82 N
Hukum Coulomb adalah hukum yang menjelaskan hubungan antara dua muatan listrik yang terpisah dengan jarak tertentu. Dua muatan listrik tersebut akan saling berinteraksi sehingga menimbulkan gaya tolak menolak maupun gaya tarik menarik tergantung dari jenis muatannya.