Konsep Hukum Coulomb dan Kumpulan Contoh Soal Serta Penjelasannya
Wednesday 10 October 2018
Konsep Hukum Coulomb dan Kumpulan Contoh Soal Serta Penjelasannya - Pada kesempatan kali ini saya ingin berbagi kepada sahabat gammafis tentang salah satu materi : Listrik Statis, yaitu bagian Hukum Coulomb.
Tujuan dari artikel kali ini adalah agar teman teman bisa memahami apa itu Hukum Coulomb. Baik untuk mempersingkat waktu langsung saja saya mulai.
Baca Juga :
- 8 Manfaat Belajar Ilmu Fisika Dalam Kehidupan Sehari-Hari
- Listrik Statis, Contoh Soal dan Fenomena Listrik Statis - Materi Fisika Kelas 9 Semester 1
HUKUM COULOMB
Charles Augustin Coulomb (1736-1806) adalah orang yang pertama kali menghitung besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara muatan listrik. Menurut Coulomb besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan adalah sebanding dengan bersarnya kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan tersebut.
Dimana F adalah gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan (satuan “N”) dan r adalah jarak antara kedua muatan (m).
Catatan : |q|, artinya nilai mutlak dari muatan dimana nilainya selalu positif.
Dari hasil eksperimen diperoleh persamaan untuk gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan adalah sebagai berikut
Persamaan diatas dikenal dengan “Hukum Coulomb”. Dimana k diperoleh dari hasil eksperimen, yang nilainya adalah 8,98755178737 x 10^9 N.m^2/C^2. Atau
Dengan ε0 adalah permitivitas ruang hampa yang nilainya adalah 8,85418781762 C^2/N.m^2
Baca Juga : 11 Fenomena Fisika Dalam Kehidupan Sehari-Hari
Gaya Coulomb Merupakan Besaran Vektor
Gaya coulomb merupakan besaran vektor, dimana gaya ini memiliki nilai dan arah. Coba kita bayangkan dua buah muatan positif yang dipisahkan sejauh r. Maka akan timbul gaya tolak-menolak antara kedua muatan, dimana arah gaya tolak tersebut bergantung pada muatan mana yang mempengaruhi dan muatan mana yang terpengaruh. Sebagai Contoh:
Gaya F12 adalah gaya yang berkerja pada muatan 1 akibat pengaruh dari muatan 2. Karena arah gaya F12 dan arah vektor satuan r ̂ berlawanan atau arah dari gaya F12 adalah ke arah kiri (arah negatif). Maka:
Contoh Soal Hukum Coulomb
Contoh 1.
Dua buah muatan positif identik dengan besar muatan q1=q2=2.10^(-5) C terpisah sejauh 3 cm dalam arah sumbu x (lihat pada gambar di bawah ini). Tentukan besar gaya yang dialami oleh muatan 1 akibat muatan 2. Gunakan k=9.10^9 N.m^2/C^2.
Solusi:
Diketahui:
q1 = q2 = 2.10^(-5) C
r12 = x_12 = 3.10^(-2) m (dalam arah sumbu x)
k = 9.10^9 N.m^2/C^2
Ditanya : F12=⋯?
Contoh 2
Sebuah inti atom besi mengandung 26 proton dan mempunyai jari-jari 4.10^(-15) m. Berapakah besar gaya tolak yang terjadi antara dua proton dalam inti tersebut jika keduanya terpisah sejauh 1/4 dari jari-jari inti atom tersebut.
Solusi:
Contoh 3.
Dua bola terpisah pada jarak 4 m. Kemudian bola tersebut di beri muatan dengan jumlah muatan yang sama.
a. Hitunglah besar muatan masing-masing bola jika gaya tolak antara kedua muatan adalah 80 N.
b. Hitunglah besar muatan bola jika bola bola tersebut dimasukkan ke dalam air dengan konstanta dielektrik 80.
Solusi:
Diketahui:
r = 4 m
k = 9.10^9 N.m^2/C^2
Ditanya :
a. Hitunglah besar muatan masing-masing bola jika gaya tolak antara kedua muatan adalah 80 N
b. Hitunglah besar muatan bola jika bola bola tersebut dimasukkan ke dalam air dengan konstanta dielektrik 80.
Jika kedua bola dimasukkan ke dalam air yang merupakan bahan dielektrik. Maka ε0 menjadi ε, sehingga persamaan diatas menjadi.
Contoh 4.
Dua buah muatan masing-masing besarnya adalah 16μC dan 9μC diletakkan pada koordinat x dengan jarak antara kedua muatan adalah 6 m. Muatan pertama diletakkan pada pusat koordinat. Dimanakah suatu muatan negatif q harus diletakkan agar gaya yang dialami oleh muatan negatif ini sama dengan nol?
Solusi:
Diketahui
q1 = 16μC = 16.10^(-6) C
q2 = 9μC = 9.10^(-6) C
r1 = x
r2 = 6-x
Ditanya : x = ⋯ ?
Karena gaya yang dirasakan oleh muatan negatif harus nol maka.
Jadi, agar gaya yang dialami oleh muatan negatif q sama dengan nol maka, muatan tersebut harus diletakkan di antara dua muatan tersebut pada jarak 3.43 m dari q1 dan 2.57 m dari q2.
Contoh 5.
Jarak rata-rata elektron dan proton dalam atom hidrogen 5,3 .10^(-11) m. Bandingkan gaya tarik gravitasi dan gaya tarik listrik antara elektron dan proton. Gunakan data pada tabel berikut. (konstanta gravitasi G = 6,67 .10^(-11)
Tabel 1.
Contoh 6.
Tiga buah muatan positif diletakkan pada sebuah segitiga seperti pada gambar di bawah ini.
Jika, r12 = 3 cm dan r23 = 5 cm. Tentukan besar gaya yang dialami oleh masing-masing muatan.
Solusi:
Diketahui:
q1 = 4 C
q2 = 8 C
q3 = 12 C
r12 = 3 cm
r23 = 5 cm
Berdasarkan dalil phitagoras, maka diperoleh r13 = 4 cm.
Ditanya: Tentukan besar gaya yang dialami oleh masing-masing muatan?
Tinjau Muatan q1 (Fq1)
Gaya gaya yang bekerja pada muatan q1 adalah sebagai berikut.
Gaya F12 hanya memberikan kontribusi gaya ke arah (-y) sedangkan gaya F13 hanya memberikan kontribusi gaya ke arah (-x)
Tinjau Muatan q2 (Fq2)
Gaya gaya yang bekerja pada muatan q2 adalah sebagai berikut.
Gaya F21 hanya memberikan kontribusi gaya ke arah (+y) sedangkan gaya F23 memberikan kontribusi gaya ke arah (-x) dan (+y)
F23 adalah penjumlahan kedua komponen x dan y
Untuk besar gaya yang bekerja pada q3, coba Teman-teman kerjakan dan tuliskan di kolom komentar. Jika ada pertanyaan atau ada kekeliruan yang penulis lakukan mohon berikan kritik dan sarannya. Terimkasih telah berkunjung.