MUATAN POIN: PROPERTI DAN HUKUM COULOMB - FISIK - 2025

Sebuah muatan titik , dalam konteks elektromagnetisme, adalah bahwa muatan listrik berukuran kecil sehingga dapat dianggap titik. Misalnya, partikel elementer yang memiliki muatan listrik, proton dan elektron, berukuran sangat kecil sehingga dimensinya dapat diabaikan dalam banyak aplikasi. Mempertimbangkan bahwa muatan berorientasi pada titik membuat tugas menghitung interaksinya dan memahami sifat listrik materi jauh lebih mudah.

Partikel unsur bukan satu-satunya yang dapat menjadi muatan titik. Mereka juga dapat menjadi molekul terionisasi, bola bermuatan yang digunakan Charles A. Coulomb (1736-1806) dalam eksperimennya dan bahkan Bumi itu sendiri. Semua dapat dianggap muatan titik, selama kita melihatnya pada jarak yang jauh lebih besar dari ukuran benda.

Gambar 1. Muatan titik dari tanda yang sama saling tolak menolak, sedangkan muatan titik yang berlawanan menarik. Sumber: Wikimedia Commons.

Karena semua benda terbuat dari partikel elementer, muatan listrik adalah sifat yang melekat pada materi, sama seperti massa. Anda tidak dapat memiliki elektron tanpa massa, dan juga tidak tanpa muatan.

Properti

Sejauh yang kita ketahui saat ini, ada dua jenis muatan listrik: positif dan negatif. Elektron bermuatan negatif, sedangkan proton bermuatan positif.

Muatan dari tanda yang sama menolak, sedangkan muatan dari tanda yang berlawanan menarik. Ini berlaku untuk semua jenis muatan listrik, baik tepat waktu atau didistribusikan ke objek dengan dimensi yang dapat diukur.

Selain itu, percobaan yang cermat menemukan bahwa muatan pada proton dan elektron memiliki besaran yang sama persis.

Hal lain yang sangat penting untuk dipertimbangkan adalah muatan listrik dikuantisasi. Sampai saat ini, tidak ada muatan listrik terisolasi yang besarnya kurang dari muatan elektron yang ditemukan. Mereka semua adalah kelipatannya.

Akhirnya, muatan listrik dipertahankan. Dengan kata lain, muatan listrik tidak diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat ditransfer dari satu objek ke objek lainnya. Dengan cara ini, jika sistem diisolasi, total beban tetap konstan.

Satuan muatan listrik

Satuan muatan listrik dalam Sistem Satuan Internasional (SI) adalah Coulomb, disingkat dengan huruf besar C, untuk menghormati Charles A. Coulomb (1736-1806), yang menemukan hukum yang menyandang namanya dan menjelaskan interaksi antara dua muatan titik. Kami akan membicarakannya nanti.

Muatan listrik elektron, yang sekecil mungkin yang dapat diisolasi di alam, memiliki besaran:

Coulomb adalah unit yang cukup besar, jadi submultiples sering digunakan:

Dan seperti yang kami sebutkan sebelumnya, tanda e ^- negatif. Muatan pada proton memiliki besaran yang persis sama, tetapi bertanda positif.

Tanda-tanda itu masalah kesepakatan, yaitu ada dua jenis listrik dan perlu dibedakan, oleh karena itu yang satu diberi tanda (-) dan yang lainnya (+). Benjamin Franklin membuat sebutan ini, dan juga menyatakan prinsip kekekalan muatan.

Pada masa Franklin, struktur internal atom masih belum diketahui, tetapi Franklin telah mengamati bahwa sebatang kaca yang digosok dengan sutra menjadi bermuatan listrik, menyebut jenis listrik ini positif.

Benda apa pun yang tertarik dengan listrik tersebut memiliki tanda negatif. Setelah elektron ditemukan, diamati bahwa batang kaca bermuatan menarik mereka, dan begitulah muatan elektron menjadi negatif.

Hukum Coulomb untuk tuduhan poin

Pada akhir abad ke-18, Coulomb, seorang insinyur di ketentaraan Prancis, menghabiskan banyak waktu mempelajari sifat-sifat material, gaya yang bekerja pada balok, dan gaya gesekan.

Tapi dia paling diingat karena hukum yang menyandang namanya dan yang menggambarkan interaksi antara dua muatan listrik titik.

Misalkan dua muatan listrik q ₁ dan q ₂ . Coulomb menentukan bahwa gaya di antara mereka, baik gaya tarik maupun tolak, berbanding lurus dengan perkalian kedua muatan, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya.

Secara matematis:

Dalam persamaan ini, F melambangkan besar gaya dan r adalah jarak antar muatan. Persamaan membutuhkan konstanta proporsionalitas, yang disebut konstanta elektrostatis dan dilambangkan sebagai k _e .

Jadi:

Lebih jauh Coulomb menemukan bahwa gaya diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan muatan. Jadi, jika r adalah vektor satuan di sepanjang garis tersebut, hukum Coulomb sebagai vektor adalah:

Penerapan hukum Coulomb

Coulomb menggunakan alat yang disebut keseimbangan torsi untuk eksperimennya. Melalui itu dimungkinkan untuk menetapkan nilai konstanta elektrostatik di:

Selanjutnya kita akan melihat aplikasi. Tiga beban titik yang diambil q _A , q _B q _C yang berada di posisi yang ditunjukkan pada Gambar 2. menghitung gaya total pada q _B .

Gambar 2. Gaya pada muatan negatif dihitung menggunakan hukum Coulomb. Sumber: F. Zapata.

Muatan q _A menarik muatan q _B , karena memiliki tanda yang berlawanan. Hal yang sama dapat dikatakan tentang q _C . Diagram benda terisolasi pada gambar 2 di sebelah kanan, terlihat bahwa kedua gaya diarahkan sepanjang sumbu vertikal atau sumbu y, dan memiliki arah berlawanan.

Gaya total pada muatan q _B adalah:

F _R = F _AB + F _CB (Prinsip superposisi)

Tinggal mengganti nilai numerik, berhati-hati untuk menulis semua unit dalam Sistem Internasional (SI).

F _AB = 9,0 x 10 ⁹ x 1 x ^10-9 x 2 x ^10-9 / (2 x 10 ^-2 ) ² N (+ y) = 0,000045 (+ y) N

F _CB = 9,0 x 10 ⁹ x 2 x ^10-9 x 2 x 10 ^-9 / (1 x 10 ^-2 ) ² N (- y ) = 0,00036 (- y ) N

F _R = F _AB + F _CB = 0,000045 (+ y) + 0,00036 (- y ) N = 0,000315 (- y) N

Gravitasi dan listrik

Kedua gaya ini memiliki bentuk matematis yang sama. Tentu saja, mereka berbeda dalam nilai konstanta proporsionalitas dan bahwa gravitasi bekerja dengan massa, sementara listrik bekerja dengan muatan.

Tetapi yang penting adalah keduanya bergantung pada kebalikan dari kuadrat jarak.

Ada jenis massa yang unik dan dianggap positif, sehingga gaya gravitasi selalu menarik, sedangkan muatan bisa positif atau negatif. Untuk alasan ini, gaya listrik bisa menarik atau tolak, tergantung pada kasusnya.

Dan kita memiliki detail yang diturunkan dari yang di atas: semua benda yang jatuh bebas memiliki percepatan yang sama, selama mereka dekat dengan permukaan bumi.

Tetapi jika kita melepaskan proton dan elektron di dekat bidang bermuatan, misalnya, elektron akan memiliki percepatan yang jauh lebih besar daripada proton. Selanjutnya percepatan akan berlawanan arah.

Akhirnya, muatan listrik dikuantisasi, seperti yang dikatakan. Itu berarti bahwa kita dapat menemukan muatan 2,3 atau 4 kali muatan elektron -atau proton-, tetapi tidak pernah 1,5 kali muatan ini. Massa, sebaliknya, bukanlah kelipatan dari suatu massa tunggal.

Dalam dunia partikel subatom, gaya listrik melebihi yang besarnya gravitasi. Namun, pada skala makroskopik, gaya gravitasi adalah yang paling dominan. Dimana? Di tingkat planet, tata surya, galaksi, dan lainnya.

Referensi

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Elektrostatika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fisika: Pandangan di Dunia. Edisi ringkasan ke-6. Pembelajaran Cengage.
4. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. V 2.