HUKUM COULOMB: PENJELASAN, RUMUS DAN SATUAN, LATIHAN, EKSPERIMEN - FISIK - 2025

The hukum Coulomb adalah hukum fisika yang mengatur interaksi antara objek bermuatan listrik. Itu diucapkan oleh ilmuwan Prancis Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), berkat hasil eksperimennya menggunakan keseimbangan torsi.

Pada 1785, Coulomb bereksperimen berkali-kali dengan bola kecil bermuatan listrik, misalnya menggerakkan dua bola lebih dekat atau lebih jauh, memvariasikan besarnya muatan dan juga tandanya. Selalu amati dan catat setiap jawaban dengan cermat.

Gambar 1. Skema interaksi antar muatan listrik titik menggunakan hukum Coulomb.

Bola kecil ini dapat dianggap sebagai muatan titik, yaitu benda yang dimensinya tidak signifikan. Dan mereka memenuhi, seperti yang telah diketahui sejak zaman Yunani kuno, bahwa muatan dari tanda yang sama menolak dan muatan dari tanda yang berbeda menarik.

Gambar 2. Insinyur militer Charles Coulomb (1736-1806) dianggap sebagai fisikawan terpenting di Prancis. Sumber: Wikipedia Commons.

Dengan pemikiran ini, Charles Coulomb menemukan yang berikut:

-Gaya tarik atau tolakan antara dua muatan titik berbanding lurus dengan perkalian besarnya muatan.

-Kekuatan tersebut selalu diarahkan di sepanjang garis yang menghubungkan muatan.

-Akhirnya, besarnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan muatan.

Rumus dan satuan hukum Coulomb

Berkat pengamatan ini, Coulomb menyimpulkan bahwa besar gaya F antara dua muatan titik q ₁ dan q ₂ , dipisahkan oleh jarak r, secara matematis diberikan sebagai:

Karena gaya adalah besaran vektor, untuk menyatakannya secara lengkap, vektor satuan r ditentukan dalam arah garis yang menghubungkan muatan (vektor satuan memiliki besaran yang sama dengan 1).

Selain itu, konstanta proporsionalitas yang diperlukan untuk mengubah ekspresi sebelumnya menjadi persamaan disebut k _e atau k: konstanta elektrostatis atau konstanta Coulomb.

Akhirnya, hukum Coulomb ditetapkan untuk biaya poin, diberikan oleh:

Gaya, seperti biasa dalam Sistem Satuan Internasional, datang dalam newton (N). Mengenai muatan, satuannya dinamai coulomb (C) untuk menghormati Charles Coulomb dan akhirnya jarak r dalam meter (m).

Melihat lebih dekat persamaan di atas, jelas bahwa konstanta elektrostatis harus memiliki satuan Nm ² / C ² , untuk mendapatkan newton sebagai hasilnya. Nilai konstanta ditentukan secara eksperimental sebagai:

k _e = 8,89 x 10 ⁹ Nm ² / C ² ≈ 9 x 10 ⁹ Nm ² / C ²

Gambar 1 mengilustrasikan interaksi antara dua muatan listrik: ketika keduanya memiliki tanda yang sama, mereka akan menolak, jika tidak maka akan menarik.

Perhatikan bahwa hukum Coulomb sesuai dengan hukum ketiga Newton atau hukum aksi dan reaksi, oleh karena itu besar F ₁ dan F ₂ sama, arahnya sama, tetapi arahnya berlawanan.

Bagaimana menerapkan hukum Coulomb

Untuk mengatasi masalah interaksi antara muatan listrik, hal-hal berikut harus diperhitungkan:

- Persamaan ini berlaku secara eksklusif dalam kasus muatan titik, yaitu benda bermuatan listrik tetapi dengan dimensi yang sangat kecil. Jika objek yang dibebani memiliki dimensi yang dapat diukur, maka perlu untuk membaginya menjadi beban yang sangat kecil dan kemudian menambahkan kontribusi dari masing-masing beban ini, yang memerlukan perhitungan integral.

- Gaya listrik adalah besaran vektor. Jika ada lebih dari dua muatan yang berinteraksi, gaya total pada muatan q _i diberikan oleh prinsip superposisi:

_Bersih F = F _i1 + F _i2 + F _i3 + F _i4 +… = ∑ F _ij

Di mana subskrip j adalah 1, 2, 3, 4 … dan mewakili masing-masing biaya yang tersisa.

- Anda harus selalu konsisten dengan unit. Yang paling sering adalah bekerja dengan konstanta elektrostatis dalam satuan SI, kemudian perlu dipastikan bahwa muatan dalam coulomb dan jarak dalam meter.

- Akhirnya, persamaan ini berlaku jika muatan berada dalam kesetimbangan statis.

Latihan terselesaikan

- Latihan 1

Pada gambar berikut ada dua muatan titik + q dan + 2q. Muatan titik ketiga –q ditempatkan di P. Diminta untuk mencari gaya listrik pada muatan ini karena adanya muatan lainnya.

Gambar 3. Diagram untuk latihan diselesaikan 1. Sumber: Giambattista, A. Fisika.

Larutan

Hal pertama yang harus dilakukan adalah membangun sistem referensi yang sesuai, yang dalam hal ini adalah sumbu horizontal atau sumbu x. Asal dari sistem semacam itu bisa di mana saja, tetapi untuk kenyamanan itu akan ditempatkan di P, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4a:

Gambar 4. Skema latihan diselesaikan 1. Sumber: Giambattista, A. Fisika.

Diagram gaya pada –q juga ditampilkan, dengan memperhitungkan bahwa gaya tertarik oleh dua lainnya (gambar 4b).

Mari kita sebut F ₁ gaya yang diberikan oleh muatan q pada muatan –q, mereka diarahkan sepanjang sumbu x dan menunjuk ke arah negatif, oleh karena itu:

Secara analogi, F ₂ dihitung :

Perhatikan bahwa besar F ₂ adalah setengah dari F ₁ , meskipun muatannya dua kali lipat. Untuk mencari gaya total, akhirnya F ₁ dan F ₂ dijumlahkan secara vektor :

- Latihan 2

Dua bola polistiren dengan massa yang sama m = 9,0 x 10 ^-8 kg memiliki muatan positif Q yang sama dan digantung oleh benang sutra dengan panjang L = 0,98 m. Bola dipisahkan dengan jarak d = 2 cm. Hitung nilai Q.

Larutan

Situasi pernyataan tersebut dijelaskan pada gambar 5a.

Gambar 5. Skema resolusi latihan 2. Sumber: Giambattista, A. Fisika / F. Zapata.

Kami memilih salah satu bola dan di atasnya kami menggambar diagram benda yang terisolasi, yang mencakup tiga gaya: berat W , tegangan pada string T dan tolakan elektrostatis F, seperti yang terlihat pada gambar 5b. Dan sekarang langkah-langkahnya:

Langkah 1

Nilai θ / 2 dihitung dengan segitiga pada gambar 5c:

θ / 2 = busur (1 x 10 ^{-2 /} 0,98) = 0,585º

Langkah 2

Selanjutnya kita harus menerapkan hukum kedua Newton dan menetapkannya sama dengan 0, karena muatan berada dalam kesetimbangan statis. Penting untuk dicatat bahwa tegangan T miring dan memiliki dua komponen:

∑F _x = -T. Sin θ + F = 0

∑F _y = T.cos θ - W = 0

LANGKAH 3

Kami memecahkan besarnya tegangan dari persamaan terakhir:

T = W / cos θ = mg / cos θ

LANGKAH 4

Nilai ini disubstitusikan ke persamaan pertama untuk mencari besaran F:

F = T sin θ = mg (sin θ / cos θ) = mg. tg θ

LANGKAH 5

Karena F = k Q ² / d ² , kita menyelesaikan Q:

Q = 2 × 10 ^-11 C.

Eksperimen

Memeriksa hukum Coulomb dengan mudah menggunakan timbangan torsi yang mirip dengan yang digunakan Coulomb di laboratoriumnya.

Ada dua bola elderberry kecil, salah satunya, yang ada di tengah timbangan, digantung dengan seutas benang. Percobaan terdiri dari menyentuh bola elderberry yang dilepaskan dengan bola logam lain yang bermuatan Q.

Gambar 6. Keseimbangan torsi Coulomb.

Segera muatan itu didistribusikan secara merata antara dua bola elderberry, tetapi kemudian, karena mereka adalah muatan dari tanda yang sama, mereka saling tolak. Suatu gaya bekerja pada bola yang digantung yang menyebabkan puntiran benang yang digantungnya dan segera menjauh dari bola tetap.

Kemudian kita melihat bahwa ia berosilasi beberapa kali hingga mencapai kesetimbangan. Kemudian torsi batang atau benang yang menahannya diimbangi dengan gaya tolakan elektrostatis.

Jika semula bola berada di 0º, sekarang bola yang bergerak akan memutar sudut θ. Di sekeliling skala, ada pita yang diukur dalam derajat untuk mengukur sudut ini. Dengan terlebih dahulu menentukan konstanta torsi, maka gaya tolak dan nilai muatan yang diperoleh bola elderberry dapat dihitung dengan mudah.

Referensi

1. Figueroa, D. 2005. Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Elektrostatika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Fisika. Edisi kedua. McGraw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Resnick, R. 1999. Fisika. Vol. 2. Edisi ke-3. Dalam bahasa Spanyol. Editorial Compañía Continental SA de CV
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. Volume 2.