Rumus Gaya Coulomb dan Cara Menggunakannya (Soal)

Daftar Isi

Gaya Coulomb (F) adalah gaya yang ditimbulkan oleh adanya interaksi antara dua muatan yang dipisahkan pada jarak tertentu yang dirumuskan F = k . ^q₁.q₂/_r², di mana q₁ adalah muatan 1 (C), q₂ adalah muatan 2 (C), r adalah jarak kedua muatan, dan k adalah konstanta.

 

Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali ini akan membahas tentang salah satu rumus dalam listrik statis, yakni rumus gaya Coulomb.

 

Sebagaimana yang dipahami, listrik statis adalah cabang kelistrikan yang kajiannya fokus mempelajari perilaku partikel bermuatan listrik yang terdapat pada suatu benda.

Satu di antara beberapa perilaku tersebut adalah gaya listrik antar muatan, disebut juga dengan gaya Coulomb.

Hampir mirip dengan gaya gravitasi, di mana dua buah benda saling tarik menarik. Perbedaannya adalah gaya Coulomb bukan hanya berupa gaya tarik, tetapi juga berupa gaya tolak.

Lantas, seperti apa sebenarnya hakikat dari gaya Coulomb itu? Bagaimana cara menghitungnya? Nah, hal inilah yang akan dijelaskan pada kesempatan ini.

 

Baiklah, kita mulai saja pembahasannya...

Daftar Isi

• 1Pengertian Gaya Coulomb
• 2Penemu Gaya Coulomb
• 3Rumus Gaya Coulomb
• 4Contoh Soal Gaya Coulomb
• 5Kesimpulan

Pengertian Gaya Coulomb

Apa yang dimaksud dengan gaya Coulomb? Dalam ilmu kelistrikan, gaya Coulomb atau gaya listrik adalah gaya yang ditimbulkan oleh adanya interaksi antara dua partikel bermuatan yang dipisahkan pada jarak tertentu.

Gaya Coulomb antarpartikel terjadi akibat adanya muatan listrik pada masing-masing partikel. Gaya ini hadir dalam dua bentuk, yaitu gaya tarik dan gaya tolak.

Gaya tarik adalah gaya Coulomb yang terjadi pada dua muatan yang tidak sejenis. Sedangkan, gaya tolak terjadi pada dua muatan yang sejenis.

Benjamin Franklin menyarankan agar muatan listrik diberi nama muatan positif dan muatan negatif, untuk membedakan muatan-muatan yang menyebabkan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak.

Suatu benda dikatakan bermuatan listrik negatif jika benda tersebut kelebihan elektron, sedangkan suatu benda dikatakan bermuatan listrik positif jika benda tersebut kekurangan elektron.

Sementara itu, benda dikatakan tidak bermuatan (netral) ketika benda tersebut memiliki jumlah muatan positif yang sama dengan jumlah muatan negatifnya.

Penemu Gaya Coulomb

Orang yang pertama kali menyelidiki hubungan antarmuatan listrik adalah Charles Augustin de Coulomb, seorang fisikawan Prancis.

Ia melakukan percobaan menggunakan neraca puntir, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut ini!

 

Ketika bola A dan bola B diberi muatan sejenis, keduanya akan tolak menolak. Neraca puntir dengan beban bola A dan cermin akan berputar.

Cermin ini digunakan untuk menetukan pergeseran sinar pantul. Oleh karena adanya gaya tolak-menolak, tempat jatuhnya sinar pantul akan berpindah.

Untuk mengembalikan keadaan batang penghubung bola A seperti pada posisi semula, dapat dilakukan dengan memutar tombol puntir.

Dengan bantuan sinar pantul pada cermin, yaitu sinar yang dipantulkan kembali oleh cermin, berarti bola A dapat dikembalikan ke posisi semula.

Dengan mengetahui besar putaran dari tombol putir, Coulomb berhasil menyelidiki hubungan antargaya, besar muatan, dan jarak antara kedua muatan. 

Rumus Gaya Coulomb

Rumus gaya Coulomb diturunkan dari pernyataan Coulomb berdasarkan hasil percobaannya. Pernyataan tersebut berbunyi:

Gaya interaksi antara dua buah benda titik bermuatan listrik, berbanding lurus dengan hasil kali masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut.

Pernyataan di atas umum dikenal dengan Hukum Coulomb, yang dituliskan dengan persamaan matematis: 

 

F = k . ^q₁.q₂/_r²

Keterangan:

• F = gaya Coulomb (N)
• q₁, q₂ = muatan setiap partikel (C)
• r = jarak antara kedua muatan (m)
• k = konstanta Coulomb 9 x 10⁹ (^N/_m²C²)

Lantas, bagaimana menentukan besarnya gaya Coulomb pada sebuah partikel bermuatan yang dipengaruhi oleh dua atau lebih muatan lain?

Persoalan ini bisa diselesaikan dengan vektor. Perhatikan gambar berikut ini!

Gambar di atas menunjukkan vektor-vektor gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q₂. Vektor gaya Coulomb pada q₂ yang disebabkan oleh q₁ adalah F₂₁ (tolak-menolak) dan yang disebabkan oleh q₃ adalah F₂₃ (tarik-menarik).

Jadi, ada dua vektor gaya Coulomb yang bekerja pada q₂, yaitu F₂₁ dan F₂₃. Gaya total yang bekerja pada q₂, yaitu F₂₃ merupakan resultan dari kedua vektor gaya tersebut.

Sehingga persamaannya dapat dituliskan:

F₂ = F₂₁ + F₂₃

Secara umum, gaya total yang bekerja pada sebuah muatan merupakan resultan dari gaya-gaya yang bekerja pada muatan tersebut akibat interaksi dengan muatan-muatan yang ada disekitarnya.

Contoh Soal Gaya Coulomb 

Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang gaya Coulomb!

Contoh Soal 1

Dua buah muatan masing-masing 20 μC dan 24 μC terpisah pada jarak 12 cm. Hitunglah besar gaya tolak-menolak yang bekerja pada muatan tersebut. 

Jawab:

 

Diketahui:

• q₁ = 20 μC = 20 x 10^-6 C
  
• q₂ = 24 μC = 24 x 10^-6 C
• r = 12 cm = 0,12 m = 12 x 10^-2 m 
• k = 9 x 10^{9 N}/_m²C²

Ditanyakan:

• F....?

Penyelesaian:

 

F = k . ^q₁.q₂/_r²

   = 9 x 10⁹ . ^{20 x 10-6. 24 x 10-6}/_{(12 x 10^-2)²}

   = ^4,32/_{144 x 10^-4}

   = 300 N

 

Jadi, besar gaya tolak-menolak antara kedua muatan tersebut adalah 300 N.

Contoh Soal 2

Tiga buah muatan masing-masing q₁ = 10 μC, q₂ = 20 μC, dan q₃ = -30 μC, ditempatkan pada titik-titik sudut segitiga sama sisi yang panjang sisinya 40 cm. Berapa besar gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q₁.

Jawab:

 

Diketahui:

• q₁ = 10 μC = 10 x 10^-6 C
  
• q₂ = 20 μC = 20 x 10^-6 C
• q₃ = -30 μC = -30 x 10^-6 C 
• r = 40 cm = 40 x 10^-2 m 
• k = 9 x 10^{9 N}/_m²C²

Ditanyakan:

• F₁....?

Penyelesaian:

 

Besarnya gaya antara q₁ dan q₂ adalah F₁₂ (gaya tolak): 

F₁₂ = k . ^q₁.q₂/_r²

      = 9 x 10⁹ . ^{10 x 10-6. 20 x 10-6}/_{(40 x 10^-2)²}

      = ^1,8/_{1.600 x 10^-4}

      = 11,25 N

 

Besarnya gaya antara q₁ dan q₃ adalah F₁₃ (gaya tarik):

 

F₁₃ = k . ^q₁.q₃/_r²

      = 9 x 10⁹ . ^{10 x 10-6. 30 x 10-6}/_{(40 x 10^-2)²}

      = ^2,7/_{1.600 x 10^-4}

      = 16,9 N

 

Besar gaya F₁ adalah: 

Jadi, besar gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q₁ adalah 25,54 N.

Kesimpulan

Jadi, gaya Coulomb (F) adalah gaya yang ditimbulkan oleh adanya interaksi antara dua muatan yang dipisahkan pada jarak tertentu yang dirumuskan F = k . ^q₁.q₂/_r², di mana q₁ adalah muatan 1 (C), q₂ adalah muatan 2 (C), r adalah jarak kedua muatan, dan k adalah konstanta. 

 

Gimana adik-adik, udah paham kan materi Gaya Coulomb di atas? Jangan lupa lagi yah.

 

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.

 

Referensi:

• Kamajaya. 2007. Cerdas Belajar Fisika untuk Kelas XII SMA/MA Program IPA. Bandung: Grafindo Media Pratama.
• Pauliza, Osa. 2008. Fisika Kelompok Teknologi dan Kesehatan untuk SMK Kelas XII. Bandung: Grafindo Media Pratama.