Materi Hukum Coulomb, Pengertian, Persamaan, Rumus, Contoh Soal dan Pembahasan

Materi Hukum Coulomb, Pengertian, Persamaan, Rumus, Contoh Soal dan Pembahasan. Berikut penjelasan mengenai hukum Coulomb secara lengkap. Hukum Coulomb membahas tentang gaya listrik dan muatannya dalam bidang ilmu fisika.

Simak penjelasan Hukum Coulomb, Pengertian, Persamaan, Rumus, Contoh Soal dan Pembahasan.

Pengertian Hukum Coulomb

Hukum Coulomb adalah hukum yang menghubungkan antara jenis muatan listrik positif (+) dengan jenis muatan negatif (-).

Kedua jenis muatan tersebut akan menimbulkan sebuah gaya dengan jarak di antara titik muatan.

Sebuah muatan listrik, baik positif maupun muatan negatif terdapat dalam partikel sub-atomik.

Muatan listrik bersifat saling tolak jika sesama jenis muatan (positif – positif, negatif – negatif), sedangkan muatan listrik yang bertemu dengan beda jenis (negatif – positif) akan menghasilkan sifat saling tarik menarik.

Bunyi Hukum Coulomb

"Besarnya gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak antara dua benda yang bermuatan listrik akan berbanding lurus dengan muatan masing - masing benda, akan tetapi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak benda tersebut".

Bunyi hukum yang mengatakan tentang besarnya gaya antara kedua benda yang bermuatan listrik disebut dengan gaya coulomb.

Penelitian tentang gaya listrik dan muatannya dilakukan oleh seorang ilmuwan fisika yang bernama Charles Augustin Coulomb.

Persamaan Hukum Coulomb

Hukum coulomb mempunyai persamaan dengan salah satu hukum fisika yang lainnya, yaitu hukum gravitasi newton. Hukum gravitasi newton berada dalam lingkup pembahasan hukum newton.

• Persamaan : Perbandingan kuadrat yang terbalik.
• Perbedaan : Gaya gravitasi selalu tarik menarik, sedangkan gaya listrik pada hukum coulomb bersifat tarik – menarik dan juga dapat saling tolak- menolak.

Berdasarkan gambar gaya coulomb di atas, benda akan saling tolak – menolak jika kedua benda sejenis (bermuatan listrik sama positif ataupun negatif). Saling tarik – menarik jika kedua benda berbeda jenis muatan.

Kedua benda yang memiliki muatan listrik, baik (+) dengan (-), maupun positif (+) dengan (+), dan negatif (-) dengan negatif (-) masing – masing terpisahkan dengan jarak (r).

Rumus Hukum Coulomb

Rumus coulomb :

F=k\frac{q_1\cdot q_2}{r^2}

Keterangan simbol – simbol rumus substitusi di atas, adalah :

• F = Gaya coulomb, yaitu gaya tarik – menarik ataupun gaya tolak – menolak (satuan : N).
• q₁ = Nilai muatan listrik pada benda ke – 1 (satuan : C).
• q₂ = Nilai muatan listrik pada benda ke – 2 (satuan : C).
• r = Jarak, yaitu antara kedua benda yang bermuatan listrik (satuan : m).
• k = Konstanta

Nilai konstanta sebesar 9 x 10⁹ N m² / C². Satuan C adalah Coulomb, sedangkan N adalah Newton, dan satuan m adalah meter.

Selain rumus di atas, gaya coulomb juga memiliki persamaan lainnya jika benda dengan muatan listrik lebih dari satu, maka hal tersebut berhubungan dengan besaran vektor.

Besaran vektor merupakan besaran yang memiliki nilai sekaligus arah, seperti : percepatan, gravitasi, dan juga gaya. Maka rumus persamaan matematikanya seperti berikut :

\overline F=\overline {F_1}+\overline {F_2}\\
\ \\
atau\\
\ \\
\overline F=k\frac{q_1\cdot q_2}{{r_1}^2}+k\frac{q_2\cdot q_3}{{r_1}^2}

Besar gaya vektor q3 dijelaskan dalam bentuk gambar di bawah ini.

Keterangan :

F₁ = gaya coulomb q₃ dari muatan benda q₁ (satuan : N).

F₂ = gaya coulomb q₃ dari muatan benda q₂ (satuan : N)

F = gaya coulomb q₃ dari muatan benda q₁ dan muatan q₂ (satuan : N).

Letak muatan ketiga benda pada gambar besaran vektor di atas tidak berada di dalam satu garis yang tegak lurus, dan sudut a (alpha) terapit gaya F₁ dan F₂, sehingga nilai F memiliki persamaan rumus seperti berikut :

\overline F=\sqrt {{(F_1)}^2+{(F_2)}^2+2\cdot F_1\cdot F_2\cdot cos\ \alpha}

Wah, ternyata ilmu fisika memiliki persamaan yang saling keterkatian. Tentu saja, karena cabang ilmu hukumnya sangat banyak dan saling berhubungan.

Tidak hanya memiliki persamaan dalam hukum gravitasi newton, akan tetapi muatan listrik juga berhubungan dengan kuat arus listrik tersebut tentunya.

Kemudian, seperti apa hubungan muatan dengan kuat arus listrik? Hubungan tersebut dapat dijadikan persamaan substitusi seperti di bawah ini.

Rumus Muatan dengan Kuat Arus Listrik :

Kuat arus berbanding lurus dengan muatan listrik, dan berbanding terbalik dengan satuan waktu.

Keterangan :

• I = Kuat Arus (satuan : Ampere / A).
• q = Muatan listrik suatu benda (satuan : Coulomb / C).
• t = waktu (satuan : detik / second).

Rumus hukum coulomb bercabang dengan rumus dari hukum – hukum dalam bidang fisika yang lainnya. Jadi, harus lebih teliti jika ingin mengerjakan soal latihan.

Contoh Soal dan Pembahasan Hukum Coulomb

Soal 1

Terdapat 3 benda yang bermuatan listrik positif secara berurutan q₁ sebesar 30 µC, q = 4 µC, sedangkan q₂ 60 µC. Apabila jarak q₁ ke q adalah d, dan jarak q ke q₂ = 2d. Hitunglah besar dan arah gaya listrik jika nilai d sama dengan 20 cm!

Pembahasan 2 :

Diketahui :

q₁ = 30 µC, satuan q adala C maka konversi q₁ adalah 3 x 10^-5 C.

q₂ = 60 µC, konversi q₂ = 6 x 10^-5 C.

q = 4 µC, dan konversi q₂ = 4 x 10^-6 C.

r₁ = d, karena d = 20 cm maka konversi d menjadi 20 x 10^-1 m.

r₂ = 2d, karena d = 20 cm maka dikalikan 2 dan konversi d menjadi 40 x 10^-1 m.

Ditanya : F, dan arah gaya ….?

Jawaban :

Langkah pertama harus mencari nilai F₁ dan F₂ sesuai dengan besaran vektor, maka :

• Muatan listrik q₁ > q = tolak – menolak, sehingga arah gaya benda q = ke arah kanan (F₂).
• Muatan listrik q2 > q = tolak – menolak, sehingga arah gaya benda q = ke arah kiri (F₁).

Pernyataan tersebut akan dimasukkan ke dalam persamaan, dan hasilnya adalah :

F_1=k\frac{q\cdot q_1}{{r_1}^2}\\
\ \\
F_1=9 x 10^9\ \frac{4×10^{-6}\cdot 3×10^{-5}}{(2×10^{-1})^2}\\
\ \\
F_1=\ \frac{4\cdot 27\cdot 10^9\cdot10^{-11}}{4×10^{-2}}\\
\ \\
F_1=\frac{27\cdot10^{-2}}{10^{-2}}\\
\ \\
F_1=27\ N\\
\ \\
dan\ F_2 =….\\
\ \\
F_2=k\frac{q\cdot q_1}{{r_1}^2}\\
\ \\
F_1=9 x 10^9\ \frac{4×10^{-6}\cdot 6×10^{-5}}{(4×10^{-1})^2}\\
\ \\
F_1=\ \frac{4\cdot 54\cdot 10^9\cdot10^{-11}}{16×10^{-2}}\\
\ \\
F_1=\frac{54\cdot10^{-2}}{4\cdot10^{-2}}\\
\ \\
F_1=13,5\ N 

Setelah mendapatkan nilai F₁ dan F₂, maka mencari besar gaya (F) dengan pernyataan berikut :

• Gaya ke kanan = positif.
• Gaya ke kiri = negatif.

Maka resultan gaya coulomb pada muatan listrik tersebut sebesar . . . .

F=F_1+F_2\\
\ \\
F=(+27) +(-13,5)\\
\ \\
F=+13,5\ N 

Besar gaya = 13,5 N, karena hasil resultan gaya adalah positif (+) maka arah gaya ke arah kanan.

Soal 2 :

Terdapat dua benda yang memiliki muatan listrik berbeda dengan masing – masing besaran muatan q₁ = 8 x 10^-6 C, sedangkan q₂ = 9 x 10^-6 C. Jarak antara kedua benda tersebut adalah 6 cm. Maka, berapakah besar gaya coulomb?

Diketahui :

q₁ = 8 x 10^-6 C

q₂ = 9 x 10^-6 C

r = 6 cm, karena satuan jari – jari (r) adalah meter, maka jika dikonversi menjadi 6 x 10^-2 m.

Ditanya : F ….?

Jawaban :

Berdasarkan rumus hukum coulomb di atas, perhitungannya adalah sebagai berikut.

F=k\frac{q_1\cdot q_2}{r^2}\\
\ \\
F=9 x 10^9\ \frac{8×10^{-6}\cdot 9×10^{-6}}{(6×10^{-2})^2}\\
\ \\
F=9 x 10^9\ \frac{8×10^{-6}\cdot 9×10^{-6}}{36×10^{-4}}\\
\ \\
F=\frac{8\cdot 9\cdot 10^9\cdot10^{-12}}{4×10^{-4}}\\
\ \\
F=\frac{2\cdot 9\cdot 10^3}{10^{-4}}\\
\ \\
F=18\cdot10^1\\
F=180\ N 

Besarnya gaya coulomb dari kedua benda yang bermuatan listrik tersebut sebesar 180 N. Kedua benda terebut memiliki muatan yang berbeda jenis, maka mengalami gaya tarik – menarik.