Gaya Coulomb

Dua muatan listrik sejenis tolak-menolak dan dua muatan listrik tidak sejenis tarik-menarik. Ini berarti antara dua muatan listrik timbul gaya listrik (tolak-menolak atau tarikmanarik). Hubungan gaya tarik atau tolak antara dua bola bermuatan dengan jarak kedua muatan diteliti oleh seorang pakar fisika berkebangsaan Prancis bernama Charles Coulomb, pada 1785. Peralatan yang digunakan pada eksperimennya adalah neraca puntir yang mirip dengan neraca puntir yang digunakan oleh Cavendish pada percobaan gravitasi. Bedanya, pada neraca puntir Coulomb massa benda digantikan oleh bola kecil bermuatan.

 

Untuk memperoleh muatan yang bervariasi, Coulomb menggunakan cara induksi. Sebagai contoh, mula-mula muatan pada setiap bola adalah q_o, besarnya muatan tersebut dapat dikurangi ingga menjadi 1/2 q_o dengan cara membumikan salah satu bola agar muatan terlepas kemudian kedua bola dikontakkan kembali. Hasil eksperimen Coulomb menyangkut gaya yang dilakukan muatan titik terhadap muatan titik lainnya adalah :

"besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda bermuatan listrik (yang kemudian disebut gaya Coulomb) berbanding lurus dengan muatan masing-masing bendadan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut."sehingga persamaan yang dapat ditulis menjadi :

Keterangan : 

F : Gaya Colulomb ( N )

k : Bilangan konstanta 1/4πε = 9.10⁹ Nm²/C²

q₁,q₂ : Muatan listrik pada benda 1 dan 2 ( C )

r : Jarak antara dua muatan ( m )

Agar lebih mudah dimengerti perhatikan ilustrasi gambar di bawah ini.

          Gambar 1                                       Gambar 2

Pada gambar 1 partikel memiliki muatan yang berbeda, sehingga partikel tersebut saling tarik menarik. kedua partikel tersebut memiliki jarak sehingga dapat mempengaruhi besar gaya coulomb yang dihasilkan. Sama halnya dengan gambar 2 yang memiliki muatan yang sama sehingga terjadi tolak-menolak antar kedua muatan tersebut. Kedua muatan terpisah dengan jarak r. Semakin besar jarak antara kedua partikel tersebut maka semakin kecil gaya Coulombnya. Sehingga jarak kedua partikel menjadi berbanding terbalik dengan F ( gaya Coulomb).Gaya Coulomb sebanding dengan kedua muatannya.

Gaya Coulomb termasuk besaran vektor. Apabila pada sebuah benda bermuatan dipengaruhi oleh benda bermuatan listrik lebih dari satu, maka
besarnya gaya Coulomb yang bekerja pada benda itu sama dengan jumlah vektor dari masing-masing gaya coulomb yang ditimbulkan oleh masing-masing benda bermuatan tersebut.

Seperti yang sudah dibahas sebelumnya gaya coulomb merupakan gaya interaksi pada dua partikel yang memiliki jarak. Bagaimana dengan interaksi dengan tiga partikel muatan listrik yang saling berinteraksi ? Kita dapat mencari gaya coulomb dengan cara menjumlahkan vektor dari gaya yang dihasilkan tiap partikel yang menjadi acuannya. Ada beberapa keadaan yang dapatkita hitung dengan gaya rersultannya.

1 Posisi partikel segaris.

Perhatikan gambar di atas. Partikel pada gambar tersebut posisinya segaris dengan posisi partikel yang lainnya. Pada gambar tersebut partikel yang dihitung resultannya adalah F₁. Ingat bahwa gaya coulomb merupakan besaran vektor. Jadi arah vektor sangat menentukan besarnya resultan yang terjadi pada F₁. Sehingga persamaan untuk partikel yang sejajar adalah :

Seperti pada gambar sebelumnya terlihat bahwa arah vektor yang dihasilkan berbeda pada setiap penghitungan gaya masing-masing muatan. Gaya yang arah vektornya ke kanan maka dianggap positif dan gaya yang arahnya ke kiri maka dianggap negatif. jadi penjumlahan resultan vektor pada haya Coulomb tergantung pada arah dari vektor itu sendiri.

2. Posisi Partikel tidak sejajar

 

Gambar di atas terlihat bahwa partikel dalam posisi tida segaris. Sehingga dalam posisinya memiliki sudut antara partikel yang lain. Pada gambar ini yang dicari F resultannya adalah F₁. F₁₃ merupakan interaksi pada partikel q₁ dan q₃ yang merupakan saling tolak menolak. F₁₂ merupakan interaksi gaya pada q₁ dan q₃ dan saling tarik menarik. Jika dihubingkan seperti pada gambar akan membentuk sudut Θ sehingga F resultan ada pada F₁. Sehingga persamaan gaya resultannya akan menjadi :