Hukum Coulomb adalah salah satu hukum fundamental dalam fisika, yang menggambarkan gaya elektrostatik antara dua partikel yang bermuatan. Nama hukum ini berasal dari fisikawan Prancis, Charles Augustin de Coulomb, yang pertama kali mempublikasikannya pada tahun 1785.
Prinsip Hukum Coulomb
Hukum Coulomb menyatakan bahwa gaya elektrostatik antara dua muatan langsung sebanding dengan hasil kali antara muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka. Secara matematis, hukum Coulomb dapat ditulis sebagai berikut:
F = k x (|q₁ x q₂| / r²)
Di mana:
- F adalah gaya elektrostatik antara dua muatan (dalam satuan Newton),
- q₁ dan q₂ adalah nilai dari kedua muatan (dalam satuan Coulomb),
- r adalah jarak antara dua muatan (dalam satuan meter),
- dan k adalah konstanta Coulomb, dengan nilai k ≈ 8.99 x 10⁹ Nm²/C² di dalam vakum.
Dalam kata lain, jika kita memperbesar muatan atau memperkecil jarak antara dua muatan, maka gaya elektrostatik antara dua muatan tersebut akan semakin besar. Sebaliknya, jika kita memperkecil muatan atau memperbesar jarak antara dua muatan, maka gaya elektrostatik antara dua muatan tersebut akan semakin kecil.
Aplikasi Hukum Coulomb
Hukum Coulomb digunakan dalam berbagai bidang, termasuk fisika dan teknik. Dalam fisika, hukum ini digunakan untuk menjelaskan interaksi antara partikel subatomik, seperti elektron dan proton dalam atom. Dalam teknik, hukum ini digunakan dalam desain dan analisis sistem listrik dan elektronik.
Misalnya, dalam model atom Bohr, hukum Coulomb digunakan untuk menjelaskan gaya tarik antara elektron dan inti atom. Dalam teknik elektronik, hukum ini digunakan untuk menentukan kapasitansi dan hambatan dalam rangkaian listrik.
Kesimpulan
Hukum Coulomb adalah prinsip fundamental dalam fisika yang menggambarkan gaya elektrostatik antara dua muatan. Hukum ini memiliki aplikasi yang luas dalam berbagai bidang ilmu dan teknik, dan memberikan pengetahuan penting tentang bagaimana partikel bermuatan berinteraksi satu sama lain.
Pertanyaan konseptual dan jawaban tentang hukum Coulomb
Soal 1 Apa yang dimaksud dengan Hukum Coulomb?
Pembahasan Hukum Coulomb adalah hukum yang menjelaskan hubungan antara gaya elektrostatik antara dua partikel bermuatan dengan besar muatan dan jarak antara partikel tersebut. Hukum ini menyatakan bahwa gaya elektrostatik tersebut sebanding dengan hasil kali muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan.
Soal 2 Bagaimana hubungan antara jarak antar muatan dengan gaya elektrostatik menurut Hukum Coulomb?
Pembahasan Menurut Hukum Coulomb, gaya elektrostatik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan. Artinya, jika jarak antara dua muatan diperbesar, maka gaya elektrostatik antara mereka akan berkurang, dan sebaliknya.
Soal 3 Sebutkan dan jelaskan konstanta yang ada dalam formula Hukum Coulomb!
Pembahasan Konstanta dalam formula Hukum Coulomb adalah k yang dikenal sebagai konstanta Coulomb. Nilainya adalah sekitar 8.99 x 10⁹ Nm²/C² di dalam vakum. Konstanta ini menghubungkan muatan dan jarak antar muatan dengan gaya elektrostatik yang muncul.
Soal 4 Bagaimana pengaruh peningkatan muatan terhadap gaya elektrostatik menurut Hukum Coulomb?
Pembahasan Menurut Hukum Coulomb, gaya elektrostatik sebanding dengan hasil kali muatan. Jadi, jika muatan pada salah satu atau kedua partikel ditingkatkan, gaya elektrostatik antara mereka juga akan meningkat.
Soal 5 Sebutkan dan jelaskan aplikasi Hukum Coulomb dalam kehidupan sehari-hari!
Pembahasan Hukum Coulomb banyak diaplikasikan dalam berbagai teknologi sehari-hari, seperti dalam perangkat elektronik dan sistem listrik. Misalnya, hukum Coulomb digunakan dalam perancangan dan analisis rangkaian listrik untuk menentukan kapasitansi dan hambatan dari komponen listrik.
Soal 6 Bagaimana hubungan antara Hukum Coulomb dengan hukum gravitasi Newton?
Pembahasan Hukum Coulomb dan hukum gravitasi Newton memiliki bentuk yang mirip. Keduanya menjelaskan gaya yang sebanding dengan hasil kali dua variabel (muatan atau massa) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka. Namun, hukum Coulomb berlaku untuk gaya elektrostatik, sedangkan hukum gravitasi Newton berlaku untuk gaya gravitasi.
Soal 7 Apakah mungkin ada gaya tolak-menolak dalam Hukum Coulomb?
Pembahasan Ya, dalam Hukum Coulomb, gaya tolak-menolak dapat terjadi. Jika kedua muatan memiliki jenis yang sama (keduanya positif atau keduanya negatif), maka akan terjadi gaya tolak-menolak antara kedua muatan tersebut.
Soal 8 Bagaimana pengaruh medium di sekitar muatan terhadap Hukum Coulomb?
Pembahasan Hukum Coulomb dalam bentuk aslinya hanya berlaku dalam vakum. Namun, dalam medium lain, nilai konstanta Coulomb (k) bisa berbeda, yang berarti bahwa gaya elektrostatik juga bisa berbeda. Perbedaan ini biasanya dinyatakan dengan faktor permitivitas relatif dari medium tersebut.
Soal 9 Apakah Hukum Coulomb berlaku untuk muatan yang bergerak?
Pembahasan Hukum Coulomb pada dasarnya ditujukan untuk muatan yang diam (muatan titik). Namun, hukum ini juga dapat diterapkan untuk muatan yang bergerak dengan beberapa modifikasi, yang memasukkan efek dari medan magnet dan relativitas.
Soal 10 Apakah Hukum Coulomb berlaku untuk semua ukuran partikel?
Pembahasan Hukum Coulomb berlaku baik untuk partikel makroskopis maupun partikel subatomik, asalkan mereka bermuatan. Namun, untuk skala yang sangat kecil, efek dari mekanika kuantum juga harus diperhitungkan, yang dapat memodifikasi cara hukum Coulomb bekerja.
Pertanyaan hitungan dan pembahasan tentang hukum Coulomb
Soal 1 Dua buah muatan listrik, masing-masing 2 C dan 5 C, berjarak 3 meter satu sama lain. Berapa gaya elektrostatik antara kedua muatan tersebut?
Pembahasan Menggunakan rumus Hukum Coulomb, F = k x (|q₁ x q₂| / r²), dimana k = 8.99 x 10⁹ Nm²/C², q₁ = 2 C, q₂ = 5 C, dan r = 3 m. Maka, F = 8.99 x 10⁹ x (2 x 5) / 3² = 9.98 x 10⁹ N.
Soal 2 Muatan listrik sebesar 3 C merasakan gaya 20 N ketika berjarak 2 meter dari muatan listrik lain. Berapa besar muatan kedua?
Pembahasan Diketahui F = 20 N, q₁ = 3 C, r = 2 m, dan k = 8.99 x 10⁹ Nm²/C². Menggunakan rumus Hukum Coulomb, F = k x (q₁ x q₂) / r², dapat ditemukan bahwa q₂ = F x r² / (k x q₁) = 20 x 4 / (8.99 x 10⁹ x 3) = 2.96 x 10⁻⁹ C.
Soal 3 Dua muatan listrik masing-masing 4 C dan 6 C berjarak 1 meter satu sama lain. Jika mereka bergerak menjauh sampai jaraknya menjadi 3 meter, berapa perubahan gaya elektrostatiknya?
Pembahasan Menggunakan Hukum Coulomb, gaya awal F₁ = k x (q₁ x q₂) / r₁² = 8.99 x 10⁹ x (4 x 6) / 1² = 215.76 x 10⁹ N. Gaya akhir F₂ = k x (q₁ x q₂) / r₂² = 8.99 x 10⁹ x (4 x 6) / 3² = 23.96 x 10⁹ N. Maka, ΔF = F₂ – F₁ = -191.8 x 10⁹ N. Jadi, gaya berkurang sebesar 191.8 x 10⁹ N.
Soal 4 Muatan listrik sebesar 5 C merasakan gaya 15 N ketika didekati oleh muatan listrik lain sejauh 1 meter. Jika muatan kedua diperbesar 3 kali lipat, berapa gaya baru yang dirasakan muatan pertama?
Pembahasan Dari Hukum Coulomb, gaya awal F₁ = k x (q₁ x q₂) / r². Jika q₂’ = 3q₂, maka gaya baru F₂ = k x (q₁ x q₂’) / r² = 3F₁ = 3 x 15 = 45 N.
Soal 5 Dua buah muatan listrik, masing-masing 3 C dan 4 C, berjarak 2 meter satu sama lain. Jika jarak antara kedua muatan diperkecil menjadi 1 meter, berapa gaya baru antara kedua muatan tersebut?
Pembahasan Dari Hukum Coulomb, gaya awal F₁ = k x (q₁ x q₂) / r₁² = 8.99 x 10⁹ x (3 x 4) / 2² = 53.94 x 10⁹ N. Jika r₂ = r₁/2, maka gaya baru F₂ = k x (q₁ x q₂) / r₂² = 4F₁ = 4 x 53.94 x 10⁹ = 215.76 x 10⁹ N.
Soal 6 Muatan listrik sebesar 6 C berjarak 2 meter dari muatan listrik lain yang membuatnya merasakan gaya 25 N. Berapa besar muatan kedua?
Pembahasan Diketahui F = 25 N, q₁ = 6 C, r = 2 m, dan k = 8.99 x 10⁹ Nm²/C². Menggunakan rumus Hukum Coulomb, F = k x (q₁ x q₂) / r², dapat ditemukan bahwa q₂ = F x r² / (k x q₁) = 25 x 4 / (8.99 x 10⁹ x 6) = 1.11 x 10⁻⁹ C.
Soal 7 Dua muatan listrik masing-masing 4 C dan 7 C berjarak 3 meter satu sama lain. Jika mereka bergerak mendekat sampai jaraknya menjadi 1 meter, berapa perubahan gaya elektrostatiknya?
Pembahasan Menggunakan Hukum Coulomb, gaya awal F₁ = k x (q₁ x q₂) / r₁² = 8.99 x 10⁹ x (4 x 7) / 3² = 55.93 x 10⁹ N. Gaya akhir F₂ = k x (q₁ x q₂) / r₂² = 8.99 x 10⁹ x (4 x 7) / 1² = 503.46 x 10⁹ N. Maka, ΔF = F₂ – F₁ = 447.53 x 10⁹ N. Jadi, gaya bertambah sebesar 447.53 x 10⁹ N.
Soal 8 Muatan listrik sebesar 8 C merasakan gaya 30 N ketika berjarak 1 meter dari muatan listrik lain. Jika muatan kedua dikurangi setengahnya, berapa gaya baru yang dirasakan muatan pertama?
Pembahasan Dari Hukum Coulomb, gaya awal F₁ = k x (q₁ x q₂) / r². Jika q₂’ = q₂/2, maka gaya baru F₂ = k x (q₁ x q₂’) / r² = F₁/2 = 30/2 = 15 N.
Soal 9 Dua buah muatan listrik, masing-masing 2 C dan 6 C, berjarak 1 meter satu sama lain. Jika jarak antara kedua muatan diperbesar menjadi 3 meter, berapa gaya baru antara kedua muatan tersebut?
Pembahasan Dari Hukum Coulomb, gaya awal F₁ = k x (q₁ x q₂) / r₁² = 8.99 x 10⁹ x (2 x 6) / 1² = 107.88 x 10⁹ N. Jika r₂ = 3r₁, maka gaya baru F₂ = k x (q₁ x q₂) / r₂² = F₁/9 = 107.88 x 10⁹ / 9 = 11.98 x 10⁹ N.
Soal 10 Muatan listrik sebesar 5 C berjarak 3 meter dari muatan listrik lain yang membuatnya merasakan gaya 10 N. Berapa besar muatan kedua?
Pembahasan Diketahui F = 10 N, q₁ = 5 C, r = 3 m, dan k = 8.99 x 10⁹ Nm²/C². Menggunakan rumus Hukum Coulomb, F = k x (q₁ x q₂) / r², dapat ditemukan bahwa q₂ = F x r² / (k x q₁) = 10 x 9 / (8.99 x 10⁹ x 5) = 2 x 10⁻¹⁰ C.
