Gaya Coulomb berkaitan erat dengan materi mengenai listrik statis (elektrostatis). Listrik statis sendiri terbentuk karena adanya interaksi antara partikel-partikel yang bermuatan listrik baik proton positif maupun elektron negatif.
Muatan listrik tidak sejenis yang terpisah pada jarak r akan saling tarik menarik sementara yang sejenis akan tolak menolak. Gaya tarik menarik ataupun gaya saling tolak menolak dari muatan listrik tersebut sebesar F atau disebut sebagai gaya Coulomb.
Pengertian Hukum Coulomb
Penelitian menenai gaya listrik statis atau elektrostatis antara partikel yang bermuatan listrik dilakukan oleh seorang ahli Fisika Prancis yakni Charles de Coulomb. Dari hasil penemuannya ini, Charles de Coulomb kemudian menyimpulkan bahwa:
“Besarnya gaya tarik menarik maupun gaya tolak menolak yang terjadi di antara dua buah benda bermuatan listrik (gaya ini nantinya dikenal sebagai gaya Coulomb), nilainya akan berbanding lurus terhadap muatan setiap benda serta berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak kedua benda.”
Kesimpulan penelitian dari Charles de Coulomb ini nantinya dikenal sebagai hukum Coulomb. Contoh dua muatan yang saling tarik menarik adalah benda yang memiliki muatan proton dan muatan elektron. Proton memiliki muatan positif sementara elektron memiliki muatan negatif.
Benda bermuatan positif ketika mengandung proton lebih banyak dan kehilangan elektron. Ketika benda bermuatan berbeda ini didekatkan, maka akan saling tarik menarik.
Di dalam hukum Coulomb, diyakini bahwa dua muatan yang berdekatan akan saling bekerja tarik menarik atau tolak menolak yang besar gaya tersebut sebanding dengan perkalian kedua muatan tersebut. Besar gaya Coulomb berbanding terbalik terhadap kuadrat dari jarak kedua muatan.
Sehingga apabila jarak kedua muatan semakin jauh, maka besar gaya Coulomb akan semakin mengecil. Artinya ketika jarak kedua muatan semakin jauh, gaya tarik menarik antara kedua muatan semakin melemah.
Rumus Gaya Coulomb
Hukum Coulomb ditunjukkan melalui rumus gaya Coulomb di bawah ini:
Dimana:
F = gaya tarik atau gaya tolak Coulomb (N)
k = konstanta pembanding (nilai konstanta tetap) = 9 x 109 Nm²/C²
Q1 = Besar muatan listrik dari benda 1 (Coulomb)
Q2 = Besar muatan listrik dari benda 2 (Coulomb)
R = jarak di antara dua buah muatan (m)
Gaya Coulomb atau gaya elektrostatis merupakan besaran vektor, sebagaimana jenis gaya lainnya. Besaran vektor adalah besaran yang dipengaruhi oleh arah gaya tersebut bergerak.
Jika ada suatu benda bermuatan yang dipengaruhi oleh benda bermuatan listrik lebih dari satu, maka besar gaya Coulomb yang timbul dari benda tersebut nilainya akan sama dengan jumlah vektor setiap gaya Coulomb yang timbul karena benda bermuatan listrik tersebut.
Di bawah ini adalah contoh gaya Coulomb dari tiga muatan listrik yang besar gayanya dipengaruhi oleh vektor setiap gaya.
Gaya yang terjadi muatan q3:
F = F1 + F2
Letak ketiga muatan di atas tidak dalam satu garis lurus, maka besar gaya Coulomb di muatan q3 adalah:
Keterangan:
F = Gaya Coulomb di titik q3 yang terbentuk karena muatan q1 dan q2
F1 = Gaya Coulomb di titik q3 yang terbentuk karena muatan q1
F2 = Gaya Coulomb di titik q3 yang terbentuk karena muatan q2
Contoh Gaya Coulomb
Gaya coulomb tidak hanya terjadi pada peralatan listrik yang ada di kehidupan sehari-hari. Namun, gaya Coulomb juga dapat ditemukan pada fenomena alam yang sering manusia saksikan, misalnya terbentuknya halilintar saat hujan turun.
- Fenomena Halilintar
Halilintar terbentuk karena adanya hukum Coulomb yang terjadi ketika hujan turun yakni karena adanya gesekan antara partikel yang ada di awan dengan udara di atmosfer. Terjadinya gesekan antara hujan dengan partikel udara membuat awan bermuatan listrik statis padahal sebelumnya awan bersifat netral.
Awan kemudian melepaskan muatan elektronnya yang menyebabkan munculnya bunga api listrik yang umum dikenal sebagai halilintar.
- Alat Penangkal Petir
Selain halilintar, peralatan yang digunakan untuk menangkal petir juga menggunakan konsep hukum Coulomb. Pada ujung alat penangkal petir dibuat bermuatan positif sementara petir bermuatan negatif.
Sehingga ketika petir yang bermuatan negatif mendekati atap rumah, kedua muatan dari penangkal petir yang positif dan petir bermuatan negatif akan tarik menarik. Ketika kedua muatan bertemu maka akan terbentuk aliran listrik.
Aliran listrik yang terbentuk ini akan dialirkan ke tanah menggunakan kabel konduktor dari alat penangkal petir.
- Mesin Fotokopi Elektrostatik
Alat selanjutnya yang menggunakan prinsip hukum Coulomb adalah mesin fotokopi elektrostatik. Mesin fotokopi elektrostatik menggunakan prinsip cara kerja tarik menarik antara dua buah muatan tidak sejenis.
Contoh Soal Gaya Coulomb
- Soal 1
Dua buah muatan listrik saling terpisah pada jarak 6 cm. Masing-masing muatan listrik ini memiliki besaran 6 x 10-6 C dan 4 x 10-6 C. Tentukan berapakah besaran gaya listrik yang terbentuk pada masing-masing muatan listrik tersebut?
Jawab:
Diketahui nilai konstanta pembanding (k) = 9 x 109 Nm²/C²
R = 6 cm = 6 x 10-2 m = 0,06 m
R² = (0,06)² = 36 x 10-4 m²
Untuk menghtitung besar gaya listrik yang bekerja pada masing-masing muatan listrik menggunakan rumus berikut:
Sehingga besar gaya listrik yang bekerja pada masing-masing muatan listrik di atas adalah 60 N.
- Soal 2
Jawab:
Gaya muatan I terletak di garis lurus antara muatan G dan H. Jarak muatan I dari G adalah 10 cm sementara muatan I ke muatan H adalah 5 cm. Arah vektor gaya sama yakni tarik menarik ke muatan H. Maka berlaku persamaan Coulomb berikut:
Gaya Coulomb adalah gaya tarik menarik ataupun gaya saling tolak menolak sebesar F dari beberapa muatan listrik yang terpisah dengan jarak tertentu. Nilai gaya Coulomb akan berbanding lurus terhadap muatan setiap benda serta berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak kedua benda