Dalam pusaran ilmu fisika, Hukum Coulomb melesat bak kilat yang menerangi pemahaman tentang interaksi muatan listrik. Untuk mengasah pemahaman ini, contoh soal menjadi amunisi yang ampuh. Mari kita menyelami labirin soal-soal ini, di mana muatan-muatan menari bagai partikel dalam simfoni fisika, saling menarik dan menolak dalam keseimbangan yang menawan.
Rumus Hukum Coulomb
Hukum Coulomb menyatakan bahwa besar gaya listrik antara dua muatan titik berbanding lurus dengan besar muatan-muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. Secara matematis, rumus hukum Coulomb dapat dinyatakan sebagai berikut:
F = k * q1 * q2 / r^2
di mana:
- F adalah gaya listrik dalam newton (N)
- k adalah konstanta Coulomb yang nilainya 9 x 10^9 N m^2/C^2
- q1 dan q2 adalah besar muatan-muatan dalam coulomb (C)
- r adalah jarak antara muatan-muatan dalam meter (m)
Konstanta Coulomb (k) merupakan faktor kesebandingan yang besarnya bergantung pada medium tempat muatan-muatan tersebut berada. Dalam ruang hampa, nilai k adalah 9 x 10^9 N m^2/C^2.
Penerapan Hukum Coulomb dalam Kehidupan Sehari-hari
Hukum Coulomb merupakan hukum fisika yang menjelaskan gaya elektrostatik antara dua muatan listrik. Hukum ini memiliki penerapan luas dalam berbagai aspek kehidupan sehari-hari, mulai dari perangkat elektronik hingga fenomena alam.
Penerapan dalam Perangkat Elektronik
Hukum Coulomb memainkan peran penting dalam pengoperasian perangkat elektronik, seperti kapasitor dan transistor. Kapasitor menyimpan muatan listrik menggunakan dua pelat yang dipisahkan oleh bahan isolator. Gaya Coulomb antara muatan pada pelat inilah yang memungkinkan kapasitor menyimpan energi listrik.
Penerapan dalam Fenomena Alam
Petir
Hukum Coulomb bertanggung jawab atas terjadinya petir. Ketika bumi dan awan memiliki potensial listrik yang berbeda, terjadi penumpukan muatan listrik. Gaya Coulomb antara muatan-muatan ini menghasilkan pelepasan energi yang sangat besar dalam bentuk petir.
Aurora Borealis
Aurora borealis, atau cahaya utara, adalah fenomena alam yang terjadi ketika partikel bermuatan dari matahari berinteraksi dengan atmosfer bumi. Partikel-partikel ini memiliki gaya Coulomb terhadap elektron di atmosfer, yang mengakibatkan pelepasan cahaya berwarna-warni.
Contoh Soal dan Penyelesaian Hukum Coulomb
**Soal 1:** Dua buah muatan titik, masing-masing bermuatan +5 μC dan -3 μC, terpisah oleh jarak 20 cm. Tentukan gaya elektrostatis antara kedua muatan tersebut.
**Penyelesaian:**
Dengan menggunakan Hukum Coulomb, didapat:
“`
F = k * (q1 * q2) / r^2
“`
dengan:
* F adalah gaya elektrostatis (dalam Newton)
* k adalah konstanta Coulomb (9 x 10^9 Nm^2/C^2)
* q1 dan q2 adalah muatan titik (dalam Coulomb)
* r adalah jarak antara muatan (dalam meter)
Maka,
“`
F = (9 x 10^9 Nm^2/C^2) * ((5 x 10^-6 C) * (-3 x 10^-6 C)) / (0,2 m)^2
“`
“`
F = -675 μN
“`
Dengan tanda negatif menunjukkan bahwa gaya elektrostatis bersifat tarik-menarik (karena muatannya berlawanan jenis).
Contoh Soal dan Penyelesaian Hukum Coulomb
Contoh Soal 2
Dua buah muatan titik, bermuatan +2 μC dan -4 μC, terpisah oleh jarak 10 cm. Tentukan kuat medan listrik yang dihasilkan oleh muatan-muatan tersebut pada titik yang berjarak 5 cm dari muatan +2 μC.
**Penyelesaian:**
Kuatan medan listrik (E) pada titik tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
“`
E = k * q / r^2
“`
dengan:
* E adalah kuat medan listrik (dalam Newton/Coulomb)
* k adalah konstanta Coulomb (9 x 10^9 Nm^2/C^2)
* q adalah muatan titik (dalam Coulomb)
* r adalah jarak antara muatan dan titik pengamatan (dalam meter)
Untuk muatan +2 μC, jaraknya ke titik pengamatan adalah 15 cm (5 cm + 10 cm). Maka, kuat medan listrik yang dihasilkan oleh muatan +2 μC adalah:
“`
E1 = (9 x 10^9 Nm^2/C^2) * (2 x 10^-6 C) / (0,15 m)^2
“`
“`
E1 = 800 N/C
“`
Untuk muatan -4 μC, jaraknya ke titik pengamatan adalah 5 cm. Maka, kuat medan listrik yang dihasilkan oleh muatan -4 μC adalah:
“`
E2 = (9 x 10^9 Nm^2/C^2) * (-4 x 10^-6 C) / (0,05 m)^2
“`
“`
E2 = -1440 N/C
“`
Kuatan medan listrik total pada titik pengamatan adalah jumlah aljabar dari kedua kuat medan listrik tersebut:
“`
E = E1 + E2 = 800 N/C – 1440 N/C = -640 N/C
“`
Dengan tanda negatif menunjukkan bahwa arah kuat medan listrik total menunjuk ke arah muatan -4 μC.
Dengan menelaah contoh soal hukum coulomb yang disajikan di atas, kita dapat mengagumi keajaiban interaksi elektrostatis. Seperti penari balet yang anggun, muatan-muatan listrik berayun dan berputar, menciptakan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak. Melalui penyelesaian soal-soal ini, kita bukan hanya memperoleh pemahaman mendasar tentang fenomena listrik, tetapi juga menyelami keindahan simetri dan kekuatan alam yang tak terelakkan. Setiap contoh soal bagaikan jendela yang menuntun kita ke dunia fisika yang menakjubkan, di mana rahasia alam terungkap melalui angka dan persamaan.