Muatan listrik adalah sifat fisik dasar materi dan khususnya, partikel subatomik proton dan elektron. Sama seperti atom memiliki massa, partikel-partikel ini memiliki muatan, dan ada gaya listrik dan medan listrik yang terkait dengan muatan ini.
Sifat Muatan Listrik
Muatan listrik datang dalam dua jenis:muatan positif dan muatan negatif, yang, seperti namanya, memiliki tanda yang berlawanan (tidak seperti massa, yang hanya memiliki satu variasi). Benda-benda dengan muatan listrik mengerahkan gaya listrik satu sama lain, seperti halnya benda-benda bermassa melalui gaya gravitasi. Tetapi alih-alih selalu menjadi gaya tarik-menarik, seperti halnya massa, muatan-muatan yang berlawanan menarik sementara muatan-muatan sejenis tolak-menolak.
Satuan SI untuk muatan adalah coulomb (C). Satu coulomb didefinisikan sebagai jumlah muatan yang dapat dipindahkan oleh satu ampere arus listrik dalam satu detik. Pembawa muatan dasar adalah proton, dengan muatan+e, dan elektron, dengan muatan-e, dimana muatan dasare = 1.602 × 10-19 C.
Muatan bersih pada suatu benda adalah jumlah proton protontidakpdikurangi jumlah elektrontidakewaktue:
\text{biaya bersih} = (N_p - N_e) e
Sebagian besar atom netral secara listrik, artinya mereka memiliki jumlah proton dan elektron yang sama, sehingga muatan bersihnya adalah 0 C. Jika sebuah atom mendapatkan atau kehilangan elektron, itu disebut ion dan akan memiliki muatan bersih yang tidak nol. Benda-benda dengan muatan bersih menunjukkan listrik statis dan dapat menempel satu sama lain sebagai hasilnya dengan gaya yang bergantung pada jumlah muatan.
Perhatikan bahwa transfer elektron antar atom atau antar benda ini juga tidak mengakibatkan perubahan massa benda yang signifikan. Ini karena, meskipun proton dan elektron memiliki besar muatan yang sama, mereka memiliki massa yang sangat berbeda. Massa elektron adalah 9,11 × 10-31 kg sedangkan massa proton adalah 1,67 × 10-27 kg. Proton lebih dari 1.000 kali lebih berat daripada elektron!
Hukum Coulomb: Rumus
Hukum Coulomb memberikan gaya elektrostatikFantara dua muatan,q1danq2sebuah jarakrselain:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
Dimanakadalah konstanta Coulomb = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Perhatikan bahwa gaya ini adalahvektor,yang menunjuk sepanjang garis yang menjauhi partikel lain jika muatannya sama dan menuju partikel lain jika muatannya berlawanan.
Hukum Coulomb, seperti gaya gravitasi antara dua massa, adalah hukum kuadrat terbalik. Ini berarti bahwa itu berkurang sebagai kuadrat terbalik dari jarak antara dua muatan. Dengan kata lain, muatan yang jaraknya dua kali lebih jauh mengalami seperempat gaya. Tapi sementara muatan ini berkurang dengan jarak, ia tidak pernah pergi ke nol dan memiliki jangkauan yang tak terbatas.
Contoh untuk Dipelajari
Contoh 1:Biaya +2edan biaya -4edipisahkan oleh jarak 0,25 cm. Berapakah besar gaya Coulomb di antara keduanya?
Menggunakan hukum Coulomb, dan pastikan untuk mengubah cm ke m, Anda mendapatkan:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8,99\times10^9)\frac{(2\times 1,602\times10^{-19})(-4\times 1,602\times 10^{-19 })}{0,0025^2} = 2,95\kali 10^{-22}\teks{ N}
Contoh 2:Misalkan sebuah elektron dan proton dipisahkan oleh jarak 1 mm. Bagaimana gaya gravitasi di antara mereka dibandingkan dengan gaya elektrostatik?
Gaya gravitasi dapat dihitung dari persamaan:
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
Dimana konstanta gravitasiG = 6.67 × 10-11 saya3/kgs2.
Memasukkan angka memberikan:
F_{grav} = (6,67\times 10^{-11})\frac{(1,67\times 10^{-27})(9,11\times 10^{-31})}{(1\times 10^{ -3})^2} = 1,015\kali 10^{-61}\teks{ N}
Gaya elektrostatik diberikan oleh hukum Coulomb:
F_{elec} = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8,99\times10^9)\frac{(1,602\times 10^{-19})(-1,602\times 10^{-19}) }{(1\kali 10^{-3})^2} = 2,307\kali 10^{-22}\text{ N}
Gaya elektrostatik antara proton dan elektron lebih dari 1039 kali lebih besar dari gaya gravitasi!