Muatan sejenis tolak menolak, dan muatan berlawanan tarik menarik, tetapi seberapa besar gaya tarik menarik ini? Sama seperti Anda memiliki persamaan untuk menghitung gaya gravitasi antara dua massa, ada juga rumus untuk menentukan gaya listrik antara dua muatan.
Satuan SI untuk muatan listrik adalah Coulomb (C) dan pembawa muatan dasar adalah proton, dengan muatan+e, dan elektron, dengan muatan-e, dimana muatan dasare = 1.602× 10-19 C. Karena itu, muatan suatu benda terkadang direpresentasikan sebagai kelipatan darie.
Hukum Coulomb
Hukum Coulomb, dinamai fisikawan Prancis Charles-Augustin de Coulomb, memberikan gaya listrik antara dua muatan titikq1danq2jarak pemisahanrselain sebagai:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
Dimana konstantakadalah konstanta Coulomb,k = 8.99 × 109 Nm2/C2.
Satuan SI untuk gaya listrik adalah Newton (N), seperti halnya dengan semua gaya. Arah vektor gaya adalah menuju muatan lain (menarik) untuk muatan yang berlawanan dan menjauhi muatan lain (menolak) jika muatannya sama.
Hukum Coulomb, seperti gaya gravitasi antara dua massa, adalahhukum 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.
Untuk menemukan gaya pada muatan yang diberikan karena beberapa muatan lainnya, Anda menggunakan hukum Coulomb untuk menentukan gaya pada muatan tersebut. muatan karena masing-masing muatan lainnya secara individual, dan kemudian Anda menambahkan jumlah vektor gaya untuk mendapatkan final hasil.
Mengapa Hukum Coulomb Penting?
Listrik statis:Hukum Coulomb adalah alasan Anda terkejut ketika menyentuh kenop pintu setelah berjalan melintasi karpet.
Saat Anda menggosok kaki Anda di karpet, elektron berpindah melalui gesekan meninggalkan Anda dengan muatan bersih. Semua kelebihan biaya pada Anda saling tolak. Saat tangan Anda meraih kenop pintu, konduktor, muatan berlebih itu membuat lompatan, menyebabkan kejutan!
Gaya listrik jauh lebih kuat daripada gravitasi:Meskipun ada banyak kesamaan antara gaya listrik dan gaya gravitasi, gaya listrik memiliki kekuatan relatif 1036 kali dari gaya gravitasi!
Gravitasi hanya tampak besar bagi kita karena bumi tempat kita menempel begitu besar, dan sebagian besar benda bersifat netral secara elektrik, artinya mereka memiliki jumlah proton dan elektron yang sama.
Di dalam atom:Hukum Coulomb juga relevan dengan interaksi antara inti atom. Dua inti bermuatan positif akan saling tolak menolak karena gaya coulomb kecuali jika jaraknya cukup dekat sehingga gaya nuklir kuat (yang menyebabkan proton menarik tetapi hanya bekerja pada jarak yang sangat pendek) menang di luar.
Inilah sebabnya mengapa energi tinggi diperlukan agar inti dapat melebur: Gaya tolak awal harus diatasi. Gaya elektrostatik juga merupakan alasan mengapa elektron tertarik ke inti atom dan itulah sebabnya sebagian besar benda bersifat netral secara elektrik.
Polarisasi:Sebuah objek bermuatan, ketika didekatkan dengan objek netral, menyebabkan awan elektron di sekitar atom dalam objek netral untuk mendistribusikan kembali diri mereka sendiri. Fenomena ini disebutpolarisasi.
Jika benda bermuatan bermuatan negatif, awan elektron terdorong ke sisi terjauh dari atom, menyebabkan muatan positif dalam atom menjadi sedikit lebih dekat daripada muatan negatif di atom. (Kebalikannya terjadi jika benda bermuatan positif yang didekatkan.)
Hukum Coulomb menyatakan bahwa gaya tarik menarik antara benda bermuatan negatif dan muatan positif pada benda netral adalah sedikit lebih kuat daripada gaya tolak menolak antara benda bermuatan negatif dan benda netral karena jarak relatif antara the biaya.
Alhasil, meski satu objek secara teknis netral, tetap akan ada daya tarik. Inilah sebabnya mengapa balon bermuatan menempel pada dinding netral!
Contoh untuk Dipelajari
Contoh 1:Biaya +2edan muatan -2edipisahkan oleh jarak 0,5 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\times 10^9)\frac{(2\times 1,602\times10^{-19})(-2\times 1,602\times10^{-19 })}{0,005^2} = -3,69\times 10^{-23} \text{ N}
Tanda negatif menunjukkan ini adalah gaya tarik-menarik.
Contoh 2:Tiga muatan berada pada titik sudut segitiga sama sisi. Di titik kiri bawah adalah -4ebiaya. Di sudut kanan bawah adalah +2emuatan, dan di puncak atas adalah +3ebiaya. Jika sisi-sisi segitiga adalah 0,8 mm, berapakah gaya total pada +3ebiaya?
Untuk menyelesaikannya, Anda perlu menentukan besar dan arah gaya yang disebabkan oleh setiap muatan satu per satu, dan kemudian menggunakan penjumlahan vektor untuk menemukan hasil akhir.
Gaya antara -4edan +3ebiaya:
Besarnya gaya ini diberikan oleh:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8,99\times 10^9)\frac{(-4\times 1,602\times10^{-19})(3\times 1,602\times10^{-19 })}{0,0008^2} = -4,33\times 10^{-21}\text{ N}
Karena muatan-muatan ini memiliki tanda yang berlawanan, ini adalah gaya tarik-menarik, dan itu menunjuk di sepanjang sisi kiri segitiga ke arah -4ebiaya.
Gaya antara +2edan +3ebiaya:
Besarnya gaya ini diberikan oleh:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}=(8,99\times 10^9)\frac{(2\times 1,602\times10^{-19})(3\times 1,602\times10^{-19} )}{0,0008^2} = 2,16\kali 10^{-21}\teks{ N}
Karena muatan ini memiliki tanda yang sama, ini adalah gaya tolak-menolak dan menunjuk langsung dari +2ebiaya.
Jika Anda mengasumsikan sistem koordinat standar dan memecah setiap vektor gaya menjadi komponen, Anda mendapatkan:
Menambahkanxdankamukomponen memberikan:
Anda kemudian menggunakan teorema Pythagoras untuk menemukan besarnya gaya:
F_{net} = \sqrt{(-3.245\times 10^{-21})^2 + (-1.88\times 10^{-21})^2} = 3.75\times 10^{-21}\text { T}
Dan trigonometri memberi Anda arah:
\theta = \tan^{-1}\frac{F_{nety}}{F_{netx}} = \tan^{-1}\frac{(-1.88\times 10^{-21})}{( -3.245\kali 10^{-21})} = 30
Arahnya 30 derajat di bawah negatifxsumbu (atau 30 derajat di bawah horizontal ke kiri.)