Hukum Coulomb: Pengertian Gaya Elektrostatik Energi Usaha Medan Potensial Listrik Contoh Soal Rumus Perhitungan,

Pengertian Listrik Statis atau Elokrostatis . Pada dasarnya Listrik dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Listrik statis berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan diam, tidak ada gerakan atau aliran muatan listrik. Sedangkan listrik dinamis berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan bergerak.

Listrik statis terbentuk akibat adanya interaksi antara partikel- partikel yang bermuatan listrik, elektron negatif, dan proton positif pada atom.

Sifat kelistrikan suatu benda ditunjukkan oleh adanya muatan listrik yang terdapat pada benda tersebut. Suatu benda dikatakan bermuatan listrik jika atom- atom benda tersebut kekurangan atau kelebihan elektron.

Besarnya muatan listrik tergantung pada seberapa banyak atom- atom tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Semakin banyak atom-atomnya kekurangan atau kelebihan elektron, maka semakin besar muatannya.

Ada dua jenis muatan listrik yaitu muatan positif dan negatif. Suatu benda dikatakan bermuatan positif jika kelebihan proton atau kekurangan elektron, dan sebaliknya benda akan bermuatan negatif jika kelebihan elektron atau kekurangan proton.

Cara Membuat Muatan Listrik Benda

Cara tradisional untuk membuat benda bermuatan listrik dapat dilakukan dengan gosokan. Jika dua benda.  Jika saling digosokan, maka elektron dari benda yang satu akan pindah ke benda yang lainnya.

Dengn demikian, benda yang kehilangan elektron akan bermuatan positif dan benda yang menerima pindahan electron akan bermuatan negatif.

Cara membuat benda bermuatan listrik selain dengan cara menggosok dapat juga dengan cara pemanasan dan cara induksi.

Sifat Muatan Listrik

Sifat-sifat yang dimiliki oleh muatan listrik adalah:

– Muatan listrik yang sejenis yaitu negatif dengan negatif atau positif dengan positif, jika didekatkan akan saling tolak menolak.

– Muatan listrik yang tidak sejenis yaotu negatif dengan positif, jika didekatkan akan saling tarik- menarik.

Satuan Muatan Listrik

Satuan muatan listrik dalam SI dinyatakan dengan Coulumb disingkat C, satuan tersebut diambill dari nama seorang fisikawan Perancis Charles Augustin Coulumb (1736-1806)

Hukum Coulomb

Hukum Coloumb adalah aturan yang mengemukakan tentang hubungan antara gaya listrik dan besar masing masing muatan listrik.

Hukum Coulomb Menyatakan bahwa “Gaya listrik yaitu tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan sebanding dengan besar muatan listrik masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara kedua muatan listrik”.

Secara matematis, Hukum Coloumb dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

F = k (q1 x q2)/r2 atau

F = (1/4πε0) x (q1 x q2)/r2

Dengan Keterangan:

F = gaya Coloumb (Newton = N)

q1, q2 = muatan listrik benda 1 dan 2 (Coloumb = C)

r = jarak antara dua muatan listrik (m)

k = konstanta pembanding = konstanta gaya Coloumb

k = (1/4πε0)

k = 9 × 109 Nm2C-2

ε0 = permitivitas ruang hampa

ε0 = 8,854 × 10-12 C2 N-1 m-2

Contoh Soal Perhitungan Rumus Coulomb

Dua keping logam yang bermuatan listrik masing- masing +4 × 10-9 C dan +6 × 10-9 C terpisah sejauh 5 cm. Berapakah besar gaya tolak- menolak kedua keeping logam tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

q1 = 4 × 10-9 C

q2 = 6 × 10-9 C

r = 5 cm = 0,03 m

k = 9 × 109 Nm2 C-2

Ditanya :

Gaya tolak menolak F

Jawab:

F = k (q1 x q2)/r2 jadi

F = 9 x 109 (4 × 10-9 x 6 × 10-9)/(0,05)2

F = 8,6 × 10-5 N

Jadi, besar gaya tolak- menolak antara dua keping logam tersebut adalah 8,6 × 10-5 N.

Soal Soal Lainnya Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Elektroskop

Elektroskop adalah alat yang digunakan untuk mengetahui adanya muatan listrik pada suatu benda.

Salah satu jenis elektroskop yang umun digunakan adalah elektroskop daun. Bagian penting elektroskop daun adalah sebuah tangkai logam dari bagian logam kuningan dengan ujung bawah berbentuk pipih.

Pada ujung ini ditempatkan dua helai logam sangat tipis yang terbuat dari bahan aluminium atau emas, biasa disebut dengan bagian daun.

Ujung atas berbentuk cakram atau bola yang berfungsi sebagai penghantar muatan dan kotak kaca.

Pengertian Medan Listrik

Medan listrik didefinisikan sebagai daerah atau ruangan di sekitar benda bermuatan listrik. Jadi ada daerah atau ruang yang mengelilingi benda yang bermuatan listrik. Ketika sebuah benda bermuatan listrik berada di dalam ruangan tersebut, maka benda tersebut akan mendapat gaya listrik yang disebut dengan gaya eloktrostatis atau gaya Coulomb. Jadi sebenarnya, medan listrik merupakan tempat atau daerah yang masih dipengaruhi oleh gaya Coulomb.

Pengertian Garis Medan Listrik

Garis- garis gaya listrik yaitu garis lengkung yang menggambarkan lintasan yang ditempuh oleh muatan positif yang bergerak dalam medan listrik. Garis garis gaya listrik ini menunjukkan arah medan listrik pada setiap titik.

Garis gaya listrik tidak mungkin akan berpotongan, sebab garis gaya listrik merupakan garis khayal yang berawal dari benda bermuatan positif dan akan berakhir di benda yang bermuatan negatif.

Garis medan listrik disebut juga sebagai garis gaya listrik, karena garis tersebut menunjukkan arah gaya pada suatu muatan.

Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak keluar dan pada muatan negatif menuju ke pusat. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif.

Pengertian Kuat Medan Listrik

Medan listrik dapat dinyatakan dengan kerapatan garis-garis gaya listrik. Medan listrik antara muatan negatif dan muatan positif terjadi sangat besar karena adanya kerapatan garis- garis gaya listrik.

Medan listrik yang terjadi antara muatan positif dengan muatan positif kecil karena tidak adanya kerapatan garis-garis gaya listrik. Jadi, makin banyak garis garis gaya listrik di suatu tempat antara dua muatan makin besar medan listriknya.

Kuat medan listrik didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan yang ditempatkan pada suatu titik. Kuat medan listrik merupakan ukuran kekuatan dari medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan pada suatu titik, Kuat medan listrik dinyatakan dengan lambang E.

Perhatikan gambar berikut.

Rumus Kuat Medan Muatan Listrik
Rumus Kuat Medan Muatan Listrik

Muatan q2 terletak di posisi titip T dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan q1.  Jarak muatan q2 pada titik T dari muatan q1 adalah r.

Besarnya Gaya Coulumb yang ditimbulkan oleh muatan q1 dan q2 dinyatakan dengan persamaan rumus berikut

F = k (q1 x q2)/r2

Sedangkan besarnya Kuat medan listrik di titip P yang dialami atau dirasakan oleh muatan q2 dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

E = F/q2

Substitusi kedua persamaan tersebut, sehingga kuat medan listrik yang dialami oleh muatan q2 adalah:

E = k q1/r2

Dengan Keterangan

E = kuat medan listrik di suatu titik T (N/C)

q1 = muatan listrik sebagai sumber medan (coulomb)

q2 = muatan listrik pada suatu titik (T) dalam medan listrik (coulomb)

r = jarak titik T dari muatan q1 (m)

k = 9.109 Nm2/C2

Kuat medan listrik di titik T yang dirasakan oleh muatan q2 merupakan kuat medan listrik yang dihasilkan oleh muatan q1. Jadi Kuat medan listrik ini bukanlah kuat medan listrik dari muatan q2.

Dari persamaannya dapat dikatakan bahwa Kuat medan listrik di titik T dengan jarak r tidak tergantung pada besarnya muatan q2

Contoh Soal Perhitungan Arah Kuat Medan Titik P

Sebuah titik P berada pada jarak 20 cm dari sebuah muatan q = 16 μC. Hitung besar dan arah medan lisrik di titik P.

Dan hitung percapatan awal jika sebuah muatan q = 5μC yang bermassa 3 gram dilepaskan dari titik P.

Diketahui:

q = 16 μC = 1,6 x 10-5 C

r = 20 cm = 0,2 m

m = 3 gram

Menghitung Kuat Medan Di Titik P

Ep = k q/(r)2

EP = 9×109(1,6×10-5)/(0,2)2

EP = 3,6 x106 N/C

Muatan q adalah positif, jadi Arah Medan Listriknya Menjauhi muatan q

Rumus Menghitung Percepatan Muatan Di Medan Listrik Titik P

Besarnya percepatan sebuah partikel yang berada dalam medan listrik di titik P dapat dihitung dengan Hukum Newton 2 seperti berikut:

F = m.a atau

a = F/m

a = percepatan awal partikel

m = massa partikel

F = Gaya  yang diterima partikel dalam medan listrik di titik P.

Menghitung Gaya Elektrostatik Partikel Dalam Medan Listrik Di Titik P

Besar gaya dalam medan listrik di titik P dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

F = q EP

q = 5 μC = 5 x10-6 C

Diketahui dari perhitungan di atas

EP = 3,6 x106 N/C

FP = (5 x10-6)(3,6 x106)

FP = 18 N

Maka Percepatan awal partikel adalah

a = F/m

m = 3 gram = 3 x 10-3 kg

a = 18/(3 x10-3)

a = 6 x103 m/s2

Jadi, Ketika partikel berada dalam medan listrik di titik P, maka akan bergerak dengan percepatan awal 6 x10-3  m/s2.

Soal Soal Lainnya Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Hukum Gauss.

Hukum Gauss menyatakan bahwa bahwa jumlah aljabar garis-garis gaya magnet (fluks) listrik yang menembus permukaan tertutup sebanding dengan jumlah aljabar muatan listrik di dalam permukaan tersebut.

Fluks Listrik

Fluks listrik adalah Jumlah garis garis gaya medan listrik yang menembus suatu bidang dalam arah tegak lurus. Sedangkan Kuat medan listrik menunjukkan kerapatan garis garis medan listrik. Dari dua perngertian tersebut, Fluks listrik dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

φ = E. A

Fluks Magnetik Induksi
Fluks Magnetik Induksi

Jika terdapat garis garis gaya suatu medan listrik homogen yang memiliki kuat medan E dan menembus tegak lurus suatu bidang A, maka jumlah garis medan yang menembus tegak lurus bidang tersebut sama dengan perkalian E dan A.

Jika garis gaya menembus bidang tidak tegak lurus, maka fluks listriknya adalah:

φ = E . A cos q

Dengan keterangan:

φ = Fluks listrik (weber atau Nm2/C)

E = kuat medan listrik (N/C)

A = luas bidang yang ditembus garis garis gaya (m2)

θ = sudut antar E dengan norma bidang A

Contoh Soal Fluks Listrik Hukum Gauss

Hitunglah fluks lsitrik pada suatu bidang persegi yang berukuran 20 x 15 cm, jika kuat medan listrik homogen sebesar 150 N//C. Bila medan listrik sejajar dengan bidang dan tegak lurus terhadap bidangnya.

Besar Fluks Sejajar Bidang

Diketahui

A = 0,2 x 0,15 = 0,03m2

E = 150 N/C

cos θ = 90o

Jawab

φ = E . A cos q

φ = 150 x 0,03 x cos 90

φ = 150 x 0,03 x 0

φ = 0

Besar Fluks Tegak Lurus bidang

φ = E . A cos q

φ = 150 x 0,03 x cos 0

φ = 150 x 0,03 x 1

φ = 4,5 Nm2/C

Energi Potensial Listrik

Besarnya energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan dalam medan listrik bergantung pada besar muatan yang dipindahkan dan jarak perpindahannya.

Perhatikan gambar berikut

Rumus Energi Potensial Listrik Statis.
Rumus Energi Potensial Listrik Statis.

Muatan q2 terletak pada titik T dalam medan listrik yang dihasilkan oleh muatan q1. Jarak antara titip T yang ditempai muatan q1 dengan muatan q2 adalah r.

Besarnya Energi potensial EP yang dimiliki oleh muatan q2 di titik T yang berjarak r dari muatan q1 dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

EP = k (q1 x q2)/r

Dengan keterangan:

EP = energi potensial di suatu titik T dalam medan listrik (Joule)

k = Konstanta = 9 × 109 N m2C-2

q1 = muatan listrik sebagai sumber medan listrik (Coulumb)

q2 = muatan listrik di suatu titik T dalam medan lsitrik (Coulumb)

r = jarak titik T ke muatan q1 (m)

Soal Soal Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Potensial Listrik

Energi potensial EP per satuan muatan positif disebut potensial listrik, dan diberi lambang dengan huruf kapital V.

Perhatikan gambar berikut:

Rumus Potensial Listrik Statis Bermuatan dan Titik Tanpa Muatan
Rumus Potensial Listrik Statis Bermuatan dan Titik Tanpa Muatan

Potensial listrik pada suatu titik T dalam medan listrik yang berjarak r dari muatan q1 dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

VP = EP/q2

Substitusikan persamaan Energi potensial EP ke persamaan potensial listrik VP sehingga persamaan rumusnya menjadi seperti berikut:

VP = k (1/q2) x (q1 x q2)/r

Dengan demikian, potensial listrik VP di titip T dapat dinyatakan dengan persamaan berikut

VP = k (q1/r)

Dengan keterangan:

VP = potensial listrik di suatu titik T (Joule/Coulomb = volt)

Dari persamaannya diketahui bahwa potensial listrik VP di titik T hanya tergantung pada muatan q1 dan jarak r, tidak tergantung pada muatan q2. Ini artinya potensial listrik di titik T adalah nilai potensial listrik dari muatau q1, bukan potensial listrik dari muatan q2.

Dengan demikian, Walaupun muatan q2 diletakan tepat di titik T, namun nilai potensi listrik VP dari muatan q1 di titik T tidak akan terpengaruh.

Contoh Soal Perhitungan Potensial Listrik Dua Partikel Muatan

Dua muatan q1 = -2 μC dan q2 = +4 μC berjarak 8 cm. Tentukan potensial listrik di suatu titik C yang berada tepat di tengah- tengah kedua muatan tersebut

q1 = -2 μC

q2 = +4 μC

r1 = 4 cm

r2 = 4 cm

Titik C berada di tengah-tengah seperti diperlihatkan pada Gambar berikut:

Contoh Soal Perhitungan Potensial Listrik Dua Partikel Muatan
Contoh Soal Perhitungan Potensial Listrik Dua Partikel Muatan

Karena potensial listrik merupakan besaran scalar, maka potensial listrik di titik C tersebut memenuhi persamaan berikut:

VC = V1 + V2

Besar potensial listrik di titik C oleh muatan q1 dapat dihitung seperti berikut:

V1 = k q1/r1

V1 = 9×109(-2×10-6)/(0,04)

V1 = -4,5 x 105 volt

Besar potensial listrik di titik C oleh muatan q2 dapat dihitung dengan persamaan berikut

V2 = k q2/r2

V2 = 9×109(4×10-6)/(0,04)

V2 = 9 x 105 volt

Dengan demikian, potensial listrik di titik C oleh muatan q1 dan q2 dapat dihitung dengan persamaan berikut:

VC = -4,5 x 105 + 9 x 105 volt

VC = 4,5 volt

Soal Soal Beserta Pembahasan Ada Di Akhir Artikel

Jenis Listrik Statis 

Listrik statis dalam kehidupan sehari- hari dibagi menjadi dua jenis yaitu listrik statis alami, dan listrik statis buatan.

Listrik Statis Alami.

Terjadinya petir ketika hujan merupakan salah satu contoh adanya listrik statis yang terjadi secara alami. Petir merupakan peristiwa lepasnya muatan listrik statis yang terjadi secara alamiah.

Peristiwa ini akibat dari keluarnya muatan- muatan listrik dari awan, Petir terjadi akibat adanya dua awan bermuatan listrik sangat besar dan berbeda jenis yang bergerak saling mendekati.

Listrik Statis Buatan

Contoh listrik statis buatan di antaranya adalah listrik yang digunakan dalam proses pengecatan mobil dan pada mesin fotokopi.

1). Contoh Soal Ujian Hukum Coulomb Gaya Listrik Eletrostatik Dua Muatan

Dua buah muatan listrik masing- masing besarnya 3 × 10-6 C dan 6 × 10-6 C terpisah pada jarak 3 cm. Tentukan besarnya gaya listrik yang bekerja pada masing-masing muatan tersebut.

Diketahui

q1 =3 × 10-6 C

q2 = 6 × 10-6 C

k = 9 × 109 Nm2C-2

r = 3 cm = 0,03 m

Rumus Menghitung Gaya Elektrostatic Dua Muatan

F = k (q1 x q2)/r2 atau

F = (9 ×109)(3 ×10-6 x 6 ×10-6)/(0,03)2

F = 180 N

Jadi Gaya Listrik Yang Bekerja pada masing masing muatan adaah 1,8 x 102 N.

2).  Contoh Soal Perhitungan Gaya Coulomb Elektrostatik Tiga Benda Bermuatan

Dua muatan A dan B berjarak 11 cm satu dengan yang lain. qA = +2,0 μC dan qB = -3,6 μC. Jika muatan qC = 2,5 μC diletakkan diantara A dan B berjarak 5 cm dari A maka tentukan gaya yang dialami oleh muatan qC

Menghitung Gaya Coulomb Pada Benda Bermuatan,

Diketahui:

qA = +2,0μC = 2,0.10-6 C

qB = −3,6μC = −3,6.10-6 C

qC = 2,5μC = 2,5 x10-6 C

Posisi muatan qC dan gaya yang bekerja dapat digambarkan seperti pada Gambar. Muatan C qC dan muatan A qA sejenis yaitu positif, sehingga tolak menolak dan arah gaya elektrostatik antara muatan A dan C yaitu FCA ke kanan.

Muatan C qC dan muatan B qB berlawanan, sehingga Tarik menarik, dan gaya elektrostatik FCB antara muatan C qC dan muatan B qB  arahnya ke kanan.

Menghitung Gaya Coulomb Pada Benda Bermuatan,
Menghitung Gaya Elektrosatatik Pada Benda Bermuatan,

Kedua gaya elektrostatik yang dialami oleh muatan C yaitu FCA dan FCB memiliki arah yang sama yaitu ke kanan.

Menghitung Gaya Elektrostatik Pada Muatan C Diantara Muatan A dan Muatan B.

Sehingga total gaya elektrostatik yang dialami oleh muatan C dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

FC = FCA + FCB

qA = +2,0 μC = 2,0 x 10-6 C

qB = −3,6 μC = −3,6 x 106 C

qC = 2,5 μC = 2,5 x10-6 C

k = 9 × 109 Nm2C-2

rCA = 5 cm

Menghitung Gaya Elektrostatik Muatan C-A

FCA = k (qC qA)/(rCA)2

FCA = (9 x109)(2,5×106 x 2,0×10-6)/(5×10-2)2

FCA = 18 N

Menghitung Gaya Elektrostatik Muatan C-B

FCB = k (qC qB)/(rCB)2

FCB = (9 x109)(2,5×10-6 x 3,6×10-6)/(6×10-2)2

FCB = 22,5 N

Menghitung Gaya Elektrostatik Yang Dialami Muatan C

FC = 18 + 22,5

FC = 40,5N

3). Contoh Soal Perhitungan Gaya Coulomb Antara Tiga Muatan

Tiga buah pertikel bermuatan listrik yaitu q1 = -8 μC, q2 = +6 μC dan q3 = -4μC terdapat pada garis lurus seperti tampak pada gambar. Hitunglah gaya Coulomb pada partikel  q3 akibat dua muatan lainnya.

Perhitungan Gaya Coulomb Elektrostatik Antara Tiga Muatan
Perhitungan Gaya Coulomb Elektrostatik Antara Tiga Muatan

Diketahui:

q1 = -8 μC,

q2 = +6 μC

q3 = -4μC

r1 = 0,4 m

r2 = 0,2 m

Partikel q3 mendapat dua gaya. Gaya tolak oleh q1 yaitu F31 dan gaya Tarik oleh q2 yaitu F32

Menghitung Gaya Coulomb Pada Partikel

Besar gaya coulomb yang bekerja antara partikel q3 dan parikel q1 dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

F31 = k (q3 xq1)/(r1+r2)2

F31 = (9×109)(4×10-6)(8×10-6)/(0,6)2

F31 = 0,8 N

Besar gaya coulomb yang timbul antara partikel q3 dan parikel q2 dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

F32 = k (q3 xq2)/(r2)2

F32 = (9×109)(4×10-6)(6×10-6)/(0,2)2

F32 = 5,4 N

Resultan Gaya Listrik Yang Dialami Partikel

Besar gaya coulomb yang bekerja pada partikel q3 akibat pengaruh parikel q1 dan q2 dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

F3 = F31 – F32

F3 = 0,8 – 5,4

F3 = -3,6 N

Tanda negative pada F3 menunjukkan arah resultan gaya coulomb ke kiri.  Jadi gaya coulomb yang bekerja pada q3 adalah 3,6 N dengan arah ke kiri.

4). Contoh Soal Perhitungan Gaya Listrik Tiga Muatan Bentuk Segitiga

Tiga buah muatan tersusun membentuk segitiga seperti pada gambar. Jika Muatan A = +8 μC, muatan B = + 4 μC dan muatan C = + 6μC. Hitung gaya listrik yang dialami pada muatan A qA yang ditimbulkan oleh dua muatan lainnya.

Perhitungan Gaya Elektrostatik Listrik Tiga Muatan Bentuk Segitiga
Perhitungan Gaya Elektrostatik Listrik Tiga Muatan Bentuk Segitiga

Diketahui:

qA = + 8μC,

qB = + 4μC

C = + 6μC

k = 9 × 109 Nm2C-2

Menghitung Gaya Listrik  Muatan A Dan Muatan B

FAB = k (qA qB)/(rAB)2

FAB = (9×109)(8×10-6 x 4×10-6)/(0,2)2

FAB = 7,2 N

Menghitung Gaya Listrik Muatan A dan Muatan C

FAC = k (qA qC)/(rAC)2

FAC =(9×109)(8×10-6 x 6×10-6)/(0,2)2

FAC = 10,8 N

Menghitung Gaya Listrik Resultan Di Antara Dua Muatan Bentuk Segitiga

Gaya listrik Muatan A pada arah sumbu x

FAx = FAB cos 600 – FAC cos 600

FAx = (7,2 – 10,8)(0,5)

FAx = -1,8 N

Gaya listrik pada arah sumbu x

Gaya listrik Muatan A pada arah sumbu y

FAy= FAB sin 600 + FAC sin 600

FAy = (7,2 + 10,8)(0,87)

FAy = 15,7 N

Menghitung Resultan Gaya Listrik Pada Muatan A

FA = √[(FAx)2+(FAy)2] atau

\mathrm{F_{A}= \sqrt{(F_{Ax})^{2}+(F_{Ay})^{2}}}

\mathrm{F_{A}= \sqrt{(-1,8)^{2}+(15,7)^{2}}}

FA = √[(-1,8)2 + (15,7)2]

FA = √[(3,2) + (246,5)]

FA = √249,7

FA = 15,8 N

Jadi Gaya Listrik Pada Muatan A = 15,8 N

5). Contoh Soal Perhitungan Potensial Listrik Dua Partikel Muatan

Dua muatan q1 = -2 μC dan q2 = +4 μC berjarak 8 cm. Tentukan potensial listrik di suatu titik C yang berada tepat di tengah- tengah kedua muatan tersebut

q1 = -2 μC

q2 = +4 μC

r1 = 4 cm

r2 = 4 cm

Titik C berada di tengah-tengah seperti diperlihatkan pada Gambar berikut:

Perhitungan Potensial Listrik Dua Partikel Muatan
Perhitungan Potensial Listrik Dua Partikel Muatan

Karena potensial listrik merupakan besaran scalar, maka potensial listrik di titik C tersebut memenuhi persamaan berikut:

VC = V1 + V2

Besar potensial listrik di titik C oleh muatan q1 dapat dihitung seperti berikut:

V1 = k q1/r1

V1 = 9×109(-2×10-6)/(0,04)

V1 = -4,5 x 105 volt

Besar potensial listrik di titik C oleh muatan q2 dapat dihitung dengan persamaan berikut

V2 = k q2/r2

V2 = 9×109(4×10-6)/(0,04)

V2 = 9 x 105 volt

Dengan demikian, potensial listrik di titik C oleh muatan q1 dan q2 dapat dihitung dengan persamaan berikut:

VC = -4,5 x 105 + 9 x 105 volt

VC = 4,5 volt

6). Contoh Soal Perhitungan Potensial Listrik Benda Bermuatan

Titik P terletak pada jarak 15 cm dari muatan listrik 3 μC dan 20 cm dari muatan listrik -5 μC. Tentukan potensial listrik di titil P yang dihasilkan oleh kedua muatan tersebut:

Diketahui:

q1 = 3 μC = 3 x 10-6 C

Titil P 15 cm dari muatan listrik

r1 = 15 cm = 0,15 m

q2 = -5 μC = -5x 10-6 C

r2 = 20 cm = 0,20 m

Jawab:

Menghitung Potensial Listrik Di Titik P Oleh Partikel Muatan

Besar potensial listrik di titik P berjarak 15 cm dari partikel bermuatan q1 dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

V1 = k q1/r1

V1 = 9 x109(3×10-6)/(0,15)

V1 = 180 x103 Volt

Besar potensial listrik di titik P berjarak 20 cm dari partikel muatan q2

V2 = k q2/r2

V2 = 9 x109(-5×10-6)/(0,2)

V2 = -225 x103 Volt

Menghitung Listrik Di Titik P Oleh Dua Muatan Adalah:

Besar Potensial listrik di titik P oleh kedua muatan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

VP = V1 + V2

VP = 180x 103 + (-225 x103)

VP = -45 x 103 volt

7). Contoh Soal Perhitungan Potensial Listrik Bola Konduktor Bermuatan

Sebuah bola konduktor berjari jari 15 cm dan bermuatan listrik  5 μC. Tentukan potensial listrik pada jarak 10 cm dan 20 cm dari pusat bola.

Diketahui:

q = 5 μC. = 5 x 10-6 C

R = 15 cm = 0,15 m

r1 = 10 cm

r2 = 20 cm

Menghtiung Potenisial Listrik Di Dalam Bola Konduktor Bermuatan

Potensial listrik pada jarak 10 cm dari pusat bola akan sama dengan potensial listrik pada permukaan bola atau jari jari bola R. Dinyatakan dengan persamaan berikut:

V = k q/R

Jadi, jika r < R, maka jarak yang diambil adalah jari jari bola konduktor  R

V = 9 x 109(5 x 10-6)/(0,15)

V = 300 x 103 volt

Menghitung Potensial Di Luar Permukaan Bola Konduktor Bermuatan

Potensial listrik pada jarak 20 cm dari pusat bola dapat dinyatakan denga persamaan berikut:

V = k q/r

Karena jarak ke titik pusat r > R, maka yang digunakan untuk perhitungan adalah jarak r.

V = 9 x 109(5 x 10-6)/(0,20)

V = 225 x 103 volt

8). Contoh Soal Energi Potensial Listrik Pada Tiga Partikel Bermuatan

Tiga partikel bermuatan yaitu q1 = 2x 10-10C, q2 = -2 x10-10 dan satu partikel bermuatan q = -2 x 10-10. Partikel q dianggap tidak mempengaruhi potensial listrik di titik D yang ditimbulkan oleh partikel q1 dan q2.

Ketika partikel membentuk segitiga ABC dengan titik siku siku di titik A. Panjang AB = 4 cm dan AC = 3 cm seperti pada gambar berikut:

Energi Potensial Listrik Pada Tiga Partikel Bermuatan
Energi Potensial Listrik Pada Tiga Partikel Bermuatan

Hitunglah Potensial di titik C, Di titik D dan Energi yang diperlukan untuk memindahkan partikel q dari titik C ke titik D.

Diketahui:

qA = 2x 10-10C,

qB = -2 x10-10 C

q = -2 x 10-10 C

Menghitung Potensial Listrik Di Titik C Akibat Muatan q1 dan q2

Besarnya potensial listrik di titik C oleh qA dan qB  dapat dihitung dengan persamaan rumus berikut:

VC = VCA + VCB

Menghitung Potensial listrik di titik C oleh oleh qA

VCA = k qA/rCA

VCA = 9×109(2x 10-10)/(0,03)

VCA = 60 volt

Menghitung Potensial listrik di titik C oleh oleh qB

VCB = k qB/rCB

VCB = 9×109(-2x 10-10)/(0,05)

VCB = -36 volt

Potensial Listrik Di Titik C oleh qA dan qB  adalah

VC = VCA + VCB

VC = 60 – 36

VC = 24 volt

Menghitung Potensial Listrik Di Titik D Akibat Muatan q1 dan q2

Besarnya potensial listrik di titik Doleh qA dan qB  dapat dihitung dengan persamaan rumus berikut:

VD = VDA + VDB

Menghitung Potensial listrik di titik D oleh oleh qA

VDA = k qA/rDA

VDA = 9×109(2x 10-10)/(0,02)

VDA = 90 volt

Menghitung Potensial listrik di titik D oleh oleh qB

VDB = k qB/rDB

VDB= 9×109(-2x 10-10)/(0,02)

VDA = -90 volt

Potensial Listrik Di Titik D oleh qA dan qB  adalah

VD = VDA + VDB

VD = -90 + 90

VD = 0 volt

Menghtiung Energi Usaha Potensial Listrik Muatan Yang Bergerak Dari Titik C ke Titik D

Besar energi usaha yang diperlukan agar muatan q pindah dari titik C ke titik D dapat dinyataka dengan persamaan berikut:

WCD = q(VD – VC)

WCD = -2×10-10 C (0V – 24V)

WCD = 4,8 10-9 J

9). Contoh Soal Perhitungan Energi Potensial Pertikel Bermuatan

Pada titik A dan B dari titik sudut segitiga terdapat muatan qA= 8 μC = 8 x10-6 C dan qB = -6 μC = -6 x10-6 C seperti pada Gambar. Jika terdapat muatan lain sebesar qC = 2 μC maka tentukan:

a). Energi potensial muatan qC ketika berada di titik C,

b). Energi potensial muatan qC ketika berada di titik D,

c). Wsaha untuk memindahkan muatan qC dari C ke D

Perhitungan Energi Potensial Pertikel Bermuatan
Perhitungan Energi Potensial Pertikel Bermuatan

Diketahui:

qA = 8 μC = 8 x10-6 C

qB = -6 μC = -6 x10-6 C

qC = 2 μC = 2 x10-6 C

Energi Potensial Muatan qC Di titik C :

rAC = rBC = 4.10-2 m

EPC = EPA + EPB

Menghitung Energi Potensial EPA Muatan qC Oleh Muatan qA Pada Titik C

EPA = k (qA qC)/rAC

EPA = 9 x109(8 x10-6 x 2 x10-6)/(0,04)

EPA = 3,6 J

Menghitung Energi Potensial EPB Muatan qC Oleh Muatan qB Pada Titik C

EPB = k (qB qC)/rAB

EPB = 9 x109(-6 x10-6 x 2 x10-6)/(0,04)

EPB = – 2,7 J

Resultan Energi Potensial Muatan qC (EPC) Akibat Muatan qA dan qC Pada Titik C

EPC = EPA + EPB

EPC = 3,6 – 2,7

EPC = 0,9 J

Energi Potensial Muatan qC Di titik D (EPD)

rAD = rBD = 2×10-2 m

EPD = EPA + EPB

Menghitung Energi Potensial EPA Muatan qC Oleh Muatan qA Pada Titik D

EPA = k (qA qC)/rAD

EPA = 9 x109(8 x10-6 x 2 x10-6)/(0,02)

EPA = 7,2 J

Menghitung Energi Potensial EPB Muatan qC Oleh Muatan qB Pada Titik D

EPB = k (qB qC)/rAB

EPB = 9 x109(-6 x10-6 x 2 x10-6)/(0,02)

EPB = -5,4 J

Resultan Energi Potensial Muatan qC (EPC) Akibat Muatan qA dan qC Pada Titik C

EPD = EPA + EPB

EPD = 7,2 – 5,4

EPD  = 1,8 J

Menghitung Usaha Perpindahan Muatan qC Dari Titik C ke Titik D

W = = EPD − EPC = 1,8 − 0,9 = 0,9 joule

Besarnya usaha yang dilakukan muatan qC dari titik C ke titik D dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut:

WCD = ΔEP

EPD – EPC

WCD = 1,8 – 0,9

WCD = 0,9 Joule

Daftar Pustaka:

  1. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,  Jakarta.
  2. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  3. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  4. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Gelombang, Jenis Gelombang, Sifat-sifat Gelombang, Contoh Gelombang, Manfaat fungsi gelombang,
  5. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  6. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  7. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  8. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  9. Ringkasan Rangkuman: Besarnya gaya Coulomb antara dua buah benda yang muatannya sejenis akan terjadi gaya tolak-menolak sedangkan jika muatan berlawanan akan terjadi gaya tarik-menarik.
  10. Kuat medan listrik yaitu ruangan di sekitar benda bermuatan listrik yang mampu memberikan gaya listrik pada benda yang diletakkan dalam ruangan tersebut.
  11. Energi potensial listrik yaitu usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik dari jauh tak terhingga ke titik tertentu.
  12. Potensial listrik didefinisikan sebagai energi potensial per satuan muatan
  13. Kapasitas sebuah kapasitor berbanding lurus dengan luas penampang keeping dan berbanding terbalik dengan jarak antara kedua keping dan tergantung pada bahan dielektrikum yang diselipkan di antara kedua keping kapasitor.
  14. Besarnya energi yang tersimpan dalam kapasitor dinyatakan berupa energi medan listrik.
  15. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Listrik Statis, Elokrostatis adalah, Contoh Listrik Statis, Rumus Listrik Statis, Jenis muatan listrik, Cara Membuat Muatan Listrik Benda, Sifat Muatan Listrik, Satuan Muatan Listrik, Hukum Coulomb,
  16. Ardra.Biz, 2019, “Bunyi pernyataan hukum Coulomb, Rumus persamaan hukum Coulomb, Contoh Soal Perhitungan hukum Coulomb, Satuan gaya Coloumb, Satuan muatan listrik benda, konstanta gaya Coloumb, angka permitivitas ruang hampa,  Contoh Soal Perhitungan Rumus Coulomb,
  17. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian dan Contoh Elektroskop, jenis elektroskop, Pengertian Medan Listrik, arti gaya eloktrostatis, satuan gaya elektrostis, rumus gaya elektrostatis, Pengertian Garis Medan Listrik, ciri sifat garis gaya listrik, satuan medan listrik,
  18. Ardra.Biz, 2019, “Arah Garis Gaya Listrik, Menentukan arah garis gaya listrik, Garis medan listrik, Pengertian Kuat Medan Listrik, Kuat medan listrik, lambang kuat medan listrik, lambang listrik statis, Satuan kuat medan listrik, Bunyi pernyataan Hukum Gauss,
  19. Ardra.Biz, 2019, “Persamaan rumus Hukum Gauss, Fluks Listrik, satuan lambang Fluks listrik, sudut antar E dengan norma bidang A,  Contoh Soal Fluks Listrik Hukum Gauss, Besar Fluks Sejajar Bidang,  Pengertian Energi Potensial Listrik, satuan lambang energi potensial listrik,
  20. Ardra.Biz, 2019, “rumus persamaan energi potensial listrik, Pengertian Potensial Listrik, Satuan lambang Energi potensial, rumus persamaan potensial listrik, Contoh soal ujian energi potensial listrik,
  21. Ardra.Biz, 2019, “Jenis Listrik Statis, Contoh penerapan listrik statis, Pengertian Listrik Statis Alami, contoh listrik alami, Pengertian dan contoh Listrik Statis Buatan

Hukum Coulomb, Pengertian Pembahasan Contoh Soal Ujian

Pengertian Hukum Coulomb. Hukum Coloumb merupakan sebuah aturan yang mengemukakan tentang hubungan antara gaya listrik dan besar masing masing muatan listrik.

Hukum Coulomb menyatakan bahwa Gaya tarik – menarik atau tolak – menolak antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan muatan- muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.

Secara matematis hukum Coulomb dapat dinyatakan dengan formulasi menggunakan rumus  persamaan berikut.

F = k (q1 x q2)/r2

F = gaya Coulomb, N

q = muatan listrik, Coulomb, C

r = jarak antara kedua muatan, m

k = konstanta kesebandingan, Nm2/C2

Konstanta k merupakan permitivitas listrik ruang hampa yang biasa dinotasikan dengan ε0 dan dinyatakan dengan persamaan berikut:

k = 1/(4πε0)

jika nilai ε0 = 8,85 x 10-12 C2/Nm2, dengan demikian k adalah

k = 9 x109 Nm2/C2

Gaya Coulomb

Gaya Coulomb adalah gaya elektrostatik yang merupakan gaya tolak atau tarik yang ditimbulkan oleh dua muatan listrik pada jarak tertentu.

Gaya Coulomb mirip dengan gaya gravitasi dimana keduanya merupakan  gaya yang nilainya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Gaya Coulomb dan gaya gravitasi ini merupakan gaya yang bersifat alamiah. Gaya alamiah lainnya di antaranya adalah gaya gravitasi, gaya elektromagnetik, gaya lemah, dan gaya kuat.

Gaya Gravitasi.

Gaya gravitasi merupakan gaya yang bekerja pada semua partikel dan menjaga planet- planet selalu tetap pada orbitnya selama mengitari matahari.

Gaya Elektromagnetik.

Gaya elektromagnetik adalah gaya yang bekerja di antara partikel bermuatan dan merupakan gaya yang mengikat atom- atom dan molekul- molekul.

Gaya Lemah (Weak Force).

Gaya lemah (weak force) merupakan gaya yang terjadi dalam peristiwa peluruhan radioaktif.

Gaya Kuat (Strong Force).

Gaya kuat (strong force) merupakan gaya yang berperan dalam menjaga neutron- neutron dan proton- proton bersama- sama dalam sebuah inti atom.

Ketentuan dari hukum Coulomb.

Jika gaya Coulomb F bernilai positif, maka kedua muatan akan saling tolak menolak. Sebaliknya, jika nilai gaya Coulomb F adalah negative, maka kedua muatan akan saling tarik menarik.

Contoh Soal Ujian Hukum Coulomb.

Dua buah muatan listrik masing – masing 20 mC dan -20 mC terpisah pada jarak 30 cm, tentukan besar dan arah gaya pada muatan di setiap muatannya.

Jawab.

q1 = 20 mC = 20 x 10-6 C

q2 = -20 mC = -20 x 10-6C

r = 30 cm = 0,3m

besar gaya F pada setiap muatan adalah:

F = (9 x 109 Nm2/C2) (20 x 10-6 C x – 20 x 10-6 C) / (0,3m) = -40N

Karena kedua muatan saling berlawanan yaitu q1 positif dan q2 negatif maka gaya Coulomb bertanda negative. Ini artinya gaya yang timbul adalah Tarik menarik. Arah gaya pada muatan q1 menuju ke q2, sedangkan arah gaya  q2 menuju ke q1.

Daftar Pustaka:

  1. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  2. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,
  3. Ardra. Biz, 2019, “Contoh Soal Jawaban dan Pembahasan Hukum Coulomb dengan Pengertian Gaya Coulomb dengan Gaya Listrik.
  4. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  5. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  6. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  7. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  8. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  9. Ardra. Biz, 2019, “Contoh Soal Jawaban dan Pembahasan Hukum Coulomb, Pengertian Gaya Coulomb dengan Gaya Listrik, Pembahasan Contoh Soal Ujian Hukum Coulomb,
  10. Ardra.Biz, 2019, Pengerian Hukum Coulomb, Pengertian Elektrostatik, Pengertian Gaya Elektromagnetik,  Pengertian Gaya Gravitasi, Pengertian Strong Force, Pengertian Weak Force, Satuan Gaya Coulomb, Satuan muatan listrik,
  11. Ardra.Biz, 2019, “Rumus Persamaan Hukum Coulomb, Pengertian permitivitas listrik Hukum Coulomb, Satuan konstanta kesebandingan hukum Coulomb, Pengertian konstanta kesebandingan hukum Coulomb, Bunyi Pernyataan Hukum Coulomb, Contoh Gaya alamiah, Contoh Gaya Strong, Contoh Weak Force,