Interaksi Elektrostatis Muatan Listrik

A. Muatan Listrik
Proses duplikasi naskah oleh mesin fotokopi merupakan salah satu contoh aplikasi konsep listrik statis dalam kehidupan sehari-hari.

Mesin fotocopy
Pembentukan salinan hasil fotokopi karena penempelan serbuk atau toner yang bermuatan negatif pada permukaan kertas. Contoh lain gejala Listrik statis yang Iebih sederhana adalah menempelnya rambut atau potongan kertas pada penggaris plastik yang telah digosok kain wol. Kedua gejala Fisika tersebut menunjukkan bahwa dua buah benda dapat saling menarik. Bagaimana para ahli fisika menjelaskan gejala tersebut? Perhatikan kedua peristiwa pada Gambar 4.2 dan Gambar 4.3.

Setelah batang karet digosok kain wol dan batang kaca digosok kain sutra kedua batang tersebut tarik menarik

Setelah batang karet digosok kain wol dan didekatkan, kedua batang karet tolak menolak
Ketika sebuah batang karet digosok dengan kain wol, kemudian didekatkan pada batang kaca yang digosok kain sutra, ternyata kedua batang tersebut tarik-menarik. Sebaliknya, sebuah batang karet yang digosok dengan kain wol dan di dekatkan dengan batang karet yang lain, ternyata kedua bacang karet tolak-menolak. Untuk menjelaskan gejala tersebut, dapat dianggap bahwa penggosokan kain wol dan kain sutra pada batang memberikan muatan listrik pada batang tersebut.
Berdasarkan gejala fisika tersebut, jelas bahwa muatan pada kaca dan muatan pada batang karet berbeda jenisnya. Benjaminn Franklin (1700—1790) menyebutkan bahwa muatan listrik pada batang kaca sebagai muatan positif. Adapun muatan pada batang karet disebut muatan negatif.Benda tersusun atas ribuan bahkan jutaan atom. Atom tersusun atas proton, neutron, dan electron. Proton dan neutron terdapat di dalam inti atom, sedangkan elektron terdapat di kulit atom, Jumlah proton dan elektron dalam sebuah atom adalah sama. Itulah sebabnya. atom bersifat netral.
Sebagai contoh, atom hidrogen mengandung satu proton dan satu elektron. Atom bermuatan positif adalah atom yang memiliki jumlah proton lebih banyak dan jumlah elektron, sedangkan atom bemuatan negatif adalah atom yang memiliki jumlah proton lebih sedikit daripada jumlah elektron. Benda bermuatan netral tersusun atas atom-atom yang tidak bermuatan (netral). Atom netral adalah atom yang memiliki jumlah proton sama dengan jumlah elektron, misalnya atom hidrogen seperti terlihat pada Gambar 4.4.

Pada atom hidrogen terdapat satu proton dan satu elektron
Interaksi Elektrostatis antara Dua Muatan Listrik
Jenis interaksi elektrostatis ada 2 macam, yaitu:
a. tarik-menarik antara muatan-muatan tidak sejenis;
b. tolak-menolak antara muatan-muatan sejenis.
Charles Augustin Coulomb (1 730—1800) mengukur besarnya tarikan dan dan tolakan listrik secara kuantitatif. Ia juga menyimpulkan hukum yang mengatur tarikan dan tolakan listrik tersebut. Hukum tersebut dikenal dengan Hukum Coulomb. Hukum Coulomb menyatakan bahwa

“Gaya tarik-menarik atau tolak—menolak antara dua buah muatan listrik besamya berbanding lurus dengan hasil kali besar kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.”

Perhatikan Gambar 4.5 dan Gambar 4.6.

Secara matematis, gaya tarik-menarik atau tolak-menolak (gaya Coulomb) dalam vakum dapat ditulis sebagai berikut.

Gaya Coulomb yang terjadi dalam suatu medium atau bahan memiliki persamaan gaya Coulomb sebagai berikut.

Sehingga didapat hubungan gaya coulomb pada bahan dan gaya Coulomb pada vakum sebagai berikut.

Keterangan:
F = gaya coulomb (N)
q = muatan listrik (C)
k = 1/4π_o= konstanta dielektrik (k = 9 X 1O⁹ Nm²/C²)₀ = permitivitas ruang hampa (= 8,85 X 10^-12 C^2/Nm²)
_r. = permitivitas relatif bahan
r = jarak antarmuatan (m)
Contoh soal
Dua keping logam yang terbuat dan bahan sama diberi muatan sama besar.
a. Berapakah muatan di setiap keping jika diketahui gaya Coulomb sebesar 2 N dan jarak antarkeping logarn 1,5 m?
b. Jika kedua keping berada di dalam bahan/medium dengan e = 4, berapakah
besar gava Coulomb nya?
Jawab:
Dike tahui:
F = 2N;
r = 1,5 m

q₁ = q₂ = q = 22,4μC

2. Resultan Gaya Coulomb

Gambar 4.7 Resultan gaya coulomb
Perhatikan Gambar 4.7. Gambar tersebut dapat dideskripsikan sebagai berikut. F₁₂ adalah gaya Coulomb yang dialami muatan q₁ akibat pengaruh muatan q₂. F₂₁ adalah gaya Coulomb yang dialami muatan q₂akibat pengaruh muran q₁. F₂₃ adalah gaya Coulomb yang dialami muatan q₂ akibat pengaruh muatan q₃• F₃₂ adalah gaya Coulomb yang dialami
muatan q₃, akibat pengaruh muatan q₂. Resultan gaya Coulomb di suatu titik dirumuskan sebagai berikut.

Berarti, resultan gaya Coulomb yang dialami muatan q₂, pada Gambar 4.7 adalah:
F_q2 = F₂₁ + F₂₃
Dalah hal ini

Tiga buah partikel berada pada sam garis lurus, setiap partikel bermuatan +3μC,—5μC, dan +2μC . Antarpartikel berjarak sama, yaitu 10 cm.
a. Tentukan besar arah gaya pada partikel bermuatan —5μC.
b. Di mana partikel —5μC diletakkan agar gaya Coulomb pada partikel tersebut nol?
Jawab:
Diketahui: q₁ = 3μC; q₂ = —5μC; q₃ = 2μC
a. Letak muatan q₁, q₂, dan q₃ seperti gambar berikut.
jarak antara kedua partikel sama besar yaitu r₁₂ = r₂₃ = 10 cm. Adapun F₁, merupakan gaya Coulomb hasil interaksi tarik-menarik q₁ dan q₂, sedangkan F₂₃merupakan gaya Coulomb hasil interaksi tank menarik q₂ dan q₃. Dengan memprediksikan F₁₂ > F₂₃, maka resultan gaya Coulombnya memenuhi persamaan berikut,

b. Agar nilai resultan gaya Coulomb di q₂ sama dengan nol, maka besar F₁₂ harus sama dengan F₂₃ sehingga persamaannya menjadi:

misalkan, muatan q₂ diletakkan x m dari muatan q₁, maka:
r₁₂= x m dan r₂₃ = (0,2 — x) m
r₂₃=0,816r₁₂ -> 0,2 – x = 0,816(x) -> x = 9,08 m
jadi, agar gaya Coloumb pada q₂ sama dengan nol, muatan q₂ diletakkan 9,08 m dari muatan q₁.