Hukum Coulomb - Hukum Daya Elektrostatik (Coulomb's Law)
Kita telah jelaskan bahawa cas yang sama menolak dan cas yang berlainan menarik. Kita tidak sebutkan mengenai kekuatan daya antara cas juga faktor-faktor yang menentukan kekuatan ini.
Pengukuran secara kuantitatif mengenai daya antara cas telah dilakukan oleh fizikawan Perancis, Charles Coulomb (1736 - 1806) pada tahun 1789. Alatradas yang digunakan ditunjukkan pada Gambarajah 1.2.
Radas yang digunakan terdiri dari suatu neraca kilasan. Alat yang serupa juga telah dipakai oleh Cavendish (1731 - 1810) untuk mengukur pemalar graviti, \(G\). Necara kilas terdiri dari suatu rod \(R\). Di kedua-dua hujung rod ini terdapat sfera \(a\) dan \(a'\). Rod ini digantungkan dengan menggunakan seutas serabut (
fiber) dari penyokong \(F\). Cermin \(M\) dilekatkan pada serabut, dan sinaran cahaya \(L\) bila terkena pada cermin akan dipantulkan pada skala \(S\). Suatu rod lagi \(P\) yang mempunyai sfera \(b\) (yang sama besarnya dengan \(a\)) diletakkan berhampiran \(a\). Sfera \(b\) dapat dicas dengan gosokan.
Bila sfera \(b\) disentuhkan dengan sfera \(a\) cas pada kedua-duanya akan menjadi sama. Cas pada \(b\) dapat diubahkan lagi dengan gosokan, kemudian disentuhkan dengan \(a\). Didapati bila jarak antara \(a\) dan \(b\) tetap, pesongan pada skala \(S\) adalah berkadaran dengan magnitud cas pada kedua-dua sfera tersebut.
Dengan cara yang sama juga diperolehi, bila magnitud cas pada \(a\) dan \(b\) tetap, tetapi jarak kedua-duanya diubah, Coulomb mendapati, daya yang wujud berkadaran sonsang dengan jarak kuasa dua antara cas-cas tersebut. Dalam bentuk formula pernyataan ini dapat ditulis sebagai
$$F\propto \frac{q_1 q_2}{r^2}$$ (1.12)
atau
$$F= k\frac{q_1 q_2}{r^2}$$
Di mana
\(F\): magnitude daya elektrostatik
\(Q_1\) & \(Q_2\): magnitude setiap cas
\(r^2\): jarak diantara dua titik cas
\(k\) dalam rumus tersebut adalah pemalar kadaran.
Perlu diingatkan hukum Coulomb hanya berlaku pada titik cas di mana nilainya (cas) adalah jauh lebih kecil dari jarak antara cas-cas tersebut.
Hukum Coulomb juga menyerupai hukum graviti yang telah dibahaskan lebih 100 tahun dahulu sebelum Coulomb melakukan ujikajinya. Daya Coulomb jauh lebih besar dari daya graviti di dalam tertib \(10^{39}\). Di samping itu, daya graviti selalu bersifat menarik, sedangkan data Coulomb bersifat tarikan jika \(q_1\) dan \(q_2\) mempunyai tanda yang berlawanan dan tolakan jika \(q_1\) dan \(q_2\) mempunyai tanda yang sama. Sekarang kita tinjau pula mengenai unit dari cas.
S.I. Unit bagi cas adalah Coulomb atau diringkaskan sebagai \(C\). Ini ditakrifkan sebagai jumlah cas yang dipindahkan oleh arus satu ampere dalam satu saat. Dalam bentuk persamaan,
$$Q=It$$
Cas adalah kuantiti skalar (✅Magnitude ❎Arah).
Kita masih belum selesai dengan persamaan \(F\propto \frac{q_1 q_2}{r^2}\). Dalam bentuk vektor daya Coulomb dapat dituliskan sebagai
$$\vec{F}=\frac{kq_1 q_2}{r^2}\hat{r}$$
di mana \(\hat{r}\) adalah vektor unit yang menghala pada \(q_2\). Pemalar kadaran \(k\) dapat ditentukan secara ujikaji dan mempunyai nilai
$$k=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_o}$$
Nilai yang diukur untuk \(\varepsilon_o\) adalah \(8.8542\times10^{-12}~\text{CN}^{-1}\text{m}^2\). Jadi
$$\frac{1}{4\pi\varepsilon_o}=9.0\times10^9~\text{Nm}^2\text{C}^{-2}$$
\(\varepsilon_o\) dikenali sebagai pemalar ketelusan ruang bebas (vakum atau udara).
Ini kerana vektor unit \(\hat{r}=\frac{\vec{r}}{r}\).
Hukum Coulomb menjelaskan bahawa magnitude daya elektrostatik antara dua titik cas adalah berkadar terus dengan hasil magnitude cas dan berkadar sonsang dengan kuasa antara dua jarak cas antara mereka.
Jika Q₁ dan Q₂ ada cas yang berbeza tanda, Daya (F) bertindak antara setiap cas yang tertarik seperti rajah di bawah
rajah 2
Ini bermakna daya, F menghala ke arah cas bersebelahan dan membuatkan kedua-dua cas tersebut bergerak kearah satu sama lain.
Jika cas Q₁ dan Q₂ kedua-duanya adalah positif atau negatif cas, daya F yang bertindak ke atas satu sama lain adalah menolak seperti rajah 1.
Ini bermakna yang daya F adalah menghala jauh daripada cas bersebelahan dan membuatkan ia berpisah diantara dua cas jika mereka bergerak bebas.
Rajah 3.1 dan 3.2 menunjukan hubungan diantara daya elektrostatik dengan jarak antara dua cas.
