Partikel bermuatan pembentuk materi dan gaya Coulomb

Elemen dari semua material adalah inti dan elektron yang masing-masing memiliki muatan positif dan negatif. Kombinasi dan interaksi dari partikel-partikel ini memberikan berbagai struktur, sifat dan reaksi-reaksi material. Pertama, adalah hal yang sangat penting untuk memahami aspek fundamental dari interaksi listrik. Sebuah atom terdiri dari sebuah inti dan beberapa elektron; muatan listrik positif dari inti dan jumlah elektron yang mengelilingi inti adalah sama dengan bilangan atomik (Z). Ketika sebuah atom kehilangan atau mendapat tambahan elektron, ia akan menjadi ion positif atau negatif. Kecenderungan dari sebuah atom menjadi sebuah ion dengan kehilangan atau memperoleh tambahan sebuah elektron adalah berbeda dan bergantung pada jenis unsur kimianya yang diklasifikasikan dengan bilangan atomnya. Kecenderungan ini sangat berkaitan erat dengan sifat kimia dari unsur.
Contoh 1.1 Hitung e, yang merupakan besar muatan listrik sebuah elektron dengan menggunakan konstanta Faraday, 96485 C.mol^-1 dan bilangan Avogadro, 6,022 x 10²³ mol^-1. (1 C adalah muatan listrik yang dibawa oleh sebuah arus listrik sebesar 1 A selama 1 detik).
(Jawaban) Muatan listrik dari 1 mol elektron adalah 96485 C.mol ^-1 yang berasal dari konstanta Faraday dan jumlah dari partikel untuk setiap 1 mol berasal dari bilangan Avogadro. Dengan menggunakan nilai-nilai ini, muatan listrik dari sebuah elektron dihitung sebagai berikut

Secara umum, material kehilangan sebuah elektron akan membawa muatan positif dan material yang memperoleh tambahan elektron akan membawa muatan negatif. Material yang membawa muatan listrik akan memberikan gaya satu dengan lainnya pada arah-arah yang saling menghubungankan mereka. Sepasang muatan dengan tanda yang sama akan saling tolak-menolak satu sama lain dan muatan dengan tanda yang berlawanan akan saling tarik-menarik. Gaya F yang bekerja pada muatan memiliki besaran yang berbanding dengan produk perkalian antara muatan Q₁ dan Q₂ dan berbanding terbalik dengan dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut, r. Inilah yang disebut sebagai hukum Coulomb dan dinyatakan oleh persamaan sebagai berikut:

(1.1)

Di sini, ε₀ adalah konstanta fisika fundamental yang disebut sebagai permivitas dalam vakum.
Meskipun hukum Coulomb ditemukan dengan mengamati gaya pada benda-benda bermuatan, hukum ini juga dapat diaplikasikan pada partikel yang sangat kecil seperti pada elektron dan inti atom. Karenanya, hukum Coulomb sangat dalam, berkaitan dengan sifat atom baik itu secara fisika (contoh, warna dari cahaya yang dipancarkan dan diserap) dan secara kimia (contoh, kecenderungan untuk terionisasi dan reaktivitas).
Partikel yang memiliki masa akan menghasilkan gaya tarik-menarik antara satu dengan yang lainnya yang dikenal sebagai gaya gravitasi. Akan tetapi, untuk partikel yang memiliki masa yang kecil seperti elektron dan ion molekul, gaya gravitasi dapat diabaikan karena terlalu kecil dibandingkan dengan gaya yang diberikan oleh hukum Coulomb (gaya Coulomb).
Contoh 1.2. Jika sebuah satuan muatan negatif diletakkan pada suatu titik di tengah antara dua buah muatan positif yang dipisahkan oleh jarak, R maka gaya manakah dari gaya-gaya yang bekerja pada muatan positif itu yang lebih besar, yakni apakah gaya yang diberikan oleh muatan negatif atau gaya yang disebabkan oleh muatan positif yang lain? Carilah arah di mana muatan positif memiliki kecenderungan untuk bergerak.
(Jawaban) Sebuah muatan positif akan mengalami gaya tarik-menarik yang dinyatakan dengan F^- = -1/4πε ₀(R/2)² dan disebabkan oleh muatan negatif yang diletakkan pada jarak R/2 dan gaya tolak-menolak yang dinyatakan dengan F⁺ = -1/4πε₀R ² yang disebabkan oleh muatan positif yang lain yang berada pada jarak R. Karena gaya tolak-menolak 4 kali lebih besar dari gaya tarik-menarik maka setiap muatan positif akan cenderung bergerak kearah muatan positif yang lain. (Dengan aksi yang diberikan oleh suatu muatan negatif, muatan-muatan positif dapat terikat satu dengan yang lainnya. Ini berkaitan dengan fenomena bahwa inti-inti yang bermuatan positif dapat digabung dalam suatu bahan dengan bantuan atau keterlibatan elektron-elektron).

Jika sebuah partikel bermuatan diletakkan di antara pasangan plat logam yang memiliki suatu perbedaan potensial listrik (tegangan), maka sebuah muatan positif akan dikenakan gaya yang mengarah pada plat yang memiliki potensial listrik yang rendah dan muatan negatif akan bergerak ke arah plat yang memiliki potensial listrik tinggi. Besarnya gaya akan berbanding lurus dengan nilai absolut dari muatan listriknya. Dengan demikian, pada beda potensial yang sama, gaya yang bekerja pada sebuah elektron dan yang bekerja pada ion positif monovalensi memiliki besaran yang sama meskipun arahnya berbeda.
Jika sebuah elektron dalam keadaan diam dan kemudian dipercepat dari sebuah plat logam yang memiliki potensial listrik rendah menuju plat yang lain yang memiliki potensial listrik tinggi dengan perbedaan potensial sebesar 1 volt (V), energi kinetik dari elektron tersebut adalah sebesar 1 elektron volt (eV). Kerja yang dilakukan untuk membawa sebuah muatan positif yang memiliki muatan sebesar 1 Coulomb (C) hingga mencapai posisi di mana potensial listrik 1 V lebih tinggi dari titik awalnya adalah sebesar 1 Joule (J) atau 1 eV = 1,602 x 10^-19 J. Sebuah tabung Brown yang digunakan pada televisi (Tabung sinar katoda atau Cathode Ray Tube/CRT) dilengkapi dengan sebuah sumber elektron (electron gun) yang mana elektron akan dipancarkan dan dipercepat dengan beda potensial sebesar 10 kV. Pancaran elektron yang dihasilkan itu kemudian akan difokuskan pada layar floresens dengan menggunakan sebuah lensa elektron yang terbuat dari kumparan defleksi magnetik dan kemudian akan membentuk titik yang memancarkan cahaya pada layar.
Contoh 1.3. Hitung kecepatan sebuah elektron yang memiliki energi kinetik sebesar 1 eV.
(Jawaban) Energi kinetik dari sebuah elektron (di mana m adalah masa elektron) dinyatakan dengan rumusan ½mv² dan 1 eV = 1,602 x 10^-19 J. Dengan demikian, ½mv² = 1,602 x 10^-19 J. Jika diketahui masa elektron sebesar m = 9,109 x 10^-31 kg, maka dapat diperoleh kecepatan elektron sebagai berikut:

Dapat kita lihat pada contoh-contoh di atas, kecepatan sebuah elektron yang memiliki energi sebesar 1 eV adalah sekitar 600 km.s^-1. Kecepatan sebuah ion, dengan energi kinetik sebesar 1 eV lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan sebuah elektron. Hal ini disebabkan oleh masa sebuah ion, M sangat besar dibandingkan dengan masa sebuah elektron, m. Bahkan untuk ion teringan, ion hidrogen (proton), masanya (M) adalah sekitar 1836 kali lebih besar dari m. Karenanya, kecepatan sebuah proton dengan energi kinetik sebesar 1 eV adalah sekitar 1,38 x 10⁴ m.s^-1. Analisa energi kinetik (analisa kecepatan) elektron dan ion yang dilepaskan oleh suatu bahan adalah hal yang sangat penting dalam mempelajari struktur dan masa dari bahan tersebut.

Mulyono Blog's