Hukum Coulomb

Namanya diabadikan di dalam hukum listrik dan magnet serta di dalam satuan listrik. Padahal dalam banyak segi karyanya sebetulnya sudah terlebih dulu ditemukan orang lain. Mengapa dan di mana letak keunggulannya?

HUKUM pertama yang dipelajari siswa sekolah madia ketika mereka mempelajari listrik statika adalah hukum Coulomb. Hukum ini menerangkan hubungan di antara muatan listrik jarak mereka, serta gaya tarik atau gaya tolak di antara muatan listrik itu. Lebih dari itu, para siswa juga mempelajari bahwa salah satu satuan muatan listrik adalah Coulomb. Muatan listrik sebanyak satu Coulomb adalah setara dengan muatan listrik dari 6,25 juta-juta-juta elektron.

Coulomb adalah cendekiawan Perancis pada abad ke-18. Ia senang melakukan peicobaan di bidang ilmu dan teknik. Pada suatu saat, percobaan Coulomb itu sampai juga ke bidang listrik. Dan dari percobaan itu, ia menemukan sejumlah kenyataan yang dapat digolongkan sebagai hukum alam. Ada di antara penemuan itu yang memang baru. Tetapi tidak jarang pula, apa yang dilakukan oleh Coulomb itu bukanlah sesuatu yang sama sekali baru. Bedanya, ia jauh lebih tekun, teliti, dan tuntas dari para pelaku pendahulu, sehingga sebagian dari penemuan ilmiah demikian dapat dianggap sebagai berasal dari Coulomb.

Misalnya saja hukum Coulomb. Sebelum dirumuskan oleh Coulomb, Joseph Priestley telah berbicara tentang kemungkinan hukum itu melalui kenyataan taklangsung. Namun, ia tidak menuntaskan pemikiran itu serta tidak menunjukkannya secara meyakinkan. Sebaliknya, Coulomb secara tekun dan cermat menunjukkan kepada para cendekiawan tentang kecocokan di antara rumusan hukum itu dengan hasil ukur di dalam percobaannya.

Ada orang yang berpendapat bahwa Coulomb merupakan orang terakhir pada zaman awal penemuan listrik dan magnet. Pada zaman itu, kenyataan listrik dan magnet hanya ditunjukkan oleh hasil percobaan yang dapat dilakukan di bidang itu. Setelah zaman itu, para cendekiawan mulai merumuskan teori tentang listrik dan magnet. Bersama itu, muncullah teori garis gaya dan muncul pula teori medan gaya. Melalui teori dan percobaan, pengetahuan tentang listrik dan magnet terus berkembang.

Insinyur Coulomb
CHARLES Augustin de Coulomb lahir pada tahun 1736 di Angouleme, Charente, Perancis. Sebagai keturunan bangsawan, ia memperoleh sekolah yang baik pada zamannya itu. Dengan kemampuan matematika yang baik, serta tertarik kepada bidang teknik, ia masuk sekolah teknik di Melzieres dan di situ, ia memperoleh pelajaran teori dan praktek di bidang teknik.

Sebagai seorang insinyur, Coulomb masuk korps teknik kerajaan. Pada tahun 1764, sebagai insinyur militer, ia bertugas di benua Amerika selama beberapa tahun. Pada zaman itu, di benua Amerika sering terjadi perang untuk memperebutkan wilayah dan kekuasaan. Pertempuran sering timbul di antara orang Spanyol, Inggris, dan Perancis. Tidak heran kalau di sana, Coulomb sampai ikut mengawasi pembuatan benteng di Martinique.

Sekalipun demikian, Coulomb tidak terbenam dalam kegiatan praktek belaka. Ia masih tetap memperhatikan ilmu teknik. Pada tahun 1773, ia menerbitkan karangan tentang kekuatan material. Konon kabarnya, metoda yang ditulis di dalam karangan itu, masih tetap digunakan di bidang teknik sampai sekarang ini. Di dalam kekuatan material itu, ia meneliti tentang titik patah berbagai material. Dan daripadanya, ia menghitung distribusi tekanan dan regangan yang kemudian menjadi fondasi dari teknik struktur zaman modern ini.

Pada tahun 1776, Coulomb kembali ke Paris. Di sana, ia mencari kehidupan yang tenang serta meneruskan percobaan ilmiahnya. Dalam hal ini, ia benar-benar luar biasa. Yakin akan kekuatan ilmiah yang terletak pada percobaan yang cermat dan teliti, ia mulai melakukan banyak percobaan di bidang mekanika dan di bidang listrik.

Ketika pada tahun 1777, Akademi Ilmu Perancis mengumumkan hadiah bagi penemuan cara terbaik dalam pembuatan jarum magnet untuk kompas kapal, Coulomb pun turut serta. Entah ia berhasil atau tidak dalam perebutan hadiah itu. Yang pasti adalah dari usahanya itu, Coulomb berhasil meneliti dan menciptakan neraca torsi yang kelak digunakannya di dalam penemuan hukum pada listrik dan magnet.

Konon menurut Cavendish, John Mitchell juga berhasil menciptakan neraca torsi seperti yang diciptakan oleh Coulomb. Namun, mereka kedua-duanya sampai ke penemuan neraca itu secara mandiri dan terpisah.

Pada tahun 1779, Coulomb menganalisis gaya gesekan dan daripadanya, ia meletakkan dasar bagi teori ilmiah tentang pelumas. Pada tahun yang sama, ia menyusun suatu metoda untuk melakukan pekerjaan teknik di bawah air. Ia pula yang merupakan orang pertama yang mencoba untuk mengukur banyaknya kerja dari tenaga kerja manusia pada berbagai keadaan kerja yang berbeda.

Berkat jasanya di bidang ilmu, pada tahun 1781, Coulomb terpilih menjadi anggota Akademi ilmu Perancis. Dan pada tahun 1784 atau 1785, ia mulai mencurahkan perhatian pada pengukuran gaya listrik dan gaya magnet. Pada tahun 1785, ia berhasil menunjukkan sifat listrik yang kelak dikenal sebagai hukum Coulomb. Ia terus meneliti sampai tahun 1789 ketika Revolusi Perancis meletus. Hasil karyanya itu dituangkan di dalam Memoires de l’Academie Royale des Science yang ditulisnya sejak tahun 1784.

Selama Revolusi Perancis, termasuk zaman teror dari revolusi itu, Coulomb menyepi ke kota kecil Blois untuk dapat bekerja dengan tenang. Keinginannya tercapai. Selama revolusi itu, ia hidup dengan damai. Ketika Napoleon berkuasa, Coulomb dikembalikan ke kedudukannya semula. Namun, tak lama kemudian, pada tahun 1806, Coulomb meninggal di Paris sebagai cendekiawan di bidang mekanika dan listrik. Namanya diabadikan di dalam hukum listrik dan magnet serta di dalam satuan listrik.

Neraca Torsi dan Hukum Coulomb
SEBELUM kita berbicara tentang neraca torsi dan hukum Coulomb, coba kita lihat apa yang terj adi pada saat Coulomb meneliti dan merumuskan gaya di antara muatan listrik. Pada saat itu, secara tak langsung, Joseph Priestley telah mengemukakan kemungkinan hubungan gaya itu dengan muatan listrik dan jarak di antara muatan itu.

Selain Priestley, Henry Cavendish juga telah merumuskan hukum serupa. Namun, Cavendish jarang mengumumkan hasil penemuannya. Karena itu, penemuan ini baru diketahui setengah abad kemudian setelah Cavendish meninggal. Bahkan pada saat itu, dari catatan Cavendish, baru diketahui bahwa Cavendish telah mendahului Corilomb dalam penemuan hukum itu.

Melalui percobaan, Cavendish menemukan bahwa gaya itu berbanding terbalik dengan jarak di antara muatan listrik dengan pangkat yang terletak antara 2 – 1/50 dan 2 + 1/50. Bahkan kemudian, James Clerk Maxwell, yang mempelajari dan mengumumkan catatan Cavendish itu, memperkecil batas tersebut sampai di antara – dan + 1/21.600.

Sekalipun Priestley dan Cavendish telah menyatakan hal serupa dan sekalipun Mitchell telah juga menciptakan neraca torsi, namun pada saat itu, Coulomb secara tegas menunjukkan penemuannya itu melalui rangkaian percobaan yang tegas pula. Karena itu, para cendekiawan beranggapan bahwa penemu hukum itu adalah Coulomb. Dan bersama itu pula, hukum itu mereka namakan hukum Coulomb.

Coulomb menemukan hukum itu melalui percobaan dengan neraca torsi. Dan ia menciptakan necara torsi itu karena ingin menemukan cara pembuatan jarum kompas yang terbaik untuk memperebutkan hadiah dari Akademi Ilmu Perancis. Coulomb (dan juga Mitchell) menemukan bahwa gaya torsi pada kawat berbanding lurus dengan sudut puntiran. Karena itu, melalui amatan pada sudut puntir pada kawat, ia dapat mengukur gaya yang melakukan puntiran itu. Dan dengan asas demikian, Coulomb membuat neraca torsi.

Selain mengetahui asas itu, Coulomb juga menyadari bahwa di dalam pengukuran demikian terdapat gesekan yang dapat menimbulkan kekeliruan. Karena itu, dalam pembuatan neraca itu, ia harus memilih bahan yang tepat serta mengerjakannya melalui konstruksi yang teliti.

Neraca torsi Coulomb terdiri atas gelas silinder beru-kuran tinggi dan diameter yang kedua-duanya sekitar 30 cm. Kita namakan silinder ini sebagai silinder pertama. Di sekeliling silinder pertama itu, terdapat tanda garis yang menunjukkan derajat sudut. Derajat sudut ini digunakan untuk menentukan jarak benda di dalam neraca itu.

Di tengah permukaan atas silinder gelas pertama itu, terdapat silinder ke dua yang dipasang secara tetap pada silinder pertama. Dengan diameter yang jauh lebih kecil dari yang dimiliki silinder pertama, silinder ke dua ini mempunyai ukuran tinggi sekitar 60 cm. Ruang di dalam kedua silinder itu saling berhubungan.

Di atas silinder ke dua ini terpasang suatu mikrometer-torsi. Melalui tanda garis, mikrometer itu menunjukkan derajat sudut. Derajat sudut ini digunakan untuk menentukan sudut puntir sekiranya kawat yang berhubungan dengannya mengalami puntiran.

Dari mikrometer ini bergantungan kawat perak halus yang ujungnya mencapai bagian tengah silinder pertama. Kawat ini dapat dipuntir dan sudut puntir dapat dibaca pada mikrometer itu. Pada ujung kawat perak itu terdapat batang datar yang terbuat dari benang sutera halus yang dibuat menjadi kaku melalui laburan lilin.

Di satu ujung batang datar itu terpasang bola-coba yakni bola yang akan dipakai pada percobaan. Bola-coba ini kita namakan saja sebagai bola-coba pertama. Di ujung lain batang datar itu terpasang piring kertas tegak. Piring ker-tas ini berfungsi sebagai peredam gerak kalau sampai ter-jadi gerakan osilasi (bolak balik) pada batang itu.

Di permukaan atas silinder pertama dan di luar silinder ke dua, terdapat lobang memanjang. Melalui suatu letak pada lobang ini, dengan batang terisolasi, dapat diturunkan bola-coba ke dua yang dapat diatur jaraknya dari bola-coba pertama. Inilah neraca torsi ciptaan Coulomb yang dipakainya untuk mengukur gaya di antara 2 muatan listrik.

Cara kerja alat itu didasarkan kepada gaya dan sudut puntir. Kalau ujung kawat yang satu ditahan tetap, maka gaya puntir akan membangkitkan kopel balik yang sebanding dengan sudut puntir. Dengan memberi muatan listrik yang sama besar kepada kedua bola- coba itu, serta mengatur jarak mereka, maka gaya tolak mereka dapat dibandingkan melalui bacaan pada sudut puntiran.

Neraca torsi Coulomb ini dibuat peka dengan menggunakan kawat yang sangat halus sehingga gaya sebesar 1/100.000 berat grain (sekitar 52,1 dyne) pada batang (berukuran 10,83 cm) dapat menghasilkan sudut puntir sebesar satu derajat. Kalau digunakan serat sutera, maka gaya sebesar 1/60.000 berat grain saja sudah cukup untuk memuntir itu sampai sebesar 360 derajat.

Dengan neraca yang peka ini, Coulomb mula-mula mengatur agar bacaan pada mikrometer-torsi adalah O derajat. Setelah itu, seluruh gantungan itu diputar agar bola-coba pertama menunjukkan ke sudut 0 derajat pada tanda di lingkaran silinder pertama serta berhadapan dengan lobang di silinder pertama itu. Pada lobang itu, diturunkan bola-coba ke dua sehingga bola itu menyentuh bola-coba pertama. Setelah itu, letak bola-coba ke dua ini dibuat tetap.

Kemudian, melalui konduktor bermuatan listrik, kedaa bola-coba yang bersentuhan itu diberi muatan listrik. Muatan listrik di kedua bola-coba itu adalah sama dalam segala hal. Karena bermuatan listrik yang sama jenisnya, maka kedua bola-coba itu saling menolak. Dengan kata lain, bola-coba pertama yang memang dapat bergerak akan bergerak menjauhi bola-coba kedua yang tetap letaknya itu.

Pada suatu percobaan, menurut Coulomb, batang neraca itu mencapai 36 derajat. Dengan memuntir kawat, ia mengubah jarak itu menjadi separuh yakni menj adi 18 derajat. Ternyata ubahan ini menyebabkan sudut torsi malah bertambah sampai 4 kali yakni mencapai 144 derajat. Ketika jarak itu diseparuhkan lagi, yakni menjadi seperempat dari semula, maka sudut torsi meningkat menjadi 16 kali nilai asalnya yakni 576 derajat.

Dengan hasil ini, Coulomb menyatakan bahwa “tolakan di antara dua bola kecil bermuatan listrik sama berubah menurut kebalikan dari kuadrat jarak di antara kedua pusat mereka”. Dengan necara torsi ini, Coulomb menunjukkan bentuk hukum yang mengatur gaya tolak di antara muatan listrik yang sejenis.

Pada tahun 1785, Coulomb menunjukkan hasil serupa pada gaya tarik di antara muatan listrik yang berlainan jenis. Untuk percobaan itu, ia tidak dapat menggunakan neraca torsinya. Gaya tarik akan mendekatkan kedua muatan listrik itu. Namun, muatan listrik yang makin dekat ini akan menimbulkan gaya tarik yang makin besar pula. Akhirnya, kedua muatan listrik itu akan bertemu. Karena itu, pada neraca torsi, kedua muatan listrik vang berlainan jenis itu akan selalu bertemu sehingga gaya di antara mereka tidak dapat diukur.

Percobaan Coulomb untuk gaya tarik di antara muatan listrik berlainan jenis dilakukan pada alat lain. Ia menggunakan jarum emas yang diisolasi. Di satu ujung jarum itu, dipasang piring emas. Jarum itu diikat di tengah-tengahnya dengan benang sutera dan digantung pada suatu pegangan yang memungkinkan jarum itu berayun.

Jarum itu diberi muatan listrik. Kemudian suatu bola lain di dekat jarum itu diberi muatan listrik yang berlainan sejenis. Dengan demikian, jarum itu berayun. Periode ayunan itu diukur dan dicatat. Kalau jarak bola bermuatan listrik itu diubah, maka ternyata perioda ayunan jarum itu juga berubah.

Melalui mekanika, Coulomb menunjukkan bahwa perioda ayunan jarum berbanding terbalik dengan akardua gaya. Kalau sekiranya perioda ayunan berbanding lurus dengan jarak muatan listrik itu, maka gaya tarik itu akan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak itu. Ternyata, Coulomb meneniukan bahwa benar, perioda ayunan itu berbanding lurus dengan jarak sehingga dengan demikian ia dapat menyatakan bahwa gaya tarik berbanding lurus dengan kuadrat jarak itu.

Di dalam penelitiannya itu, Coulomb cukup teliti. Ia melakukan koreksi terhadap kebocoran muatan listrik pada isolasi. Melalui penelitian khusus, ia menemukan bahwa besar kebocoran muatan listrik melalui isolasi bergantung kepada kualitas isolasi, ukuran isolasi, rapat muatan listrik di situ, dan kelengasan hawa.

Kemudian, melalui metoda yang berlainan, Coulomb juga menciptakan neraca torsi untuk mengukur gaya di antara kutub magnet. Dengan ketekunan dan ketelitian yang tinggi, ia juga menunjukkan bahwa hukum pada listrik berlaku juga pada magnet. Dalam percobaan ini, melalui cara tertentu, ia berusaha menghilangkan akibat dari gaya magnet bumi terhadap hasil percobaannya.

Penutup
TAMPAKNYA, percobaan terhadap gaya pada muatan listrik dan kutub magnet, membawa juga Coulomb ke bagian lain dari listrik. Coulomb turut memperhatikan sifat konduktor dan isolator. Ia melakukan sejumlah percobaan untuk menemukan sifat listrik pada konduktor dan isolator itu.

Seperti dikemukakan di atas, dari penelitian dan percobaan semacam itu, Coulomb menemukan sifat kebocoran muatan listrik pada isolator. Penemuan itu digunakannya untuk mengoreksi hasil percobaan lainnya guna mencapai hasil yang secermat mungkin.

Percobaan pada konduktor, tanpa diketahuinya, membawanya ke penemuan yang sama dengan yang telah ditemukan oleh Cavendish. Seperti halnya Cavendish, Coulomb menemukan bahwa listrik menyebar ke seluruh konduktor, menurut bentuk konduktor itu, tanpa menunjukkan suatu kecenderungan tertentu. Selanjutnya, Coulomb juga menemukan bahwa pada konduktor yang bermuatan listrik, muatan itu akan menyebar di permukaan konduktor, tanpa sedikit pun masuk ke dalamnya.

Oleh Dali S. Naga

Sumber: Majalah AKU TAHU/ MEI 1988