.com - Gaya Coulomb. Pembahasan soal ujian nasional bidang studi fisika ihwal gaya listrik untuk tingkat menengah atas. Gaya listrik atau gaya Coulomb merupakan gaya interaksi antara dua muatan yang terpisah pada jarak tertentu. Interaksi tersebut sanggup berupa gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak tergantung jenis muatannya. Dari beberapa ujian nasional sebelumnya, setidaknya selalu ada satu atau dua soal ihwal gaya listrik. Pada kesempatan ini, edutafsi akan membahas beberapa soal gaya Coulomb yang pernah keluar dalam ujian nasional sebagai citra bagi pelajar dan siswa untuk menghadapi ujian nasional tahun ini.
A. F = 56 N
B. F = 40 N
C. F = 32 N
D. F = 16 N
E. F = 8 N
Pembahasan :
Dik : r1 = 10 cm, r2 = 10 - 5 = 5 cm, F1 = 8 N
Dit : F2 = .... ?
Gaya Coulomb disebut juga sebagai gaya elektrostatis. Gaya listrik ini dialami sebuah muatan bila muatan tersebut berada di tempat medan listrik. Ketika dua buah muatan terpisah pada jarak r, maka besar gaya listrik yang dialami oleh muatan tersebut sanggup dihitung dengan rumus memberikankut:
Keterangan :
F = besar gaya tarik atau gaya tolak yang dialami muatan (N)
k = konstanta (9 x 109 N.m2/C2)
q1 = muatan listrik pertama (Coulomb)
q2 = muatan listrik kedua (Coulomb)
r = jarak antara kedua muatan (m).
Interaksi antara kedua muatan sanggup berupa tolak-menolak atau tarik-menarik. Jika kedua muatan sejenis, maka interaksinya ialah tolak-menolak. Sedangkan bila kedua muatan berbeda jenis, maka gayanya ialah tarik-menarik. Pada soal disebutkan terjadi gaya tarik-menarik, berarti kedua muatan berbeda jenis.
Gaya Coulomb ketika jaraknya 10 cm :
⇒ F1 = (k. q1.q2) / r12
⇒ 8 = {(9 x 109) . (q1.q2)} / (0,1)2
⇒ 8 = {(9 x 109) . (q1.q2)} / (0,01)
⇒ 8 = (9 x 109)(102) . (q1.q2)
⇒ q1.q2 = 8 / (9 x 1011)
⇒ q1.q2 = 8/9 x 10-11 C
Gaya Coulomb ketika jaraknya 5 cm :
⇒ F2 = (k. q1.q2) / r22
⇒ F2 = {(9 x 109) . (8/9 x 10-11)} / (5 x 10-2)2
⇒ F2 = {(9 x 109) . (8/9 x 10-11)} / (25 x 10-4)
⇒ F2 = (8 x 10-2) / (2,5 x 10-3)
⇒ F2 = 3,2 x 10-2+3
⇒ F2 = 3,2 x 10
⇒ F2 = 32 N
Penyelesaian ringkas :
Karena muatan P dan Q tetap, dan hanya jaraknya yang berubah, maka perubahan besar gaya tarik keduanya hanya dipengaruhi oleh jarak sehingga berlaku perbandingan sebagai memberikankut:
⇒ F2/F1 = (r1/r2)2
⇒ F2 = (r1/r2)2 . F1
⇒ F2 = (10/5)2 . 8
⇒ F2 = (2)2 . 8
⇒ F2 = 32 N
Perhatikan rumus di atas, ingat bahwa gaya listrik (F) berbanding terbalik dengan kuadrat jara (r2). Jadi, bila F2 di ruas kiri berada di atas, maka r22 di ruas kanan berada di bawah. Sebaliknya, alasannya ialah F1 berada di bawah, maka r12 berada di atas.
A. 0,9√3 N
B. 0,9√2 N
C. 0,9 N
D. 0,81 N
E. 0,4 N
Pembahasan :
Dik : r = 20 cm = 2 x 10-1 m, q = 2 x 10-6 C
Dit : FB = .... ?
Untuk mengerjakan soal ibarat ini, kita sanggup merlukis ilustrasi untuk melihat arah gaya Coulomb dari masing-masing muatan yang dialami oleh muatan B. Perhatikan arah gaya Coulomb yang bekerja di titik B pada gambar di bawah ini.
Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ FBA = k.qA.qB / r2
⇒ FBA = (9 x 109)(2 x 10-6)(2 x 10-6) / (2 x 10-1)2
⇒ FBA = (36 x 10-3) / (4 x 10-2)
⇒ FBA = 9 x 10-1
⇒ FBA = 0,9 N
Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ FBC = k.qC.qB / r2
⇒ FBC = (9 x 109)(2 x 10-6)(2 x 10-6) / (2 x 10-1)2
⇒ FBC = (36 x 10-3) / (4 x 10-2)
⇒ FBC = 9 x 10-1
⇒ FBC = 0,9 N
Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ FB = √FBA2 + FBC2 + 2 FBA.FBC. cos 90o
⇒ FB = √(0,9)2 + (0,9)2 + 2 (0,9)(0,9).(0)
⇒ FB = √0,81 + 0,81 + 0
⇒ FB = √2 x 0,81
⇒ FB = 0,9√2 N
Penyelesaian ringkas :
Karena besar muatan serupa dan jaraknya sama, maka gaya Coulomb yang dialami muatan B oleh muatan A sama dengan gaya Coulomb yang dialami muatan B oleh muatan C, sehingga berlaku:
⇒ FBA = FBC = F = 0,9 N
Berdasarkan konsep dalil Pythagoras:
⇒ FB = √FBA2 + FBC2
⇒ FB = √F2 + F2
⇒ FB = √2F2
⇒ FB = F√2
⇒ FB = 0,9√2 N
Jadi, resultan gaya yang dialami oleh muatan B ialah 09√2 N.
A. F1 : F2 = 2 : 5
B. F1 : F2 = 5 : 2
C. F1 : F2 = 5 : 8
D. F1 : F2 = 8 : 1
E. F1 : F2 = 8 : 5
Pembahasan :
Misalkan muatan pertama ialah +2q, muatan kedua ialah +q, dan ketiga ialah -2q.
Dik : r12 = a, r23 = a, r12' = a, r23' = 2a
Dit : F1 : F2 = .... ?
Pada kondisi mula-mula:
Perhatikan pada gambar di atas, sanggup dilihat bahwa arah gaya Coulomb yang dialami muatan kedua jawaban muatan pertama dan muatan ketiga searah (sama-sama ke kanan). Dengan demikian, resultan gaya yang dialami muatan +q :
⇒ F1 = F21 + F23
⇒ F1 = {(k. 2q . q) / a2} + {(k. q . 2q) / a2}
⇒ F1 = {(2kq2) / a2} + {(2kq2) / a2}
⇒ F1 = 2 {(2kq2) / a2}
Pada kondisi kedua :
Karena muatan ketiga digeser menjauhi muatan kedua, maka jaraknya menjadi berubah dan besar gaya tariknya juga berubah. Resultan gaya yang dialami muatan kedua pada kondisi kedua ini ialah sebagai memberikankut:
⇒ F2 = F21' + F23'
⇒ F2 = {(k. 2q . q) / a2} + {(k. q . 2q) / (2a)2}
⇒ F2 = {(2kq2) / a2} + {(2kq2) / 4a2}
⇒ F2 = {(2kq2) / a2} + ¼{(2kq2) / a2}
⇒ F2 = (1 + ¼) . {(2kq2) / a2}
⇒ F2 = 5/4 {(2kq2) / a2}
Perbandingan kondisi pertama dan kondisi kedua:
⇒ F1/F2 = 2/(5/4)
⇒ F1/F2 = 2 x 4/5
⇒ F1 : F2 = 8 : 5
Penyelesaian ringkas :
⇒ F1/F2 = 2F/(F + ¼F)
⇒ F1/F2 = 2F/(5/4F)
⇒ F1/F2 = 8/5
⇒ F1 : F2 = 8 : 5
Jadi, perbandingan antara ialah 8 : 5.
Ketiga muatan listrik q1, q, dan q2 ialah segaris. Jika q = 5,0 μC, q1 = 30 μC, q2 = 60 μC dan d = 30 cm, maka besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q ialah .... (k = 9 x 109 N m2C-2)
A. 7,5 N menuju q1
B. 7,5 N menuju q2
C. 15 N menuju q1
D. 22,5 N menuju q1
E. 22,5 N menuju q2
Pembahasan :
Dik : r1 = 30 cm, r2 = 60 cm, q1 = 3 x 10-5 C, q2 = 6 x 10-5 C, q = 5 x 10-6 C
Dit : F = .... ?
Karena ketiga muatan tersebut sejenis, maka akan terjadi gaya tolak-menolak. Arah gaya lisrtik yang dialami oleh muatan q oleh dua muatan lainnya ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. Dapat dilihat bahwa arah gayanya saling berlawanan arah (satu ke kanan dan satu ke kiri).
Gaya Coulomb oleh muatan q1 :
⇒ F1 = k.q1.q / r12
⇒ F1 = (9 x 109).(3 x 10-6).(5 x 10-5) / (3 x 10-1)2
⇒ F1 = (135 x 10-2) / (9 x 10-2)
⇒ F1 = 15 N ke kanan.
Gaya Coulomb oleh muatan q2 :
⇒ F2 = k.q2.q / r22
⇒ F2 = (9 x 109).(6 x 10-6).(5 x 10-5) / (6 x 10-1)2
⇒ F2 = (270 x 10-2) / (36 x 10-2)
⇒ F2 = 7,5 N ke kiri.
Dengan demikian, resultan gaya yang dialami muatan q adalah:
⇒ F = F1 − F2
⇒ F = 15 - 7,5
⇒ F = 7,5 N ke kanan.
Karena F1 lebih besar dari F2, dan arah F1 ke kanan, maka besar resultan gaya yang bekerja pada muatan q ialah 7,5 N ke kanan (menuju muatan q2).
A. 90 N ke muatan C
B. 90 N ke muatan A
C. 180 N ke muatan C
D. 180 N ke muatan A
E. 360 N ke muatan C
Pembahasan :
Dik : rab = 0,1 m, rbc = 0,1 m, qa = 10-5 C, qb = 10-5 C, qc = 2 x 10-5 C
Dit : Fb = .... ?
Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ Fba = k.qa.qb / rab2
⇒ Fba = (9 x 109)(10-5)(10-5) / (10-1)2
⇒ Fba = (9 x 10-1) / (10-2)
⇒ Fba = 9 x 10
⇒ Fba = 90 N ke kanan
Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ Fbc = k.qc.qb / rbc2
⇒ Fbc = (9 x 109)(2 x 10-5)(10-5) / (10-1)2
⇒ Fbc = (18 x 10-1) / (10-2)
⇒ Fbc = 18 x 10
⇒ Fbc = 180 N ke kiri
Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ Fb = Fbc − Fba
⇒ Fb = 180 − 90
⇒ Fb = 90 N ke kiri.
Karena gaya Fbc lebih besar dari gaya Fba dan gaya Fbc arahnya ke kiri (menuju muatan A), maka resultan gaya yang dialami oleh muatan B ialah 90 N ke muatan A.
Demikianlah pembahasan beberapa soal ujian nasional bidang studi fisika ihwal gaya listrik atau gaya Coulomb. Jika pembahasan soal gaya coulomb ini memberi manfaat, bantu kami membagikannya kepada teman-teman anda melalui tombol share yang tersedia. Terimakasih.
Soal 1 : Pengaruh Jarak Terhadap Gaya Coulomb
Dua muatan listrik P dan Q yang terpisah sejauh 10 cm mengalami gaya tarik-menarik sebesar 8 N. Jika muatan Q digeser 5 cm mendekati muatan P, maka gaya listrik yang terjadi ialah ....A. F = 56 N
B. F = 40 N
C. F = 32 N
D. F = 16 N
E. F = 8 N
Pembahasan :
Dik : r1 = 10 cm, r2 = 10 - 5 = 5 cm, F1 = 8 N
Dit : F2 = .... ?
Gaya Coulomb disebut juga sebagai gaya elektrostatis. Gaya listrik ini dialami sebuah muatan bila muatan tersebut berada di tempat medan listrik. Ketika dua buah muatan terpisah pada jarak r, maka besar gaya listrik yang dialami oleh muatan tersebut sanggup dihitung dengan rumus memberikankut:
|
Keterangan :
F = besar gaya tarik atau gaya tolak yang dialami muatan (N)
k = konstanta (9 x 109 N.m2/C2)
q1 = muatan listrik pertama (Coulomb)
q2 = muatan listrik kedua (Coulomb)
r = jarak antara kedua muatan (m).
Interaksi antara kedua muatan sanggup berupa tolak-menolak atau tarik-menarik. Jika kedua muatan sejenis, maka interaksinya ialah tolak-menolak. Sedangkan bila kedua muatan berbeda jenis, maka gayanya ialah tarik-menarik. Pada soal disebutkan terjadi gaya tarik-menarik, berarti kedua muatan berbeda jenis.
Gaya Coulomb ketika jaraknya 10 cm :
⇒ F1 = (k. q1.q2) / r12
⇒ 8 = {(9 x 109) . (q1.q2)} / (0,1)2
⇒ 8 = {(9 x 109) . (q1.q2)} / (0,01)
⇒ 8 = (9 x 109)(102) . (q1.q2)
⇒ q1.q2 = 8 / (9 x 1011)
⇒ q1.q2 = 8/9 x 10-11 C
Gaya Coulomb ketika jaraknya 5 cm :
⇒ F2 = (k. q1.q2) / r22
⇒ F2 = {(9 x 109) . (8/9 x 10-11)} / (5 x 10-2)2
⇒ F2 = {(9 x 109) . (8/9 x 10-11)} / (25 x 10-4)
⇒ F2 = (8 x 10-2) / (2,5 x 10-3)
⇒ F2 = 3,2 x 10-2+3
⇒ F2 = 3,2 x 10
⇒ F2 = 32 N
Penyelesaian ringkas :
Karena muatan P dan Q tetap, dan hanya jaraknya yang berubah, maka perubahan besar gaya tarik keduanya hanya dipengaruhi oleh jarak sehingga berlaku perbandingan sebagai memberikankut:
| ⇒ | F2 | = | r12 |
| F1 | r22 |
⇒ F2 = (r1/r2)2 . F1
⇒ F2 = (10/5)2 . 8
⇒ F2 = (2)2 . 8
⇒ F2 = 32 N
Perhatikan rumus di atas, ingat bahwa gaya listrik (F) berbanding terbalik dengan kuadrat jara (r2). Jadi, bila F2 di ruas kiri berada di atas, maka r22 di ruas kanan berada di bawah. Sebaliknya, alasannya ialah F1 berada di bawah, maka r12 berada di atas.
Jawaban : C
Soal 2 : Gaya Coulomb pada Sistem Muatan Segitiga
Tiga buah muatan listrik berada pada posisi di titik sudut segitiga siku-siku ABC (siku-siku di B). Jika panjang sisi AB = BC = 20 cm dan besar ketiga muatan sama (q = 2 μC), maka besar gaya listrik yang bekerja di titik B ialah ....A. 0,9√3 N
B. 0,9√2 N
C. 0,9 N
D. 0,81 N
E. 0,4 N
Pembahasan :
Dik : r = 20 cm = 2 x 10-1 m, q = 2 x 10-6 C
Dit : FB = .... ?
Untuk mengerjakan soal ibarat ini, kita sanggup merlukis ilustrasi untuk melihat arah gaya Coulomb dari masing-masing muatan yang dialami oleh muatan B. Perhatikan arah gaya Coulomb yang bekerja di titik B pada gambar di bawah ini.
Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ FBA = k.qA.qB / r2
⇒ FBA = (9 x 109)(2 x 10-6)(2 x 10-6) / (2 x 10-1)2
⇒ FBA = (36 x 10-3) / (4 x 10-2)
⇒ FBA = 9 x 10-1
⇒ FBA = 0,9 N
Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ FBC = k.qC.qB / r2
⇒ FBC = (9 x 109)(2 x 10-6)(2 x 10-6) / (2 x 10-1)2
⇒ FBC = (36 x 10-3) / (4 x 10-2)
⇒ FBC = 9 x 10-1
⇒ FBC = 0,9 N
Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ FB = √FBA2 + FBC2 + 2 FBA.FBC. cos 90o
⇒ FB = √(0,9)2 + (0,9)2 + 2 (0,9)(0,9).(0)
⇒ FB = √0,81 + 0,81 + 0
⇒ FB = √2 x 0,81
⇒ FB = 0,9√2 N
Penyelesaian ringkas :
Karena besar muatan serupa dan jaraknya sama, maka gaya Coulomb yang dialami muatan B oleh muatan A sama dengan gaya Coulomb yang dialami muatan B oleh muatan C, sehingga berlaku:
⇒ FBA = FBC = F = 0,9 N
Berdasarkan konsep dalil Pythagoras:
⇒ FB = √FBA2 + FBC2
⇒ FB = √F2 + F2
⇒ FB = √2F2
⇒ FB = F√2
⇒ FB = 0,9√2 N
Jadi, resultan gaya yang dialami oleh muatan B ialah 09√2 N.
Jawaban : B
Soal 3 : Menentukan Perbandingan Gaya Coulomb
Tiga buah muatan listrik diletakkan terpisah ibarat gambar (1) di bawah ini. Resultan gaya yang bekerja pada muatan +q ialah F1. Jika muatan -2q digeser menjauhi muatan +q sejauh a, maka resultan gaya yang bekerja pada muatan +q menjadi F2. Nilai perbandingan F1 dengan F2 ialah ....A. F1 : F2 = 2 : 5
B. F1 : F2 = 5 : 2
C. F1 : F2 = 5 : 8
D. F1 : F2 = 8 : 1
E. F1 : F2 = 8 : 5
Pembahasan :
Misalkan muatan pertama ialah +2q, muatan kedua ialah +q, dan ketiga ialah -2q.
Dik : r12 = a, r23 = a, r12' = a, r23' = 2a
Dit : F1 : F2 = .... ?
Pada kondisi mula-mula:
Perhatikan pada gambar di atas, sanggup dilihat bahwa arah gaya Coulomb yang dialami muatan kedua jawaban muatan pertama dan muatan ketiga searah (sama-sama ke kanan). Dengan demikian, resultan gaya yang dialami muatan +q :
⇒ F1 = F21 + F23
⇒ F1 = {(k. 2q . q) / a2} + {(k. q . 2q) / a2}
⇒ F1 = {(2kq2) / a2} + {(2kq2) / a2}
⇒ F1 = 2 {(2kq2) / a2}
Pada kondisi kedua :
Karena muatan ketiga digeser menjauhi muatan kedua, maka jaraknya menjadi berubah dan besar gaya tariknya juga berubah. Resultan gaya yang dialami muatan kedua pada kondisi kedua ini ialah sebagai memberikankut:
⇒ F2 = F21' + F23'
⇒ F2 = {(k. 2q . q) / a2} + {(k. q . 2q) / (2a)2}
⇒ F2 = {(2kq2) / a2} + {(2kq2) / 4a2}
⇒ F2 = {(2kq2) / a2} + ¼{(2kq2) / a2}
⇒ F2 = (1 + ¼) . {(2kq2) / a2}
⇒ F2 = 5/4 {(2kq2) / a2}
Perbandingan kondisi pertama dan kondisi kedua:
| ⇒ | F1 | = | 2 {(2kq2) / a2} |
| F2 | 5/4 {(2kq2) / a2} |
⇒ F1/F2 = 2 x 4/5
⇒ F1 : F2 = 8 : 5
Penyelesaian ringkas :
| ⇒ | F1 | = | F21 + F23 |
| F2 | F21' + F23' |
⇒ F1/F2 = 2F/(5/4F)
⇒ F1/F2 = 8/5
⇒ F1 : F2 = 8 : 5
Jadi, perbandingan antara ialah 8 : 5.
Jawaban : E
Soal 4 : Menentukan Besar dan Arah Gaya Coulomb
Perhatikan gambar di bawah ini!Ketiga muatan listrik q1, q, dan q2 ialah segaris. Jika q = 5,0 μC, q1 = 30 μC, q2 = 60 μC dan d = 30 cm, maka besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q ialah .... (k = 9 x 109 N m2C-2)
A. 7,5 N menuju q1
B. 7,5 N menuju q2
C. 15 N menuju q1
D. 22,5 N menuju q1
E. 22,5 N menuju q2
Pembahasan :
Dik : r1 = 30 cm, r2 = 60 cm, q1 = 3 x 10-5 C, q2 = 6 x 10-5 C, q = 5 x 10-6 C
Dit : F = .... ?
Karena ketiga muatan tersebut sejenis, maka akan terjadi gaya tolak-menolak. Arah gaya lisrtik yang dialami oleh muatan q oleh dua muatan lainnya ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. Dapat dilihat bahwa arah gayanya saling berlawanan arah (satu ke kanan dan satu ke kiri).
Gaya Coulomb oleh muatan q1 :
⇒ F1 = k.q1.q / r12
⇒ F1 = (9 x 109).(3 x 10-6).(5 x 10-5) / (3 x 10-1)2
⇒ F1 = (135 x 10-2) / (9 x 10-2)
⇒ F1 = 15 N ke kanan.
Gaya Coulomb oleh muatan q2 :
⇒ F2 = k.q2.q / r22
⇒ F2 = (9 x 109).(6 x 10-6).(5 x 10-5) / (6 x 10-1)2
⇒ F2 = (270 x 10-2) / (36 x 10-2)
⇒ F2 = 7,5 N ke kiri.
Dengan demikian, resultan gaya yang dialami muatan q adalah:
⇒ F = F1 − F2
⇒ F = 15 - 7,5
⇒ F = 7,5 N ke kanan.
Karena F1 lebih besar dari F2, dan arah F1 ke kanan, maka besar resultan gaya yang bekerja pada muatan q ialah 7,5 N ke kanan (menuju muatan q2).
Jawaban : B
Soal 5 : Menentukan Besar Gaya Listrik yang Dialami Muatan
Tiga buah muatan A, B, dan C terletak segaris dengan B berada di antara A dan C. Jarak antara A dan B sama dengan jarak antara B dan C, yaitu 0,1 meter. Jika muatan A, B, dan C berturut-turut ialah 10 μC, 10 μC, dan 20 μC, maka gaya Coulomb yang dialami oleh muatan B ialah ..... (k = 9 x 109 N m2C-2, 1 μC = 10-6 C).A. 90 N ke muatan C
B. 90 N ke muatan A
C. 180 N ke muatan C
D. 180 N ke muatan A
E. 360 N ke muatan C
Pembahasan :
Dik : rab = 0,1 m, rbc = 0,1 m, qa = 10-5 C, qb = 10-5 C, qc = 2 x 10-5 C
Dit : Fb = .... ?
Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ Fba = k.qa.qb / rab2
⇒ Fba = (9 x 109)(10-5)(10-5) / (10-1)2
⇒ Fba = (9 x 10-1) / (10-2)
⇒ Fba = 9 x 10
⇒ Fba = 90 N ke kanan
Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ Fbc = k.qc.qb / rbc2
⇒ Fbc = (9 x 109)(2 x 10-5)(10-5) / (10-1)2
⇒ Fbc = (18 x 10-1) / (10-2)
⇒ Fbc = 18 x 10
⇒ Fbc = 180 N ke kiri
Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ Fb = Fbc − Fba
⇒ Fb = 180 − 90
⇒ Fb = 90 N ke kiri.
Karena gaya Fbc lebih besar dari gaya Fba dan gaya Fbc arahnya ke kiri (menuju muatan A), maka resultan gaya yang dialami oleh muatan B ialah 90 N ke muatan A.
Jawaban : B
Demikianlah pembahasan beberapa soal ujian nasional bidang studi fisika ihwal gaya listrik atau gaya Coulomb. Jika pembahasan soal gaya coulomb ini memberi manfaat, bantu kami membagikannya kepada teman-teman anda melalui tombol share yang tersedia. Terimakasih.
Advertisement