Pembahasan Soal Un Fisika Ihwal Gaya Coulomb

.com - Gaya Coulomb. Pembahasan soal ujian nasional bidang studi fisika wacana gaya listrik untuk tingkat menengah atas. Gaya listrik atau gaya Coulomb ialah gaya interaksi antara dua muatan yang terpisah pada jarak tertentu. Interaksi tersebut sanggup berupa gaya tarik-menarikdanunik atau gaya tolak-menolak tergantung jenis muatannya. Dari beberapa ujian nasional sebelumnya, setidaknya selalu ada satu atau dua soal wacana gaya listrik. Pada peluang ini, edutafsi akan mengulas beberapa soal gaya Coulomb yang pernah keluar dalam ujian nasional sebagai citra bagi anakdidik untuk menghadapi ujian nasional tahun ini.

Soal 1 : Pengaruh Jarak Terhadap Gaya Coulomb

Dua muatan listrik P dan Q yang terpisah sejauh 10 cm mengalami gaya tarik-menarikdanunik sebesar 8 N. Jika muatan Q digeser 5 cm mendekati muatan P, maka gaya listrik yang terjadi yakni ....
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 jikalau muatan tersebut berada di kawasan medan listrik. Ketika dua buah muatan terpisah pada jarak r, maka besar gaya listrik yang dialami oleh muatan tersebut sanggup dihitung dengan rumus diberikut:

F = k q1 . q2 r2

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-menarikdanunik. Jika kedua muatan sejenis, maka interaksinya yakni tolak-menolak. Sedangkan jikalau kedua muatan tidak sama jenis, maka gayanya yakni tarik-menarikdanunik. Pada soal disebutkan terjadi gaya tarik-menarikdanunik, berarti kedua muatan tidak sama 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 spesialuntuk jaraknya yang berubah, maka perubahan besar gaya tarik keduanya spesialuntuk dipengaruhi oleh jarak sehingga berlaku perbandingan sebagai diberikut:

⇒	F2	=	r12
	F1		r22

⇒ 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, jikalau F₂ di ruas kiri berada di atas, maka r₂² di ruas kanan berada di bawah. Sebaliknya, alasannya yakni 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 yakni ....
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 : F_B = .... ?

Untuk mengerjakan soal menyerupai 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 :
⇒ F_BA = k.q_A.q_B / r²
⇒ F_BA = (9 x 10⁹)(2 x 10^-6)(2 x 10^-6) / (2 x 10^-1)²
⇒ F_BA = (36 x 10^-3) / (4 x 10^-2)
⇒ F_BA = 9 x 10^-1
⇒ F_BA = 0,9 N

Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ F_BC = k.q_C.q_B / r²
⇒ F_BC = (9 x 10⁹)(2 x 10^-6)(2 x 10^-6) / (2 x 10^-1)²
⇒ F_BC = (36 x 10^-3) / (4 x 10^-2)
⇒ F_BC = 9 x 10^-1
⇒ F_BC = 0,9 N

Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ F_B = √F_BA² + F_BC² + 2 F_BA.F_BC. cos 90^o
⇒ F_B = √(0,9)² + (0,9)² + 2 (0,9)(0,9).(0)
⇒ F_B = √0,81 + 0,81 + 0
⇒ F_B = √2 x 0,81
⇒ F_B = 0,9√2 N

Penyelesaian ringkas :
Karena besar muatan identik 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:
⇒ F_BA = F_BC = F = 0,9 N

Berdasarkan konsep dalil Pythagoras:
⇒ F_B = √F_BA² + F_BC²
⇒ F_B = √F² + F²
⇒ F_B = √2F²
⇒ F_B = F√2
⇒ F_B = 0,9√2 N

Jadi, resultan gaya yang dialami oleh muatan B yakni 09√2 N.

Jawaban : B

Soal 3 : Menentukan Perbandingan Gaya Coulomb

Tiga buah muatan listrik diletakkan terpisah menyerupai gambar (1) di bawah ini. Resultan gaya yang bekerja pada muatan +q yakni 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 yakni ....
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 yakni +2q, muatan kedua yakni +q, dan ketiga yakni -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 akhir muatan pertama dan muatan ketiga searah (sama-sama ke kanan). melaluiataubersamaini 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 yakni sebagai diberikut:
⇒ 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/(5/4)
⇒ F₁/F₂ = 2 x 4/5
⇒ F₁ : F₂ = 8 : 5

Penyelesaian ringkas :

⇒	F1	=	F21 + F23
	F2		F21' + F23'

⇒ F₁/F₂ = 2F/(F + ¼F)
⇒ F₁/F₂ = 2F/(5/4F)
⇒ F₁/F₂ = 8/5
⇒ F₁ : F₂ = 8 : 5

Jadi, perbandingan antara yakni 8 : 5.

Jawaban : E

Soal 4 : Menentukan Besar dan Arah Gaya Coulomb

Perhatikan gambar di bawah ini!

Ketiga muatan listrik q₁, q, dan q₂ yakni 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 yakni .... (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.

melaluiataubersamaini 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 yakni 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 yakni 10 μC, 10 μC, dan 20 μC, maka gaya Coulomb yang dialami oleh muatan B yakni ..... (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 : r_ab = 0,1 m, r_bc = 0,1 m, q_a = 10^-5 C, q_b = 10^-5 C, q_c = 2 x 10^-5 C
Dit : F_b = .... ?

Gaya Coulomb oleh muatan A :
⇒ F_ba = k.q_a.q_b / r_ab²
⇒ F_ba = (9 x 10⁹)(10^-5)(10^-5) / (10^-1)²
⇒ F_ba = (9 x 10^-1) / (10^-2)
⇒ F_ba = 9 x 10
⇒ F_ba = 90 N ke kanan

Gaya Coulomb oleh muatan C :
⇒ F_bc = k.q_c.q_b / r_bc²
⇒ F_bc = (9 x 10⁹)(2 x 10^-5)(10^-5) / (10^-1)²
⇒ F_bc = (18 x 10^-1) / (10^-2)
⇒ F_bc = 18 x 10
⇒ F_bc = 180 N ke kiri

Resultan gaya yang dialami muatan B :
⇒ F_b = F_bc − F_ba
⇒ F_b = 180 − 90
⇒ F_b = 90 N ke kiri.

Karena gaya F_bc lebih besar dari gaya F_ba dan gaya F_bc arahnya ke kiri (menuju muatan A), maka resultan gaya yang dialami oleh muatan B yakni 90 N ke muatan A.

Jawaban : B

Demikianlah pembahasan beberapa soal ujian nasional bidang studi fisika wacana gaya listrik atau gaya Coulomb. Jika pembahasan soal gaya coulomb ini bermanfaa, menolong kami membagikannya kepada kawan-kawan anda melalui tombol share yang tersedia. Terimakasih.