Pembahasan Soal Un Fisika Wacana Gaya Coulomb

Cafeberita.com – Gaya Coulomb. Pembahasan soal cobaan nasional bidang studi fisika perihal 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 cobaan nasional sebelumnya , setidaknya senantiasa ada satu atau dua soal perihal gaya listrik. Pada potensi ini , edutafsi akan membahas beberapa soal gaya Coulomb yang pernah keluar dalam cobaan nasional selaku citra bagi murid untuk menghadapi cobaan nasional tahun ini.

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 merupakan ….
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 selaku gaya elektrostatis. Gaya listrik ini dialami suatu 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 dijumlah dengan rumus berikut:

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-menarik. Jika kedua muatan sejenis , maka interaksinya merupakan tolak-menolak. Sedangkan bila kedua muatan berlawanan jenis , maka gayanya merupakan tarik-menarik. Pada soal disebutkan terjadi gaya tarik-menarik , bermakna kedua muatan berlawanan jenis.

Gaya Coulomb dikala 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 dikala 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 cuma jaraknya yang berganti , maka pergeseran besar gaya tarik keduanya cuma dipengaruhi oleh jarak sehingga berlaku perbandingan selaku berikut:

⇒	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). Kaprikornus , bila F₂ di ruas kiri berada di atas , maka r₂² di ruas kanan berada di bawah. Sebaliknya , alasannya merupakan F₁ berada di bawah , maka r₁² berada di atas.

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 melakukan pekerjaan di titik B merupakan ….
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 melakukan soal menyerupai ini , kita sanggup merlukis ilustrasi untuk menyaksikan arah gaya Coulomb dari masing-masing muatan yang dialami oleh muatan B. Perhatikan arah gaya Coulomb yang melakukan pekerjaan 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 rancangan 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 merupakan 09√2 N.

Soal 3 : Menentukan Perbandingan Gaya Coulomb

Tiga buah muatan listrik ditaruh terpisah menyerupai gambar (1) di bawah ini. Resultan gaya yang melakukan pekerjaan pada muatan +q merupakan F₁. Jika muatan -2q digeser menjauhi muatan +q sejauh a , maka resultan gaya yang melakukan pekerjaan pada muatan +q menjadi F₂. Nilai perbandingan F₁ dengan F₂ merupakan ….
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 merupakan +2q , muatan kedua merupakan +q , dan ketiga merupakan -2q.
Dik : r₁₂ = a , r₂₃ = a , r₁₂‘ = a , r₂₃‘ = 2a
Dit : F₁ : F₂ = …. ?

Pada keadaan 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). 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 keadaan kedua :
Karena muatan ketiga digeser menjauhi muatan kedua , maka jaraknya menjadi berganti dan besar gaya tariknya juga berubah. Resultan gaya yang dialami muatan kedua pada keadaan kedua ini merupakan selaku berikut:
⇒ 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 keadaan pertama dan keadaan 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 merupakan 8 : 5.

Soal 4 : Menentukan Besar dan Arah Gaya Coulomb

Perhatikan gambar di bawah ini!

Ketiga muatan listrik q₁ , q , dan q₂ merupakan segaris. Jika q = 5 ,0 μC , q₁ = 30 μC , q₂ = 60 μC dan d = 30 cm , maka besar dan arah gaya listrik yang melakukan pekerjaan pada muatan q merupakan …. (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 yang lain ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. Dapat dilihat bahwa arah gayanya saling bertentangan 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 melakukan pekerjaan pada muatan q merupakan 7 ,5 N ke kanan (menuju muatan q₂).

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 , yakni 0 ,1 meter. Jika muatan A , B , dan C berturut-turut merupakan 10 μC , 10 μC , dan 20 μC , maka gaya Coulomb yang dialami oleh muatan B merupakan ….. (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 merupakan 90 N ke muatan A.

Demikianlah pembahasan beberapa soal cobaan nasional bidang studi fisika perihal gaya listrik atau gaya Coulomb. Jika pembahasan soal gaya coulomb ini berharga , bantu kami membagikannya terhadap teman-teman anda lewat tombol share yang tersedia. Terimakasih.