Listrik statis adalah salah satu topik penting dalam fisika kelas 12. Listrik statis membahas fenomena terkait muatan listrik yang diam atau tidak bergerak. Pemahaman tentang konsep dasar, hukum Coulomb, dan medan listrik sangat penting untuk memecahkan berbagai masalah yang berkaitan dengan listrik statis. Dalam artikel ini, kita akan membahas beberapa contoh soal listrik statis yang sering muncul dalam ujian kelas 12 beserta penyelesaiannya.
Konsep Dasar Listrik Statis
Listrik statis adalah hasil dari ketidakseimbangan muatan listrik pada permukaan suatu benda. Muatan ini dapat dipindahkan dari satu benda ke benda lain melalui proses seperti gesekan, konduksi, dan induksi.
– Hukum Coulomb: Hukum ini menjelaskan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan listrik titik. Rumus hukum Coulomb adalah:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
Di mana:
– \( F \) adalah gaya antara muatan (Newton).
– \( k \) adalah konstanta Coulomb (\( 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \)).
– \( q_1 \) dan \( q_2 \) adalah besar muatan (Coulomb).
– \( r \) adalah jarak antara kedua muatan (meter).
– Medan Listrik: Medan listrik adalah ruang di sekitar muatan listrik di mana gaya listrik dapat dirasakan oleh muatan lain. Medan listrik \( E \) pada jarak \( r \) dari muatan \( Q \) adalah:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Contoh Soal dan Pembahasan
Contoh Soal 1: Gaya Coulomb
Soal:
Dua muatan listrik masing-masing sebesar \( 2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) dan \( -3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) terletak pada jarak 0,1 meter. Hitung gaya Coulomb antara kedua muatan tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan rumus hukum Coulomb:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
Substitusikan nilai yang diketahui:
\[
F = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{{(2 \times 10^{-6} \, \text{C})(3 \times 10^{-6} \, \text{C})}}{{(0,1 \, \text{m})^2}}
\]
\[
F = 8.99 \times 10^9 \times \frac{6 \times 10^{-12}}{0,01}
\]
\[
F = 8.99 \times 10^9 \times 6 \times 10^{-10}
\]
\[
F = 53,94 \times 10^{-1} \, \text{N}
\]
\[
F = 5,394 \, \text{N}
\]
Jadi, gaya Coulomb antara kedua muatan tersebut adalah 5,394 N.
Contoh Soal 2: Medan Listrik oleh Muatan Titik
Soal:
Hitung medan listrik pada jarak 0,05 meter dari muatan sebesar \( 4 \times 10^{-6} \, \text{C} \).
Penyelesaian:
Gunakan rumus medan listrik:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Substitusikan nilai yang diketahui:
\[
E = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{4 \times 10^{-6} \, \text{C}}{(0,05 \, \text{m})^2}
\]
\[
E = 8.99 \times 10^9 \times \frac{4 \times 10^{-6}}{0,0025}
\]
\[
E = 8.99 \times 10^9 \times 1,6 \times 10^{-3}
\]
\[
E = 14,384 \times 10^6 \, \text{N/C}
\]
\[
E = 1,4384 \times 10^7 \, \text{N/C}
\]
Jadi, medan listrik pada jarak 0,05 meter dari muatan adalah \( 1,4384 \times 10^7 \, \text{N/C} \).
Contoh Soal 3: Potensial Listrik
Soal:
Muatan sebesar \( 5 \times 10^{-6} \, \text{C} \) ditempatkan pada titik tertentu. Hitung potensial listrik pada jarak 0,2 meter dari muatan tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan rumus potensial listrik:
\[
V = k \frac{Q}{r}
\]
Substitusikan nilai yang diketahui:
\[
V = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{5 \times 10^{-6} \, \text{C}}{0,2 \, \text{m}}
\]
\[
V = 8.99 \times 10^9 \times 25 \times 10^{-6}
\]
\[
V = 224,75 \times 10^3 \, \text{V}
\]
\[
V = 2,2475 \times 10^5 \, \text{V}
\]
Jadi, potensial listrik pada jarak 0,2 meter dari muatan adalah \( 2,2475 \times 10^5 \, \text{V} \).
Contoh Soal 4: Energi Potensial Listrik
Soal:
Dua muatan masing-masing \( 3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) dan \( -2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) berada pada jarak 0,1 meter. Hitung energi potensial listrik sistem tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan rumus energi potensial listrik:
\[
U = k \frac{q_1 q_2}{r}
\]
Substitusikan nilai yang diketahui:
\[
U = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{(3 \times 10^{-6} \, \text{C})(-2 \times 10^{-6} \, \text{C})}{0,1 \, \text{m}}
\]
\[
U = 8.99 \times 10^9 \times \frac{-6 \times 10^{-12}}{0,1}
\]
\[
U = -5,394 \times 10^{-1} \, \text{J}
\]
\[
U = -0,5394 \, \text{J}
\]
Jadi, energi potensial listrik sistem tersebut adalah -0,5394 J.
Kesimpulan
Memahami listrik statis dan penerapan konsep-konsep dasar seperti hukum Coulomb, medan listrik, potensial listrik, dan energi potensial listrik sangat penting dalam fisika kelas 12. Dengan mempelajari contoh soal di atas, diharapkan siswa dapat lebih memahami konsep-konsep ini dan mampu mengaplikasikannya dalam berbagai situasi. Soal-soal ini juga membantu siswa untuk mempersiapkan diri menghadapi ujian dan tantangan yang lebih kompleks di masa depan.
Berlatih dengan berbagai jenis soal listrik statis akan memperkuat pemahaman konsep dan keterampilan dalam menyelesaikan masalah fisika. Selalu pastikan untuk memahami dasar-dasar teoritis sebelum mengerjakan soal, karena pemahaman yang kuat akan membantu menyelesaikan masalah dengan lebih efisien dan akurat.
