Contoh Soal Pembahasan Listrik Statis
Pendahuluan
Listrik statis adalah salah satu fenomena dalam fisika yang sering kita alami dalam kehidupan sehari-hari. Dari pengalaman seperti mendapat kejutan listrik kecil saat menyentuh gagang pintu hingga efek rambut yang berdiri ketika menyisir rambut dengan sisir plastik, semuanya bisa dijelaskan oleh prinsip-prinsip listrik statis. Artikel ini akan membahas beberapa contoh soal pembahasan listrik statis dengan menguraikan konsep dasar dan penerapan hukum-hukum yang berlaku.
Pengertian Listrik Statis
Listrik statis adalah akumulasi muatan listrik pada permukaan suatu benda. Ini terjadi karena perpindahan elektron dari satu benda ke benda lain, yang biasanya disebabkan oleh gesekan, seperti ketika balon digosok pada rambut. Gaya yang timbul dari muatan listrik ini diatur oleh hukum Coulomb.
Hukum Coulomb menyatakan bahwa gaya antara dua benda bermuatan adalah sebanding dengan hasil kali besar masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut. Rumus matematika untuk hukum ini adalah:
\[ F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}} \]
dimana:
– \( F \) adalah gaya antara dua muatan,
– \( k \) adalah konstanta Coulomb (\( 8.99 \times 10^9 \, N \cdot m^2 / C^2 \)),
– \( q_1 \) dan \( q_2 \) adalah besar muatan listrik, dan
– \( r \) adalah jarak antara kedua muatan.
Contoh Soal dan Pembahasannya
Soal 1: Menghitung Gaya Listrik Coulomb
Dua muatan sebesar \( 5 \, \mu C \) dan \( -3 \, \mu C \) ditempatkan pada jarak 20 cm. Hitung gaya listrik antara kedua muatan tersebut!
Pembahasan:
Pertama, ubah satuan muatan dan jarak ke dalam sistem internasional (SI):
– \( q_1 = 5 \, \mu C = 5 \times 10^{-6} \, C \)
– \( q_2 = -3 \, \mu C = -3 \times 10^{-6} \, C \)
– \( r = 20 \, cm = 0.2 \, m \)
Gunakan hukum Coulomb untuk menghitung gaya:
\[ F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}} \]
Substitusi nilai yang diketahui:
\[ F = \left( 8.99 \times 10^9 \frac{N \cdot m^2}{C^2} \right) \frac{{|5 \times 10^{-6} \, C \times (-3 \times 10^{-6} \, C)|}}{{(0.2 \, m)^2}} \]
\[ F = \left( 8.99 \times 10^9 \right) \frac{{15 \times 10^{-12}}}{{0.04}} \]
\[ F = \left( 8.99 \times 10^9 \right) \times 3.75 \times 10^{-10} \]
\[ F = 3.37 \, N \]
Gaya antara kedua muatan adalah 3.37 N dan karena salah satu muatannya negatif, gaya ini bersifat menarik.
Soal 2: Pengaruh Jarak Terhadap Gaya Coulomb
Dua muatan \( +4 \, \mu C \) dan \( +6 \, \mu C \) diletakkan pada jarak 0.1 m. Jika jarak antara kedua muatan tersebut diperbesar menjadi 0.2 m, tentukan bagaimana gaya Coulomb berubah!
Pembahasan:
Pertama, hitung gaya pada jarak awal \( 0.1\, m \):
– \( q_1 = 4 \, \mu C = 4 \times 10^{-6} \, C \)
– \( q_2 = 6 \, \mu C = 6 \times 10^{-6} \, C \)
– \( r_1 = 0.1 \, m \)
\[ F_1 = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r_1^2}} \]
Substitusi nilai yang diketahui:
\[ F_1 = \left( 8.99 \times 10^9 \right) \frac{{24 \times 10^{-12}}}{{(0.1)^2}} \]
\[ F_1 = \left( 8.99 \times 10^9 \right) \times 2.4 \times 10^{-10} \]
\[ F_1 = 2.1576 \, N \]
Sekarang, hitung gaya pada jarak baru \( 0.2 \, m \):
– \( r_2 = 0.2 \, m \)
\[ F_2 = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r_2^2}} \]
\[ F_2 = \left( 8.99 \times 10^9 \right) \frac{{24 \times 10^{-12}}}{{(0.2)^2}} \]
\[ F_2 = \left( 8.99 \times 10^9 \right) \times 6 \times 10^{-11} \]
\[ F_2 = 0.5394 \, N \]
Dengan demikian, ketika jarak antara kedua muatan diperbesar dari 0.1 m menjadi 0.2 m, gaya Coulomb berkurang dari 2.1576 N menjadi 0.5394 N.
Soal 3: Kerja Menggerakkan Muatan
Suatu muatan \( q = 2 \, \mu C \) dipindahkan dari titik A ke titik B dalam medan listrik dengan potensial \( V_A = 100 \, V \) dan \( V_B = 40 \, V \). Berapa besar usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan tersebut?
Pembahasan:
Usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan dalam medan listrik dapat dihitung dengan rumus:
\[ W = q (V_A – V_B) \]
Substitusi nilai yang diketahui:
– \( q = 2 \, \mu C = 2 \times 10^{-6} \, C \)
– \( V_A = 100 \, V \)
– \( V_B = 40 \, V \)
\[ W = (2 \times 10^{-6} \, C) (100 \, V – 40 \, V) \]
\[ W = (2 \times 10^{-6} \, C) \times 60 \, V \]
\[ W = 1.2 \times 10^{-4} \, J \]
Jadi, usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan tersebut adalah \( 1.2 \times 10^{-4} \, J \).
Kesimpulan
Listrik statis merupakan fenomena menarik yang seringkali berperan dalam berbagai situasi kehidupan sehari-hari. Memahami konsep dasar seperti hukum Coulomb dan prinsip kerja medan listrik sangat penting dalam menganalisis dan memecahkan masalah terkait. Melalui contoh-contoh soal yang telah dibahas, kita dapat mengaplikasikan teori-teori fisika untuk memahami interaksi antara muatan-muatan listrik dan besarnya gaya yang bekerja di antara mereka. Dengan pemahaman yang kuat, kita dapat lebih menghargai dan mengendalikan fenomena listrik statis dalam kehidupan sehari-hari.
