Contoh soalan tenaga keupayaan elektrik

Contoh Soalan Tenaga Keupayaan Elektrik

1. Sebuah elektron dipecutkan dari keadaan diam melalui beza keupayaan 12 volt. Berapakah perubahan dalam tenaga keupayaan elektron tersebut?
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Muatan 1 elektron (e) = -1,60 x 10^-19 Coulomb
Beza keupayaan elektrik = voltan elektrik (V) = 12 Volt
Ditanya: Perubahan tenaga keupayaan elektron (ΔEP)
Jawapan:
ΔEP = q V = (-1,60 x 10^-19 C)(12 V) = -19,2 x 10^-19 Joule
Tanda negatif bermaksud tenaga keupayaan elektrik berkurangan. Apabila berhampiran plat bercas negatif, tenaga keupayaan elektrik elektron berada pada tahap maksimum. Selepas tiba berhampiran plat bercas positif, tenaga keupayaan elektrik elektron berada pada tahap minimum.

2. Dua plat selari masing-masing dicas secara positif dan negatif. Medan elektrik di antara kedua-dua plat ialah 500 Volt/meter. Jarak antara kedua-dua plat ialah 2 cm. Tentukan perubahan tenaga keupayaan proton apabila ia bergerak dari plat bercas positif ke plat bercas negatif!
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Medan elektrik antara dua plat (E) = 500 Volt/meter
Jarak antara dua plat = 2 cm = 0,02 meter
Cas proton = +1,60 x 10^-19 Coulomb
Ditanya: Perubahan tenaga keupayaan elektrik (ΔEP)
Jawapan:

Mula-mula kira beza keupayaan atau tegangan elektrik :

V = E s
V = (500 Volt/meter)(0,02 meter)
V = 10 Volt

Perubahan dalam tenaga keupayaan elektrik:

ΔEP = qV
ΔEP = (1,60 x 10^-19 C)(10 V)
ΔEP = 16 x 10^-19 Joule
ΔEP = 1,6 x 10^-18 Joule

Apabila berhampiran plat bercas positif, tenaga keupayaan elektrik proton berada pada tahap maksimum. Apabila tiba berhampiran plat bercas negatif, tenaga keupayaan elektrik proton berada pada tahap minimum. Oleh itu, apabila bergerak dari plat bercas positif ke plat bercas negatif, tenaga keupayaan elektrik proton berkurangan.

3. Dua cas disusun seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah. Cas di A ialah +9 μC dan cas di B ialah -4 μC. Pemalar Coulomb (k) = 9 x 10⁹ Nm²C^-2, 1 µC = 10^-6 C. Berapakah perubahan tenaga keupayaan elektrik cas B jika ia bergerak ke cas A?
Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Cas A (q₁) = +9 µC = +9 x 10^-6 C
Cas B (q₁) = -4 µC = -4 x 10^-6 C
Pemalar Coulomb (k) = 9 x 10⁹ Nm²C^-2
Jarak antara cas A dan B (r) = 10 cm = 0,1 meter = 10^-1 meter
Ditanya: Perubahan tenaga keupayaan elektrik cas B jika ia bergerak ke cas A
Jawapan:

Cas B bergerak ke cas A supaya tenaga keupayaan elektriknya berkurangan sebanyak 2,4 Joule.
Ini serupa dengan objek berjisim yang bergerak ke bawah ke arah bumi sehingga ketinggian dan tenaga keupayaan gravitinya berkurangan.

4. Sebuah zarah dengan cas \( q = 5 \times 10^{-6} \) C diletakkan dalam medan elektrik dengan potensi \( V = 300 \) V. Berapakah tenaga keupayaan elektrik zarah tersebut?

Perbincangan:
Tenaga keupayaan elektrik diberikan oleh:
\[ U = q \kali V \]
\[ U = 5 \times 10^{-6} \times 300 \]
\[ U = 1.5 \times 10^{-3} \] J

5. Sebuah elektron diletakkan dalam medan elektrik dengan potensi 500 V. Berapakah tenaga potensi elektrik elektron tersebut?

Perbincangan:
Cas elektron \( q = -1.6 \times 10^{-19} \) C.
\[ U = q \kali V \]
\[ U = -1.6 \kali 10^{-19} \kali 500 \]
\[ U = -8 \kali 10^{-17} \] J

6. Sebuah proton bergerak dari potensi 100 V ke 200 V. Apakah perubahan dalam tenaga keupayaannya?

Perbincangan:
Cas proton \( q = 1.6 \times 10^{-19} \) C.
\[ \Delta U = q \kali \Delta V \]
\[ \Delta U = 1.6 \times 10^{-19} \times (200 – 100) \]
\[ \Delta U = 1.6 \times 10^{-17} \] J

7. Dua objek dengan cas \( q_1 = 2 \times 10^{-6} \) C dan \( q_2 = -3 \times 10^{-6} \) C diletakkan dalam medan elektrik dengan keupayaan \( V = 400 \) V. Berapakah jumlah tenaga keupayaan bagi kedua-dua objek tersebut?

Perbincangan:
\[ U_1 = q_1 \kali V \]
\[ U_2 = q_2 \kali V \]
\[ U_{jumlah} = U_1 + U_2 \]
\[ U_{jumlah} = (2 \times 10^{-6} + (-3 \times 10^{-6})) \times 400 \]
\[ U_{jumlah} = -4 \times 10^{-3} \] J

8. Suatu ion dengan cas \( q = 4e \) (dengan \( e \) ialah cas asas) berada dalam medan elektrik dengan keupayaan \( V = 250 \) V. Apakah tenaga keupayaan elektrik ion tersebut?

Perbincangan:
\[ U = q \kali V \]
\[ U = 4 \kali 1.6 \kali 10^{-19} \kali 250 \]
\[ U = 1.6 \times 10^{-16} \] J

9. Telah diketahui bahawa sebuah zarah dengan cas \( q = -7 \times 10^{-5} \) C mempunyai tenaga keupayaan \( 2 \times 10^{-2} \) J. Apakah keupayaan medan elektrik di tempat zarah itu berada?

Perbincangan:
\[ U = q \kali V \]
\[ V = \frac{U}{q} \]
\[ V = \frac{2 \times 10^{-2}}{-7 \times 10^{-5}} \]
\[ V = -285.71 \] V

10. Dua objek dengan cas \( q_1 = 5e \) dan \( q_2 = -2e \) berada dalam medan elektrik dengan keupayaan \( V = 300 \) V. Berapakah jumlah tenaga keupayaan bagi kedua-dua objek tersebut?

Perbincangan:
\[ U_1 = q_1 \kali V \]
\[ U_2 = q_2 \kali V \]
\[ U_{jumlah} = U_1 + U_2 \]
\[ U_{jumlah} = (5 \times 1.6 \times 10^{-19} – 2 \times 1.6 \times 10^{-19}) \times 300 \]
\[ U_{jumlah} = 1.44 \times 10^{-16} \] J

11. Suatu ion dengan cas \( q = -3e \) mempunyai tenaga keupayaan \( -9.6 \times 10^{-19} \) J. Apakah keupayaan medan elektrik di tempat ion itu berada?

Perbincangan:
\[ U = q \kali V \]
\[ V = \frac{U}{q} \]
\[ V = \frac{-9.6 \times 10^{-19}}{-3 \times 1.6 \times 10^{-19}} \]
\[ V = 200 \] V

12. Telah diketahui bahawa tenaga keupayaan elektrik bagi cas \( q \) dalam medan elektrik dengan keupayaan \( V = 450 \) V ialah \( 9 \times 10^{-18} \) J. Apakah cas \( q \)?

Perbincangan:
\[ U = q \kali V \]
\[ q = \frac{U}{V} \]
\[ q = \frac{9 \times 10^{-18}}{450} \]
\[ q = 2 \digandakan 10^{-20} \] C

13. Satu cas positif \( q = 1.5 \times 10^{-19} \) C digerakkan dari satu titik dengan keupayaan \( V_1 = 100 \) V ke \( V_2 = 500 \) V. Apakah perubahan dalam tenaga keupayaan?

Perbincangan:
\[ \Delta U = q \kali \Delta V \]
\[ \Delta U = 1.5 \times 10^{-19} \times (500 – 100) \]
\[ \Delta U = 6 \times 10^{-17} \] J