Elektrik statik merupakan topik penting dalam fizik gred 12. Ia membincangkan fenomena yang berkaitan dengan cas elektrik semasa pegun atau bergerak. Memahami konsep asas, hukum Coulomb dan medan elektrik adalah penting untuk menyelesaikan pelbagai masalah yang berkaitan dengan elektrik statik. Dalam artikel ini, kita akan membincangkan beberapa contoh masalah elektrik statik yang kerap muncul dalam peperiksaan gred 12, berserta penyelesaiannya.
Konsep Asas Elektrik Statik
Elektrik statik terhasil daripada ketidakseimbangan cas elektrik pada permukaan objek. Cas ini boleh dipindahkan dari satu objek ke objek lain melalui proses seperti geseran, konduksi dan induksi.
– Hukum Coulomb: Hukum ini menerangkan daya tarikan atau tolakan antara dua titik cas elektrik. Formula untuk hukum Coulomb ialah:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
Di mana:
– \( F \) ialah daya antara cas (Newton).
– \( k \) ialah pemalar Coulomb (\( 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \)).
– \( q_1 \) dan \( q_2 \) ialah magnitud cas (Coulomb).
– \( r \) ialah jarak antara dua cas (meter).
– Medan Elektrik: Medan elektrik ialah ruang di sekeliling cas elektrik di mana daya elektrik boleh dirasai oleh cas lain. Medan elektrik \( E \) pada jarak \( r \) dari cas \( Q \) ialah:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Contoh Soalan dan Perbincangan
Contoh Soalan 1: Daya Coulomb
Soalan:
Dua cas elektrik sebanyak \( 2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) dan \( -3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) terletak pada jarak 0,1 meter. Kirakan daya Coulomb antara kedua-dua cas tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan formula hukum Coulomb:
\[
F = k \frac{{|q_1 q_2|}}{{r^2}}
\]
Gantikan 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, daya Coulomb antara kedua-dua cas ialah 5,394 N.
Contoh Soalan 2: Medan Elektrik oleh Cas Titik
Soalan:
Kira medan elektrik pada jarak 0,05 meter dari cas sebanyak \( 4 \times 10^{-6} \, \text{C} \).
Penyelesaian:
Gunakan formula medan elektrik:
\[
E = k \frac{Q}{r^2}
\]
Gantikan nilai yang diketahui:
\[
E = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{4 \times 10^{-6} \, \text{C}}{(0,05 \, \text{m})^2}
\]
\[
E = 8.99 \times 10^9 \times \frac{4 \times 10^{-6}}{0,0025}
\]
\[
E = 8.99 \times 10^9 \times 1,6 \times 10^{-3}
\]
\[
E = 14,384 \digandakan 10^6 \, \text{N/C}
\]
\[
E = 1,4384 \digandakan 10^7 \, \text{N/C}
\]
Jadi, medan elektrik pada jarak 0,05 meter dari cas ialah \( 1,4384 \times 10^7 \, \text{N/C} \).
Contoh Soalan 3: Keupayaan Elektrik
Soalan:
Satu cas sebanyak \( 5 \times 10^{-6} \, \text{C} \) diletakkan pada satu titik tertentu. Kirakan keupayaan elektrik pada jarak 0,2 meter dari cas tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan formula potensi elektrik:
\[
V = k \frac{Q}{r}
\]
Gantikan nilai yang diketahui:
\[
V = 8.99 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \times \frac{5 \times 10^{-6} \, \text{C}}{0,2 \, \text{m}}
\]
\[
V = 8.99 \times 10^9 \times 25 \times 10^{-6}
\]
\[
V = 224,75 \digandakan 10^3 \, \text{V}
\]
\[
V = 2,2475 \digandakan 10^5 \, \text{V}
\]
Jadi, potensi elektrik pada jarak 0,2 meter dari cas ialah \( 2,2475 \times 10^5 \, \text{V} \).
Contoh Soalan 4: Tenaga Keupayaan Elektrik
Soalan:
Dua cas \( 3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) dan \( -2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) berada pada jarak 0,1 meter. Kirakan tenaga keupayaan elektrik sistem tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan formula tenaga keupayaan elektrik:
\[
U = k \frac{q_1 q_2}{r}
\]
Gantikan 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, tenaga keupayaan elektrik sistem ialah -0,5394 J.
Kesimpulannya
Memahami elektrik statik dan aplikasi konsep asas seperti hukum Coulomb, medan elektrik, keupayaan elektrik dan tenaga keupayaan elektrik adalah penting dalam fizik gred 12. Dengan mengkaji contoh masalah di atas, pelajar dijangka memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang konsep-konsep ini dan dapat mengaplikasikannya dalam pelbagai situasi. Masalah ini juga membantu pelajar bersedia untuk peperiksaan dan cabaran yang lebih kompleks pada masa hadapan.
Mempraktikkan pelbagai jenis masalah elektrik statik akan mengukuhkan pemahaman konseptual anda dan meningkatkan kemahiran menyelesaikan masalah fizik anda. Sentiasa pastikan anda memahami asas teori sebelum mengerjakan masalah, kerana pemahaman yang kukuh akan membantu anda menyelesaikan masalah dengan lebih cekap dan tepat.
