Pembahasan Fisika UN 2014 No. 26

• gaya Coulomb,
• kuat medan listrik,
• potensial listrik,
• rangkaian kapasitor, dan
• listrik dinamis.

Soal No. 26 tentang Gaya Coulomb

Perhatikan gambar berikut ini!

Tiga muatan Q₁, Q₂, dan Q₃ berada pada posisi di ujung segitiga siku-siku ABC. Panjang AB = BC = 30 cm. Jika diketahui k = 9 × 10⁹ N.m².C⁻² dan 1 µ = 10⁻⁶ maka resultan gaya Coulomb pada muatan Q₁ adalah ….

A.   1 N
B.   5 N
C.   7 N
D.   10 N
E.   12 N

Pembahasan

Antara muatan Q₁ dan Q₂ terjadi gaya tarik-menarik, demikian juga antara muatan Q₁ dan Q₃. Gaya Coulomb yang dialami muatan Q₁ dapat diilustrasikan sebagai berikut:

F_BA adalah gaya Coulomb yang terjadi antara muatan Q₁ dan Q₁, F_BC adalah gaya Coulomb yang terjadi antara muatan Q₁ dan Q₁. Sedangkan F_B adalah resultan gaya-gaya yang dialami oleh muatan Q₁.

F_BA dan F_BC saling tegak lurus sehingga resultannya dapat dicari dengan rumus Pythagoras.

Jadi, resultan gaya Coulomb pada muatan Q₁ adalah 5 N (B).

Perdalam materi ini di Pembahasan Fisika UN: Gaya Coulomb.

Soal No. 27 tentang Kuat Medan Listrik

Perhatikan dua buah muatan yang terletak pada jarak a berikut!

Jika kuat medan listrik di titik P adalah kQ/x² maka nilai x adalah ….

A.   ⅓ a
B.   ⅔ a
C.   a
D.   3/2 a
E.   2 a

Pembahasan

Kuat medan listrik di titik P merupakan resultan dari kuat medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan listrik di titik A dan B. Karena kedua muatan tersebut berbeda jenis, resultan di titik P merupakan selisih dari kedua medan listrik tersebut.

  E_P = E_A − E_B

 

Dengan memindahkan −kQ/x² ke ruas kiri, diperoleh:

Sekarang masing-masing ruas dibagi 2kQ, hasilnya:

Lebih sederhana kan? Coba masing-masing ruas ditarik akar.

Nah, ini bentuk yang paling sederhana. Tinggal dikalikan silang.

4x = x + a
3x = a
  x = ⅓ a

Jadi, nilai x adalah ⅓ a (A).

Perdalam materi ini di Pembahasan Fisika UN: Kuat Medan Listrik dan Potensial Listrik.

Soal No. 28 tentang Potensial Listrik

Sebuah bola konduktor berongga bermuatan 4 µC dari jari-jarinya 10 cm seperti gambar.

Manakah pernyataan tentang potensial listrik (V) pada bola tersebut yang benar?

A.   V_A > V_B
B.   V_B > V_A
C.   V_A = V_B
D.   V_A < V_C
E.   V_B < V_C

Pembahasan

Potensial listrik di dalam bola berongga bersifat equipotensial. Artinya, di setiap titik di dalam bola tersebut mempunyai potensial listrik yang sama.

Sementara itu, potensial listrik di luar bola relatif lebih kecil. Semakin jauh dari pusat bola, potensial listriknya semakin kecil. Dari gambar di atas dapat disimpulkan: 

V_A = V_B > V_C
 
Jadi, pernyataan tentang potensial listrik di dalam bola tersebut yang benar adalah V_A = V_B (C).

Perdalam materi ini di Pembahasan Fisika UN: Kuat Medan Listrik dan Potensial Listrik.

Soal No. 29 tentang Rangkaian Kapasitor

Lima kapasitor identik masing-masing 20 µF disusun seperti gambar, dihubungkan dengan sumber tegangan 6 volt.

Muatan total yang tersimpan pada kapasitor C₅ adalah ….

A.   12 µC
B.   24 µC
C.   60 µC
D.   120 µC
E.   600 µC

Pembahasan

Muatan yang tersimpan pada kapasitor C₅ adalah muatan total sehingga harus ditentukan terlebih dahulu kapasitas total dari lima kapasitor tersebut.

Karena kelima kapasitor tersebut identik, nilai kapasitor pengganti untuk susunan seri dan paralelnya berlaku rumus: 

C_s = C/n
C_p = nC 

dengan n adalah banyaknya kapasitor dalam rangkaian seri atau paralel.

Misal dua kapasitor seri yang pertama (C₁ dan C₂) adalah C_s1 dan dua kapasitor seri yang kedua (C₃ dan C₄) adalah C_s2. 

C_s1 = 20 : 2 = 10 
C_s2 = 20 : 2 = 10

Sedangkan C_s1 dan C_s2 terangkai secara paralel. 

C_p = 2 × 10 = 20

Kapasitas totalnya adalah rangkaian seri antara C_p dan C₅ yang keduanya juga identik. 

C_t = 20 : 2 = 10

Muatan pada kapasitor C₅ dapat ditentukan dengan rumus: 

Q = C_t . V
Q = 10 × 6 = 60

Jadi, muatan total yang tersimpan pada kapasitor C₅ adalah 60 µC (C).

Perdalam materi ini di Pembahasan Fisika UN: Kapasitor dan Rangkaian Kapasitor.

Soal No. 30 tentang Listrik Dinamis

Perhatikan rangkaian listrik berikut ini!

Besar kuat arus listrik (I) yang mengalir pada rangkaian adalah ….

A.   0,1 A
B.   0,2 A
C.   0,5 A
D.   1,0 A
E.   5,0 A

Pembahasan

Kita tentukan terlebih dahulu hambatan totalnya.

Hambatan 5 Ω dan 20 Ω tersusun paralel. Hambatan penggantinya adalah:

 
  R_p = 4

Hambatan R_p tersusun seri dengan hambatan 6 Ω dan 10 Ω sehingga hambatan totalnya adalah: 

R_t = 10 + 6 + R_p 
R_t = 10 + 6 + 4
    = 20

Soal ini adalah penerapan hukum II Kirchhoff yang menyatakan bahwa jumlah tegangan pada sebuah loop (lintasan tertutup) sama dengan nol.

ΣV = 0

Karena hanya ada satu loop atau satu lintasan arus, rumus tersebut dapat diartikan:

ΣE − I.R_t = 0
          ΣE = I.R_t

Dua sumber tegangan listrik pada rangkaian tersebut arahnya berlawanan sehingga ΣE merupakan pengurangan.

12 − 8 = I × 20
        4 = 20I
         I = 0,2

Jadi, besar kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian tersebut adalah 0,2 ampere (B).

Perdalam materi ini di Pembahasan Fisika UN: Listrik Dinamis.

Simak Pembahasan Soal Fisika UN 2014 selengkapnya.

Dapatkan pembahasan soal dalam file pdf  di sini.

Terimakasih