Contoh Soal Medan Listrik dan Pembahasannya

Contoh Soal Medan Listrik

HermanAnis.com – Teman-teman semua, pembahasan kita kali ini masih terkait dengan seri fisika dasar, dimana kita akan membahas tentang contoh soal medan listrik beserta pembahasannya. Sebelum kita membahas tentang contoh soal medan listrik terlebih dahulu kita bahas secara ringkas konsep-konsep medan listrik. Mari kita mulai!

Baca juga: Contoh Soal Potensial Listrik dan Pembahasannya

A. Rumus-rumus untuk menyelesaikan soal medan listrik

Perhatikan gambar di bawah ini!

Gambar 1. Muatan listrik q1 menghasilkan medan listrik di sekitarnya. Muatan q2 yang berada di sekitar muatan q1 berinteraksi dengan medan yang dihasilkan muatan q1. Efek dari interaksi tersebut adalah muncul gaya listrik pada muatan q2.
Sumber: Fisika Dasar II Mikrajuddin Abdullah.

Mengapa muatan q1 dapat melakukan gaya pada muatan q2 meskipun ke dua muatan tersebut tidak bersentuhan? Gaya Coulomb muncul karena muatan q1 menghasilkan medan listrik pada posisi muatan q2. Muatan q2 berinteraksi dengan medan yang dihasilkan muatan q1, dan interaksi tersebut menghasilkan gaya pada muatan q2.

Jika medan listrik yang dihasilkan muatan q1 pada posisi muatan q2 dinyatakan sebagai E21 maka gaya yang dilakukan oleh muatan q1 pada muatan q2 memenuhi persamaan

F21 = q2E21

Dengan membandingkan persamaan ini dengan persamaan hukum Coulumb, maka kuat medan listrik yang dihasilkan muatan q1 pada posisi muatan q2 memenuhi

Jika kita nyatakan dalam notasi scalar maka besarnya medan listrik yang di hasilkan muatan sembarang pada jarak r dari muatan tersebut adalah,

Tampak bahwa besarnya medan listrik yang dihasilkan muatan titik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari muatan. Jika dubuatkan kurva kuat medan terhadap jarak kita dapatkan Gambar 2.

Gambar 2. Kuat medan listrik yang dihasilkan muatan titik sebagai fungsi jarak. Kuat medan listrik yang dihasilkan muatan titik berbanding terbalik dengan jarak dari muatan tersebut.
Sumber: Fisika Dasar II Mikrajuddin Abdullah.

Ke manakah arah medan listrik? Arah medan listrik didefinisikan sebagai berikut:

  • Keluar dari muatan jika muatan tersebut memiliki tanda positif.
  • Mengarah ke muatan tersebut jika muatan tersebut memiliki tanda negatif.
Gambar 3. Definisi arah medan listrik: (a) keluar dari muatan positif dan (b) masuk ke muatan negatif
Sumber: Fisika Dasar II Mikrajuddin Abdullah.

Baca Juga: Contoh Soal Rangkaian Seri dan Paralel

B. Kumpulan contoh soal medan listrik

Soal Nomor 1

Andaikan terdapat dua buah muatan listrik masing-masing q1 = 2 nC dan q2 = -5 nC. Muatan pertama berada pada pusat koordinat dan muatan kedua berada pada koordinat (80 cm,0).

(a) berapa kuat medan listrik dan arahnya pada titik tepat di antara dua muatan tersebut?
(b) di manakah posisi yang memiliki medan nol?
(c) Buat kurva kuat medan listrik sebagi fungsi koordinat y sepanjang garis x = 10 cm.

Pembahasan:

(a) kuat medan litrik dan arahnya pada titik tepat di antara dua muatan tersebut.

Pertama-tama gambarkan dulu drill berdasarkan informasi dari soal seperti pada gambar berikut.

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1

Berdasarkan dari gambar di atas dapat di tuliskan,

Sehingga kuat medan total antara dua muatan menjadi,

E = E1 +E2

b) Medan listrik nol hanya akan berada pada garis hubung dua muatan.

Misalkan lokasi tersebut berada pada koordinat (x,0) seperti pada Gambar di bawah ini. Jarak lokasi tersebut ke masing-masing muatan adalah,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1 b

Kuat medan total pada koordinat (x,0) menjadi

Agar medan tersebut nol maka,

atau

Persamaan ini dapat di uraikan dengan mudah sebagai berikut

2(x2 – 1,6x + 0,64) = 5x2

2x2 + 3,2x – 1,28 = 0

Solusi untuk x adalah,

Posisi x = 0,31 m berada antara dua muatan. Muatan q1 menghasilkan medan ke kanan dan muatan q2 menghasilkan medan ke kanan juga. Kedua medan tidak saling mnghilangkan. Kedua medan hanya memiliki besar yang sama.

Jadi posisi ini tidak kita ambil. Yang kita ambil hanya posisi x = -1,38 m. Muatan q1 menghasilkan medan ke kiri dan muatan q2 menghasilkan medan ke kanan dan keduanya sama besar sehingga saling menghilangkan.

c) Untuk menentukan kuat medan sepanjang sumbu yang sejajar dengan sumbu y,

Perhatikan gambar berikut.

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1 c

Jelas dari gambar tersebut bahwa,

Dengan demikian maka, kuat medan di sembarang koordinat (x,y) adalah

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1e
Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1d

Kuat medan sepanjang garis x = 10 cm = 0,1 m adalah,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1c

Dari bentuk ini kita mendapatkan komponen-komponen medan sebagai berikut,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1b

Kita dapat menggambar besar komponen medan pada berbagai nilai y dengan menggunakan Excel. Gambar di bawah ini adalah nilai medan dari x = – 2 m sampai x = 2 m.

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 1a

Nomor 2. Contoh soal medan listrik pada bola isolator

Gambarkan kurva medan listrik yang di sebabkan oleh sebuah bola isolator pejal memiliki rapat muatan seragam ρ, jari-jari R, dan muatan total Q, untuk daerah 0 < r < R dan r > R.

Penyelesaian:

Sebagaimana di ketahui, untuk menentukan medan listrik dari sebuah bola isolator dapat di gunakan persamaan:

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 2a

Dengan menggunakan persamaan di atas maka kurva medan listrik yang di sebabkan oleh sebuah bola isolator pejal memiliki rapat muatan seragam ρ, jari-jari R, dan muatan total Q dapat di gambarkan sebagai berikut.

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 2b

Soal Nomor 3

Hitunglah kuat medan listrik di titik P yang berjarak 3 cm dari muatan +8 × 10-9 C!

Pembahasan:

Dari soal dapat di gambarkan drillnya seperti berikut,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 3a

Dengan demikian maka Kuat medan listrik di titik P adalah,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 3b

Nomor 4. Contoh soal medan listrik di sekitar beberapa muatan titik

Dua buah benda A dan B mempunyai muatan listrik masing-masing +4 × 10-8 C, dan +16 × 10-8 C terpisah pada jarak 6 cm. Tentukan letak titik P yang mempunyai kuat medan listrik = 0!

Pembahasan

Letak titik P berada di antara kedua muatan tersebut, tidak mungkin berada di luar kedua benda tersebut. Sebab bila di antara kedua benda tersebut, arah medan listrik titik P berlawanan arah, sehingga resultannya bisa akan menjadi nol, sedangkan di luar kedua benda arah medan listriknya searah, sehingga tidak mungkin akan sama dengan nol.

Misal titik P terletak pada jarak x dari A, maka:

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 4

Jadi letak titik P berada 2 cm di sebelah kanan A atau 4 cm di sebelah kiri B.

Baca Juga: Cara Menentukan Lampu yang Menyala Paling Terang pada Rangkaian Listrik

Nomor 5. Contoh soal medan listrik disekitar cincin konsentris

Kita memiliki dua cincin konsentris dengan jari-jari a1 dan a2. Masing-masing cincin memiliki muatan Q1 dan Q2. Berapa kuat medan listrik pada titik:
a) berjarak b dari pusat cincin sepanjang sumbu cincin
b) pada pusat cincin

Pembahasan:

Kita gambarkan dulu drillnya,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 5
Dua buah cincin konsentris yang bermuatan

a) Pertama kita menghitung kuat medan listrik sepanjang sumbu cincing pada jarak b dari pusat kedua cincin.

Kuat medan listrik yang di hasilkan cincin bermuatan Q1 adalah,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 5c

Kuat medan magnet yang di hasilkan oleh cincin bermuatan Q2,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 5b

Dengan demikian kuat medan magnet total,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 5a

b) pada pusat cincin

Di pusat cincin terpenuhi,

sehingga E = 0.

Soal Nomor 6

Dua buah cincin berbentuk setengah lingkaran di letakkan berdekatan dengan orientasi seperti pada di bawah ini.

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6

Rapat muatan masing-masing setengah lingkaran tersebut adalah alfa1 dan alfa2 dan jari-jari a1 dan a2. Kita ingin menentukan kuat medan pada jarak b dari pusat lingkaran.

Penyelesaian:

Pertama mari kita hitung kuat medan listrik arah y. Pada kedua kasus tersebut kita dapatkan,

Sehingga,

Berdasarkan gambar di atas, maka jelas

sehingga kuat medan arah y yang di hasilkan busur pertama adalah,

Dengan cara serupa maka kita dapatkan kuat medan arah y yang di hasilkan busur kedua adalah

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6g

Karena

maka kita bebas menggunakan persamaan,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6f

atau

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6e

untuk menentukan komponen x dari medan. Besar komponen gaya arah tegak lurus sumbu yang di hasilkan masing-masing kawat adalah,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6d

Dengan cara serupa maka kita dapatkan kuat medan arah x yang di hasilkan busur kedua adalah

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6c

Dengan memperhatikan Gambar di atas maka dua komponen tersebut saling tegak lurus sehingga komponen total arah tegak lurus sumbu menjadi

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6b

Medan total sejajar sumbu adalah

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 6a

Baca Juga: Contoh Soal Hukum Coulomb

Nomor 7. Contoh soal medan listrik pada kawat lurus

Dua buah kawat lurus di pasang dalam posisi tegak lurus dengan jarak pisah a. Rapat muatan per satuan panjang kawat tersebut adalah lamda1 dan lamda2. Hitung gaya coulomb antara dua kawat tersebut?

Pembahasan:

Contoh di atas di ilustrasi pada Gambar di bawah ini.

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 7

Perhatikan elemen sepanjang dx pada kawat kedua (kawat atas). Jarak elemen tersebut dari sumbu tegak adalah x sehingga jaraknya dari kawat pertama (kawat bawah) adalah

Dengan demikian, kuat medan pada elemen tersebut akibat muatan pada kawat bawah adalah,

Besar muatan pada elemen dx adalah lamda2dx sehingga gaya listik yang di alami elemen dx adalah

Arah dF tampak pada Gambar di atas. Namun yang memberi kontribusi total hanya komponen arah tegak lurus kawat, yaitu

Dari Gambar di atas juga tampak bahwa,

Dengan demikian,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 7c

Akhirnya kita dapatkan gaya total yang di alami kawat adalah,

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 7b

Selanjutnya kita gunakan Integral Calculator pada Wolfram alpha dan di peroleh

Contoh Soal Medan Listrik Nomor 7a

Tampak di sini bahwa gaya antar dua muatan tidak bergantung pada jarak antar dua kawat, tetapi hanya bergantung pada kerapatan muatan pada masing-masing kawat.

Baca Juga: Contoh Soal Rangkaian Campuran

Demikian semoga bermanfaat.

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

close
Index