Bab pertama dalam pelajaran IPA Fisika Kelas 9 biasanya memperkenalkan kita pada dunia kelistrikan, yang dimulai dengan konsep fundamental listrik statis. Memahami listrik statis bukan hanya penting untuk kelanjutan materi kelistrikan, tetapi juga untuk mengapresiasi fenomena alam sehari-hari yang sering kita jumpai, seperti petir atau sensasi tersetrum saat menyentuh gagang pintu.
Artikel ini akan membawa Anda menyelami lebih dalam materi listrik statis melalui contoh-contoh soal yang relevan untuk siswa Kelas 9, lengkap dengan pembahasan mendalam. Tujuannya adalah agar Anda tidak hanya mampu menyelesaikan soal, tetapi juga memahami konsep di baliknya.
Pengantar Listrik Statis: Konsep Dasar
Sebelum kita masuk ke contoh soal, mari kita segarkan kembali ingatan kita tentang beberapa konsep kunci dalam listrik statis:
- Muatan Listrik: Ada dua jenis muatan listrik: positif (+) dan negatif (-). Benda yang memiliki jumlah proton (muatan positif) lebih banyak daripada elektron (muatan negatif) akan bermuatan positif. Sebaliknya, benda dengan jumlah elektron lebih banyak daripada proton akan bermuatan negatif. Benda yang memiliki jumlah proton dan elektron sama dikatakan netral.
- Hukum Coulomb: Hukum ini menjelaskan gaya interaksi antara dua muatan listrik. Bunyinya: "Gaya tarik atau tolak antara dua benda bermuatan listrik berbanding lurus dengan hasil kali besar muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut."
- Rumus Hukum Coulomb: $$F = k fracq_1 q_2r^2$$
- $F$ adalah gaya Coulomb (dalam Newton, N).
- $k$ adalah konstanta Coulomb ($9 times 10^9 , textNm^2/textC^2$).
- $q_1$ dan $q_2$ adalah besar muatan listrik (dalam Coulomb, C).
- $r$ adalah jarak antara kedua muatan (dalam meter, m).
- Sifat gaya Coulomb: Muatan sejenis (positif dengan positif, atau negatif dengan negatif) akan saling tolak-menolak. Muatan berbeda jenis (positif dengan negatif) akan saling tarik-menarik.
- Rumus Hukum Coulomb: $$F = k fracq_1 q_2r^2$$
- Medan Listrik: Medan listrik adalah daerah di sekitar muatan listrik di mana muatan listrik lain akan mengalami gaya listrik. Arah medan listrik keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negatif.
- Besar medan listrik ($E$) di suatu titik dapat dihitung dengan: $$E = fracFq_0$$ atau $$E = k fracr^2$$
- $E$ adalah kuat medan listrik (dalam Newton per Coulomb, N/C).
- $q_0$ adalah muatan uji.
- $q$ adalah muatan sumber.
- $r$ adalah jarak dari muatan sumber ke titik tinjau.
- Besar medan listrik ($E$) di suatu titik dapat dihitung dengan: $$E = fracFq_0$$ atau $$E = k fracr^2$$
- Potensial Listrik: Potensial listrik adalah energi potensial per satuan muatan di suatu titik dalam medan listrik. Perbedaan potensial listrik antara dua titik disebut beda potensial atau tegangan.
- Besar potensial listrik ($V$) di suatu titik: $$V = fracEpq_0$$ atau $$V = k fracqr$$
- $V$ adalah potensial listrik (dalam Volt, V).
- $Ep$ adalah energi potensial listrik (dalam Joule, J).
- $q_0$ adalah muatan uji.
- $q$ adalah muatan sumber.
- $r$ adalah jarak dari muatan sumber ke titik tinjau.
- Besar potensial listrik ($V$) di suatu titik: $$V = fracEpq_0$$ atau $$V = k fracqr$$
Contoh Soal dan Pembahasan
Mari kita mulai dengan contoh-contoh soal yang menguji pemahaman Anda tentang konsep-konsep di atas.
Soal 1: Menghitung Gaya Coulomb
Dua buah benda bermuatan listrik masing-masing $q_1 = +2 times 10^-6 , textC$ dan $q_2 = -3 times 10^-6 , textC$ terpisah pada jarak $0.5 , textm$. Hitunglah besar gaya Coulomb yang terjadi antara kedua benda tersebut!
Pembahasan Soal 1:
Soal ini meminta kita untuk menghitung besar gaya Coulomb antara dua muatan. Kita perlu mengidentifikasi besaran-besaran yang diketahui dan menggunakan rumus Hukum Coulomb.
-
Diketahui:
- Muatan pertama ($q_1$) = $+2 times 10^-6 , textC$
- Muatan kedua ($q_2$) = $-3 times 10^-6 , textC$
- Jarak ($r$) = $0.5 , textm$
- Konstanta Coulomb ($k$) = $9 times 10^9 , textNm^2/textC^2$
-
Ditanya: Besar gaya Coulomb ($F$).
-
Rumus yang digunakan: Hukum Coulomb: $$F = k fracr^2$$
-
Langkah-langkah penyelesaian:
- Masukkan nilai-nilai yang diketahui ke dalam rumus Hukum Coulomb. Penting untuk menggunakan nilai absolut dari muatan ($|q_1 q_2|$) saat menghitung besar gaya. Arah gaya akan ditentukan oleh jenis muatannya.
$$F = (9 times 10^9 , textNm^2/textC^2) frac(0.5 , textm)^2$$ - Hitung perkalian muatan:
$$|q_1 q_2| = |(2 times 10^-6) times (-3 times 10^-6)| , textC^2$$
$$|q_1 q_2| = |-6 times 10^-12| , textC^2$$
$$|q_1 q_2| = 6 times 10^-12 , textC^2$$ - Hitung kuadrat jarak:
$$r^2 = (0.5 , textm)^2 = 0.25 , textm^2$$ - Masukkan kembali hasil perhitungan ke dalam rumus gaya:
$$F = (9 times 10^9) frac6 times 10^-120.25$$ - Lakukan pembagian:
$$frac6 times 10^-120.25 = 24 times 10^-12$$ - Kalikan dengan konstanta $k$:
$$F = (9 times 10^9) times (24 times 10^-12)$$
$$F = 216 times 10^9-12$$
$$F = 216 times 10^-3 , textN$$ - Sederhanakan notasi ilmiah:
$$F = 0.216 , textN$$
- Masukkan nilai-nilai yang diketahui ke dalam rumus Hukum Coulomb. Penting untuk menggunakan nilai absolut dari muatan ($|q_1 q_2|$) saat menghitung besar gaya. Arah gaya akan ditentukan oleh jenis muatannya.
-
Kesimpulan: Besar gaya Coulomb yang terjadi antara kedua benda tersebut adalah $0.216 , textN$. Karena salah satu muatan positif dan yang lainnya negatif, gaya yang terjadi adalah gaya tarik-menarik.
Soal 2: Menentukan Kuat Medan Listrik
Sebuah muatan titik $q = +5 times 10^-8 , textC$ berada di udara. Tentukan kuat medan listrik pada jarak $0.2 , textm$ dari muatan tersebut!
Pembahasan Soal 2:
Soal ini berfokus pada konsep medan listrik. Kita perlu menghitung kekuatan medan listrik yang dihasilkan oleh sebuah muatan pada titik tertentu.
-
Diketahui:
- Muatan sumber ($q$) = $+5 times 10^-8 , textC$
- Jarak dari muatan sumber ($r$) = $0.2 , textm$
- Konstanta Coulomb ($k$) = $9 times 10^9 , textNm^2/textC^2$
-
Ditanya: Kuat medan listrik ($E$).
-
Rumus yang digunakan: Kuat medan listrik: $$E = k fracr^2$$
-
Langkah-langkah penyelesaian:
- Masukkan nilai-nilai yang diketahui ke dalam rumus kuat medan listrik.
$$E = (9 times 10^9 , textNm^2/textC^2) frac(0.2 , textm)^2$$ - Hitung nilai absolut muatan:
$$|q| = 5 times 10^-8 , textC$$ - Hitung kuadrat jarak:
$$r^2 = (0.2 , textm)^2 = 0.04 , textm^2$$ - Masukkan kembali hasil perhitungan ke dalam rumus medan listrik:
$$E = (9 times 10^9) frac5 times 10^-80.04$$ - Lakukan pembagian:
$$frac5 times 10^-80.04 = frac5 times 10^-84 times 10^-2 = 1.25 times 10^-8 – (-2) = 1.25 times 10^-6$$ - Kalikan dengan konstanta $k$:
$$E = (9 times 10^9) times (1.25 times 10^-6)$$
$$E = 11.25 times 10^9-6$$
$$E = 11.25 times 10^3 , textN/C$$ - Sederhanakan notasi ilmiah:
$$E = 11250 , textN/C$$
- Masukkan nilai-nilai yang diketahui ke dalam rumus kuat medan listrik.
-
Kesimpulan: Kuat medan listrik pada jarak $0.2 , textm$ dari muatan tersebut adalah $11250 , textN/C$. Karena muatan sumbernya positif, arah medan listriknya menjauhi muatan.
Soal 3: Menghitung Potensial Listrik
Hitunglah potensial listrik di sebuah titik yang berjarak $0.3 , textm$ dari muatan $q = -6 times 10^-9 , textC$!
Pembahasan Soal 3:
Soal ini meminta kita untuk menghitung potensial listrik di suatu titik dalam medan listrik.
-
Diketahui:
- Muatan sumber ($q$) = $-6 times 10^-9 , textC$
- Jarak dari muatan sumber ($r$) = $0.3 , textm$
- Konstanta Coulomb ($k$) = $9 times 10^9 , textNm^2/textC^2$
-
Ditanya: Potensial listrik ($V$).
-
Rumus yang digunakan: Potensial listrik: $$V = k fracqr$$
-
Langkah-langkah penyelesaian:
- Masukkan nilai-nilai yang diketahui ke dalam rumus potensial listrik. Perhatikan bahwa tanda muatan ($q$) harus disertakan.
$$V = (9 times 10^9 , textNm^2/textC^2) frac-6 times 10^-9 , textC0.3 , textm$$ - Hitung hasil perkalian dan pembagian:
$$V = (9 times 10^9) times frac-6 times 10^-90.3$$
$$V = (9 times 10^9) times (-20 times 10^-9)$$
$$V = -180 times 10^9-9$$
$$V = -180 times 10^0$$
$$V = -180 , textV$$
- Masukkan nilai-nilai yang diketahui ke dalam rumus potensial listrik. Perhatikan bahwa tanda muatan ($q$) harus disertakan.
-
Kesimpulan: Potensial listrik di titik tersebut adalah $-180 , textV$. Tanda negatif menunjukkan bahwa potensialnya lebih rendah dibandingkan dengan potensial di tempat yang sangat jauh dari muatan (yang dianggap nol).
Soal 4: Kombinasi Muatan dan Gaya Coulomb
Dua buah muatan titik, $q_A = +4 times 10^-6 , textC$ dan $q_B = -2 times 10^-6 , textC$, diletakkan pada jarak $0.1 , textm$ satu sama lain. Jika sebuah muatan uji $q_C = +1 times 10^-6 , textC$ diletakkan di antara $q_A$ dan $q_B$ pada jarak $0.04 , textm$ dari $q_A$, tentukan besar dan arah gaya total yang bekerja pada $q_C$!
Pembahasan Soal 4:
Soal ini merupakan soal yang lebih kompleks karena melibatkan tiga muatan dan kita perlu mencari gaya total pada satu muatan uji. Gaya total adalah jumlah vektor dari gaya-gaya individu yang bekerja pada muatan tersebut.
-
Diketahui:
- $q_A = +4 times 10^-6 , textC$
- $q_B = -2 times 10^-6 , textC$
- $q_C = +1 times 10^-6 , textC$
- Jarak antara $q_A$ dan $q_B$ = $0.1 , textm$
- Jarak antara $q_A$ dan $qC$ ($rAC$) = $0.04 , textm$
- Karena $q_C$ berada di antara $q_A$ dan $q_B$, maka jarak antara $q_B$ dan $qC$ ($rBC$) = $0.1 , textm – 0.04 , textm = 0.06 , textm$.
- $k = 9 times 10^9 , textNm^2/textC^2$
-
Ditanya: Besar dan arah gaya total pada $qC$ ($Ftotal,C$).
-
Rumus yang digunakan: Hukum Coulomb dan prinsip superposisi (penjumlahan vektor gaya).
-
Langkah-langkah penyelesaian:
-
Hitung gaya yang bekerja pada $q_C$ akibat $qA$ ($FAC$):
- $q_A$ positif, $qC$ positif $implies$ saling tolak-menolak. Arah $FAC$ menjauhi $q_A$.
- $$F_AC = k fracrAC^2$$
- $$F_AC = (9 times 10^9) frac(4 times 10^-6) times (1 times 10^-6)(0.04)^2$$
- $$F_AC = (9 times 10^9) frac4 times 10^-120.0016$$
- $$F_AC = (9 times 10^9) times (2.5 times 10^-9)$$
- $$F_AC = 22.5 , textN$$
- Arah $F_AC$: Jika kita anggap garis lurus antara $q_A$ dan $q_B$ adalah sumbu x, dengan $q_A$ di kiri dan $q_B$ di kanan, maka $q_C$ berada di antara mereka. Gaya tolak dari $q_A$ pada $q_C$ akan mendorong $q_C$ ke arah kanan.
-
Hitung gaya yang bekerja pada $q_C$ akibat $qB$ ($FBC$):
- $q_B$ negatif, $qC$ positif $implies$ saling tarik-menarik. Arah $FBC$ menuju $q_B$.
- $$F_BC = k fracrBC^2$$
- $$F_BC = (9 times 10^9) frac(0.06)^2$$
- $$F_BC = (9 times 10^9) frac2 times 10^-120.0036$$
- $$F_BC = (9 times 10^9) times (0.555… times 10^-9)$$
- $$F_BC approx 5 , textN$$ (Mari kita hitung lebih tepat: $9 times 10^9 times frac2 times 10^-120.0036 = frac18 times 10^-30.0036 = frac183.6 = 5 , textN$)
- Arah $F_BC$: Gaya tarik dari $q_B$ pada $q_C$ akan menarik $q_C$ ke arah kiri (menuju $q_B$).
-
Tentukan gaya total pada $q_C$:
- Kita memiliki dua gaya yang bekerja pada $qC$: $FAC$ ke kanan sebesar $22.5 , textN$, dan $F_BC$ ke kiri sebesar $5 , textN$.
- Karena kedua gaya ini bekerja pada garis lurus yang sama tetapi berlawanan arah, gaya total adalah selisih dari keduanya.
- $$Ftotal,C = FAC – F_BC$$ (dengan asumsi arah kanan bernilai positif)
- $$F_total,C = 22.5 , textN – 5 , textN$$
- $$F_total,C = 17.5 , textN$$
-
-
Kesimpulan: Besar gaya total yang bekerja pada $q_C$ adalah $17.5 , textN$. Karena hasil perhitungan positif ($22.5 > 5$), arah gaya total adalah ke arah yang sama dengan gaya yang lebih besar, yaitu ke arah kanan (menjauhi $q_A$).
Tips Belajar Efektif
Untuk menguasai bab listrik statis ini, beberapa tips berikut bisa sangat membantu:
- Pahami Konsep Dasar: Jangan hanya menghafal rumus. Pahami arti setiap variabel dan bagaimana konsep seperti muatan, gaya, medan, dan potensial saling berhubungan.
- Visualisasi: Gambarkan diagram untuk setiap soal. Memvisualisasikan muatan, jarak, dan arah gaya akan sangat membantu, terutama untuk soal yang melibatkan lebih dari dua muatan.
- Latihan Berulang: Semakin banyak Anda berlatih, semakin terbiasa Anda dengan berbagai tipe soal dan semakin cepat Anda mengenali rumus yang tepat.
- Perhatikan Satuan: Selalu periksa satuan yang digunakan dalam soal dan pastikan Anda menggunakan satuan yang konsisten dalam perhitungan (misalnya, jarak dalam meter, muatan dalam Coulomb).
- Gunakan Kalkulator dengan Bijak: Untuk perhitungan yang melibatkan notasi ilmiah, gunakan kalkulator ilmiah agar lebih akurat dan efisien.
- Diskusi dan Tanya Jawab: Jangan ragu untuk bertanya kepada guru atau teman jika ada hal yang belum jelas. Diskusi dapat membuka sudut pandang baru.
Penutup
Listrik statis adalah fondasi penting dalam mempelajari fisika listrik. Dengan memahami konsep Hukum Coulomb, medan listrik, dan potensial listrik, serta berlatih menyelesaikan berbagai tipe soal seperti yang telah dibahas, Anda akan memiliki bekal yang kuat untuk menghadapi ujian dan melanjutkan ke topik-topik kelistrikan yang lebih lanjut. Ingatlah bahwa pemahaman yang mendalam jauh lebih berharga daripada sekadar menghafal. Teruslah berlatih dan jangan pernah berhenti bertanya!
About The Author
