Pengantar Listrik Statis
Listrik statis adalah cabang fisika yang mempelajari sifat-sifat muatan listrik yang diam. Konsep ini sangat fundamental dalam memahami berbagai fenomena alam dan teknologi, mulai dari petir hingga cara kerja komponen elektronik. Untuk membantu Anda menguasai materi ini, kami telah menyusun serangkaian contoh soal fisika listrik statis yang mencakup berbagai tingkat kesulitan dan jenis pertanyaan.
Artikel ini berisi soal pilihan ganda, isian singkat, uraian, dan menjodohkan yang dirancang untuk menguji pemahaman Anda tentang hukum Coulomb, medan listrik, potensial listrik, energi potensial listrik, dan kapasitor. Dengan berlatih soal-soal ini, diharapkan Anda dapat meningkatkan kemampuan analitis dan pemecahan masalah dalam topik listrik statis. Selamat mengerjakan!
I. Pilihan Ganda
- Dua buah muatan listrik q₁ = +2 μC dan q₂ = -4 μC terpisah sejauh 3 cm. Jika konstanta Coulomb k = 9 x 10⁹ Nm²/C², besar gaya tarik-menarik antara kedua muatan adalah…
A. 80 N
B. 800 N
C. 8000 N
D. 80000 N
E. 800000 N - Medan listrik di suatu titik didefinisikan sebagai…
A. Gaya yang dialami muatan uji positif di titik tersebut
B. Energi potensial per satuan muatan
C. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan
D. Jumlah garis gaya listrik yang menembus permukaan
E. Muatan total di dalam suatu permukaan tertutup - Sebuah titik P berada 2 cm dari muatan titik Q = +5 μC. Besar kuat medan listrik di titik P adalah… (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)
A. 1,125 x 10⁷ N/C
B. 2,25 x 10⁷ N/C
C. 4,5 x 10⁷ N/C
D. 1,125 x 10⁸ N/C
E. 2,25 x 10⁸ N/C - Potensial listrik di suatu titik yang berjarak r dari muatan titik Q diberikan oleh rumus…
A. E = kQ/r²
B. F = kQ₁Q₂/r²
C. V = kQ/r
D. U = kQ₁Q₂/r
E. C = Q/V - Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan +2 C dari potensial 10 V ke potensial 50 V adalah…
A. 20 J
B. 40 J
C. 80 J
D. 100 J
E. 120 J - Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk…
A. Menghasilkan arus listrik
B. Menyimpan energi dalam bentuk medan listrik
C. Menghambat aliran arus listrik
D. Mengubah arus AC menjadi DC
E. Menguatkan sinyal listrik - Sebuah kapasitor keping sejajar memiliki luas keping A dan jarak antar keping d. Jika di antara keping disisipkan bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik κ, maka kapasitas kapasitornya menjadi…
A. C = κ ε₀ A/d
B. C = ε₀ A/d
C. C = κ d/A
D. C = ε₀ d/A
E. C = κ ε₀ d/A - Tiga buah kapasitor dengan kapasitas C₁, C₂, dan C₃ dihubungkan secara seri. Kapasitas total rangkaian adalah…
A. Cseri = C₁ + C₂ + C₃
B. 1/Cseri = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃
C. Cseri = (C₁C₂C₃)/(C₁C₂ + C₂C₃ + C₃C₁)
D. Cseri = C₁C₂ + C₂C₃ + C₃C₁
E. Cseri = C₁C₂C₃ - Tiga buah kapasitor dengan kapasitas C₁, C₂, dan C₃ dihubungkan secara paralel. Kapasitas total rangkaian adalah…
A. Cparalel = C₁ + C₂ + C₃
B. 1/Cparalel = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃
C. Cparalel = (C₁C₂C₃)/(C₁C₂ + C₂C₃ + C₃C₁)
D. Cparalel = C₁C₂ + C₂C₃ + C₃C₁
E. Cparalel = C₁C₂C₃ - Muatan listrik sebesar 10 C dipindahkan dari titik A ke titik B dengan usaha 50 J. Perbedaan potensial antara titik A dan B adalah…
A. 0,2 V
B. 5 V
C. 10 V
D. 50 V
E. 500 V - Garis-garis gaya listrik selalu berawal dari muatan… dan berakhir pada muatan…
A. Positif, positif
B. Negatif, negatif
C. Positif, negatif
D. Negatif, positif
E. Netral, positif - Dua buah muatan titik identik masing-masing +q terpisah sejauh r. Jika jarak diperbesar menjadi 2r, maka gaya Coulomb yang bekerja menjadi…
A. 4 kali semula
B. 2 kali semula
C. Tetap
D. 1/2 kali semula
E. 1/4 kali semula - Satuan dari potensial listrik dalam SI adalah…
A. Newton (N)
B. Coulomb (C)
C. Volt (V)
D. Joule (J)
E. Farad (F) - Sebuah bola konduktor berjari-jari R diberi muatan Q. Potensial listrik di permukaan bola adalah V. Potensial listrik di dalam bola (r < R) adalah...
A. 0
B. kQ/r
C. kQ/R
D. kQ/r²
E. Berbeda-beda tergantung posisi r - Jika sebuah kapasitor diberi tegangan V dan menyimpan muatan Q, maka energi yang tersimpan dalam kapasitor adalah…
A. W = QV
B. W = 1/2 QV
C. W = Q/V
D. W = 1/2 CV²
E. W = 1/2 Q²/C - Konduktor berbentuk bola berongga memiliki muatan Q. Kuat medan listrik di dalam rongga adalah…
A. kQ/r²
B. kQ/R²
C. 0
D. kQ/r
E. Berbanding lurus dengan r - Peristiwa petir merupakan salah satu contoh fenomena…
A. Listrik dinamis
B. Listrik statis
C. Magnetostatika
D. Elektromagnetik
E. Induksi elektromagnetik - Bahan yang mudah menghantarkan listrik disebut…
A. Isolator
B. Semikonduktor
C. Konduktor
D. Dielektrik
E. Resistor - Alat yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan muatan listrik adalah…
A. Amperemeter
B. Voltmeter
C. Elektroskop
D. Ohmmeter
E. Galvanometer - Jika jarak antara dua muatan listrik diperkecil, maka gaya Coulomb antara keduanya akan…
A. Berkurang
B. Bertambah
C. Tetap
D. Menjadi nol
E. Berubah arah
II. Isian Singkat
- Satuan konstanta dielektrik relatif (κ) adalah…
- Jika dua muatan sejenis didekatkan, maka akan terjadi gaya…
- Kuat medan listrik di antara dua keping sejajar dengan rapat muatan permukaan σ adalah E = …
- Sebuah kapasitor 20 μF dihubungkan dengan sumber tegangan 100 V. Muatan yang tersimpan pada kapasitor adalah… C.
- Energi potensial listrik dari dua muatan q₁ dan q₂ yang terpisah sejauh r adalah U = …
III. Uraian
- Jelaskan prinsip kerja elektroskop dan bagaimana cara menggunakannya untuk mengetahui jenis muatan benda!
- Dua muatan titik Q₁ = +6 μC dan Q₂ = -2 μC diletakkan pada sumbu X masing-masing di posisi x = 0 cm dan x = 4 cm. Tentukan kuat medan listrik total di titik P yang terletak di x = 6 cm!
- Sebuah kapasitor keping sejajar memiliki luas keping 100 cm² dan jarak antar keping 2 mm. Jika di antara keping diisi udara (ε₀ = 8,85 x 10⁻¹² C²/Nm²), hitunglah kapasitas kapasitor tersebut!
- Tiga buah kapasitor masing-masing 2 μF, 3 μF, dan 6 μF dihubungkan secara paralel, kemudian rangkaian tersebut dihubungkan seri dengan kapasitor 4 μF. Berapakah kapasitas total rangkaian tersebut?
- Jelaskan perbedaan antara konduktor dan isolator dalam konteks listrik statis dan berikan masing-masing dua contoh bahan!
IV. Menjodohkan
Pasangkan pernyataan di kolom kiri dengan konsep yang tepat di kolom kanan!
Set 1:
- Hukum Coulomb
- Potensial Listrik
- Kapasitas Kapasitor
- Medan Listrik
a. Kemampuan menyimpan muatan
b. Gaya antara dua muatan titik
c. Energi potensial per satuan muatan
d. Gaya per satuan muatan uji
Set 2:
- Farad
- Joule
- Volt
- Coulomb
a. Satuan energi
b. Satuan potensial listrik
c. Satuan muatan listrik
d. Satuan kapasitas kapasitor
Kunci Jawaban
I. Pilihan Ganda
- A. 80 N
Penjelasan: Gunakan rumus gaya Coulomb F = k |q₁q₂| / r². Substitusikan nilai q₁ = 2 x 10⁻⁶ C, q₂ = 4 x 10⁻⁶ C, r = 3 x 10⁻² m, dan k = 9 x 10⁹ Nm²/C². F = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶)(4 x 10⁻⁶) / (3 x 10⁻²)² = (72 x 10⁻³) / (9 x 10⁻⁴) = 8 x 10¹ = 80 N. - A. Gaya yang dialami muatan uji positif di titik tersebut
Penjelasan: Medan listrik (E) adalah gaya (F) per satuan muatan uji positif (q₀), E = F/q₀. - D. 1,125 x 10⁸ N/C
Penjelasan: Gunakan rumus kuat medan listrik E = k Q/r². Substitusikan Q = 5 x 10⁻⁶ C, r = 2 x 10⁻² m, dan k = 9 x 10⁹ Nm²/C². E = (9 x 10⁹)(5 x 10⁻⁶) / (2 x 10⁻²)² = (45 x 10³) / (4 x 10⁻⁴) = 11.25 x 10⁷ = 1,125 x 10⁸ N/C. - C. V = kQ/r
Penjelasan: Rumus potensial listrik untuk muatan titik adalah V = kQ/r. - C. 80 J
Penjelasan: Usaha W = q ΔV = q (Vakhir – Vawal). W = 2 C (50 V – 10 V) = 2 C (40 V) = 80 J. - B. Menyimpan energi dalam bentuk medan listrik
Penjelasan: Fungsi utama kapasitor adalah menyimpan muatan listrik dan energi dalam medan listrik di antara keping-kepingnya. - A. C = κ ε₀ A/d
Penjelasan: Rumus kapasitas kapasitor keping sejajar dengan dielektrik adalah C = κ ε₀ A/d. - B. 1/Cseri = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃
Penjelasan: Untuk kapasitor yang dihubungkan seri, kapasitas totalnya adalah kebalikan dari jumlah kebalikan masing-masing kapasitas. - A. Cparalel = C₁ + C₂ + C₃
Penjelasan: Untuk kapasitor yang dihubungkan paralel, kapasitas totalnya adalah jumlah dari masing-masing kapasitas. - B. 5 V
Penjelasan: Perbedaan potensial ΔV = W/q. ΔV = 50 J / 10 C = 5 V. - C. Positif, negatif
Penjelasan: Garis-garis gaya listrik selalu keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negatif. - E. 1/4 kali semula
Penjelasan: Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (F ~ 1/r²). Jika r menjadi 2r, maka F baru ~ 1/(2r)² = 1/(4r²) = 1/4 F semula. - C. Volt (V)
Penjelasan: Satuan SI untuk potensial listrik adalah Volt. - C. kQ/R
Penjelasan: Potensial listrik di dalam bola konduktor bermuatan adalah sama dengan potensial di permukaannya. - B. W = 1/2 QV
Penjelasan: Energi yang tersimpan dalam kapasitor dapat dinyatakan sebagai W = 1/2 QV, atau 1/2 CV², atau 1/2 Q²/C. - C. 0
Penjelasan: Kuat medan listrik di dalam rongga konduktor bermuatan adalah nol. - B. Listrik statis
Penjelasan: Petir terjadi karena penumpukan muatan listrik di awan yang kemudian dilepaskan secara tiba-tiba. - C. Konduktor
Penjelasan: Konduktor adalah bahan yang memiliki banyak elektron bebas sehingga mudah menghantarkan listrik. - C. Elektroskop
Penjelasan: Elektroskop digunakan untuk mendeteksi keberadaan dan jenis muatan listrik. - B. Bertambah
Penjelasan: Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Jika jarak diperkecil, gaya Coulomb akan bertambah.
II. Isian Singkat
- Tidak memiliki satuan (atau dimensi), karena merupakan perbandingan.
- Tolak-menolak.
- E = σ/ε₀ (untuk keping sejajar di ruang hampa/udara).
- 2 x 10⁻³ C (Q = CV = 20 x 10⁻⁶ F x 100 V = 2 x 10⁻³ C).
- U = k q₁q₂/r.
III. Uraian
- Prinsip Kerja Elektroskop: Elektroskop bekerja berdasarkan prinsip induksi dan konduksi listrik. Ketika benda bermuatan didekatkan ke kepala elektroskop, muatan pada kepala elektroskop akan terinduksi, menarik muatan yang berlawanan dan menolak muatan yang sejenis ke daun-daun elektroskop. Daun-daun yang mendapatkan muatan sejenis akan saling tolak menolak sehingga mengembang. Jika benda bermuatan menyentuh kepala elektroskop, muatan akan berpindah secara konduksi, menyebabkan daun-daun mengembang permanen.Cara Menggunakan: Untuk mengetahui jenis muatan benda, muati elektroskop terlebih dahulu dengan muatan yang diketahui (misalnya, dengan induksi dari batang ebonit yang digosok kain wol sehingga elektroskop bermuatan positif). Setelah daun elektroskop mengembang, dekatkan benda yang akan diuji. Jika daun mengembang lebih lebar, berarti benda memiliki muatan sejenis dengan elektroskop. Jika daun menguncup, berarti benda memiliki muatan berlawanan.
- Kuat Medan Listrik Total:
Posisi Q₁ = 0 cm, Q₂ = 4 cm, P = 6 cm.
Jarak Q₁ ke P (r₁) = 6 cm = 0,06 m.
Jarak Q₂ ke P (r₂) = 6 cm – 4 cm = 2 cm = 0,02 m.
Kuat medan listrik oleh Q₁ di P (E₁): E₁ = k Q₁/r₁² = (9 x 10⁹)(6 x 10⁻⁶) / (0,06)² = (54 x 10³) / (36 x 10⁻⁴) = 1,5 x 10⁷ N/C. Arah E₁ menjauhi Q₁ (ke kanan).
Kuat medan listrik oleh Q₂ di P (E₂): E₂ = k |Q₂|/r₂² = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶) / (0,02)² = (18 x 10³) / (4 x 10⁻⁴) = 4,5 x 10⁷ N/C. Arah E₂ mendekati Q₂ (ke kiri).
Kuat medan listrik total E_total = E₁ – E₂ (karena berlawanan arah). E_total = (1,5 x 10⁷) – (4,5 x 10⁷) = -3 x 10⁷ N/C.Besarnya kuat medan listrik total adalah 3 x 10⁷ N/C dengan arah ke kiri (mendekati Q₂). - Kapasitas Kapasitor:
Luas keping A = 100 cm² = 100 x 10⁻⁴ m² = 10⁻² m².
Jarak antar keping d = 2 mm = 2 x 10⁻³ m.
Konstanta dielektrik udara κ ≈ 1.
C = κ ε₀ A/d = (1)(8,85 x 10⁻¹²)(10⁻²) / (2 x 10⁻³) = (8,85 x 10⁻¹⁴) / (2 x 10⁻³) = 4,425 x 10⁻¹¹ F.
Kapasitas kapasitor adalah 44,25 pF (picoFarad). - Kapasitas Total Rangkaian:
Kapasitor paralel: C_paralel = 2 μF + 3 μF + 6 μF = 11 μF.
Kapasitor seri: 1/C_total = 1/C_paralel + 1/4 μF = 1/11 + 1/4 = 4/44 + 11/44 = 15/44.
C_total = 44/15 μF ≈ 2,93 μF. - Perbedaan Konduktor dan Isolator:
Konduktor: Bahan yang memiliki banyak elektron bebas yang dapat bergerak dengan mudah di dalamnya. Elektron-elektron ini tidak terikat erat pada inti atom, sehingga dapat menghantarkan muatan listrik dengan baik. Contoh: Tembaga, Aluminium.
Isolator: Bahan yang tidak memiliki elektron bebas atau elektronnya terikat sangat erat pada inti atom. Oleh karena itu, isolator tidak dapat menghantarkan muatan listrik dengan baik. Contoh: Kaca, Karet.
IV. Menjodohkan
Set 1:
- Hukum Coulomb – b. Gaya antara dua muatan titik
- Potensial Listrik – c. Energi potensial per satuan muatan
- Kapasitas Kapasitor – a. Kemampuan menyimpan muatan
- Medan Listrik – d. Gaya per satuan muatan uji
Set 2:
- Farad – d. Satuan kapasitas kapasitor
- Joule – a. Satuan energi
- Volt – b. Satuan potensial listrik
- Coulomb – c. Satuan muatan listrik