Selamat datang di kumpulan latihan soal fisika materi listrik statis! Listrik statis adalah cabang fisika yang mempelajari interaksi muatan listrik yang tidak bergerak. Konsep ini sangat fundamental dan menjadi dasar pemahaman berbagai fenomena kelistrikan dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari petir hingga cara kerja perangkat elektronik. Dalam artikel ini, Anda akan menemukan beragam soal yang dirancang untuk menguji pemahaman Anda tentang Hukum Coulomb, medan listrik, potensial listrik, energi potensial listrik, hingga konsep kapasitor dan dielektrik. Setiap soal dilengkapi dengan pilihan jawaban dan pembahasan lengkap untuk membantu Anda memahami konsep yang mungkin sulit. Persiapkan diri Anda untuk menghadapi ujian atau sekadar mengulang materi dengan soal-soal pilihan ganda, isian singkat, uraian, dan menjodohkan yang telah kami siapkan. Dengan berlatih secara rutin, Anda akan semakin mahir dalam menganalisis dan menyelesaikan masalah terkait listrik statis.
Contoh Soal soal fisika materi listrik statis
A. Pilihan Ganda
1. Dua buah muatan listrik q₁ dan q₂ terpisah sejauh r. Jika besar muatan q₁ diperbesar 2 kali dan muatan q₂ diperkecil menjadi 1/2 kali, sedangkan jaraknya tetap, maka gaya Coulomb yang bekerja antara kedua muatan menjadi…
- Tetap
- 2 kali semula
- 1/2 kali semula
- 4 kali semula
- 1/4 kali semula
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Gaya Coulomb (F) berbanding lurus dengan perkalian besar kedua muatan (F ∝ q₁q₂). Jika q₁ menjadi 2q₁ dan q₂ menjadi 1/2 q₂, maka perkalian muatan menjadi (2q₁)(1/2 q₂) = q₁q₂. Jadi, gaya Coulomb tetap sama.
2. Dua muatan titik sebesar +3 µC dan -2 µC terpisah sejauh 10 cm. Besar gaya tarik-menarik antara kedua muatan tersebut adalah… (k = 9 × 10⁹ Nm²/C²)
- 5,4 N
- 54 N
- 0,54 N
- 540 N
- 5,4 × 10⁻¹ N
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Gunakan Hukum Coulomb F = k |q₁q₂| / r². Diketahui q₁ = 3 × 10⁻⁶ C, q₂ = 2 × 10⁻⁶ C, r = 10 cm = 0,1 m. F = (9 × 10⁹)(3 × 10⁻⁶)(2 × 10⁻⁶) / (0,1)² = (9 × 10⁹)(6 × 10⁻¹²) / 0,01 = 54 × 10⁻³ / 10⁻² = 54 N.
3. Kuat medan listrik di suatu titik yang berjarak r dari muatan sumber q adalah E. Jika muatan sumber diganti menjadi 2q dan jarak titik menjadi 2r, maka kuat medan listrik di titik tersebut menjadi…
- E
- 2E
- 1/2 E
- 4E
- 1/4 E
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Kuat medan listrik E = k q / r². Jika q’ = 2q dan r’ = 2r, maka E’ = k (2q) / (2r)² = k (2q) / (4r²) = (1/2) (k q / r²) = 1/2 E.
4. Sebuah muatan positif diletakkan di titik P. Arah medan listrik yang dihasilkan oleh muatan tersebut di titik Q yang berada di dekatnya adalah…
- Menuju muatan P
- Menjauhi muatan P
- Tegak lurus muatan P
- Searah dengan gaya gravitasi
- Berlawanan arah dengan gaya gravitasi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Garis-garis medan listrik selalu keluar (menjauhi) muatan positif dan masuk (menuju) muatan negatif.
5. Potensial listrik di suatu titik yang berjarak 30 cm dari muatan titik +6 µC adalah… (k = 9 × 10⁹ Nm²/C²)
- 1,8 × 10⁵ V
- 1,8 × 10⁶ V
- 18 × 10⁵ V
- 18 × 10⁶ V
- 1,8 × 10⁴ V
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Gunakan rumus potensial listrik V = k q / r. Diketahui q = 6 × 10⁻⁶ C, r = 30 cm = 0,3 m. V = (9 × 10⁹)(6 × 10⁻⁶) / 0,3 = 54 × 10³ / 0,3 = 180 × 10³ V = 1,8 × 10⁵ V.
6. Untuk memindahkan muatan +2 C dari titik A ke titik B diperlukan energi sebesar 10 J. Beda potensial antara titik A dan B adalah…
- 5 V
- 20 V
- 0,2 V
- 10 V
- 2 V
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Beda potensial (ΔV) = Usaha (W) / Muatan (q). ΔV = 10 J / 2 C = 5 V.
7. Sebuah kapasitor keping sejajar memiliki luas keping A dan jarak antar keping d. Jika kapasitor diisi bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik κ, maka kapasitansinya menjadi…
- C = ε₀ A / d
- C = κ ε₀ A / d
- C = κ d / (ε₀ A)
- C = ε₀ d / A
- C = A / (κ ε₀ d)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Rumus kapasitansi keping sejajar dengan dielektrik adalah C = κ ε₀ A / d, di mana ε₀ adalah permitivitas vakum.
8. Tiga buah kapasitor dengan kapasitansi C₁, C₂, dan C₃ dihubungkan secara seri. Kapasitansi total (ekivalen) rangkaian adalah…
- Ctotal = C₁ + C₂ + C₃
- 1/Ctotal = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃
- Ctotal = (C₁ × C₂ × C₃) / (C₁ + C₂ + C₃)
- Ctotal = C₁ × C₂ × C₃
- Ctotal = (C₁ + C₂ + C₃) / 3
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Untuk kapasitor yang dihubungkan secara seri, rumus kapasitansi totalnya adalah 1/Ctotal = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃.
9. Dua buah kapasitor C₁ = 3 µF dan C₂ = 6 µF dihubungkan secara paralel. Kapasitansi totalnya adalah…
- 2 µF
- 9 µF
- 18 µF
- 1/2 µF
- 0,5 µF
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Untuk kapasitor yang dihubungkan secara paralel, kapasitansi totalnya adalah Ctotal = C₁ + C₂. Ctotal = 3 µF + 6 µF = 9 µF.
10. Energi yang tersimpan dalam sebuah kapasitor dengan kapasitansi C dan tegangan V adalah…
- W = 1/2 CV
- W = 1/2 CV²
- W = CV²
- W = 1/2 C²V
- W = CV
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Rumus energi yang tersimpan dalam kapasitor adalah W = 1/2 CV².
11. Bahan yang mudah menghantarkan listrik karena elektron valensinya mudah bergerak bebas disebut…
- Isolator
- Semikonduktor
- Dielektrik
- Konduktor
- Termistor
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Konduktor adalah bahan yang memiliki banyak elektron bebas sehingga mudah menghantarkan listrik.
12. Tiga muatan segaris q₁ = +1 µC, q₂ = -2 µC, q₃ = +3 µC. q₁ di x=0, q₂ di x=1m, q₃ di x=2m. Besar gaya Coulomb pada q₂ adalah…
- Resultan gaya dari q₁ dan q₃
- Gaya dari q₁ saja
- Gaya dari q₃ saja
- Nol
- Tidak dapat ditentukan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Gaya Coulomb pada suatu muatan adalah resultan (penjumlahan vektor) dari gaya-gaya yang diberikan oleh muatan lain di sekitarnya. Dalam kasus ini, q₂ akan mengalami gaya dari q₁ dan gaya dari q₃.
13. Jumlah garis medan listrik yang menembus suatu permukaan tertutup disebut…
- Kuat medan listrik
- Potensial listrik
- Fluks listrik
- Kapasitansi
- Energi potensial
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Fluks listrik adalah ukuran jumlah total garis medan listrik yang menembus suatu permukaan.
14. Satuan dari muatan listrik dalam SI adalah…
- Volt
- Ampere
- Ohm
- Coulomb
- Farad
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Satuan internasional (SI) untuk muatan listrik adalah Coulomb (C).
15. Pernyataan yang benar mengenai hukum kekekalan muatan listrik adalah…
- Muatan listrik dapat diciptakan dan dimusnahkan.
- Muatan listrik hanya dapat diciptakan, tidak dapat dimusnahkan.
- Jumlah muatan listrik total dalam sistem tertutup adalah konstan.
- Muatan listrik positif selalu sama dengan muatan listrik negatif.
- Muatan listrik hanya ada di permukaan benda.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa jumlah total muatan listrik dalam suatu sistem yang terisolasi (tertutup) adalah konstan atau tetap.
16. Dua muatan identik terpisah sejauh d menghasilkan gaya F. Jika jarak antar muatan dijadikan 2d, maka gaya Coulomb yang terjadi adalah…
- 2F
- 4F
- 1/2 F
- 1/4 F
- F
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan (F ∝ 1/r²). Jika jarak menjadi 2d, maka F’ ∝ 1/(2d)² = 1/(4d²). Jadi, gaya menjadi 1/4 kali gaya semula.
17. Sebuah muatan uji +q diletakkan pada jarak r dari muatan sumber +Q. Jika muatan uji diganti dengan +2q, maka kuat medan listrik di titik tersebut akan…
- Berubah menjadi 2E
- Berubah menjadi 1/2 E
- Berubah menjadi 4E
- Berubah menjadi 1/4 E
- Tetap
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: E
Pembahasan: Kuat medan listrik (E) hanya bergantung pada muatan sumber (Q) dan jarak (r) dari muatan sumber, tidak bergantung pada besar muatan uji yang diletakkan di titik tersebut. E = kQ/r².
18. Titik A memiliki potensial 100 V dan titik B memiliki potensial 50 V. Untuk memindahkan muatan positif sebesar 0,1 C dari B ke A, usaha yang diperlukan adalah…
- 5 J
- 10 J
- 15 J
- 50 J
- 150 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Usaha (W) = q × ΔV = q × (V_akhir – V_awal). Dalam kasus ini, V_akhir = V_A dan V_awal = V_B. W = 0,1 C × (100 V – 50 V) = 0,1 C × 50 V = 5 J.
19. Sebuah kapasitor keping sejajar dengan udara sebagai dielektrik memiliki kapasitansi C. Jika ruang antar keping diisi penuh dengan bahan dielektrik yang konstanta dielektriknya 5, maka kapasitansinya menjadi…
- 1/5 C
- C
- 5C
- 25C
- 1/25 C
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Kapasitansi kapasitor dengan dielektrik (C’) adalah κ kali kapasitansi tanpa dielektrik (C). Jadi, C’ = κC = 5C.
20. Dua muatan, q₁ positif dan q₂ negatif, diletakkan berdekatan. Gaya Coulomb yang dialami q₁ oleh q₂ adalah…
- Menjauhi q₂
- Menuju q₂
- Tegak lurus q₂
- Searah dengan medan listrik
- Berlawanan arah dengan medan listrik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Muatan listrik dengan jenis yang berbeda akan saling tarik-menarik. Oleh karena itu, gaya yang dialami q₁ oleh q₂ akan menuju ke arah q₂.
B. Isian Singkat
1. Dua buah muatan listrik yang sejenis akan mengalami gaya…
Jawaban: Tolak-menolak
2. Garis-garis medan listrik selalu berawal dari muatan… dan berakhir di muatan…
Jawaban: Positif, Negatif
3. Satuan dari kapasitansi adalah…
Jawaban: Farad
4. Jika sebuah benda menerima elektron, maka benda tersebut akan bermuatan…
Jawaban: Negatif
5. Untuk melindungi peralatan elektronik dari pengaruh medan listrik luar, biasanya digunakan sangkar…
Jawaban: Faraday
C. Menjodohkan
1. Jodohkanlah istilah-istilah berikut dengan definisi yang tepat!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Hukum Coulomb | Menggambarkan gaya interaksi antar muatan listrik |
| Medan Listrik | Daerah di sekitar muatan listrik yang masih dipengaruhi gaya listrik |
| Potensial Listrik | Energi potensial per satuan muatan di suatu titik |
| Kapasitansi | Ukuran kemampuan kapasitor menyimpan muatan |
2. Jodohkanlah satuan besaran fisika listrik statis berikut dengan besaran yang sesuai!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Volt | Potensial Listrik |
| Coulomb | Muatan Listrik |
| Farad | Kapasitansi |
| Newton | Gaya Coulomb |
D. Uraian
1. Jelaskan perbedaan antara konduktor, isolator, dan semikonduktor dalam konteks perpindahan muatan listrik! Berikan contoh masing-masing 2 benda.
Konduktor: Bahan yang mudah menghantarkan listrik karena memiliki banyak elektron bebas yang mudah bergerak. Contoh: Tembaga, Aluminium. Isolator: Bahan yang sulit menghantarkan listrik karena elektronnya terikat kuat pada atom dan tidak mudah bergerak bebas. Contoh: Kaca, Karet. Semikonduktor: Bahan yang daya hantarnya berada di antara konduktor dan isolator, dan dapat diatur dengan perubahan suhu atau penambahan doping. Contoh: Silikon, Germanium.
2. Tentukan besar dan arah gaya Coulomb yang dialami oleh muatan q₂ = +4 µC jika terdapat muatan q₁ = +2 µC pada jarak 30 cm di sebelah kiri q₂ dan muatan q₃ = -5 µC pada jarak 20 cm di sebelah kanan q₂. (k = 9 × 10⁹ Nm²/C²)
1. Gaya F₁₂ (dari q₁ ke q₂): Karena sejenis (+,+), tolak-menolak. Arah ke kanan. F₁₂ = k |q₁q₂| / r₁₂² = (9×10⁹)(2×10⁻⁶)(4×10⁻⁶) / (0,3)² = 0,8 N. 2. Gaya F₃₂ (dari q₃ ke q₂): Karena berbeda jenis (-,+), tarik-menarik. Arah ke kanan. F₃₂ = k |q₃q₂| / r₃₂² = (9×10⁹)(5×10⁻⁶)(4×10⁻⁶) / (0,2)² = 4,5 N. 3. Resultan Gaya pada q₂: F_total = F₁₂ + F₃₂ (karena searah) = 0,8 N + 4,5 N = 5,3 N. Arah: Ke kanan (menjauhi q₁ dan mendekati q₃).
3. Jelaskan konsep dasar dari kapasitor dan sebutkan 3 faktor yang mempengaruhi nilai kapasitansinya!
Konsep Kapasitor: Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik dan energi listrik dalam bentuk medan listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor (keping) yang dipisahkan oleh bahan dielektrik (isolator). Ketika tegangan diterapkan, muatan positif terkumpul di satu keping dan muatan negatif di keping lainnya, menciptakan medan listrik di antara keping tersebut. Faktor yang mempengaruhi kapasitansi (C): 1. Luas permukaan keping (A): Semakin besar luas keping, semakin besar kapasitansinya (C ∝ A). 2. Jarak antar keping (d): Semakin kecil jarak antar keping, semakin besar kapasitansinya (C ∝ 1/d). 3. Konstanta dielektrik (κ) bahan di antara keping: Semakin besar konstanta dielektrik bahan, semakin besar kapasitansinya (C ∝ κ).
4. Sebuah elektron (muatan -1,6 × 10⁻¹⁹ C) bergerak dari titik A ke titik B. Jika potensial di titik A adalah 150 V dan potensial di titik B adalah 50 V, hitunglah perubahan energi potensial elektron tersebut!
Perubahan energi potensial (ΔEP) = q × ΔV = q × (V_B – V_A). ΔEP = (-1,6 × 10⁻¹⁹ C) × (50 V – 150 V) = (-1,6 × 10⁻¹⁹ C) × (-100 V) = +1,6 × 10⁻¹⁷ J. Perubahan energi potensialnya adalah +1,6 × 10⁻¹⁷ J (meningkat).
5. Terangkan prinsip kerja generator Van de Graaff dan tujuan utama penggunaannya!
Prinsip Kerja: Generator Van de Graaff bekerja berdasarkan prinsip listrik statis, yaitu pemindahan muatan listrik melalui gesekan (triboelektrik) dan induksi elektrostatik. Sebuah sabuk isolator (karet) digerakkan oleh motor untuk menggosok sikat logam di bagian bawah, menghasilkan muatan (misalnya, positif). Muatan ini kemudian dibawa oleh sabuk ke kubah logam berongga di bagian atas. Di dalam kubah, sikat logam kedua menyentuh sabuk dan mentransfer muatan ke permukaan luar kubah. Karena muatan cenderung menyebar di permukaan luar konduktor, muatan terus terkumpul di kubah, menghasilkan potensial listrik yang sangat tinggi. Tujuan Utama Penggunaan: Generator Van de Graaff digunakan untuk menghasilkan tegangan (potensial listrik) yang sangat tinggi (jutaan volt) untuk berbagai tujuan, seperti: 1. Percobaan fisika nuklir (mempercepat partikel bermuatan). 2. Demonstrasi fenomena listrik statis (rambut berdiri, loncatan bunga api). 3. Sumber tegangan tinggi untuk penelitian.