Materi listrik adalah salah satu topik fundamental dalam fisika yang sangat relevan dengan kehidupan sehari-hari kita. Dari lampu yang menerangi rumah hingga perangkat elektronik canggih yang kita gunakan, semuanya beroperasi berdasarkan prinsip-prinsip listrik. Memahami konsep dasar seperti arus listrik, tegangan, hambatan, daya, dan energi listrik, serta hukum-hukum seperti Hukum Ohm dan Hukum Kirchoff, adalah kunci untuk menguasai materi ini. Latihan soal ini dirancang untuk membantu Anda menguji pemahaman Anda, memperkuat konsep-konsep penting, dan mempersiapkan diri untuk ujian. Dengan berbagai jenis soal mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga menjodohkan, Anda akan mendapatkan pengalaman belajar yang komprehensif dan mendalam tentang fisika listrik. Tingkatkan kemampuan Anda dalam menganalisis rangkaian listrik, menghitung besaran-besaran penting, dan memahami fenomena kelistrikan di sekitar kita.
Contoh Soal soal fisika materi listrik
A. Pilihan Ganda
1. Sebuah kawat penghantar memiliki hambatan 20 Ω. Jika kawat tersebut dialiri arus listrik sebesar 0,5 A, berapakah beda potensial pada ujung-ujung kawat tersebut?
- 5 V
- 10 V
- 20 V
- 40 V
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 10 V
Pembahasan: Berdasarkan Hukum Ohm, V = I × R. Dengan I = 0,5 A dan R = 20 Ω, maka V = 0,5 A × 20 Ω = 10 V.
2. Tiga buah resistor masing-masing 2 Ω, 3 Ω, dan 5 Ω dihubungkan secara seri. Berapakah hambatan total rangkaian tersebut?
- 1 Ω
- 5 Ω
- 10 Ω
- 30 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 10 Ω
Pembahasan: Untuk rangkaian seri, hambatan total (R_total) adalah jumlah dari hambatan masing-masing: R_total = R₁ + R₂ + R₃ = 2 Ω + 3 Ω + 5 Ω = 10 Ω.
3. Dua buah resistor masing-masing 6 Ω dan 3 Ω dihubungkan secara paralel. Berapakah hambatan total rangkaian tersebut?
- 1 Ω
- 2 Ω
- 9 Ω
- 18 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 2 Ω
Pembahasan: Untuk rangkaian paralel, 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂. Jadi, 1/R_total = 1/6 + 1/3 = 1/6 + 2/6 = 3/6 = 1/2. Maka, R_total = 2 Ω.
4. Sebuah lampu memiliki daya 60 W dan dipasang pada tegangan 220 V. Berapakah arus listrik yang mengalir melalui lampu tersebut?
- 0,27 A
- 3,67 A
- 13200 A
- 0,0045 A
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 0,27 A
Pembahasan: Daya (P) = Tegangan (V) × Arus (I). Jadi, I = P/V = 60 W / 220 V ≈ 0,27 A.
5. Berapakah energi listrik yang digunakan oleh sebuah setrika berdaya 300 W jika digunakan selama 10 menit?
- 30 J
- 3000 J
- 18000 J
- 180.000 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 180.000 J
Pembahasan: Energi (W) = Daya (P) × Waktu (t). Waktu harus dalam detik: 10 menit = 10 × 60 = 600 detik. Jadi, W = 300 W × 600 s = 180.000 J.
6. Dua buah muatan listrik positif masing-masing 2 μC dan 3 μC terpisah sejauh 3 cm. Jika konstanta Coulomb k = 9 × 10⁹ Nm²/C², berapakah gaya tolak-menolak antara kedua muatan tersebut?
- 6 N
- 60 N
- 600 N
- 6000 N
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 60 N
Pembahasan: Gaya Coulomb F = k × |q₁q₂| / r². Muatan q₁ = 2 × 10⁻⁶ C, q₂ = 3 × 10⁻⁶ C, r = 3 cm = 0,03 m. F = (9 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ × 3 × 10⁻⁶) / (0,03)² = (54 × 10⁻³) / (9 × 10⁻⁴) = 6 × 10¹ = 60 N.
7. Hukum Kirchoff I menyatakan bahwa jumlah arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum kekekalan…
- Energi
- Daya
- Muatan listrik
- Massa
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Muatan listrik
Pembahasan: Arus listrik adalah aliran muatan listrik per satuan waktu. Jika jumlah arus yang masuk sama dengan yang keluar, berarti tidak ada muatan yang hilang atau tercipta di titik percabangan, sehingga ini adalah hukum kekekalan muatan listrik.
8. Alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik dalam suatu rangkaian adalah…
- Voltmeter
- Ohmmeter
- Amperemeter
- Wattmeter
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Amperemeter
Pembahasan: Amperemeter adalah alat yang dirancang khusus untuk mengukur kuat arus listrik. Voltmeter untuk tegangan, Ohmmeter untuk hambatan, dan Wattmeter untuk daya.
9. Manakah pernyataan berikut yang benar mengenai hubungan antara hambatan jenis (ρ), panjang kawat (L), dan luas penampang kawat (A) terhadap hambatan (R) suatu penghantar?
- R berbanding terbalik dengan L dan berbanding lurus dengan A
- R berbanding lurus dengan L dan berbanding terbalik dengan A
- R berbanding lurus dengan L dan A
- R berbanding terbalik dengan L dan A
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: R berbanding lurus dengan L dan berbanding terbalik dengan A
Pembahasan: Rumus hambatan R = ρ × (L/A). Ini menunjukkan R berbanding lurus dengan ρ dan L, serta berbanding terbalik dengan A.
10. Sebuah kapasitor 50 μF dihubungkan dengan sumber tegangan 12 V. Berapakah muatan yang tersimpan dalam kapasitor tersebut?
- 4,17 μC
- 60 μC
- 600 μC
- 6000 μC
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 600 μC
Pembahasan: Muatan (Q) = Kapasitas (C) × Tegangan (V). Q = 50 μF × 12 V = 600 μC.
11. Fenomena pemanasan pada kawat penghantar ketika dialiri arus listrik dikenal sebagai efek…
- Faraday
- Maxwell
- Joule
- Ohm
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Joule
Pembahasan: Efek Joule adalah fenomena di mana energi listrik diubah menjadi energi panas saat arus mengalir melalui suatu penghantar yang memiliki hambatan.
12. Arah arus listrik konvensional didefinisikan sebagai arah aliran…
- Elektron
- Proton
- Muatan positif
- Neutron
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Muatan positif
Pembahasan: Secara konvensional, arah arus listrik diasumsikan sebagai arah aliran muatan positif, dari potensial tinggi ke potensial rendah, meskipun dalam kenyataannya di logam, elektron (muatan negatif) yang bergerak berlawanan arah.
13. Sebuah sumber tegangan memiliki GGL (Gaya Gerak Listrik) 1,5 V dan hambatan dalam 0,1 Ω. Jika dihubungkan dengan hambatan luar 0,9 Ω, berapakah kuat arus yang mengalir dalam rangkaian?
- 0,15 A
- 1,0 A
- 1,5 A
- 15 A
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 1,5 A
Pembahasan: Arus (I) = GGL / (R_luar + R_dalam) = 1,5 V / (0,9 Ω + 0,1 Ω) = 1,5 V / 1,0 Ω = 1,5 A.
14. Medan listrik pada suatu titik didefinisikan sebagai…
- Energi per satuan muatan uji
- Potensial per satuan muatan uji
- Gaya per satuan muatan uji
- Kerja per satuan muatan uji
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Gaya per satuan muatan uji
Pembahasan: Medan listrik (E) adalah gaya (F) yang dialami oleh muatan uji positif (q₀) per satuan muatan tersebut, yaitu E = F/q₀.
15. Bahan yang memiliki hambatan jenis sangat besar sehingga tidak dapat menghantarkan arus listrik disebut…
- Konduktor
- Semikonduktor
- Isolator
- Superkonduktor
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Isolator
Pembahasan: Isolator adalah bahan yang memiliki hambatan jenis sangat tinggi dan tidak mudah menghantarkan listrik. Konduktor menghantarkan listrik dengan baik, semikonduktor di antara keduanya.
16. Sebuah alat listrik memiliki spesifikasi 100 W/220 V. Berapakah hambatan alat tersebut?
- 2,2 Ω
- 4,84 Ω
- 48,4 Ω
- 484 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 484 Ω
Pembahasan: Daya (P) = V²/R. Maka R = V²/P = (220 V)² / 100 W = 48400 / 100 = 484 Ω.
17. Pernyataan yang benar mengenai pemasangan Voltmeter dalam rangkaian listrik adalah…
- Dipasang seri dengan komponen yang akan diukur tegangannya
- Dipasang paralel dengan komponen yang akan diukur tegangannya
- Dipasang di mana saja dalam rangkaian
- Hanya bisa mengukur arus listrik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Dipasang paralel dengan komponen yang akan diukur tegangannya
Pembahasan: Voltmeter dipasang secara paralel untuk mengukur beda potensial (tegangan) pada dua titik dalam rangkaian. Amperemeter dipasang seri.
18. Jika dua buah kapasitor C₁ dan C₂ dihubungkan secara seri, kapasitas totalnya (C_total) adalah…
- C_total = C₁ + C₂
- C_total = C₁ × C₂
- 1/C_total = 1/C₁ + 1/C₂
- C_total = (C₁ × C₂) / (C₁ + C₂)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 1/C_total = 1/C₁ + 1/C₂
Pembahasan: Untuk kapasitor yang dihubungkan seri, rumus kapasitas totalnya adalah 1/C_total = 1/C₁ + 1/C₂. Sedangkan untuk paralel, C_total = C₁ + C₂.
19. Sebuah kawat penghantar memiliki panjang L dan luas penampang A. Jika kawat tersebut diganti dengan kawat sejenis yang panjangnya 2L dan luas penampangnya A/2, maka hambatannya akan menjadi…
- 1/4 kali hambatan semula
- 1/2 kali hambatan semula
- 2 kali hambatan semula
- 4 kali hambatan semula
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 4 kali hambatan semula
Pembahasan: Hambatan R = ρ × (L/A). Jika L’ = 2L dan A’ = A/2, maka R’ = ρ × (2L / (A/2)) = ρ × (4L/A) = 4 × R. Jadi, hambatannya menjadi 4 kali hambatan semula.
20. Berapakah beda potensial listrik pada suatu titik yang berjarak 9 cm dari muatan titik +3 μC? (k = 9 × 10⁹ Nm²/C²)
- 30.000 V
- 90.000 V
- 100.000 V
- 300.000 V
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 300.000 V
Pembahasan: Potensial listrik V = k × q/r. q = 3 × 10⁻⁶ C, r = 9 cm = 0,09 m. V = (9 × 10⁹ × 3 × 10⁻⁶) / 0,09 = (27 × 10³) / 0,09 = 300 × 10³ V = 300.000 V.
B. Isian Singkat
1. Satuan internasional untuk energi listrik adalah…
Jawaban: Joule
2. Alat yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak adalah…
Jawaban: Motor listrik
3. Bunyi Hukum Ohm secara matematis dapat ditulis sebagai V = I × R, di mana V adalah tegangan, I adalah arus, dan R adalah…
Jawaban: Hambatan
4. Komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik adalah…
Jawaban: Kapasitor
5. Jika sebuah rangkaian listrik memiliki sumber tegangan 12 V dan hambatan total 4 Ω, berapakah kuat arus yang mengalir?
Jawaban: 3 A
C. Menjodohkan
1. Jodohkanlah besaran fisika berikut dengan satuan SI yang tepat!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Arus Listrik | Ampere |
| Tegangan Listrik | Volt |
| Hambatan Listrik | Ohm |
| Daya Listrik | Watt |
| Energi Listrik | Joule |
2. Jodohkanlah istilah-istilah berikut dengan definisi atau konsep yang sesuai!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Hukum Ohm | Hubungan antara tegangan, arus, dan hambatan |
| Konduktor | Bahan yang mudah menghantarkan listrik |
| Isolator | Bahan yang sulit menghantarkan listrik |
| Gaya Coulomb | Gaya interaksi antar muatan listrik |
| Kapasitor | Komponen penyimpan muatan listrik |
D. Uraian
1. Jelaskan perbedaan mendasar antara rangkaian seri dan rangkaian paralel pada hambatan listrik, beserta kelebihan dan kekurangan masing-masing dalam aplikasi sehari-hari!
Pada rangkaian seri, hambatan disusun berurutan sehingga arus yang mengalir melalui setiap hambatan adalah sama, sedangkan tegangan terbagi. Kelebihannya adalah pemasangan sederhana dan arus yang sama di setiap komponen. Kekurangannya, jika satu komponen putus, seluruh rangkaian akan mati, dan hambatan total menjadi besar. Pada rangkaian paralel, hambatan disusun bercabang sehingga tegangan pada setiap hambatan adalah sama, sedangkan arus terbagi. Kelebihannya, jika satu komponen putus, komponen lain tetap berfungsi, dan hambatan total menjadi lebih kecil. Kekurangannya, pemasangan lebih kompleks dan membutuhkan lebih banyak kabel. Contoh aplikasi seri adalah lampu hias Natal kuno, sedangkan paralel adalah instalasi listrik rumah tangga.
2. Sebuah rumah tangga menggunakan peralatan listrik sebagai berikut: 4 lampu @ 20 W menyala 8 jam/hari, 1 kulkas 100 W menyala 24 jam/hari, dan 1 setrika 300 W digunakan 2 jam/hari. Jika tarif listrik adalah Rp 1.500/kWh, hitunglah total biaya listrik yang harus dibayar dalam 1 bulan (30 hari)!
Lampu: 4 × 20 W × 8 jam/hari = 640 Wh/hari. Kulkas: 1 × 100 W × 24 jam/hari = 2400 Wh/hari. Setrika: 1 × 300 W × 2 jam/hari = 600 Wh/hari. Total energi per hari = (640 + 2400 + 600) Wh = 3640 Wh = 3,64 kWh/hari. Total energi per bulan = 3,64 kWh/hari × 30 hari = 109,2 kWh. Biaya total = 109,2 kWh × Rp 1.500/kWh = Rp 163.800.
3. Dua buah muatan listrik, q₁ = +4 μC dan q₂ = -8 μC, terpisah sejauh 6 cm. Tentukan besar dan arah gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q₁!
Muatan q₁ = 4 × 10⁻⁶ C, q₂ = -8 × 10⁻⁶ C, r = 6 cm = 0,06 m. Konstanta k = 9 × 10⁹ Nm²/C². Gaya Coulomb F = k × |q₁q₂| / r². F = (9 × 10⁹ × 4 × 10⁻⁶ × 8 × 10⁻⁶) / (0,06)² = (288 × 10⁻³) / (36 × 10⁻⁴) = 8 × 10¹ = 80 N. Karena muatan q₁ positif dan q₂ negatif, gaya yang bekerja adalah gaya tarik-menarik. Jadi, besar gaya adalah 80 N dan arahnya menuju muatan q₂.
4. Jelaskan prinsip kerja dari generator listrik sederhana!
Generator listrik bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, yaitu timbulnya arus listrik (GGL induksi) pada penghantar yang bergerak memotong medan magnet atau ketika fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan berubah. Pada generator sederhana, terdapat kumparan kawat yang diputar dalam medan magnet. Saat kumparan berputar, sisi-sisi kumparan akan memotong garis-garis gaya magnet. Perubahan fluks magnetik ini menyebabkan timbulnya GGL induksi pada kumparan, yang kemudian menghasilkan arus listrik. Energi gerak (mekanik) yang digunakan untuk memutar kumparan diubah menjadi energi listrik.
5. Sebuah rangkaian listrik terdiri dari dua buah resistor R₁ = 6 Ω dan R₂ = 12 Ω yang dihubungkan paralel, kemudian dihubungkan seri dengan resistor R₃ = 4 Ω dan sumber tegangan 24 V. Hitunglah: a) Hambatan total rangkaian, b) Kuat arus total yang mengalir dalam rangkaian!
a) Hambatan total rangkaian: Untuk R₁ dan R₂ paralel: 1/R_p = 1/R₁ + 1/R₂ = 1/6 + 1/12 = 2/12 + 1/12 = 3/12 = 1/4. Maka R_p = 4 Ω. Kemudian R_p seri dengan R₃: R_total = R_p + R₃ = 4 Ω + 4 Ω = 8 Ω. b) Kuat arus total: I_total = V_total / R_total = 24 V / 8 Ω = 3 A.