soal fisika hukum coulomb

Pengantar Hukum Coulomb

Hukum Coulomb adalah salah satu prinsip fundamental dalam fisika yang menjelaskan gaya interaksi antara dua muatan listrik. Ditemukan oleh Charles-Augustin de Coulomb, hukum ini menjadi dasar bagi pemahaman kita tentang listrik statis dan medan listrik. Gaya Coulomb berperan penting dalam berbagai fenomena, mulai dari interaksi antar partikel subatomik hingga cara kerja perangkat elektronik sehari-hari.

Untuk membantu Anda menguasai konsep ini, kami telah menyusun serangkaian soal latihan yang mencakup berbagai tipe, mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga menjodohkan. Soal-soal ini dirancang untuk menguji pemahaman Anda tentang rumus, konsep, dan aplikasi Hukum Coulomb dalam berbagai skenario. Mari kita mulai berlatih!

I. Pilihan Ganda

1. Dua buah muatan listrik q₁ dan q₂ terpisah sejauh r. Jika besar muatan q₁ diperbesar menjadi 2 kali semula, sementara muatan q₂ dan jarak r tetap, maka gaya Coulomb yang bekerja antara kedua muatan akan menjadi?

   1. 1/2 kali semula
   2. 2 kali semula
   3. 4 kali semula
   4. 1/4 kali semula
   5. Tetap

2. Konstanta Coulomb (k) memiliki nilai sekitar 9 x 10⁹ Nm²/C². Satuan dari konstanta ini menunjukkan hubungan antara?

   1. Gaya, massa, dan jarak
   2. Gaya, muatan, dan jarak
   3. Muatan, energi, dan waktu
   4. Massa, kecepatan, dan waktu
   5. Gaya, kecepatan, dan jarak

3. Jika dua muatan sejenis didekatkan, maka gaya yang terjadi adalah?

   1. Tarik-menarik
   2. Tolak-menolak
   3. Tidak ada gaya
   4. Gaya sentripetal
   5. Gaya sentrifugal

4. Sebuah muatan sebesar +4 μC (mikro Coulomb) dan -2 μC terpisah sejauh 3 cm. Berapa besar gaya Coulomb yang bekerja di antara keduanya? (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)

   1. 80 N
   2. 800 N
   3. 8 x 10³ N
   4. 8 x 10⁴ N
   5. 8 x 10⁵ N

5. Besarnya gaya Coulomb berbanding lurus dengan?

   1. Jarak antar muatan
   2. Kuadrat jarak antar muatan
   3. Besar muatan-muatan
   4. Akar kuadrat jarak antar muatan
   5. Akar kuadrat besar muatan-muatan

6. Dua muatan q₁ = +6 μC dan q₂ = -8 μC terpisah sejauh 4 cm. Jika k = 9 x 10⁹ Nm²/C², maka besar gaya Coulomb antara kedua muatan adalah?

   1. 270 N
   2. 2.700 N
   3. 27.000 N
   4. 270.000 N
   5. 2.7 x 10⁶ N

7. Medan listrik adalah daerah di sekitar muatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Satuan SI untuk kuat medan listrik adalah?

   1. Newton (N)
   2. Coulomb (C)
   3. Volt (V)
   4. Newton per Coulomb (N/C)
   5. Joule (J)

8. Sebuah titik P berada 2 cm dari muatan sumber sebesar +5 μC. Kuat medan listrik di titik P adalah? (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)

   1. 1,125 x 10⁸ N/C
   2. 2,25 x 10⁸ N/C
   3. 4,5 x 10⁸ N/C
   4. 1,125 x 10⁹ N/C
   5. 2,25 x 10⁹ N/C

9. Gaya Coulomb antara dua muatan q₁ dan q₂ adalah F. Jika jarak antara kedua muatan dijadikan 2r, maka gaya Coulomb yang baru menjadi?

   1. 2F
   2. 4F
   3. F/2
   4. F/4
   5. F

10. Muatan listrik yang bergerak akan menghasilkan?

    1. Medan gravitasi
    2. Medan magnet
    3. Medan listrik statis
    4. Medan nuklir
    5. Medan termal

11. Dua muatan titik identik masing-masing sebesar +q terpisah sejauh d. Gaya tolak-menolak antara keduanya adalah F. Jika salah satu muatan diganti dengan +2q, dan jarak menjadi 2d, maka gaya tolak-menolak yang baru adalah?

    1. F/2
    2. F
    3. 2F
    4. F/4
    5. 4F

12. Pernyataan yang benar tentang Hukum Coulomb adalah?

    1. Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan
    2. Gaya Coulomb berbanding lurus dengan jarak antar muatan
    3. Gaya Coulomb hanya berlaku untuk muatan positif
    4. Gaya Coulomb hanya berlaku untuk muatan negatif
    5. Gaya Coulomb tidak dipengaruhi oleh medium

13. Jika konstanta dielektrik suatu medium adalah εr, maka konstanta Coulomb di medium tersebut (k’) akan menjadi?

    1. k / εr
    2. k . εr
    3. k + εr
    4. k – εr
    5. k

14. Dua muatan q₁ = +2 μC dan q₂ = +3 μC terpisah sejauh 10 cm di udara. Berapa besar gaya Coulomb antara keduanya? (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)

    1. 0,54 N
    2. 5,4 N
    3. 54 N
    4. 540 N
    5. 5400 N

15. Muatan uji positif ditempatkan dalam medan listrik. Arah gaya listrik yang dialami muatan uji tersebut searah dengan?

    1. Arah medan magnet
    2. Arah medan gravitasi
    3. Arah medan listrik
    4. Arah kecepatan muatan
    5. Arah percepatan muatan

16. Sebuah benda memiliki kelebihan elektron. Ini berarti benda tersebut bermuatan?

    1. Positif
    2. Negatif
    3. Netral
    4. Tidak bermuatan
    5. Bisa positif atau negatif

17. Muatan listrik dapat berpindah dari satu benda ke benda lain melalui proses?

    1. Konduksi, konveksi, radiasi
    2. Induksi, konduksi, gesekan
    3. Radiasi, induksi, gesekan
    4. Konveksi, induksi, radiasi
    5. Konduksi, konveksi, gesekan

18. Bagaimana hubungan antara kuat medan listrik (E), gaya Coulomb (F), dan muatan uji (q)?

    1. E = F . q
    2. E = q / F
    3. F = E / q
    4. E = F / q
    5. q = E . F

19. Dua muatan identik +Q terpisah sejauh R. Gaya tolak antara keduanya adalah F. Jika jarak diubah menjadi R/2, gaya tolaknya menjadi?

    1. F/4
    2. F/2
    3. 2F
    4. 4F
    5. F

20. Manakah dari pernyataan berikut yang salah mengenai Hukum Coulomb?

    1. Gaya Coulomb adalah gaya non-kontak.
    2. Gaya Coulomb bisa tarik-menarik atau tolak-menolak.
    3. Gaya Coulomb berbanding lurus dengan kuadrat jarak antar muatan.
    4. Gaya Coulomb bekerja sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan.
    5. Gaya Coulomb berbanding lurus dengan hasil kali besar muatan-muatan.

II. Isian Singkat

1. Jika muatan q₁ = 3 μC dan q₂ = 4 μC terpisah sejauh 2 cm, berapakah besar gaya Coulomb antara keduanya? (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)

2. Sebuah benda bermuatan -5 μC. Tentukan besar kuat medan listrik pada jarak 10 cm dari muatan tersebut. (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)

3. Dua muatan +2 μC dan -2 μC terpisah sejauh 6 cm. Berapa besar gaya tarik-menariknya? (k = 9 x 10⁹ Nm²/C²)

4. Jika gaya Coulomb antara dua muatan adalah 10 N dan jarak antar muatan diperkecil menjadi setengahnya, berapakah gaya Coulomb yang baru?

5. Sebuah medan listrik sebesar 200 N/C bekerja pada muatan uji sebesar 0,5 C. Berapakah besar gaya listrik yang dialami muatan uji tersebut?

III. Uraian

1. Jelaskan bunyi Hukum Coulomb dan tuliskan rumusnya. Sebutkan pula apa saja besaran yang memengaruhi besar gaya Coulomb.

2. Dua muatan A sebesar +8 μC dan muatan B sebesar -6 μC terpisah sejauh 4 cm. Hitunglah besar dan arah gaya Coulomb yang bekerja pada masing-masing muatan. Gambarkan ilustrasinya!

3. Jelaskan perbedaan antara konduktor, isolator, dan semikonduktor dalam konteks perpindahan muatan listrik.

4. Tiga muatan segaris q₁ = +1 μC, q₂ = -2 μC, dan q₃ = +3 μC. Jarak q₁ ke q₂ adalah 1 cm, dan q₂ ke q₃ adalah 2 cm. Tentukan besar gaya total yang bekerja pada muatan q₂.

5. Bagaimana Hukum Coulomb dapat menjelaskan fenomena petir?

IV. Menjodohkan

Jodohkan pernyataan di kolom kiri dengan konsep atau rumus yang tepat di kolom kanan.

Set 1:

1. Gaya Coulomb
2. Konstanta Coulomb
3. Muatan listrik
4. Medan listrik
5. Hukum Gauss

Pilihan Jawaban:

1. Kq/r²
2. 9 x 10⁹ Nm²/C²
3. q
4. ΣE.dA = q/ε₀
5. k q₁q₂/r²

Set 2:

1. Satuan muatan
2. Satuan gaya
3. Satuan konstanta Coulomb
4. Gaya tarik-menarik
5. Gaya tolak-menolak

Pilihan Jawaban:

1. Newton (N)
2. Coulomb (C)
3. Muatan sejenis
4. Muatan tidak sejenis
5. Nm²/C²

Kunci Jawaban

I. Pilihan Ganda

1. Jawaban: B

   Penjelasan: Gaya Coulomb F berbanding lurus dengan hasil kali muatan (F ∝ q₁q₂). Jika q₁ menjadi 2q₁, maka F akan menjadi 2 kali semula.

2. Jawaban: B

   Penjelasan: Konstanta Coulomb k menghubungkan gaya (N), muatan (C), dan jarak (m) dalam rumus F = k q₁q₂/r².

3. Jawaban: B

   Penjelasan: Muatan sejenis (positif dengan positif, atau negatif dengan negatif) akan saling tolak-menolak.

4. Jawaban: B

   Penjelasan: F = k q₁q₂/r² = (9 x 10⁹ Nm²/C²) (4 x 10⁻⁶ C)(2 x 10⁻⁶ C) / (3 x 10⁻² m)² = (9 x 10⁹)(8 x 10⁻¹²) / (9 x 10⁻⁴) = 8 x 10⁻³ / 10⁻⁴ = 8 x 10¹ = 800 N.

5. Jawaban: C

   Penjelasan: Rumus Hukum Coulomb F = k q₁q₂/r² menunjukkan bahwa F berbanding lurus dengan hasil kali besar muatan-muatan (q₁q₂).

6. Jawaban: B

   Penjelasan: F = k q₁q₂/r² = (9 x 10⁹)(6 x 10⁻⁶)(8 x 10⁻⁶) / (4 x 10⁻² )² = (9 x 10⁹)(48 x 10⁻¹²) / (16 x 10⁻⁴) = (9 x 48 / 16) x 10⁹⁻¹²⁺⁴ = (9 x 3) x 10¹ = 27 x 10 = 270 N.

7. Jawaban: D

   Penjelasan: Kuat medan listrik E = F/q, sehingga satuannya adalah Newton per Coulomb (N/C).

8. Jawaban: A

   Penjelasan: E = k q/r² = (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.

9. Jawaban: D

   Penjelasan: F berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (F ∝ 1/r²). Jika r menjadi 2r, maka F menjadi F / (2)² = F/4.

10. Jawaban: B

    Penjelasan: Muatan listrik yang bergerak (arus listrik) akan menghasilkan medan magnet.

11. Jawaban: A

    Penjelasan: Gaya awal F = k q²/d². Gaya baru F’ = k (q)(2q) / (2d)² = k 2q² / 4d² = (1/2) k q²/d² = F/2.

12. Jawaban: A

    Penjelasan: Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan (F ∝ 1/r²).

13. Jawaban: A

    Penjelasan: Konstanta Coulomb di medium (k’) = k / εr, di mana εr adalah konstanta dielektrik relatif medium.

14. Jawaban: B

    Penjelasan: F = k q₁q₂/r² = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶)(3 x 10⁻⁶) / (10 x 10⁻² )² = (9 x 10⁹)(6 x 10⁻¹²) / (100 x 10⁻⁴) = 54 x 10⁻³ / 10⁻² = 54 x 10⁻¹ = 5,4 N.

15. Jawaban: C

    Penjelasan: Arah gaya listrik pada muatan uji positif selalu searah dengan arah medan listrik.

16. Jawaban: B

    Penjelasan: Benda bermuatan negatif karena kelebihan elektron.

17. Jawaban: B

    Penjelasan: Perpindahan muatan dapat terjadi melalui induksi (tanpa kontak), konduksi (dengan kontak), dan gesekan (triboelektrik).

18. Jawaban: D

    Penjelasan: Definisi kuat medan listrik adalah gaya per satuan muatan, E = F / q.

19. Jawaban: D

    Penjelasan: F ∝ 1/R². Jika R menjadi R/2, maka F’ = F / (1/2)² = F / (1/4) = 4F.

20. Jawaban: C

    Penjelasan: Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan, bukan berbanding lurus.

II. Isian Singkat

1. Jawaban: 270 N

   Perhitungan: F = (9 x 10⁹)(3 x 10⁻⁶)(4 x 10⁻⁶) / (2 x 10⁻²)² = (9 x 10⁹)(12 x 10⁻¹²) / (4 x 10⁻⁴) = (108 x 10⁻³) / (4 x 10⁻⁴) = 27 x 10¹ = 270 N.

2. Jawaban: 4,5 x 10⁶ N/C

   Perhitungan: E = k q/r² = (9 x 10⁹)(5 x 10⁻⁶) / (10 x 10⁻² )² = (45 x 10³) / (100 x 10⁻⁴) = 45 x 10³ / 10⁻² = 45 x 10⁵ = 4,5 x 10⁶ N/C.

3. Jawaban: 100 N

   Perhitungan: F = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶)(2 x 10⁻⁶) / (6 x 10⁻² )² = (9 x 10⁹)(4 x 10⁻¹²) / (36 x 10⁻⁴) = (36 x 10⁻³) / (36 x 10⁻⁴) = 1 x 10¹ = 10 N. (Terdapat kesalahan perhitungan di contoh, seharusnya 10 N)

   Koreksi: F = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶)(2 x 10⁻⁶) / (0,06)² = (36 x 10⁻³) / (36 x 10⁻⁴) = 10 N. (Mohon maaf, ada kesalahan perhitungan di awal, seharusnya 10 N, bukan 100 N. Saya akan mengoreksi ini di jawaban akhir.)

   Revisi Jawaban: F = k q₁q₂/r² = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶)(2 x 10⁻⁶) / (0,06)² = (9 x 10⁹)(4 x 10⁻¹²) / (3.6 x 10⁻³) = 36 x 10⁻³ / (3.6 x 10⁻³) = 10 N.

   Jadi jawaban yang benar adalah 10 N.

4. Jawaban: 40 N

   Penjelasan: F ∝ 1/r². Jika r menjadi r/2, maka F’ = F / (1/2)² = F / (1/4) = 4F. Jadi, 4 x 10 N = 40 N.

5. Jawaban: 100 N

   Perhitungan: F = E . q = 200 N/C x 0,5 C = 100 N.

III. Uraian

1. Jawaban:

   Bunyi Hukum Coulomb: “Gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan hasil kali besar kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.”

   Rumus: F = k . q₁q₂ / r²

   Besaran yang memengaruhi gaya Coulomb: Besar muatan pertama (q₁), besar muatan kedua (q₂), jarak antar muatan (r), dan konstanta Coulomb (k) yang bergantung pada medium.

2. Jawaban:

   Diketahui: qA = +8 μC = 8 x 10⁻⁶ C, qB = -6 μC = -6 x 10⁻⁶ C, r = 4 cm = 0,04 m.

   F = k qA qB / r² = (9 x 10⁹)(8 x 10⁻⁶)(6 x 10⁻⁶) / (0,04)²

   F = (9 x 10⁹)(48 x 10⁻¹²) / (16 x 10⁻⁴) = (432 x 10⁻³) / (16 x 10⁻⁴) = 27 x 10¹ = 270 N.

   Arah gaya: Karena muatan A positif dan muatan B negatif, gaya yang terjadi adalah tarik-menarik. Muatan A akan ditarik ke B, dan muatan B akan ditarik ke A.

   Ilustrasi: (Tidak dapat digambar dalam teks, namun secara konseptual dua muatan saling mendekat dengan panah gaya berlawanan arah namun segaris).

3. Jawaban:

   Konduktor: Bahan yang mudah menghantarkan listrik karena elektron valensinya bebas bergerak. Contoh: logam (tembaga, aluminium).

   Isolator: Bahan yang sangat sulit menghantarkan listrik karena elektron valensinya terikat kuat pada atom. Contoh: karet, plastik, kaca.

   Semikonduktor: Bahan yang daya hantar listriknya berada di antara konduktor dan isolator, dan dapat diatur dengan perubahan suhu atau penambahan doping. Contoh: silikon, germanium.

4. Jawaban:

   q₁ = +1 μC, q₂ = -2 μC, q₃ = +3 μC

   r₁₂ = 1 cm = 0,01 m, r₂₃ = 2 cm = 0,02 m

   Gaya pada q₂ oleh q₁ (F₂₁): Karena q₁ (+) dan q₂ (-), gaya tarik-menarik. Arah ke kiri (mendekati q₁).

   F₂₁ = k q₁q₂ / r₁₂² = (9 x 10⁹)(1 x 10⁻⁶)(2 x 10⁻⁶) / (0,01)² = (18 x 10⁻³) / (1 x 10⁻⁴) = 180 N.

   Gaya pada q₂ oleh q₃ (F₂₃): Karena q₂ (-) dan q₃ (+), gaya tarik-menarik. Arah ke kanan (mendekati q₃).

   F₂₃ = k q₂q₃ / r₂₃² = (9 x 10⁹)(2 x 10⁻⁶)(3 x 10⁻⁶) / (0,02)² = (54 x 10⁻³) / (4 x 10⁻⁴) = 135 N.

   Gaya total pada q₂: Karena F₂₁ dan F₂₃ berlawanan arah, F_total = |F₂₁ – F₂₃| = |180 N – 135 N| = 45 N.

   Arah gaya total adalah ke kiri (arah F₂₁ karena lebih besar).

5. Jawaban:

   Fenomena petir dapat dijelaskan dengan Hukum Coulomb. Saat awan bergerak dan bergesekan, terjadi pemisahan muatan, di mana bagian atas awan bermuatan positif dan bagian bawah awan bermuatan negatif (atau sebaliknya). Bumi di bawah awan yang bermuatan negatif akan terinduksi menjadi bermuatan positif.

   Ketika perbedaan potensial listrik (dan kuat medan listrik) antara awan dan bumi, atau antar awan, menjadi sangat besar, gaya Coulomb tarik-menarik antara muatan-muatan berlawanan menjadi sangat kuat. Udara (isolator) tidak lagi mampu menahan tegangan listrik yang tinggi ini, sehingga terjadi pelepasan muatan listrik secara tiba-tiba dalam bentuk kilat atau petir. Ini adalah peristiwa di mana muatan dalam jumlah besar mengalir dengan cepat untuk menetralkan perbedaan muatan yang sangat besar, didorong oleh gaya Coulomb.

IV. Menjodohkan

Set 1:

1. 1 – E
2. 2 – B
3. 3 – C
4. 4 – A
5. 5 – D

Set 2:

1. 1 – B
2. 2 – A
3. 3 – E
4. 4 – D
5. 5 – C