Pembahasan Fisika UN: Gaya Coulomb

Pembahasan soal-soal Ujian Nasional (UN) SMA-IPA bidang studi Fisika dengan materi pembahasan Gaya Coulomb.

Soal Gaya Coulomb UN 2013

Dua buah muatan listrik diletakkan terpisah seperti pada gambar.

Muatan di A adalah 8 μC dan gaya tarik-menarik yang bekerja pada kedua muatan adalah 45 N. Jika muatan A digeser ke kanan sejauh 1 cm dan k = 9.10⁹ N.m².C⁻² maka gaya tarik-menarik yang bekerja pada kedua muatan sekarang adalah ....

A.   45 N
B.   60 N
C.   80 N
D.   90 N
E.   120 N

Pembahasan

Pada jarak 4 cm, besar gaya tarik-menarik antarmuatan atau gaya Coulomb sebesar 45 N. 

r₁ = 4 cm 
F₁ = 45 N

Kemudian muatan A digeser ke kanan sejauh 1 cm sehingga jarak kedua muatan menjadi 3 cm. 

r₂ = 3 cm 
F₂ = ?

Artinya, kita disuruh mencari hubungan antara perubahan jarak terhadap perubahan gaya Coulomb. Rumus yang berlaku untuk hubungan tersebut adalah

k adalah konstanta, sedangkan Q_A dan Q_B pada keadaan (1) dan (2) nilainya sama sehingga hubungan F dan r adalah

       = 80

Jadi, gaya Coulomb yang bekerja setelah jaraknya digeser 1 cm adalah 80 N (C).   

Soal Gaya Coulomb UN 2015

Perhatikan gambar berikut!

Letak muatan ketiga agar muatan ketiga tersebut tidak mengalami gaya Coulomb adalah ... (k = 9.10⁹ N.m².C⁻² dan μC = 10⁻⁶ ).

A.   2,4 dari muatan A
B.   2,4 dari muatan B
C.   4,8 dari muatan A
D.   4,8 dari muatan B
E.   5,0 dari muatan B

Pembahasan

Perhatikan gaya Coulomb yang terjadi pada muatan-muatan berikut ini!

Misal muatan ketiga tersebut adalah C. Jika tidak disebutkan dalam soal maka muatan C adalah positif.

Antara muatan C dan A terjadi gaya tolak-menolak sehingga di titik C arah gayanya ke kanan, kita sebut F_A. Antara muatan C dan B juga terjadi gaya tolak-menolak sehingga di titik C arah gayanya ke kiri, kita sebut F_B.

Agar muatan C tidak mengalami gaya Coulomb, maka besar gaya Coulomb ke kanan yang dialaminya harus sama dengan besar gaya Coulomb ke kiri. 

F_A = F_B

Sementara itu, gaya Coulomb yang terjadi antarmuatan dirumuskan sebagai

Berdasarkan rumus di atas, diperoleh:

          2x = 24 − 3x  [dikalikan silang]
          5x = 24
            x = 4,8

Jadi, letak muatan ketiga tersebut adalah 4,8 cm dari titik A (C).

Soal Gaya Coulomb UN 2011

Perhatikan gambar di bawah ini!

Ketiga muatan listrik q₁, q, dan q₂ adalah segaris. Bila q = 5,0 μC dan d = 30 cm maka besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q adalah … (k = 9 × 10⁹ Nm²/C²)

A.   7,5 N menuju q₁
B.   7,5 N menuju q₂
C.   15 N menuju q₁
D.   22,5 N menuju q₁
E.   22,5 N menuju q₂

Pembahasan

Diketahui: 

q = 5,0 μC
   = 5×10⁻⁶ C 

q₁ = 30 μC
    = 3×10⁻⁵ C 

q₂ = 60 μC
    = 6×10⁻⁵ C 

r₁ = d = 30 cm
          = 3×10⁻¹ m 

r₂ = 2d = 60 cm
            = 6×10⁻¹ m 

k = 9 × 10⁹ Nm²/C

Perhatikan gambar gaya-gaya yang terjadi pada muatan q berikut ini!

Pada muatan q terjadi gaya tolak-menolak antara q dan q₁ sehingga arah gaya di q ke kanan (F₁). Di samping itu juga terjadi gaya tolak-menolak antara q dan q₂ sehingga arah gaya di q ke kiri (F₂).

Besar gaya F₁ dan F₂ adalah

Misalkan gaya ke arah kanan bernilai positif dan ke arah kiri bernilai negatif maka resultan gaya Coulomb yang bekerja pada muatan q adalah

F = F₁ + F₂
   = +15 N − 7,5 N
   = +7,5 N (7,5 N ke kanan)

Jadi, besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q adalah 7,5 N menuju q₂ (B).

Soal Gaya Coulomb UN 2012

Tiga muatan listrik disusun seperti gambar.

Besar dan arah gaya coulomb pada muatan B adalah … (k = 9.10⁹ N.m².C⁻² dan μC = 10⁻⁶ ).

A.   2,5 kQ² r⁻² ke kiri
B.   2,5 kQ² r⁻² ke kanan
C.   2 kQ² r⁻² ke kiri
D.   2 kQ² r⁻² ke kanan
E.   1 kQ² r⁻² ke kiri

Pembahasan

Diketahui: 

Q_A = Q
Q_B = −2Q
Q_C = −Q
r_BA = r
r_BC = 2r
 
Sekarang perhatikan gaya Coulomb yang bekerja pada muatan B berikut ini!

Antara muatan A dan B terjadi tarik-menarik sehingga arah gaya di B ke kiri (F_BA). Antara muatan B dan C terjadi tolak-menolak sehingga arah gaya di B juga ke kiri (F_BC).

Karena F_BA dan F_BC searah (ke kiri) maka arah resultan gaya pada muatan B adalah ke kiri dan besarnya merupakan jumlah dari dua gaya tersebut. 

F_B = F_BA + F_BC
     = 2 kQ² r⁻² + 0,5 kQ² r⁻²
     = 2,5 kQ² r⁻²

Jadi, besar dan arah gaya Coulomb pada muatan B adalah 2,5 kQ² r⁻² ke kiri (A).

Soal Gaya Coulomb UN 2014

Tiga muatan titik membentuk posisi segitiga sama sisi seperti pada gambar berikut ini.

Jarak antara ketiga muatan masing-masing 30 cm. Jika Q₁ = −10 μC, Q₂ = Q₃ = 4 μC, dan k = 9.10⁹ N.m².C⁻² maka besar resultan gaya Coulomb pada muatan Q₁ adalah ... (1 μ = 10⁻⁶).

A.   √12 N
B.   √32 N
C.   √40 N
D.   √48 N
E.   √64 N

Pembahasan

Diketahui: 

Q₁ = −10 μC
     = −10⁻⁵ C 

Q₂ = Q₃ = 4 μC
             = 4×10⁻⁵ C 

k = 9.10⁹ N.m².C⁻² 

r₁₂ = r₁₃ = 30 cm
              = 3×10⁻¹ m

Perhatikan gaya Coulomb yang terjadi pada muatan Q₁ berikut ini!

Muatan Q₁ mendapat interaksi gaya dari Q₂ dan Q₃. Antara Q₁ dan Q₂ terjadi gaya tarik menarik (muatan tak sejenis) sehingga di titik Q₁ arah gaya Coulomb menuju Q₂, kita sebut F₁₂.

Antara Q₁ dan Q₃ juga terjadi gaya tarik-menarik sehingga arah gaya Coulomb di Q₁ menuju Q₃, kita sebut F₁₃.

Besar gaya Coulomb F₁₂ dan F₁₃ adalah sama. Hal ini karena muatan Q₂ = Q₃ dan jarak r₁₂ = r₁₃ (segitiga sama sisi).

                     = 4 N

Sudut yang dibentuk F₁₂ dan F₁₃ adalah 60° (karena segitiga sama sisi). Sehingga resultan gaya pada muatan Q₁ adalah

       = √48

Jadi, resultan gaya Coulomb pada muatan Q₁ adalah √48 N (D).

Pembahasan soal Gaya Coulomb yang lain bisa dilihat di:
Pembahasan Fisika UN 2014 No. 26
Pembahasan Fisika UN 2015 No. 32
Pembahasan Fisika UN 2016 No. 31
Pembahasan Fisika UN 2017 No. 35
Pembahasan Fisika UN 2019 No. 31

Simak juga, Pembahasan Fisika UN: Medan dan Potensial Listrik.

Dapatkan pembahasan soal dalam file pdf  di sini.

Demikian, berbagi pengetahuan bersama Kak Ajaz. Silakan bertanya di kolom komentar apabila ada pembahasan yang kurang jelas. Semoga berkah.