contoh soal hukum coulomb sma kelas 3

Membedah Gaya Listrik: Contoh Soal Hukum Coulomb untuk Siswa SMA Kelas 3

Listrik adalah bagian tak terpisahkan dari kehidupan modern kita. Dari menyalakan lampu hingga mengoperasikan perangkat canggih, semuanya melibatkan fenomena listrik. Namun, pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana partikel-partikel bermuatan listrik berinteraksi satu sama lain? Apa yang membuat mereka saling tarik-menarik atau tolak-menolak? Jawabannya terletak pada salah satu hukum fundamental dalam fisika, yaitu Hukum Coulomb.

Bagi siswa SMA kelas 3, memahami Hukum Coulomb adalah langkah krusial dalam menguasai konsep-konsep elektrostatika. Hukum ini tidak hanya menjelaskan besarnya gaya antara dua muatan listrik, tetapi juga menjadi dasar bagi banyak fenomena listrik lainnya. Artikel ini akan membawa Anda menyelami Hukum Coulomb melalui berbagai contoh soal, mulai dari yang paling dasar hingga yang lebih kompleks, lengkap dengan strategi penyelesaiannya.

Mengingat Kembali Hukum Coulomb

Sebelum kita melangkah ke contoh soal, mari kita segarkan kembali pemahaman kita tentang Hukum Coulomb. Hukum ini dirumuskan oleh fisikawan Prancis Charles-Augustin de Coulomb pada tahun 1785. Hukum Coulomb menyatakan bahwa:

"Besarnya gaya listrik (gaya Coulomb) antara dua benda bermuatan berbanding lurus dengan perkalian besar kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut."

Secara matematis, Hukum Coulomb dapat dituliskan sebagai berikut:

$F = k fracq_1 cdot q_2r^2$

Dimana:

$F$ adalah besar gaya Coulomb (dalam Newton, N).
$k$ adalah konstanta Coulomb, dengan nilai $k = 9 times 10^9 text N m^2/textC^2$.
$q_1$ dan $q_2$ adalah besar muatan listrik masing-masing benda (dalam Coulomb, C). Nilai absolut ($| |$) digunakan karena gaya hanya ditentukan oleh besar muatan, sedangkan arahnya ditentukan oleh jenis muatan.
$r$ adalah jarak antara kedua muatan (dalam meter, m).

Penting untuk diingat:

Muatan sejenis (positif-positif atau negatif-negatif) akan tolak-menolak.
Muatan tak sejenis (positif-negatif) akan tarik-menarik.
Satuan Standar Internasional (SI) harus selalu digunakan dalam perhitungan. Jika muatan dalam mikro Coulomb ($mu C$) atau jarak dalam sentimeter (cm), ubahlah terlebih dahulu ke Coulomb (C) dan meter (m). ($1 mu C = 10^-6 C$, $1 cm = 10^-2 m$).

Strategi Penyelesaian Soal Hukum Coulomb

Untuk menyelesaikan soal-soal Hukum Coulomb dengan efektif, ikuti langkah-langkah berikut:

Baca Soal dengan Cermat: Pahami apa yang diketahui dan apa yang ditanyakan.
Identifikasi Variabel: Catat semua nilai yang diketahui ($q_1, q_2, r, k$) dan variabel yang ditanyakan ($F$ atau lainnya). Pastikan semua dalam satuan SI.
Gambarkan Diagram (Jika Perlu): Untuk soal yang melibatkan lebih dari dua muatan atau konfigurasi yang kompleks, gambar diagram akan sangat membantu dalam memvisualisasikan arah gaya.
Tentukan Arah Gaya: Berdasarkan jenis muatan, tentukan apakah gaya tersebut tarik-menarik atau tolak-menolak. Ini krusial untuk soal yang melibatkan superposisi gaya (lebih dari dua muatan).
Gunakan Rumus yang Tepat: Masukkan nilai-nilai ke dalam rumus Hukum Coulomb.
Lakukan Perhitungan: Hati-hati dalam perhitungan, terutama dengan notasi ilmiah (pangkat).
Sertakan Satuan dan Arah: Jangan lupa menuliskan satuan akhir (Newton) dan, jika relevan, arah gaya.

Mari kita mulai dengan contoh soal!

Contoh Soal 1: Aplikasi Dasar Hukum Coulomb (Dua Muatan)

Soal:
Dua buah muatan masing-masing sebesar $q_1 = +4 times 10^-6 text C$ dan $q_2 = -8 times 10^-6 text C$ terpisah pada jarak $r = 2 text cm$. Tentukan besar dan arah gaya Coulomb yang bekerja pada kedua muatan tersebut!

READ Membongkar "Bocoran" Soal PAT Matematika Kelas 8 Semester 2: Panduan Persiapan Cerdas dan Efektif

Penyelesaian:

Identifikasi Variabel:
- $q_1 = +4 times 10^-6 text C$
- $q_2 = -8 times 10^-6 text C$
- $r = 2 text cm = 2 times 10^-2 text m$
- $k = 9 times 10^9 text N m^2/textC^2$
Tentukan Arah Gaya:
Karena $q_1$ positif dan $q_2$ negatif, maka gaya yang terjadi adalah tarik-menarik.
Gunakan Rumus Hukum Coulomb:
$F = k fracr^2$
Lakukan Perhitungan:
$F = (9 times 10^9 text N m^2/textC^2) frac(2 times 10^-2 text m)^2$
$F = (9 times 10^9) frac4 times 10^-4$
$F = (9 times 10^9) frac32 times 10^-124 times 10^-4$
$F = (9 times 10^9) cdot (8 times 10^-12 – (-4))$
$F = (9 times 10^9) cdot (8 times 10^-8)$
$F = 72 times 10^9-8$
$F = 72 times 10^1$
$F = 720 text N$

Jawaban:
Besar gaya Coulomb yang bekerja pada kedua muatan adalah 720 N dan arahnya tarik-menarik.

Contoh Soal 2: Mencari Salah Satu Muatan

Soal:
Dua muatan sejenis memiliki gaya tolak-menolak sebesar $F = 90 text N$ ketika terpisah sejauh $r = 30 text cm$. Jika besar salah satu muatan adalah $q_1 = 5 times 10^-6 text C$, berapakah besar muatan kedua ($q_2$)?

Penyelesaian:

Identifikasi Variabel:
- $F = 90 text N$
- $q_1 = 5 times 10^-6 text C$
- $r = 30 text cm = 0.3 text m$
- $k = 9 times 10^9 text N m^2/textC^2$
- Ditanya: $q_2$
Gunakan Rumus Hukum Coulomb dan Susun Ulang untuk $q_2$:
$F = k fracr^2$
$F cdot r^2 = k cdot |q_1 cdot q_2|$
$|q_2| = fracF cdot r^2k cdot $
Lakukan Perhitungan:
$|q_2| = frac(90 text N) cdot (0.3 text m)^2(9 times 10^9 text N m^2/textC^2) cdot (5 times 10^-6 text C)$
$|q_2| = frac90 cdot 0.0945 times 10^3$
$|q_2| = frac8.145000$
$|q_2| = 0.00018 text C$
$|q_2| = 1.8 times 10^-4 text C$

Jawaban:
Besar muatan kedua ($q_2$) adalah $1.8 times 10^-4 text C$. Karena kedua muatan sejenis (gaya tolak-menolak) dan $q_1$ positif, maka $q_2$ juga positif.

Contoh Soal 3: Superposisi Gaya (Tiga Muatan Segaris)

Soal:
Tiga buah muatan diletakkan segaris seperti gambar berikut:
$q_1 = +2 times 10^-6 text C$, $q_2 = -3 times 10^-6 text C$, $q3 = +5 times 10^-6 text C$.
Jarak $r12 = 10 text cm$ dan $r_23 = 20 text cm$.
Tentukan besar dan arah gaya total yang bekerja pada muatan $q_2$!

q1 ------ q2 -------- q3
(10 cm)   (20 cm)

Penyelesaian:

Identifikasi Variabel:
- $q_1 = +2 times 10^-6 text C$
- $q_2 = -3 times 10^-6 text C$
- $q_3 = +5 times 10^-6 text C$
- $r_12 = 10 text cm = 0.1 text m$
- $r_23 = 20 text cm = 0.2 text m$
- $k = 9 times 10^9 text N m^2/textC^2$
Gambarkan Diagram Gaya pada $q_2$:
- Gaya $F_12$ (Gaya dari $q_1$ pada $q_2$): $q_1$ (+) dan $q2$ (-) akan tarik-menarik. Jadi, $F12$ arahnya ke kiri (menuju $q_1$).
- Gaya $F_32$ (Gaya dari $q_3$ pada $q_2$): $q_3$ (+) dan $q2$ (-) akan tarik-menarik. Jadi, $F32$ arahnya ke kanan (menuju $q_3$).
```
q1 <---- F12 ---- q2 ---- F32 ----> q3
```
Hitung Besar Masing-masing Gaya:
- Gaya $F_12$:
  $F_12 = k fracr12^2$
  $F12 = (9 times 10^9) frac(0.1)^2$
  $F12 = (9 times 10^9) frac6 times 10^-120.01$
  $F12 = (9 times 10^9) cdot (6 times 10^-10)$
  $F12 = 54 times 10^-1$
  $F_12 = 5.4 text N$ (arah ke kiri)
- Gaya $F_32$:
  $F_32 = k fracr23^2$
  $F32 = (9 times 10^9) frac(0.2)^2$
  $F32 = (9 times 10^9) frac15 times 10^-120.04$
  $F32 = (9 times 10^9) cdot (375 times 10^-12)$
  $F32 = 3375 times 10^-3$
  $F_32 = 3.375 text N$ (arah ke kanan)
Hitung Gaya Total ($F_total$):
Karena $F12$ dan $F32$ berlawanan arah, kita akan mengurangkannya. Ambil arah ke kanan sebagai positif dan ke kiri sebagai negatif.
$Ftotal = F32 – F12$
$Ftotal = 3.375 text N – 5.4 text N$
$F_total = -2.025 text N$

READ Contoh soal ipa kelas 3 sd hemat energi

Jawaban:
Besar gaya total yang bekerja pada muatan $q2$ adalah 2.025 N dan arahnya ke kiri (sesuai dengan tanda negatif, yang berarti arahnya sama dengan $F12$).

Contoh Soal 4: Superposisi Gaya (Tiga Muatan dalam Bidang 2D)

Soal:
Tiga buah muatan diletakkan pada titik-titik sudut segitiga siku-siku seperti gambar.
$q_1 = +2 times 10^-6 text C$ (di titik A)
$q_2 = -4 times 10^-6 text C$ (di titik B)
$q_3 = +3 times 10^-6 text C$ (di titik C)
Jarak AC = 3 m dan BC = 4 m. Tentukan besar dan arah gaya total yang bekerja pada muatan $q_3$.

       q1 (A)
        |
        | 3 m
        |
        q3 (C) ---- 4 m ---- q2 (B)

Penyelesaian:

Identifikasi Variabel dan Jarak:
- $q_1 = +2 times 10^-6 text C$
- $q_2 = -4 times 10^-6 text C$
- $q_3 = +3 times 10^-6 text C$
- $r_13$ (jarak AC) $= 3 text m$
- $r_23$ (jarak BC) $= 4 text m$
- $k = 9 times 10^9 text N m^2/textC^2$
- Ditanya: Gaya total pada $q_3$.
Gambarkan Diagram Gaya pada $q_3$:
- Gaya $F_13$ (Gaya dari $q_1$ pada $q_3$): $q_1$ (+) dan $q3$ (+) akan tolak-menolak. Jadi, $F13$ arahnya ke bawah (menjauhi $q_1$).
- Gaya $F_23$ (Gaya dari $q_2$ pada $q_3$): $q_2$ (-) dan $q3$ (+) akan tarik-menarik. Jadi, $F23$ arahnya ke kanan (menuju $q_2$).
```
       q1 (A)
        |
        | F13 (ke bawah)
        |
        v
       q3 (C) ---- F23 (ke kanan) ----> q2 (B)
```
Hitung Besar Masing-masing Gaya:
- Gaya $F_13$:
  $F_13 = k fracr13^2$
  $F13 = (9 times 10^9) frac(2 times 10^-6) cdot (3 times 10^-6)(3)^2$
  $F13 = (9 times 10^9) frac6 times 10^-129$
  $F13 = (1 times 10^9) cdot (6 times 10^-12)$
  $F13 = 6 times 10^-3 text N$ (arah ke bawah, sumbu Y negatif)
- Gaya $F_23$:
  $F_23 = k fracr23^2$
  $F23 = (9 times 10^9) frac(-4 times 10^-6) cdot (3 times 10^-6)(4)^2$
  $F23 = (9 times 10^9) frac12 times 10^-1216$
  $F23 = (9 times 10^9) cdot (0.75 times 10^-12)$
  $F23 = 6.75 times 10^-3 text N$ (arah ke kanan, sumbu X positif)
Hitung Gaya Total (Resultan Vektor):
Karena $F13$ dan $F23$ saling tegak lurus, gaya total ($Ftotal$) dapat dihitung menggunakan teorema Pythagoras.
$Ftotal = sqrtF13^2 + F23^2$
$Ftotal = sqrt(6 times 10^-3)^2 + (6.75 times 10^-3)^2$
$Ftotal = sqrt(36 times 10^-6) + (45.5625 times 10^-6)$
$Ftotal = sqrt81.5625 times 10^-6$
$Ftotal = sqrt81.5625 times 10^-3$
$F_total approx 9.031 times 10^-3 text N$
Tentukan Arah Gaya Total:
Arah gaya total dapat ditentukan menggunakan fungsi tangen. Misalkan $theta$ adalah sudut yang dibentuk dengan sumbu X positif.
$tan theta = fracF23$
$tan theta = frac6 times 10^-36.75 times 10^-3$
$tan theta = frac66.75 approx 0.8889$
$theta = arctan(0.8889)$
$theta approx 41.6^circ$

Karena $F23$ ke kanan (positif X) dan $F13$ ke bawah (negatif Y), maka resultan gaya berada di kuadran keempat. Sudut $41.6^circ$ adalah sudut terhadap sumbu X positif, diukur searah jarum jam (atau $360^circ – 41.6^circ = 318.4^circ$ dari sumbu X positif berlawanan jarum jam).

READ Sistem Ekskresi Manusia: Pahlawan Pembersih Tubuh Kita

Jawaban:
Besar gaya total yang bekerja pada muatan $q_3$ adalah $9.031 times 10^-3 text N$ dengan arah $41.6^circ$ di bawah sumbu X positif (atau $318.4^circ$ dari sumbu X positif).

Contoh Soal 5: Hukum Coulomb dan Keseimbangan Benda

Soal:
Sebuah bola kecil bermuatan $q_1 = +2 times 10^-7 text C$ diletakkan di atas meja. Di atas bola tersebut, pada ketinggian $h$, terdapat bola kedua bermassa $m = 5 text gram$ dan bermuatan $q_2 = -3 times 10^-7 text C$. Jika bola kedua melayang (dalam keadaan setimbang), berapakah ketinggian $h$ tersebut? (Gunakan $g = 10 text m/s^2$).

Penyelesaian:

Identifikasi Variabel:
- $q_1 = +2 times 10^-7 text C$
- $q_2 = -3 times 10^-7 text C$
- $m = 5 text gram = 5 times 10^-3 text kg$
- $g = 10 text m/s^2$
- $k = 9 times 10^9 text N m^2/textC^2$
- Ditanya: $h$ (jarak $r$)
Analisis Keseimbangan Gaya:
Agar bola kedua melayang, gaya total yang bekerja padanya harus nol. Ada dua gaya utama yang bekerja pada bola kedua:
- Gaya Gravitasi ($W$): Menarik bola ke bawah, $W = m cdot g$.
- Gaya Coulomb ($F$): Karena $q_1$ positif dan $q_2$ negatif, gaya Coulomb adalah tarik-menarik. Jadi, $F$ menarik bola kedua ke bawah (menuju $q_1$).
Self-correction: Perhatikan arah gaya. Jika kedua muatan tarik-menarik, maka gaya Coulomb akan menarik bola kedua ke bawah. Ini berarti gaya Coulomb dan gaya gravitasi memiliki arah yang sama, sehingga bola tidak mungkin melayang.
Untuk bola melayang (setimbang), gaya listrik harus melawan gaya gravitasi. Ini berarti gaya listrik harus ke atas dan gaya gravitasi ke bawah. Ini hanya mungkin jika kedua muatan adalah sejenis (tolak-menolak).

Mari kita koreksi soalnya agar bola bisa melayang:
Sebuah bola kecil bermuatan $q_1 = +2 times 10^-7 text C$ diletakkan di atas meja. Di atas bola tersebut, pada ketinggian $h$, terdapat bola kedua bermassa $m = 5 text gram$ dan bermuatan $q_2 = +3 times 10^-7 text C$. Jika bola kedua melayang (dalam keadaan setimbang), berapakah ketinggian $h$ tersebut? (Gunakan $g = 10 text m/s^2$).

Analisis Keseimbangan Gaya (setelah koreksi soal):
- Gaya Gravitasi ($W$): Menarik bola ke bawah, $W = m cdot g$.
- Gaya Coulomb ($F$): Karena $q_1$ positif dan $q_2$ positif, gaya Coulomb adalah tolak-menolak. Jadi, $F$ mendorong bola kedua ke atas (menjauhi $q_1$).
Agar bola kedua setimbang (melayang), maka besar gaya ke atas harus sama dengan besar gaya ke bawah.
$F = W$
Hitung Gaya Gravitasi ($W$):
$W = m cdot g$
$W = (5 times 10^-3 text kg) cdot (10 text m/s^2)$
$W = 5 times 10^-2 text N$
Samakan Gaya Coulomb dengan Gaya Gravitasi dan Selesaikan untuk $h$:
$F = W$
$k frach^2 = W$
$h^2 = k fracW$
$h^2 = (9 times 10^9) frac(2 times 10^-7) cdot (3 times 10^-7)5 times 10^-2$
$h^2 = (9 times 10^9) frac6 times 10^-145 times 10^-2$
$h^2 = (9 times 10^9) cdot (1.2 times 10^{-12

adminAgustus 2, 2025

sttlmataram.ac.id

Visit Us

Free Call

Email ID