Gaya Listrik Pada Muatan Q₃: Contoh Soal Fisika

by ADMIN 48 views

Hey guys, kali ini kita bakal membahas soal fisika seru tentang gaya listrik! Soal ini sering banget muncul di ujian, jadi penting banget buat kita paham konsepnya. Kita akan membahas soal di mana tiga muatan segaris, yaitu q₁, q₂, dan q₃, dengan nilai masing-masing q₁ = 3 µC, q₂ = 6 µC, dan q₃ = 5 µC. Pertanyaannya adalah, berapa besar dan ke mana arah gaya listrik yang bekerja pada muatan q₃? Yuk, kita bahas tuntas!

Memahami Konsep Gaya Listrik

Sebelum kita masuk ke penyelesaian soal, penting banget buat kita paham konsep dasar gaya listrik. Gaya listrik adalah gaya interaksi antara dua muatan listrik. Gaya ini bisa berupa gaya tarik-menarik kalau muatannya berlawanan jenis (positif dan negatif), atau gaya tolak-menolak kalau muatannya sejenis (positif-positif atau negatif-negatif). Besarnya gaya listrik ini dirumuskan oleh Hukum Coulomb, yang bunyinya:

Hukum Coulomb

"Besar gaya listrik antara dua muatan berbanding lurus dengan perkalian besar muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut."

Secara matematis, Hukum Coulomb dituliskan sebagai berikut:

F = k * (|q₁ * q₂|) / r²

Di mana:

  • F adalah besar gaya listrik (dalam Newton atau N)
  • k adalah konstanta Coulomb (sekitar 8.99 x 10⁹ N m²/C²)
  • q₁ dan q₂ adalah besar muatan listrik (dalam Coulomb atau C)
  • r adalah jarak antara dua muatan (dalam meter atau m)

Arah Gaya Listrik

Selain besar gaya, kita juga perlu tahu arah gaya listrik. Arah gaya listrik ini ditentukan oleh jenis muatan yang berinteraksi:

  • Muatan sejenis (positif-positif atau negatif-negatif): Gaya listriknya adalah gaya tolak-menolak. Jadi, muatan akan saling menjauh.
  • Muatan berlawanan jenis (positif-negatif): Gaya listriknya adalah gaya tarik-menarik. Jadi, muatan akan saling mendekat.

Dalam soal ini, kita punya tiga muatan, jadi muatan q₃ akan mengalami gaya listrik dari q₁ dan q₂. Kita perlu hitung gaya listrik dari masing-masing muatan ini, lalu kita jumlahkan (secara vektor) untuk mendapatkan gaya total pada q₃.

Langkah-langkah Penyelesaian Soal

Oke, sekarang kita siap untuk menyelesaikan soal ini. Berikut adalah langkah-langkahnya:

  1. Gambarkan diagram gaya: Ini penting banget guys, biar kita bisa visualisasikan arah gaya-gaya yang bekerja. Gambarlah tiga muatan (q₁, q₂, dan q₃) dalam satu garis. Lalu, gambarkan arah gaya listrik yang dialami q₃ akibat q₁ dan q₃ akibat q₂. Ingat, gaya ini akan segaris dengan garis yang menghubungkan kedua muatan.
  2. Hitung gaya listrik antara q₁ dan q₃ (F₁₃): Gunakan Hukum Coulomb untuk menghitung besar gaya listrik antara q₁ dan q₃. Pastikan semua satuan sudah dalam satuan SI (Coulomb untuk muatan dan meter untuk jarak). Perhatikan juga tanda muatan, tapi karena di rumus Coulomb kita pakai nilai mutlak, tanda muatan hanya akan menentukan arah gaya (tarik-menarik atau tolak-menolak).
  3. Hitung gaya listrik antara q₂ dan q₃ (F₂₃): Sama seperti langkah sebelumnya, gunakan Hukum Coulomb untuk menghitung besar gaya listrik antara q₂ dan q₃.
  4. Tentukan arah gaya F₁₃ dan F₂₃: Lihat jenis muatan q₁, q₂, dan q₃. Apakah gayanya tarik-menarik atau tolak-menolak? Ini akan menentukan arah gaya pada diagram yang sudah kita buat.
  5. Hitung gaya total pada q₃: Karena gaya adalah besaran vektor, kita perlu menjumlahkan F₁₃ dan F₂₃ secara vektor. Karena ketiga muatan segaris, penjumlahan vektor ini jadi lebih mudah. Kita tinggal lihat arah gayanya. Kalau searah, kita jumlahkan. Kalau berlawanan arah, kita kurangkan. Arah gaya total akan mengikuti arah gaya yang lebih besar.

Contoh Soal dan Pembahasan Detail

Sekarang, mari kita terapkan langkah-langkah ini ke soal kita. Diketahui:

  • q₁ = 3 µC = 3 x 10⁻⁶ C
  • q₂ = 6 µC = 6 x 10⁻⁶ C
  • q₃ = 5 µC = 5 x 10⁻⁶ C

Kita asumsikan ketiga muatan ini berada pada satu garis lurus, dengan q₁ dan q₂ berada di sisi yang berbeda dari q₃. Jarak antara q₁ dan q₃ adalah 3 cm (0.03 m), dan jarak antara q₂ dan q₃ adalah 6 cm (0.06 m). Kita perlu menentukan besar dan arah gaya listrik yang bekerja pada q₃.

1. Gambar Diagram Gaya

Kita gambarkan tiga muatan segaris. Karena semua muatan positif, maka gaya antara q₁ dan q₃ adalah tolak-menolak, sehingga F₁₃ arahnya menjauhi q₁. Gaya antara q₂ dan q₃ juga tolak-menolak, sehingga F₂₃ arahnya menjauhi q₂.

2. Hitung F₁₃

F₁₃ = k * (|q₁ * q₃|) / r₁₃²

F₁₃ = (8.99 x 10⁹ N m²/C²) * ((3 x 10⁻⁶ C) * (5 x 10⁻⁶ C)) / (0.03 m)²

F₁₃ = (8.99 x 10⁹) * (15 x 10⁻¹²) / (9 x 10⁻⁴)

F₁₃ = 14.985 x 10⁻² / 9 x 10⁻⁴

F₁₃ ≈ 166.5 N

3. Hitung F₂₃

F₂₃ = k * (|q₂ * q₃|) / r₂₃²

F₂₃ = (8.99 x 10⁹ N m²/C²) * ((6 x 10⁻⁶ C) * (5 x 10⁻⁶ C)) / (0.06 m)²

F₂₃ = (8.99 x 10⁹) * (30 x 10⁻¹²) / (36 x 10⁻⁴)

F₂₃ = 26.97 x 10⁻² / 36 x 10⁻⁴

F₂₃ ≈ 7.49 N

4. Tentukan Arah Gaya

Seperti yang sudah kita bahas di awal, karena semua muatan positif, maka F₁₃ dan F₂₃ adalah gaya tolak-menolak. F₁₃ mendorong q₃ menjauhi q₁, sedangkan F₂₃ mendorong q₃ menjauhi q₂. Karena q₁ dan q₂ berada di sisi yang berbeda dari q₃, maka F₁₃ dan F₂₃ berlawanan arah.

5. Hitung Gaya Total

Karena F₁₃ dan F₂₃ berlawanan arah, kita kurangkan nilai absolutnya untuk mendapatkan gaya total. Kita anggap arah ke q₁ sebagai positif dan arah ke q₂ sebagai negatif.

F_total = F₁₃ - F₂₃

F_total = 166.5 N - 7.49 N

F_total ≈ 159.01 N

Karena hasilnya positif, maka arah gaya total adalah ke arah q₁.

Kesimpulan

Jadi, besar gaya listrik yang bekerja pada muatan q₃ adalah sekitar 159.01 N, dan arahnya menuju q₁. Guys, penting banget untuk memahami konsep dasar dan langkah-langkah penyelesaian soal seperti ini. Dengan begitu, kita bisa lebih mudah mengerjakan soal-soal fisika lainnya. Jangan lupa untuk selalu latihan soal ya!

Semoga penjelasan ini bermanfaat! Kalau ada pertanyaan, jangan ragu untuk bertanya ya. Semangat terus belajarnya!