Fisika 2: Listrik dan Magnet: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 10 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Hukum Coulomb & medan listrik

Hukum Coulomb
F = k·|q1q2|/r²
Medan muatan titik
E = k·|q|/r²
Konstanta
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Gaya pada muatan
F = q·E

Resistor seri & paralel

Resistor seri
Req = R1 + R2 + …
Resistor paralel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dua resistor paralel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Hukum Ohm
V = I·R
Daya
P = V·I = I²R = V²/R

Metode

  1. Mulailah dari ujung jaringan yang paling jauh dari terminal.
  2. Gabungkan resistor seri dengan menjumlahkannya, dan resistor paralel dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Gambar ulang rangkaian setelah setiap langkah.
  4. Ulangi sampai tersisa satu resistor di antara terminal.

Transien RC & RL

Konstanta waktu
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kapasitor pada DC
rangkaian terbuka; vC tidak dapat melompat
Induktor pada DC
hubung singkat; iL tidak dapat melompat
Keadaan tunak
t ≈ 5τ

Metode

  1. Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
  2. Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
  3. Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
  4. Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Medan magnet & induksi

Kawat lurus panjang
B = μ0I/(2πr)
Pusat kumparan datar
B = μ0NI/(2R)
Solenoida panjang
B = μ0nI, n = N/L
Konstanta
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Gaya pada kawat
F = BIL·sin θ
Gaya pada muatan
F = |q|vB·sin θ
Gerak melingkar
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Kawat sejajar
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Fluks
Φ = BA·cos θ
Hukum Faraday
ε = −N·ΔΦ/Δt
Batang bergerak
ε = BLv
Generator
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Induktansi
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Induktansi bersama
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Pemilih kecepatan dan spektrometer
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Metode

  1. Ubah setiap besaran ke satuan SI: cm ke m, cm² ke m², mT dan µT ke T.
  2. Pilih rumus yang tepat: B = μ₀I/(2πr) untuk kawat, μ₀NI/(2R) untuk pusat kumparan, μ₀nI di dalam solenoida; F = BIL·sin θ atau |q|vB·sin θ untuk gaya.
  3. Untuk induksi, cari perubahan fluks ΔΦ = Δ(BA·cos θ) dan pakai ε = N·ΔΦ/Δt, atau ε = BLv untuk batang yang bergerak dan NBAω untuk kumparan yang berputar.
  4. Cari arah secara terpisah dengan kaidah tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus induksi.

Impedansi AC & fasor

Impedansi
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frekuensi sudut
ω = 2πf
Besar dan sudut
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm dalam fasor
V = I·Z

Metode

  1. Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
  2. Cari setiap reaktansi: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
  3. Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
  4. Cari besar |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), lalu gunakan hukum Ohm dengan fasor.

2Soal latihan

1.Hukum Coulomb & medan listrikSedang
−−5 µC−−1 µCr = 30 cm

Dua bola logam kecil yang identik bermuatan −5 µC dan −1 µC. Keduanya disentuhkan lalu dikembalikan pada jarak 30 cm. Cari besar gaya F di antara keduanya sekarang. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = −5 µCq2 = −1 µCr = 30 cm
F = N
2.Hukum Coulomb & medan listrikSulit
L = 100 cm20°qq

Dua bola kecil identik, masing-masing bermassa 10 g, tergantung dari titik yang sama pada benang isolator sepanjang 100 cm. Keduanya diberi muatan yang sama dan setiap benang menetap pada 20° dari vertikal. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari muatan q pada setiap bola dalam nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 10 gL = 100 cmθ = 20°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistor seri & paralelSedang
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​6 ΩB

Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
4.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​25 Ω

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
5.Transien RC & RLSedang
+−Vs​12 Vt = 0R = 20 ΩL47 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari tegangan vL pada induktor saat t = 5 ms.

Vs = 12 VR = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
6.Transien RC & RLSulit
+−Vs​9 Vt = 0R = 6,8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 3 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 750 ms.

Vs = 9 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 Vt = 750 ms
vC = V
7.Medan magnet & induksiSedang
IBF = ?

Kawat dialiri arus ke kiri melalui medan magnet seragam yang menunjuk masuk ke bidang kertas. Klik arah gaya magnet pada kawat.

I: ke kiriB: masuk ke bidang kertas
  1. 1ke atas halaman
  2. 2ke kanan
  3. 3ke bawah halaman
  4. 4ke kiri
8.Medan magnet & induksiSulit
Bn = 300 rpm5 cm × 25 cmN = 150B = 0,3 T

Kumparan dengan 150 lilitan, 5 cm × 25 cm, berputar pada 300 rpm dalam medan seragam 0,3 T terhadap sumbu yang tegak lurus medan. Carilah nilai rms Erms dari GGL.

N = 150A = 5 cm × 25 cmB = 0,3 Tn = 300 rpm
Erms = V
9.Impedansi AC & fasorSedang
120 V500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 500 Hz. Cari arus rms I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
10.Impedansi AC & fasorSulit
12 V60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 12 V (rms), 60 Hz. Cari arus rms I.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: F = 0,899 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Muatan setelah disentuhkan

q′ = (−5 + −1)/2 = −3 µC

Gaya baru

F = 8,99 × 10⁹·(3 × 10⁻⁶)²/0,3² = 0,899 N

Jawaban

F = 0,899 N

Kedua bola kini bermuatan sejenis, jadi tolak-menolak.

2.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: q = 1363 nC

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Gaya listrik dari kesetimbangan

Bagian horizontal tegangan benang mengimbangi F, bagian vertikalnya mengimbangi m·g.

F = m·g·tan θ = 0,01·9,81·tan 20° = 0,03571 N

Jarak pisah

r = 2·L·sin θ = 2·1·sin 20° = 0,684 m

Muatan

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,684·√(0,03571/8,99 × 10⁹) = 1,363 × 10⁻⁶ C = 1363 nC

Jawaban

q = 1363 nC
3.Resistor seri & paralel

Jawaban: Req = 13,45 Ω

Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.

R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​6 ΩB

Gabungkan resistor dari ujung terjauh

Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.

R3 + R4 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Req = R1 + 5,455 = 8 + 5,455 = 13,45 Ω

Jawaban

Req = 13,45 Ω
4.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 2,027 A

Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.

R1​ = 3 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​6 ΩBR6​25 Ω

Gabungkan resistor dari ujung terjauh

Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.

R5 + R6 = 5 + 25 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 5 Ω
R3 + 5 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 3,529 Ω
Req = R1 + 3,529 = 3 + 3,529 = 6,529 Ω

Arus dari sumber

Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

IR1 = V1/Req = 15/6,529 = 2,297 A

Arus melalui R₂

Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2,297·3 = 8,108 V
IR2 = VA/R2 = 8,108/4 = 2,027 A

Jawaban

IR2 = 2,027 A
5.Transien RC & RL

Jawaban: vL = 1,429 V

Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.

Konstanta waktu dan arus akhir

Lama setelah sakelar ditutup, induktor berperilaku seperti hubung singkat, jadi arus akhir hanya ditentukan oleh R.

τ = L/R = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0,6 A

Tegangan induktor

Pada t = 0 seluruh tegangan sumber muncul pada induktor; kemudian meluruh ke nol.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 12·e−5/2,35 = 1,429 V

Jawaban

vL = 1,429 V
6.Transien RC & RL

Jawaban: vC = 5,366 V

Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.

Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu

Tegangan kapasitor tidak dapat melompat, jadi dimulai dari nilai tersimpannya dan menuju tegangan sumber.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 9 + (3 − 9)·e−t/τ

Tegangan pada waktu tertentu

vC(750) = 9 + (−6)·e−750/1496 = 5,366 V

Jawaban

vC = 5,366 V
7.Medan magnet & induksi

Jawaban: ke bawah halaman

Gaya magnet: kawat lurus yang dialiri I dalam medan B mengalami F = BIL·sin θ, dan muatan yang bergerak mengalami F = |q|vB·sin θ, dengan θ sudut antara arus (atau kecepatan) dan B. Gaya tegak lurus terhadap keduanya: arahkan jari-jari tangan kanan sepanjang I atau v, lengkungkan ke arah B, dan ibu jari memberi F untuk muatan positif; balikkan untuk muatan negatif. Karena F tegak lurus terhadap v, muatan yang bergerak melintasi medan seragam bergerak melingkar: |q|vB = mv²/r memberi r = mv/(|q|B) dan periode T = 2πm/(|q|B), yang tidak bergantung pada kelajuan. Dua kawat sejajar saling tarik-menarik jika arusnya searah: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Kaidah tangan kanan

Arahkan jari-jari sepanjang arus atau kecepatan dan lengkungkan ke arah B; ibu jari memberi gaya pada muatan positif.

I: ke kiri, B: masuk ke bidang kertas

Arah gaya

ke bawah halaman

Jawaban

F: ke bawah halaman
8.Medan magnet & induksi

Jawaban: Erms = 12,5 V

Induksi elektromagnetik: fluks melalui sebuah loop adalah Φ = BA·cos θ, dengan θ di antara B dan normal loop. Hukum Faraday: perubahan fluks menginduksi GGL = −N·dΦ/dt pada kumparan dengan N lilitan, dan hukum Lenz menyatakan arus induksi mengalir sedemikian rupa sehingga medannya sendiri melawan perubahan itu. Batang yang bergerak melintasi medan menghasilkan GGL = BLv. Kumparan yang berputar dengan ω menghasilkan e = NBAω·sin ωt, puncaknya NBAω. Induktansi diri: GGL = −L·di/dt, dengan L = μ₀N²A/l untuk solenoida panjang, dan energi yang tersimpan adalah W = ½LI². Dua kumparan terkopel: GGL₂ = −M·di₁/dt dengan M = k√(L₁L₂).

Kecepatan sudut dan luas

ω = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
A = 0,0125 m²

GGL puncak

E₀ = NBAω = 150·0,3·0,0125·31,42 = 17,67 V

Nilai rms

Erms = 17,67/√2 = 12,5 V

Jawaban

Erms = 12,5 V
9.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 1,228 A

Rangkaian AC dengan fasor: resistor, induktor, dan kapasitor memiliki impedansi R, jωL, dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam seri, impedansi dijumlahkan seperti resistansi, tetapi sebagai bilangan kompleks. Arus dan tegangan rms mengikuti hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktansi

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Impedansi

Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (56,06)²) = 97,69 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 120/97,69 = 1,228 A

Jawaban

I = 1,228 A
10.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 0,04807 A

Rangkaian AC dengan fasor: resistor, induktor, dan kapasitor memiliki impedansi R, jωL, dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam seri, impedansi dijumlahkan seperti resistansi, tetapi sebagai bilangan kompleks. Arus dan tegangan rms mengikuti hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktansi

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedansi

Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−246,4)²) = 249,6 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 12/249,6 = 0,04807 A

Jawaban

I = 0,04807 A

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism