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 = 50 cm

Dua bola logam kecil yang identik bermuatan +5 µC dan +1 µC. Keduanya disentuhkan lalu dikembalikan pada jarak 50 cm. Cari besar gaya F di antara keduanya sekarang. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +5 µCq2 = +1 µCr = 50 cm
F = N
2.Hukum Coulomb & medan listrikSulit
++P2 × 6 cm10 cm+4 µC+4 µC

Muatan +4 µC dan +4 µC berjarak 12 cm. Titik P terletak 10 cm dari titik tengah di antara keduanya, pada garis sumbu (bisektor tegak lurus). Cari besar medan listrik E di P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +4 µCq2 = +4 µCd = 12 cmh = 10 cm
E = N/C
3.Resistor seri & paralelSedang
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB

Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
4.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​3 ΩBR6​20 Ω

Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
5.Transien RC & RLSedang
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 1 ms.

Vs = 12 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
6.Transien RC & RLSulit
+−Vs​24 Vmembuka pada t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 4,7 kΩi2​C220 µF+−vC​

Sakelar telah tertutup sejak lama, jadi rangkaian dalam keadaan tunak. Pada t = 0 sakelar membuka. Cari arus i2 melalui R2 pada t = 750 ms.

Vs = 24 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 750 ms
i2 = mA
7.Medan magnet & induksiSedang
−v = 4 × 10⁶ m/sB = 8 mT

Sebuah elektron bergerak melingkar dalam medan magnet seragam 8 mT. Carilah waktu T yang diperlukan untuk satu putaran.

m = 9,109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CB = 8 mT
T = ns
8.Medan magnet & induksiSulit
Bn = 3000 rpm5 cm × 10 cmN = 20B = 0,05 T

Kumparan dengan 20 lilitan, 5 cm × 10 cm, berputar pada 3000 rpm dalam medan seragam 0,05 T terhadap sumbu yang tegak lurus medan. Carilah nilai rms Erms dari GGL.

N = 20A = 5 cm × 10 cmB = 0,05 Tn = 3000 rpm
Erms = V
9.Impedansi AC & fasorSedang
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 22 µF

Sebuah rangkaian RLC seri dengan C = 22 µF harus beresonansi pada 500 Hz. Cari induktansi L yang diperlukan.

f0 = 500 HzC = 22 µF
L = mH
10.Impedansi AC & fasorSulit
10 V200 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 10 V (rms), 200 Hz. Cari frekuensi resonansi f0 rangkaian.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: F = 0,3236 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)²/0,5² = 0,3236 N

Jawaban

F = 0,3236 N

Kedua bola kini bermuatan sejenis, jadi tolak-menolak.

2.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: E = 4,535 × 10⁶ N/C

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.

Jarak dan medan satu muatan

r = √(6² + 10²) = 11,66 cm
E1 = k·4 × 10⁻⁶/0,1166² = 2,644 × 10⁶ N/C

Komponen

Komponen sepanjang garis penghubung muatan saling meniadakan.

E = 2·E1·(h/r) = 2·2,644 × 10⁶·0,8575 = 4,535 × 10⁶ N/C

Jawaban

E = 4,535 × 10⁶ N/C

Medan mengarah sepanjang garis sumbu, menjauhi muatan.

3.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR1 = 4,688 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​2 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Req = R1 + 2,4 = 4 + 2,4 = 6,4 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 30/6,4 = 4,688 A

Jawaban

IR1 = 4,688 A
4.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR1 = 1,83 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​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​3 ΩBR6​20 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R4 ∥ 26 = 2,69 Ω
R3 + 2,69 = 17,69 Ω
R2 ∥ 17,69 = 8,117 Ω
Req = R1 + 8,117 = 5 + 8,117 = 13,12 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 24/13,12 = 1,83 A

Jawaban

IR1 = 1,83 A
5.Transien RC & RL

Jawaban: i = 0,3502 A

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 = 10 mH / 33 Ω = 0,303 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0,3636 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,3636·(1 − e−1/0,303) = 0,3502 A

Jawaban

i = 0,3502 A
6.Transien RC & RL

Jawaban: i2 = 1,236 mA

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.

Tegangan awal kapasitor

Dalam keadaan tunak kapasitor adalah rangkaian terbuka, jadi R₁ dan R₂ membentuk pembagi tegangan. Tegangan kapasitor tidak dapat melompat saat sakelar membuka.

vC(0) = 24·4,7/(4,7 + 4,7) = 12 V

Konstanta waktu setelah sakelar membuka

τ = R2·C = 4,7·220 = 1034 ms

Pengosongan

vC(t) = 12·e−750/1034 = 5,81 V
i2 = vC/R2 = 5,81/4,7 = 1,236 mA

Jawaban

i2 = 1,236 mA
7.Medan magnet & induksi

Jawaban: T = 4,466 ns

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).

Periode gerak melingkar

Partikel yang lebih cepat bergerak pada lingkaran yang lebih besar, jadi waktu per putaran tetap sama.

T = 2πm/(|q|B) = 2π·9,109 × 10⁻³¹/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,008) = 4,466 ns

Jawaban

T = 4,466 ns

Kelajuan tidak diperlukan: inilah sebabnya siklotron dapat memakai satu frekuensi tetap.

8.Medan magnet & induksi

Jawaban: Erms = 1,111 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·3000/60 = 314,2 rad/s
A = 0,005 m²

GGL puncak

E₀ = NBAω = 20·0,05·0,005·314,2 = 1,571 V

Nilai rms

Erms = 1,571/√2 = 1,111 V

Jawaban

Erms = 1,111 V
9.Impedansi AC & fasor

Jawaban: L = 4,606 mH

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|.

Syarat resonansi

Pada resonansi reaktansi induktif dan kapasitif saling meniadakan: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·22·10⁻⁶) = 4,606 mH

Jawaban

L = 4,606 mH
10.Impedansi AC & fasor

Jawaban: f0 = 151,7 Hz

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|.

Resonansi

Saat resonansi, reaktansi induktif dan kapasitif saling meniadakan: ωL = 1/(ωC). Frekuensi sumber tidak berpengaruh.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Jawaban

f0 = 151,7 Hz

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