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
++6 µC++5 µCP50 cm

Muatan +6 µC dan muatan +5 µC terpisah sejauh 50 cm. Titik P terletak pada garis di antara keduanya, 37,5 cm dari muatan pertama. Cari besar medan listrik E di P.

q1 = +6 µCq2 = +5 µCr1 = 37,5 cmr2 = 12,5 cm
E = N/C
2.Hukum Coulomb & medan listrikSulit
++P2 × 8 cm10 cm+4 µC+4 µC

Muatan +4 µC dan +4 µC berjarak 16 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 = 16 cmh = 10 cm
E = N/C
3.Resistor seri & paralelSedang
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
4.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBR6​2 Ω

Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 ΩR5 = 5 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
5.Transien RC & RLSedang
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL150 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 25 ms.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 25 ms
i = A
6.Transien RC & RLSulit
+−Vs​12 Vmembuka pada t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 1 kΩC220 µF+−vC​

Sakelar telah tertutup sejak lama, jadi rangkaian dalam keadaan tunak. Pada t = 0 sakelar membuka. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 200 ms.

Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 200 ms
vC = V
7.Medan magnet & induksiSedang
nBA = 20 cm², N = 10B = 0,4 T

Kumparan dengan 10 lilitan memiliki luas 20 cm². Kumparan berada dalam medan seragam 0,4 T yang tegak lurus bidangnya, dan medan dimatikan dalam 100 ms. Carilah GGL induksi rata-rata ε.

N = 10A = 20 cm²B = 0,4 TΔt = 100 ms
ε = mV
8.Medan magnet & induksiSulit
Bn = 3600 rpm8 cm × 25 cmN = 20B = 0,2 T

Kumparan dengan 20 lilitan, 8 cm × 25 cm, berputar pada 3600 rpm dalam medan seragam 0,2 T terhadap sumbu yang tegak lurus medan. Carilah nilai rms Erms dari GGL.

N = 20A = 8 cm × 25 cmB = 0,2 Tn = 3600 rpm
Erms = V
9.Impedansi AC & fasorSedang
120 V60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 60 Hz. Cari daya nyata P yang diambil dari sumber.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
P = W
10.Impedansi AC & fasorSulit
VfR = 1 ΩL = 1 mHC = 0,22 µF

Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 1 Ω, L = 1 mH, dan C = 0,22 µF. Cari faktor kualitasnya Q pada resonansi.

R = 1 ΩL = 1 mHC = 0,22 µF
Q =

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: E = 2,493 × 10⁶ N/C

Hukum Coulomb: dua muatan titik saling tarik atau tolak dengan F = k·|q₁·q₂|/r², dengan k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Medan muatan titik adalah E = k·|q|/r², mengarah menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif. Gaya dan medan dari beberapa muatan dijumlahkan sebagai vektor.

Medan setiap muatan

E1 = k·6 × 10⁻⁶/0,375² = 383573 N/C
E2 = k·5 × 10⁻⁶/0,125² = 2,877 × 10⁶ N/C

Arah dan jumlah

Kedua muatan positif: di P medannya mengarah menjauhi masing-masing muatan, jadi berlawanan arah.

E = |383573 − 2,877 × 10⁶| = 2,493 × 10⁶ N/C

Jawaban

E = 2,493 × 10⁶ N/C
2.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: E = 3,424 × 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 = √(8² + 10²) = 12,81 cm
E1 = k·4 × 10⁻⁶/0,1281² = 2,193 × 10⁶ N/C

Komponen

Komponen sepanjang garis penghubung muatan saling meniadakan.

E = 2·E1·(h/r) = 2·2,193 × 10⁶·0,7809 = 3,424 × 10⁶ N/C

Jawaban

E = 3,424 × 10⁶ N/C

Medan mengarah sepanjang garis sumbu, menjauhi muatan.

3.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 0,5625 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​8 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Req = R1 + 2,667 = 8 + 2,667 = 10,67 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 18/10,67 = 1,688 A

Arus melalui R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,688·8 = 4,5 V
IR2 = VA/R2 = 4,5/8 = 0,5625 A

Jawaban

IR2 = 0,5625 A
4.Resistor seri & paralel

Jawaban: Req = 6,71 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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBR6​2 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 + 2 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 2,917 Ω
R3 + 2,917 = 5,917 Ω
R2 ∥ 5,917 = 2,71 Ω
Req = R1 + 2,71 = 4 + 2,71 = 6,71 Ω

Jawaban

Req = 6,71 Ω
5.Transien RC & RL

Jawaban: i = 1,947 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 = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 2,4·(1 − e−25/15) = 1,947 A

Jawaban

i = 1,947 A
6.Transien RC & RL

Jawaban: vC = 0,4395 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.

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) = 12·1/(10 + 1) = 1,091 V

Konstanta waktu setelah sakelar membuka

τ = R2·C = 1·220 = 220 ms

Pengosongan

vC(t) = 1,091·e−200/220 = 0,4395 V

Jawaban

vC = 0,4395 V
7.Medan magnet & induksi

Jawaban: ε = 80 mV

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).

Perubahan fluks per lilitan

ΔΦ = 0,4·0,002 = 0,0008 Wb

GGL rata-rata

ε = NΔΦ/Δt = 10·0,0008/0,1 = 0,08 V

Jawaban

ε = 80 mV
8.Medan magnet & induksi

Jawaban: Erms = 21,33 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·3600/60 = 377 rad/s
A = 0,02 m²

GGL puncak

E₀ = NBAω = 20·0,2·0,02·377 = 30,16 V

Nilai rms

Erms = 30,16/√2 = 21,33 V

Jawaban

Erms = 21,33 V
9.Impedansi AC & fasor

Jawaban: P = 9,243 W

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

XL = 18,85 Ω, XC = 265,3 Ω

Impedansi

|Z| = √(40² + (−246,4)²) = 249,6 Ω

Daya nyata

Induktor dan kapasitor hanya menyimpan dan mengembalikan energi; resistor menyerap seluruh daya nyata.

I = 120/249,6 = 0,4807 A
P = I²·R = 0,4807²·40 = 9,243 W

Jawaban

P = 9,243 W
10.Impedansi AC & fasor

Jawaban: Q = 67,42

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|.

Frekuensi resonansi

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,22·10⁻⁶)) = 10730 Hz

Faktor kualitas

Q membandingkan reaktansi pada resonansi dengan resistansi: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0,001/(0,22·10⁻⁶)) = 67,42

Jawaban

Q = 67,42

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