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
++1 µC++3 µCP10 cm

Muatan +1 µC dan muatan +3 µC terpisah sejauh 10 cm. Titik P terletak pada garis di antara keduanya, 5 cm dari muatan pertama. Cari besar medan listrik E di P.

q1 = +1 µCq2 = +3 µCr1 = 5 cmr2 = 5 cm
E = N/C
2.Hukum Coulomb & medan listrikSulit
+ + + + + +− − − − − −e⁻3,5 × 10⁷ m/s10 cmE = 2200 N/C

Sebuah elektron memasuki medan homogen di antara dua pelat sejajar dengan bergerak sejajar pelat pada 3,5 × 10⁷ m/s. Panjang pelat 10 cm dan medan di antaranya 2200 N/C. Muatan elektron 1,602 × 10⁻¹⁹ C, massa 9,109 × 10⁻³¹ kg; abaikan gravitasi. Seberapa jauh y elektron dibelokkan ke samping saat keluar dari pelat? Berikan jawaban dalam mm.

v₀ = 3,5 × 10⁷ m/sL = 10 cmE = 2200 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Resistor seri & paralelSedang
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB

Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
4.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​3 Ω

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 30 ΩR6 = 3 Ω
IR2 = A
5.Transien RC & RLSedang
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 2,2 kΩC100 µF+−vC​

Sumber Vₛ mengisi kapasitor melalui R₁, dan R₂ terhubung paralel dengan C. Kapasitor belum bermuatan saat sakelar ditutup pada t = 0. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 80 ms.

Vs = 9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2,2 kΩC = 100 µFt = 80 ms
vC = V
6.Transien RC & RLSulit
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Sebuah pewaktu mulai mengisi kapasitor yang tidak bermuatan melalui resistor dari catu 5 V pada t = 0. Pewaktu harus terpicu ketika tegangan kapasitor mencapai 3 V, tepat 25 ms setelah mulai. Dengan C = 10 µF, cari resistansi R yang diperlukan.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 25 msC = 10 µF
R = kΩ
7.Medan magnet & induksiSedang
R = 8 Ωv = 2,5 m/sL = 80 cmB = 1 T

Sebatang logam sepanjang 80 cm meluncur dengan kelajuan 2,5 m/s di sepanjang dua rel dalam medan seragam 1 T yang masuk ke bidang kertas. Carilah GGL induksi ε di antara ujung-ujungnya.

B = 1 TL = 80 cmv = 2,5 m/s
ε = V
8.Medan magnet & induksiSulit
E = 1 × 10⁴ V/m, B1​ = 0,5 TB2​ = 1 Tr = ?

Sebuah deuteron melewati pemilih kecepatan tanpa terbelokkan dengan medan silang E = 1 × 10⁴ V/m dan B₁ = 0,5 T. Lalu ia memasuki daerah kedua yang hanya memiliki medan magnet B₂ = 1 T, secara tegak lurus. Carilah jari-jari r lintasannya di sana.

E = 1 × 10⁴ V/mB1 = 0,5 TB2 = 1 Tm = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ C
r = cm
9.Impedansi AC & fasorSedang
12 V500 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 12 V (rms), 500 Hz. Cari arus rms I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
10.Impedansi AC & fasorSulit
100 V1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 100 V (rms), 1000 Hz. Cari arus rms I.

V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: E = 7,192 × 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·1 × 10⁻⁶/0,05² = 3,596 × 10⁶ N/C
E2 = k·3 × 10⁻⁶/0,05² = 1,079 × 10⁷ N/C

Arah dan jumlah

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

E = |3,596 × 10⁶ − 1,079 × 10⁷| = 7,192 × 10⁶ N/C

Jawaban

E = 7,192 × 10⁶ N/C
2.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: y = 1,579 mm

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.

Waktu di antara pelat

t = L/v₀ = 0,1/3,5 × 10⁷ = 2,857 × 10⁻⁹ s

Percepatan ke samping

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·2200/9,109 × 10⁻³¹ = 3,869 × 10¹⁴ m/s²

Lendutan

y = ½·a·t² = ½·3,869 × 10¹⁴·(2,857 × 10⁻⁹)² = 0,001579 m = 1,579 mm

Jawaban

y = 1,579 mm

Elektron didorong ke arah pelat positif, berlawanan dengan arah medan.

3.Resistor seri & paralel

Jawaban: Req = 7,333 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​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​5 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 4 + 3,333 = 7,333 Ω

Jawaban

Req = 7,333 Ω
4.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 0,2367 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​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBR6​3 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 = 30 + 3 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 15,71 Ω
R3 + 15,71 = 20,71 Ω
R2 ∥ 20,71 = 4,028 Ω
Req = R1 + 4,028 = 30 + 4,028 = 34,03 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 10/34,03 = 0,2939 A

Arus melalui R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,2939·30 = 1,184 V
IR2 = VA/R2 = 1,184/5 = 0,2367 A

Jawaban

IR2 = 0,2367 A
5.Transien RC & RL

Jawaban: vC = 1,187 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.

Ekuivalen Thévenin yang dilihat kapasitor

Hubung singkatkan sumber untuk mencari Rth; buka kapasitor untuk mencari tegangan akhirnya.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·2,2/(4,7 + 2,2) = 1,499 kΩ
vC(∞) = 9·2,2/(4,7 + 2,2) = 2,87 V

Konstanta waktu

τ = Rth·C = 1,499·100 = 149,9 ms

Kurva pengisian

vC(t) = 2,87·(1 − e−80/149,9) = 1,187 V

Jawaban

vC = 1,187 V
6.Transien RC & RL

Jawaban: R = 2,728 kΩ

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 yang diperlukan

3 = 5·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(5/(5 − 3))
τ = 25/0,9163 = 27,28 ms

Hambatan

kΩ dikali µF menghasilkan milidetik.

R = τ/C = 27,28/10 = 2,728 kΩ

Jawaban

R = 2,728 kΩ
7.Medan magnet & induksi

Jawaban: ε = 2 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).

GGL gerak

ε = BLv = 1·0,8·2,5 = 2 V

Jawaban

ε = 2 V
8.Medan magnet & induksi

Jawaban: r = 0,04175 cm

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).

Kelajuan terpilih

Tanpa terbelokkan: gaya listrik qE mengimbangi gaya magnet qvB.

v = E/B1 = 1 × 10⁴/0,5 = 20000 m/s

Jari-jari dalam medan kedua

r = mv/(|q|B2) = 0,0004175 m = 0,04175 cm

Jawaban

r = 0,04175 cm
9.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 0,0395 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 = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (299,7)²) = 303,8 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 12/303,8 = 0,0395 A

Jawaban

I = 0,0395 A
10.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 0,336 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (280,3)²) = 297,6 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 100/297,6 = 0,336 A

Jawaban

I = 0,336 A

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