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
++8 µC++10 µCP10 cm

Muatan +8 µC dan muatan +10 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 = +8 µCq2 = +10 µCr1 = 5 cmr2 = 5 cm
E = N/C
2.Hukum Coulomb & medan listrikSulit
+ + + + + +− − − − − −e⁻1 × 10⁷ m/s6 cmE = 1800 N/C

Sebuah elektron memasuki medan homogen di antara dua pelat sejajar dengan bergerak sejajar pelat pada 1 × 10⁷ m/s. Panjang pelat 6 cm dan medan di antaranya 1800 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 = 1 × 10⁷ m/sL = 6 cmE = 1800 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Resistor seri & paralelSedang
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
4.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​4 Ω

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 30 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
5.Transien RC & RLSedang
+−Vs​24 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

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

Vs = 24 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
6.Transien RC & RLSulit
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 15 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 12,6 V? Cari t.

Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 15 V
t = ms
7.Medan magnet & induksiSedang
−vBF = ?

Sebuah elektron bergerak ke bawah halaman melalui medan magnet seragam yang menunjuk keluar dari bidang kertas. Klik arah gaya magnet padanya.

v: ke bawah halamanB: keluar dari bidang kertas
  1. 1ke atas halaman
  2. 2ke kanan
  3. 3ke bawah halaman
  4. 4ke kiri
8.Medan magnet & induksiSulit
I = 2 Al = 25 cmN = 100, ⌀ 5 cm

Solenoida panjang berinti udara memiliki 100 lilitan, panjang 25 cm, dan diameter 5 cm. Carilah energi W yang tersimpan dalam medan magnetnya ketika dialiri 2 A.

N = 100l = 25 cm⌀ = 5 cmI = 2 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = µJ
9.Impedansi AC & fasorSedang
50 V200 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
10.Impedansi AC & fasorSulit
120 V100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 10 µF+−VC​

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 100 Hz. Cari tegangan rms VC pada kapasitor.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VC = V

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·8 × 10⁻⁶/0,05² = 2,877 × 10⁷ N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,05² = 3,596 × 10⁷ N/C

Arah dan jumlah

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

E = |2,877 × 10⁷ − 3,596 × 10⁷| = 7,192 × 10⁶ N/C

Jawaban

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

Jawaban: y = 5,698 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 = 0,06/1 × 10⁷ = 6 × 10⁻⁹ s

Percepatan ke samping

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·1800/9,109 × 10⁻³¹ = 3,166 × 10¹⁴ m/s²

Lendutan

y = ½·a·t² = ½·3,166 × 10¹⁴·(6 × 10⁻⁹)² = 0,005698 m = 5,698 mm

Jawaban

y = 5,698 mm

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

3.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 1,884 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​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​10 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
Req = R1 + 4,839 = 8 + 4,839 = 12,84 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 30/12,84 = 2,337 A

Arus melalui R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,337·8 = 11,31 V
IR2 = VA/R2 = 11,31/6 = 1,884 A

Jawaban

IR2 = 1,884 A
4.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 0,6077 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​ = 8 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBR6​4 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 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 3,579 Ω
R3 + 3,579 = 11,58 Ω
R2 ∥ 11,58 = 3,492 Ω
Req = R1 + 3,492 = 8 + 3,492 = 11,49 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 10/11,49 = 0,8702 A

Arus melalui R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,8702·8 = 3,039 V
IR2 = VA/R2 = 3,039/5 = 0,6077 A

Jawaban

IR2 = 0,6077 A
5.Transien RC & RL

Jawaban: vL = 7,989 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 = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 24/22 = 1,091 A

Tegangan induktor

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−5/4,545 = 7,989 V

Jawaban

vL = 7,989 V
6.Transien RC & RL

Jawaban: t = 112,8 ms

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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 47 µF = 220,9 ms
vC(t) = 9 + (15 − 9)·e−t/τ

Selesaikan untuk waktu

12,6 = 9 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (12,6 − 9)/(15 − 9) = 0,6
t = τ·ln((15 − 9)/(12,6 − 9)) = 220,9·ln(1,667) = 112,8 ms

Jawaban

t = 112,8 ms
7.Medan magnet & induksi

Jawaban: ke kanan

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.

v: ke bawah halaman, B: keluar dari bidang kertas

Muatan negatif

Gaya pada elektron berlawanan dengan gaya pada muatan positif.

Arah gaya

ke kanan

Jawaban

F: ke kanan
8.Medan magnet & induksi

Jawaban: W = 197,4 µJ

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).

Induktansi diri

L = μ₀N²A/l = 98,7 µH

Energi tersimpan

W = ½LI² = ½·9,87 × 10⁻⁵·2² = 0,0001974 J = 197,4 µJ

Jawaban

W = 197,4 µJ
9.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 1,897 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (17,17)²) = 26,36 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 50/26,36 = 1,897 A

Jawaban

I = 1,897 A
10.Impedansi AC & fasor

Jawaban: VC = 168,3 V

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−96,32)²) = 113,5 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 120/113,5 = 1,057 A

Tegangan pada kapasitor

VC = I·XC = 1,057·159,2 = 168,3 V

Jawaban

VC = 168,3 V

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