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

Metode

Mulailah dari ujung jaringan yang paling jauh dari terminal.
Gabungkan resistor seri dengan menjumlahkannya, dan resistor paralel dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Gambar ulang rangkaian setelah setiap langkah.
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; v_C tidak dapat melompat
Induktor pada DC: hubung singkat; i_L tidak dapat melompat
Keadaan tunak: t ≈ 5τ

Metode

Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
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, E_rms = 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

Ubah setiap besaran ke satuan SI: cm ke m, cm² ke m², mT dan µT ke T.
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.
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.
Cari arah secara terpisah dengan kaidah tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus induksi.

Impedansi AC & fasor

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

Metode

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

2Soal latihan

1.Hukum Coulomb & medan listrikSedang

Muatan +5 µC dan +8 µC berjarak 80 cm. Pada jarak berapa x dari muatan +5 µC, pada garis di antara keduanya, medan listriknya nol?

q₁ = +5 µCq₂ = +8 µCd = 80 cm

x = cm

2.Hukum Coulomb & medan listrikSulit

Muatan +1 µC dan +1 µC berjarak 8 cm. Titik P terletak 5 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 = +1 µCq₂ = +1 µCd = 8 cmh = 5 cm

E = N/C

3.Resistor seri & paralelSedang

Cari resistansi ekuivalen R_eq yang dilihat sumber V₁.

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 6 Ω

R_eq = Ω

4.Resistor seri & paralelSulit

Cari arus I_R1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 30 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 2 Ω

I_R1 = A

5.Transien RC & RLSedang

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari energi W yang tersimpan dalam induktor pada t = 5 ms, dalam mJ.

V_s = 9 VR = 22 ΩL = 47 mHt = 5 ms

W = mJ

6.Transien RC & RLSulit

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 3 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar v_C mencapai 11,5 V? Cari t.

V_s = 20 VR = 10 kΩC = 22 µFv_C(0) = 3 V

t = ms

7.Medan magnet & induksiSedang

Sebatang logam sepanjang 30 cm meluncur dengan kelajuan 6 m/s di sepanjang dua rel dalam medan seragam 0,1 T yang masuk ke bidang kertas. Kedua rel dihubungkan oleh hambatan 4 Ω; hambatan batang dan rel diabaikan. Carilah gaya F yang diperlukan untuk menjaga batang bergerak dengan kelajuan tetap (tanpa gesekan).

B = 0,1 TL = 30 cmv = 6 m/sR = 4 Ω

F = mN

8.Medan magnet & induksiSulit

Dua kumparan dengan induktansi diri 200 mH dan 20 mH memiliki koefisien kopling 0,5. Arus pada kumparan pertama berubah dengan laju 20 A/s. Carilah GGL ε yang diinduksi pada kumparan kedua.

L₁ = 200 mHL₂ = 20 mHk = 0,5di/dt = 20 A/s

ε = V

9.Impedansi AC & fasorSedang

Sebuah rangkaian RLC seri dengan L = 1 mH harus beresonansi pada 60 Hz. Cari kapasitansi C yang diperlukan.

f₀ = 60 HzL = 1 mH

C = µF

10.Impedansi AC & fasorSulit

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 500 Hz. Cari tegangan rms V_C pada kapasitor.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 47 µF

V_C = V

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: x = 35,32 cm

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.

Medan sama besar

5/x² = 8/(80 − x)²

(80 − x)/x = √(8/5) = 1,265

Posisi

x = 80/(1 + 1,265) = 35,32 cm

Jawaban

x = 35,32 cm

Titik nol selalu lebih dekat ke muatan yang lebih kecil.

2.Hukum Coulomb & medan listrik

Jawaban: E = 3,424 × 10⁶ N/C

Jarak dan medan satu muatan

r = √(4² + 5²) = 6,403 cm

E₁ = k·1 × 10⁻⁶/0,06403² = 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: R_eq = 4,357 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.

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 = 5 + 6 = 11 Ω

R₂ ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω

R_eq = R₁ + 2,357 = 2 + 2,357 = 4,357 Ω

Jawaban

R_eq = 4,357 Ω

4.Resistor seri & paralel

Jawaban: I_R1 = 0,8598 A

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 = 25 + 2 = 27 Ω

R₄ ∥ 27 = 11,49 Ω

R₃ + 11,49 = 26,49 Ω

R₂ ∥ 26,49 = 4,892 Ω

R_eq = R₁ + 4,892 = 30 + 4,892 = 34,89 Ω

Arus dari sumber

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

I_R1 = V₁/R_eq = 30/34,89 = 0,8598 A

Jawaban

I_R1 = 0,8598 A

5.Transien RC & RL

Jawaban: W = 3,212 mJ

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 / 22 Ω = 2,136 ms

i(∞) = V_s/R = 9/22 = 0,4091 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = 0,4091·(1 − e^−5/2,136) = 0,3697 A

Energi tersimpan

W = ½·L·i² = ½·47·0,3697² = 3,212 mJ

Jawaban

W = 3,212 mJ

6.Transien RC & RL

Jawaban: t = 152,5 ms

Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu

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

v_C(0) = 3 V, v_C(∞) = V_s = 20 V

τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms

v_C(t) = 20 + (3 − 20)·e^−t/τ

Selesaikan untuk waktu

11,5 = 20 + (−17)·e^−t/τ → e^−t/τ = (11,5 − 20)/(3 − 20) = 0,5

t = τ·ln((3 − 20)/(11,5 − 20)) = 220·ln(2) = 152,5 ms

Jawaban

t = 152,5 ms

7.Medan magnet & induksi

Jawaban: F = 1,35 mN

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 = 0,1·0,3·6 = 0,18 V

Arus

I = ε/R = 0,18/4 = 0,045 A

Gaya pengereman

Hukum Lenz: gaya pada arus induksi melawan gerak.

F = BIL = 0,1·0,045·0,3 = 0,00135 N

Jawaban

F = 1,35 mN

8.Medan magnet & induksi

Jawaban: ε = 0,6325 V

Induktansi bersama

M = 0,5·√(200·20) = 31,62 mH

GGL induksi

ε = M·di/dt = 0,03162·20 = 0,6325 V

Jawaban

ε = 0,6325 V

9.Impedansi AC & fasor

Jawaban: C = 7036 µF

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·60 = 377 rad/s

C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,001) = 7036 µF

Jawaban

C = 7036 µF

10.Impedansi AC & fasor

Jawaban: V_C = 0,4314 V

Reaktansi

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0,25 = 785,4 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(100² + (778,6)²) = 785 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 50/785 = 0,06369 A

Tegangan pada kapasitor

V_C = I·X_C = 0,06369·6,773 = 0,4314 V

Jawaban

V_C = 0,4314 V

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