Hukum Coulomb & medan elektrik: soalan latihan dengan penyelesaian langkah demi langkah

1Apa yang dilakukan oleh cas elektrik

Gosok belon pada rambut anda dan ia melekat pada dinding. Belon itu telah mengambil cas elektrik, dan cas menolak atau menarik satu sama lain tanpa bersentuhan.

Terdapat dua jenis cas, positif dan negatif. Cas q diukur dalam coulomb (C). Satu coulomb sangat besar, jadi soalan menggunakan mikrocoulomb: 1 µC = 10⁻⁶ C, dan nanocoulomb: 1 nC = 10⁻⁹ C.

• Cas sejenis (+ dan +, atau − dan −) menolak: ia menolak berjauhan.
• Cas tak sejenis (+ dan −) menarik: ia menarik antara satu sama lain.

Kedua-dua daya itu sentiasa sama besar dan bertentangan arah, seperti yang dinyatakan oleh hukum ketiga Newton.

2Hukum Coulomb

Magnitud daya antara dua cas titik q₁ dan q₂ pada jarak r ialah:

Cas yang lebih besar memberikan daya yang lebih besar. Daya jatuh mengikut kuasa dua jarak: dua kali lebih jauh memberikan satu perempat daripada daya.

Gunakan magnitud cas dalam rumus (|…| bermaksud “tanpa tanda”). Tentukan arah secara berasingan: tolak atau tarik.

Sentiasa bekerja dalam unit SI: cas dalam C dan jarak dalam m. 5 cm ialah 0.05 m, dan r² ialah 0.0025 m².

3Medan elektrik

Cas mengubah ruang di sekelilingnya. Mana-mana cas lain yang diletakkan di situ mengalami daya. Medan elektrik E memberitahu anda daya bagi setiap coulomb pada titik itu, dalam N/C.

Medan mempunyai arah: menjauhi cas positif dan menuju cas negatif. Ia ialah arah yang akan ditolak oleh cas ujian positif yang kecil.

Dengan dua atau lebih cas, cari medan bagi setiap satu secara berasingan, kemudian tambahkannya sebagai anak panah. Sepanjang satu garis, anak panah yang searah ditambah dan anak panah yang bertentangan ditolak.

Pada sudut tegak, gunakan Pythagoras: F = √(F₁² + F₂²).

4Kaedah langkah demi langkah

1. Tukar kepada SI: µC × 10⁻⁶ dan nC × 10⁻⁹ kepada C, cm kepada m.
2. Lukis cas dan titik yang anda minati.
3. Cari magnitud setiap daya atau medan dengan k·|q₁q₂|/r² atau k·|q|/r². Gunakan jarak dari cas itu ke titik tersebut.
4. Lukis arah setiap satu: tolak atau tarik bagi daya, menjauhi + dan menuju − bagi medan.
5. Tambahkannya sebagai anak panah: tambah atau tolak sepanjang garis, Pythagoras pada sudut tegak.
6. Semak peringkat magnitud: daya antara beberapa µC yang berjarak beberapa cm ialah beberapa newton hingga beberapa ratus newton.

5Contoh terselesai

Ikuti setiap langkah. Cuba ramalkan langkah seterusnya sebelum anda membukanya.

6Kesilapan lazim

• Membiarkan jarak dalam cm. Jawapannya kemudian 10 000 kali terlalu kecil.
• Terlupa menguasaduakan jarak.
• Terlupa 10⁻⁶ bagi µC.
• Menambah medan yang menuju arah bertentangan. Lukis anak panah dahulu.
• Menggunakan jarak antara dua cas dan bukan jarak dari setiap cas ke titik P.

7Rupa soalan peperiksaan

• Mudah: daya antara dua cas dengan hukum Coulomb, jarak bagi daya tertentu, medan satu cas, atau cara daya berubah apabila cas atau jarak berubah.
• Sederhana: medan antara dua cas, titik tempat medan sifar, daya bersih pada cas di antara dua cas lain, atau sfera yang berkongsi cas selepas bersentuhan.
• Sukar: daya pada sudut tegak, medan pada pembahagi dua sama serenjang, bebola bercas yang tergantung pada benang, atau elektron yang dibelokkan antara plat.

Bagi soalan “bagaimana jika”, gunakan nisbah: menggandakan tiga kali satu cas dan menjadikan jarak separuh mendarabkan daya dengan 3/0.5² = 12.