hukum Coulomb merupakan salah satu materi fundamental dalam pelajaran fisika di tingkat SMA, khususnya kelas 3. Materi ini membahas tentang gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua muatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu.
Memahami hukum Coulomb sangat penting karena menjadi dasar untuk mempelajari konsep listrik statis yang lebih kompleks. Untuk membantu siswa menguasai materi ini, kami sajikan 10 contoh soal hukum Coulomb SMA kelas 3 lengkap dengan pembahasannya.
1. Soal gaya Coulomb Antara Dua Muatan Sejenis
Dua buah muatan masing-masing sebesar +4 µC dan +6 µC terpisah pada jarak 3 cm di udara. Hitunglah besar gaya Coulomb yang bekerja pada kedua muatan tersebut.
Pembahasan: Gaya yang terjadi adalah tolak-menolak karena kedua muatan sejenis. Dengan menggunakan rumus F = k.q1.q2/r², kita dapatkan F = 9×10⁹ × 4×10⁻⁶ × 6×10⁻⁶ / (0,03)² = 240 N.
2. Soal Gaya Coulomb Antara Dua Muatan Tidak Sejenis
Sebuah muatan +2 µC dan muatan -3 µC berada pada jarak 5 cm satu sama lain. Tentukan besar dan jenis gaya yang timbul.
Pembahasan: Karena muatan berbeda jenis, gaya yang terjadi adalah tarik-menarik. Besar gaya F = 9×10⁹ × 2×10⁻⁶ × 3×10⁻⁶ / (0,05)² = 21,6 N.
3. Soal Menentukan Jarak Antara Dua Muatan
Dua muatan masing-masing +8 µC dan +2 µC menghasilkan gaya tolak sebesar 360 N. Berapakah jarak pisah antara kedua muatan tersebut?
Pembahasan: Dengan rumus r = √(k.q1.q2/F), maka r = √(9×10⁹ × 8×10⁻⁶ × 2×10⁻⁶ / 360). Hasilnya r = √(0,0004) = 0,02 m = 2 cm.
4. Soal Menentukan Muatan Jika Gaya Diketahui
Dua muatan identik terpisah sejauh 4 cm dan saling tolak dengan gaya 90 N. Tentukan besar masing-masing muatan tersebut.
Pembahasan: Karena muatan identik, q1 = q2 = q. Maka q = √(F.r²/k) = √(90 × (0,04)² / 9×10⁹) = √(1,6×10⁻⁸) = 4×10⁻⁴ C = 400 µC.
5. Soal Perbandingan Gaya Coulomb Akibat Perubahan Jarak
Jika jarak antara dua muatan diperbesar menjadi 3 kali jarak semula, bagaimana perubahan gaya Coulomb yang terjadi?
Pembahasan: Gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Jika jarak menjadi 3 kali, maka gaya menjadi 1/9 kali gaya semula. Jadi gaya mengecil menjadi seper Sembilan kali.
6. Soal Perbandingan Gaya Coulomb Akibat Perubahan Muatan
Jika salah satu muatan diperbesar menjadi 4 kali muatan awal, sementara jarak tetap, berapa kali lipat perubahan gaya Coulomb?
Pembahasan: Gaya sebanding dengan hasil kali kedua muatan. Jika salah satu muatan menjadi 4 kali, maka gaya juga menjadi 4 kali lipat dari gaya semula.
7. Soal Gaya Coulomb dalam Medium Bukan Udara
Dua muatan +5 µC dan -5 µC terpisah 2 cm dalam medium dengan konstanta dielektrik 2. Hitung gaya Coulomb yang terjadi.
Pembahasan: Dalam medium, gaya Coulomb menjadi F = k.q1.q2/(εr.r²). Maka F = 9×10⁹ × 5×10⁻⁶ × 5×10⁻⁶ / (2 × (0,02)²) = 281,25 N.
8. Soal Resultan Gaya Coulomb pada Tiga Muatan Segaris
Tiga muatan q1 = +3 µC, q2 = -2 µC, dan q3 = +4 µC berada segaris. Jarak q1 ke q2 = 2 cm, jarak q2 ke q3 = 3 cm. Tentukan gaya pada q2.
Pembahasan: Gaya pada q2 akibat q1: F12 = 9×10⁹ × 3×10⁻⁶ × 2×10⁻⁶ / (0,02)² = 135 N (tarik ke kiri). Gaya pada q2 akibat q3: F23 = 9×10⁹ × 2×10⁻⁶ × 4×10⁻⁶ / (0,03)² = 80 N (tarik ke kanan). Resultan = 135 – 80 = 55 N ke kiri.
9. Soal Resultan Gaya Coulomb pada Muatan di Segitiga Siku-siku
Muatan q1 = +2 µC di titik A, q2 = -3 µC di titik B, dan q3 = +4 µC di titik C membentuk segitiga siku-siku di A. AB = 3 cm, AC = 4 cm. Tentukan gaya pada q1.
Pembahasan: Gaya dari q2: F12 = 9×10⁹ × 2×10⁻⁶ × 3×10⁻⁶ / (0,03)² = 60 N ke kanan. Gaya dari q3: F13 = 9×10⁹ × 2×10⁻⁶ × 4×10⁻⁶ / (0,04)² = 45 N ke bawah. Resultan = √(60² + 45²) = √5625 = 75 N dengan arah 36,87° dari sumbu x positif.
10. Soal Menentukan Posisi Muatan Agar Gaya Nol
Dua muatan q1 = +1 µC dan q2 = +4 µC terpisah 9 cm. Di manakah muatan uji +q harus diletakkan agar gaya yang dialaminya nol?
Pembahasan: Agar gaya nol, muatan uji harus berada di antara kedua muatan. Misal jarak dari q1 = x, maka dari q2 = 9-x. Dengan F1 = F2, didapat 1/x² = 4/(9-x)². Maka 9-x = 2x, sehingga x = 3 cm dari q1.
Kesimpulan
Sepuluh contoh soal hukum Coulomb SMA kelas 3 di atas mencakup berbagai variasi perhitungan yang sering muncul dalam ujian. Mulai dari soal dasar dengan dua muatan hingga soal kompleks dengan tiga muatan dan resultan gaya.
Pemahaman yang baik terhadap rumus dan konsep dasar akan memudahkan dalam menyelesaikan soal-soal tersebut. Latihan secara rutin dengan berbagai tipe soal akan meningkatkan kemampuan analisis dan perhitungan siswa dalam materi listrik statis.
