Soal 1: Hukum Coulomb
Soal: Dua bola kecil bermuatan masing-masing \( q_1 = 2 \times 10^{-6} \, \text{C} \) dan \( q_2 = -3 \times 10^{-6} \, \text{C} \) ditempatkan pada jarak 0,1 m satu sama lain. Hitung gaya listrik yang bekerja antara kedua bola tersebut. (Gunakan konstanta Coulomb \( k_e = 8,987 \times 10^9 \, \text{N m}^2/\text{C}^2 \)).
Pembahasan:
Menurut Hukum Coulomb, gaya \( F \) antara dua muatan listrik diberikan oleh:
\[ F = k_e \frac{|q_1 q_2|}{r^2} \]
Di mana:
– \( q_1 \) dan \( q_2 \) adalah muatan-muatan tersebut
– \( r \) adalah jarak antara muatan
– \( k_e \) adalah konstanta Coulomb
Substitusi nilai-nilai yang diketahui:
\[ F = 8,987 \times 10^9 \times \frac{|2 \times 10^{-6} \times (-3 \times 10^{-6})|}{(0,1)^2} \]
\[ F = 8,987 \times 10^9 \times \frac{6 \times 10^{-12}}{0,01} \]
\[ F = 8,987 \times 10^9 \times 6 \times 10^{-10} \]
\[ F = 5,3922 \times 10^{-9} \, \text{N} \]
Gaya listrik yang bekerja antara kedua bola adalah \( 5,39 \times 10^{-9} \, \text{N} \) dengan arah menarik karena muatan-muatan berlawanan jenis.
Soal 2: Induksi Elektrostatis
Soal: Sebuah bola konduktor netral digantung dengan tali isolator. Sebuah batang bermuatan negatif didekatkan pada bola tersebut tanpa menyentuhnya. Apa yang terjadi pada distribusi muatan di bola tersebut? Jelaskan proses yang terjadi.
Pembahasan:
Ketika batang bermuatan negatif didekatkan pada bola konduktor netral, elektron dalam bola akan terdorong menjauh dari batang karena gaya tolak-menolak. Hal ini menyebabkan sisi bola yang dekat dengan batang bermuatan positif karena kekurangan elektron, sementara sisi yang jauh menjadi bermuatan negatif karena kelebihan elektron. Proses ini disebut induksi elektrostatis, di mana muatan dalam konduktor redistribusi tanpa adanya kontak langsung.
Soal 3: Prinsip Konservasi Muatan
Soal: Dua bola konduktor identik bermuatan \( +6 \, \mu \text{C} \) dan \( -2 \, \mu \text{C} \) dibiarkan bersentuhan, kemudian dipisahkan. Hitung muatan masing-masing bola setelah dipisahkan, mengingat prinsip konservasi muatan.
Pembahasan:
Menurut prinsip konservasi muatan, jumlah total muatan sebelum dan sesudah kontak tetap sama. Total muatan sebelum kontak adalah:
\[ q_{\text{total}} = (+6 \, \mu \text{C}) + (-2 \, \mu \text{C}) = +4 \, \mu \text{C} \]
Karena kedua bola identik, muatan ini akan terbagi rata di antara kedua bola setelah bersentuhan:
\[ q_{\text{bola}} = \frac{q_{\text{total}}}{2} = \frac{4 \, \mu \text{C}}{2} = 2 \, \mu \text{C} \]
Jadi, setelah dipisahkan, masing-masing bola akan memiliki muatan \( 2 \, \mu \text{C} \).
Soal 4: Pengendalian Listrik Statis
Soal: Sebuah pabrik menggunakan pelembap udara untuk mengurangi listrik statis. Mengapa udara kering dapat meningkatkan risiko listrik statis, dan bagaimana pelembap udara membantu menguranginya?
Pembahasan:
Udara kering kurang menghantarkan listrik dan cenderung meningkatkan akumulasi muatan listrik statis pada permukaan benda. Hal ini terjadi karena kurangnya molekul air yang dapat menyerap dan mendistribusikan muatan. Pelembap udara menambahkan kelembapan ke udara, meningkatkan jumlah molekul air yang dapat mengurangi muatan listrik dengan menyerapnya dan mendistribusikannya secara lebih merata, sehingga mengurangi risiko akumulasi muatan listrik statis.
Soal 5: Aplikasi dalam Kehidupan Sehari-hari
Soal: Jelaskan bagaimana prinsip listrik statis digunakan dalam mesin fotokopi. Sertakan langkah-langkah dasar proses penyalinan dokumen menggunakan prinsip ini.
Pembahasan:
Mesin fotokopi menggunakan prinsip listrik statis sebagai berikut:
1. Muatan pada Drum Fotoreseptor: Drum fotoreseptor yang sensitif cahaya di dalam mesin diberi muatan listrik statis.
2. Paparan Cahaya: Dokumen yang akan disalin diterangi, dan gambarannya dipantulkan ke drum. Area drum yang terkena cahaya kehilangan muatan, sesuai dengan area terang pada dokumen asli.
3. Aplikasi Toner: Toner bermuatan negatif ditarik ke area drum yang masih bermuatan positif, membentuk pola gambar dari dokumen asli.
4. Transfer ke Kertas: Kertas yang bermuatan positif ditarik ke drum, sehingga toner berpindah dari drum ke kertas.
5. Fiksasi: Kertas kemudian dipanaskan untuk melelehkan toner, menghasilkan salinan permanen pada kertas.
Proses ini memungkinkan reproduksi dokumen dengan memanfaatkan muatan listrik statis untuk mengontrol distribusi toner pada kertas.