INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
PROGRAM STUDI FISIKA Jl. Ganesha No 10 Bandung 40132 Indonesia
SOLUSI MODUL TUTORIAL FISIKA DASAR IIA (FI-1201) KE 02 Semester 2 Tahun 2016-2017 TOPIK : Potensial listrik, Kapasitor dan Dielektrik
A. PERTANYAAN 1. Dapatkah sebuah muatan berpindah dalam suatu medan listrik tanpa melakukan kerja? Jelaskan! Jawab: Ya. Setiap muatan yang berada dalam suatu medan listrik mengalami gaya listrik, yang mampu membuatnya bergerak dan berpindah dari satu titik ke titik lain. 2. Sebuah logam berbentuk bola pejal yang memiliki jari-jari 15 cm diberi muatan hingga memiliki beda potensial listrik 60 V terhadap titik acuan di jarak tak hingga. Bagaimana potensial listrik di pusat bola dan di permukaan bola. Jawab: (a) Potensial listrik di dalam bola logam pejal bernilai konstan, sehingga V = 60 volt (b) V = 60 volt 3. Dapatkah sebuah titik dilalui oleh dua bidang equipotensial yang berbeda? Jelaskan! Jawab: Tidak dapat. Sebuah bidang equipotensial memiliki nilai potensial tertentu 4. Sebuah kapasitor terdiri dari dua buah plat dengan jarak antar plat d dan memiliki kapasitansi C. Jika jarak antar plat diubah menjadi 2d, bagaimana nilai kapasitansinya sekarang? Jawab: Nilai kapasitansi kapasitornya menjadi 0.5C 5. Sebuah kapasitor dihubungkan dengan baterai hingga terisi penuh. Kemudian baterai tersebut dilepas dan kapasitor tersebut disisipi sebuah insulator dengan konstanta dielektrik k = 2. Apa yang terjadi dengan muatan pada kapasitor tersebut? Jawab: Muatan plat tidak berubah
SOLUSI Modul Tutorial 2 FIDAS IIA 2016-2017---NPFN---
1
B. SOAL 1. Empat buah muatan titik tersusun seperti pada gambar di samping. Berapakah besar potensial listrik total di titik P akibat oleh 4 muatan tersebut jika potensial listrik di tempat jauh tak hingga sama dengan nol. Diketahui q = 5 x 10-15 C dan d = 4 cm.
SOLUSI:
2. Sebuah daerah memiliki potensial listrik yang merupakan fungsi dari posisi yaitu V = 2 xyz2, dimana V dinyatakan dalam volt dan koordinat x, y, dan z dalam meter. Berapakah besar medan listrik di titik (3, -2, 4) m ? SOLUSI:
Maka,
3. Sebuah batang plastik tipis dengan panjang L = 12 cm memiliki muatan total Q = +56,1 fC terletak pada sumbu x seperti ditunjukkan pada gambar di samping. Jika potensial listrik di tempat jauh tak hingga sama dengan nol, tentukan potensial listrik di titik P1 yang berjarak d = 2,5 cm dari salah satu ujung batang (lihat gambar). .
SOLUSI:
SOLUSI Modul Tutorial 2 FIDAS IIA 2016-2017---NPFN---
2
Maka,
4. Dua buah logam berbentuk bola masing-masing berjari-jari 3 cm dan terpisah sejauh 2 m (jarak antar kedua titik pusat bola tersebut). Bola 1 memiliki muatan 1 x 10-8 C dan bola 2 memiliki muatan -3 x 10-8 C. Anggap bahwa jarak antar titik pusat sangat besar sehingga kedua bola tidak saling mempengaruhi satu sama lain. Jika potensial listrik di titik tak hingga sama dengan nol, hitunglah: a. potensial pada titik tengah antara kedua titik pusat bola tersebut b. potensial pada permukaan bola 1 c. potensial pada permukaan bola 2
SOLUSI: a. Potensial listrik pada titik tengah antara dua buah titik pusat bola
b. Potensial pada permukaan bola 1
c. Potensial pada permukaan bola 2
5. Perhatikan gambar di samping. Baterai memiliki beda potensial V = 9 V, C2 = 3 µF, C4 = 4 µF, dan semua kapasitor mula mula tidak bermuatan. Ketika saklar S ditutup, muatan total yang mengalir melewati titik a sebesar 12 µC dan muatan total yang mengalir melewati titik b sebesar 8 µC. Berapakah kapasitansi (a) C3 dan (b) C1 SOLUSI: b. Kapasitansi kapasitor C3 Muatan pada kapasitor 3 dan kapasitor 4:
SOLUSI Modul Tutorial 2 FIDAS IIA 2016-2017---NPFN---
3
Sehingga tegangan pada C3 = C4 = Maka,
a. Kapasitansi kapasitor C1 Besarnya kapasitansi kapasitor pengganti total,
Maka,
6. Dua buah kapasitor C1 dan C2 memiliki luas dan jarak antar plat yang sama yaitu A = 5 x 10-3 m2 dan d = 2 mm. Kapasitor C1 diisi material dielektrik dengan nilai k = 3. Kedua kapasitor tersebut dihubungkan dengan sebuah baterai yang memiliki beda potensial 12 V seperti ditunjukkan pada gambar di samping. Berapa muatan total yang tersimpan pada kedua kapasitor tersebut.
SOLUSI:
Maka,
7. Sebuah kapasitor plat dengan luas plat adalah 0,034 m 2 dan jarak antar plat 2 mm diisi bahan dielektrik dengan k = 5,5. Kapasitor akan bocor (rusak) jika medan listrik antara kedua plat melebihi 200 kN/C. Berapakah energi maksimum yang dapat tersimpan dalam kapasitor tersebut? SOLUSI:
Maka,
SOLUSI Modul Tutorial 2 FIDAS IIA 2016-2017---NPFN---
4
Energi maksimum yang dapat tersimpan dalam kapasitor,
8. Sebuah kapasitor plat sejajar dengan luas plat A = 5,56 cm 2 dan jarak antar plat d = 5,56 mm. Sisi kiri diisi dengan material dielektrik k1 = 7 dan sisi kanan diisi dengan material dielektrik k2 = 12 (lihat gambar di samping). Berapakah kapasitansi kapasitor tersebut? SOLUSI: Kapasitor dipandang sebagai dua buah kapasitor dengan susunan parallel,
9. Perhatikan gambar di samping. Saklar S mula-mula terhubung ke sisi kiri hingga kapasitor C1 mencapai keadaan tunak (terisi penuh). Kemudian saklar dihubungkan ke sisi kanan. Ketika tercapai keadaan tunak, berapakah muatan yang tersimpan pada kapasitor C1? Diketahui: V = 10V, C1 = 10 µF, dan C2 = C3 = 20 µF. SOLUSI: Muatan kapasitor 1 saat saklar terhubung ke kiri, Q = C1V = 100 µC. Saat saklar terhubung ke kanan,
Sehingga,
SOLUSI Modul Tutorial 2 FIDAS IIA 2016-2017---NPFN---
5
10. Gambar di samping menunjukkan sebuah rangkaian kapasitor yang terdiri dari sebuah baterai dengan beda potensial 12 V dan 3 buah kapasitor kosong (tidak bermuatan). Saklar S mula-mula terhubung ke sisi kiri hingga kapasitor C1 terisi penuh (bermuatan). Kemudian saklar dipindahkan ke sisi kanan. Jika diketahui C1 = 4 µF, C2 = 6 µF, dan C1 = 3 µF, berapakah energi pada masing masing kapasitor tersebut (dalam keadaan setimbang)?; SOLUSI: a. Muatan pada kapasitor 1
Maka,
q 2 1 32 128J 2C 2 4 2
U1
b. Muatan pada kapasitor 2
q 2 1 16 21,3J 2C 2 6 2
U2
c. Muatan pada kapasitor 3
q 2 1 16 U3 42,67 J 2C 2 3 2
SOLUSI Modul Tutorial 2 FIDAS IIA 2016-2017---NPFN---
6
