Benang Lurus
Latihan Soal Listrik Statis 01
Soal 01
Perhatikan model atom dan komponen partikel penyusunnya berikut!
Berdasarkan struktur materi di atas, sebuah benda netral akan menjadi bermuatan listrik negatif apabila mengalami kondisi ….
A. proton berpindah masuk ke dalam inti atom benda tersebut
B. elektron dari benda tersebut berpindah keluar menuju benda lain
C. benda tersebut mendapatkan tambahan elektron dari luar
D. neutron di dalam inti atom berubah menjadi elektron
Atom tersusun atas proton (muatan positif) dan neutron (tidak bermuatan) yang terikat sangat kuat di dalam inti atom (nukleus), serta elektron (muatan negatif) yang mengelilingi inti pada kulit atom. Karena letaknya di luar inti dan massanya yang sangat kecil, hanya elektron yang dapat berpindah dari satu atom ke atom lainnya.
• Benda netral memiliki jumlah proton sama dengan jumlah elektron (\(\Sigma p = \Sigma e\)).
• Benda bermuatan negatif terjadi saat benda menerima (menangkap) elektron dari luar, sehingga jumlah elektron menjadi lebih banyak daripada jumlah proton (\(\Sigma e > \Sigma p\)).
• Benda bermuatan positif terjadi jika benda melepaskan/kehilangan elektron.
Soal 02
Dalam percobaan laboratorium IPA, seorang siswa menggosok batang kaca menggunakan kain sutra kering, kemudian mendekatkannya ke serpihan kertas kecil. Peristiwa perpindahan muatan dan jenis muatan listrik yang benar adalah ….
A. elektron berpindah dari kain sutra ke kaca, sehingga kaca bermuatan negatif
B. elektron berpindah dari kaca ke kain sutra, sehingga kaca bermuatan positif
C. proton berpindah dari kaca ke kain sutra, sehingga kaca bermuatan negatif
D. proton berpindah dari kain sutra ke kaca, sehingga kaca bermuatan positif
Tingkat kecenderungan bahan untuk melepas atau menangkap elektron ditentukan oleh deret tribolistrik. Kaca memiliki sifat sangat mudah melepaskan elektron dibandingkan kain sutra.
Ketika kaca digosok dengan kain sutra:
• Elektron berpindah dari kaca ke kain sutra.
• Kaca kehilangan elektron sehingga menjadi bermuatan positif.
• Kain sutra menerima elektron sehingga menjadi bermuatan negatif.
Soal 03
Perhatikan tabel kegiatan penggosokan dua benda netral berikut!
| No | Benda yang Digosok | Aliran Elektron | Muatan Akhir Benda |
|---|---|---|---|
| (1) | Mistar plastik dengan kain wol | Elektron mengalir dari wol ke plastik | Plastik bermuatan negatif |
| (2) | Batang ebonit dengan kain wol | Elektron mengalir dari ebonit ke wol | Ebonit bermuatan positif |
| (3) | Kaca dengan kain sutra | Elektron mengalir dari kaca ke sutra | Kaca bermuatan positif |
| (4) | Balon karet dengan rambut kering | Elektron mengalir dari rambut ke balon | Balon bermuatan negatif |
Pasangan data kegiatan, aliran elektron, dan muatan benda yang tepat ditunjukkan oleh nomor ….
A. (1), (2), dan (3)
B. (1), (3), dan (4)
C. (2), (3), dan (4)
D. (1), (2), dan (4)
• (1) Benar: Plastik menarik elektron dari kain wol \(\rightarrow\) plastik kelebihan elektron (negatif).
• (2) Salah: Ebonit yang digosok kain wol akan menyerap elektron dari kain wol ke ebonit, sehingga ebonit bermuatan negatif, bukan positif.
• (3) Benar: Kaca mudah melepaskan elektron ke sutra \(\rightarrow\) kaca kekurangan elektron (positif).
• (4) Benar: Karet balon menarik elektron dari rambut kering \(\rightarrow\) balon bermuatan negatif.
Soal 04
Empat buah bola konduktor ringan bertali isolator (\(A\), \(B\), \(C\), dan \(D\)) saling berinteraksi secara elektrostatis sebagai berikut:
1. Bola \(A\) menolak bola \(B\)
2. Bola \(B\) menarik bola \(C\)
3. Bola \(C\) menolak bola \(D\)
Jika bola \(D\) bermuatan positif, maka jenis muatan listrik pada bola \(A\), \(B\), dan \(C\) berturut-turut adalah ….
A. negatif, negatif, dan positif
B. positif, positif, dan negatif
C. negatif, positif, dan positif
D. positif, negatif, dan negatif
Ingat hukum dasar interaksi muatan: muatan sejenis tolak-menolak, muatan berlawanan jenis tarik-menarik.
1. Diketahui: Bola \(D = \mathbf{(+)}\).
2. Bola \(C\) menolak bola \(D\) \(\rightarrow\) Bola \(C\) sejenis dengan \(D\), jadi bola \(C = \mathbf{(+)}\).
3. Bola \(B\) menarik bola \(C\) \(\rightarrow\) Bola \(B\) berlawanan jenis dengan \(C\), jadi bola \(B = \mathbf{(-)}\).
4. Bola \(A\) menolak bola \(B\) \(\rightarrow\) Bola \(A\) sejenis dengan \(B\), jadi bola \(A = \mathbf{(-)}\).
Soal 05
Perhatikan ilustrasi pengujian menggunakan elektroskop netral berikut!
Sebuah batang kaca bermuatan positif didekatkan pada kepala elektroskop netral tanpa menyentuhnya. Kondisi yang terjadi pada elektroskop dan penjelasannya yang tepat adalah ….
A. kedua daun menutup rapat karena muatan positif batang kaca menetralkan elektroskop
B. kedua daun membuka karena elektron pada daun ditarik ke arah kepala elektroskop sehingga kedua daun sama-sama bermuatan positif
C. kedua daun membuka karena proton dari kepala elektroskop didorong turun menuju daun sehingga daun kelebihan muatan positif
D. kedua daun membuka karena elektron dari batang kaca melompat menuju daun elektroskop
Induksi elektrostatis adalah pemisahan muatan listrik pada benda netral akibat didekati oleh benda lain yang bermuatan listrik.
• Batang kaca bermuatan positif akan menarik elektron-elektron bebas dari bagian kaki/daun elektroskop untuk naik menuju ke kepala elektroskop.
• Akibatnya, kepala elektroskop terkumpul kelebihan elektron (bermuatan negatif induksi).
• Batang bagian bawah dan kedua daun elektroskop menjadi kekurangan elektron sehingga bermuatan positif. Karena kedua lembar daun bermuatan sejenis, timbul gaya tolak-menolak yang membuat kedua daun membuka (mengembang).
Soal 06
Perhatikan tahapan eksperimen pembumian (grounding) pada elektroskop berikut!
Tahap 1: Batang plastik bermuatan negatif didekatkan pada kepala elektroskop netral (daun membuka).
Tahap 2: Sambil batang plastik tetap berada di dekat kepala elektroskop, kepala elektroskop disentuh dengan jari tangan yang terhubung ke tanah (ground).
Tahap 3: Jari tangan dilepaskan terlebih dahulu dari kepala elektroskop.
Tahap 4: Terakhir, batang plastik dijauhkan dari elektroskop.
Pilihlah pernyataan yang benar mengenai proses dan kondisi akhir elektroskop setelah Tahap 4 selesai!
(1) Elektroskop menjadi bermuatan positif secara permanen.
(2) Daun elektroskop kembali membuka pada akhir Tahap 4.
(3) Elektron dari elektroskop mengalir menuju bumi melalui tubuh saat disentuh jari.
(4) Proton dari bumi mengalir masuk ke elektroskop saat disentuh jari.
Kombinasi pernyataan yang tepat adalah ….
A. (1), (2), dan (3)
B. (1), (2), dan (4)
C. (1) dan (3) saja
D. (2) dan (4) saja
1. Tahap 1: Plastik bermuatan negatif menolak elektron bebas di kepala turun ke daun sehingga kedua daun sama-sama bermuatan negatif dan membuka.
2. Tahap 2 & 3: Saat kepala elektroskop disentuh jari, elektron yang tertolak oleh plastik mencari jalan menuju daerah dengan kapasitas lebih luas, yaitu mengalir melalui tubuh ke bumi (ground). Daun menguncup sementara.
3. Tahap 4: Setelah jari dilepas lalu plastik dijauhkan, elektroskop kehilangan elektron. Muatan positif menyebar merata ke seluruh batang dan daun, menyebabkan elektroskop bermuatan positif permanen dan kedua daun membuka kembali.
Soal 07
Hukum Coulomb menyatakan hubungan kuantitatif antara gaya elektrostatis dua muatan listrik dengan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Pernyataan berikut yang tepat mengenai Hukum Coulomb adalah ….
A. gaya Coulomb berbanding lurus dengan jarak kedua muatan
B. gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan
C. gaya Coulomb berbanding lurus dengan massa kedua partikel bermuatan
D. gaya Coulomb berbanding terbalik dengan perkalian besar kedua muatan
Gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda bermuatan dirumuskan:
F &= k \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}
\end{align*}
Berdasarkan persamaan di atas:
• \(F\) berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan (\(q_1\) dan \(q_2\)).
• \(F\) berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (\(r^2\)) kedua muatan.
Soal 08
Dua muatan titik tak sejenis terpisah sejauh \(r\) di udara sehingga menimbulkan gaya tarik-menarik sebesar \(F\). Jika jarak antara kedua muatan tersebut dijauhkan menjadi \(3r\), maka besar gaya tarik-menarik antara kedua muatan sekarang menjadi ….
A. \(9F\)
B. \(3F\)
C. \(\frac{1}{3}F\)
D. \(\frac{1}{9}F\)
Karena nilai muatan \(q_1\) dan \(q_2\) konstan, gunakan relasi perbandingan terbalik kuadrat jarak:
\frac{F_2}{F_1} &= \left( \frac{r_1}{r_2} \right)^2 \\
\frac{F_2}{F} &= \left( \frac{r}{3r} \right)^2 \\
\frac{F_2}{F} &= \left( \frac{1}{3} \right)^2 = \frac{1}{9} \\
F_2 &= \frac{1}{9}F
\end{align*}
Ketika jarak dijadikan 3 kali semula, gaya elektrostatis menyusut menjadi sepersembilannya (\(\frac{1}{9}F\)).
Soal 09
Dua buah benda bermuatan listrik mengalami gaya tolak-menolak sebesar \(160\text{ N}\). Jika muatan benda pertama dijadikan \(2\) kali semula, muatan benda kedua dijadikan \(4\) kali semula, dan jarak pisah antara keduanya diperbesar menjadi \(2\) kali semula, maka gaya tolak-menolak kedua benda menjadi ….
A. \(80\text{ N}\)
B. \(160\text{ N}\)
C. \(320\text{ N}\)
D. \(640\text{ N}\)
Diketahui keadaan awal: \(F_1 = 160\text{ N}\).
Faktor perubahan: \(q_1′ = 2q_1\), \(q_2′ = 4q_2\), dan \(r’ = 2r\).
\frac{F_2}{F_1} &= \frac{q_1′ \cdot q_2′}{(r’)^2} \times \frac{r^2}{q_1 \cdot q_2} \\
\frac{F_2}{F_1} &= \frac{(2) \cdot (4)}{(2)^2} \\
\frac{F_2}{F_1} &= \frac{8}{4} = 2 \\
F_2 &= 2 \cdot F_1 = 2 \cdot 160\text{ N} = 320\text{ N}
\end{align*}
Gaya Coulomb akhir bernilai 320 N.
Soal 10
Dua muatan titik \(q_1 = +3\,\mu\text{C}\) dan \(q_2 = -6\,\mu\text{C}\) berada pada jarak \(30\text{ cm}\) satu sama lain di udara. Jika konstanta elektrostatis \(k = 9 \times 10^9\text{ N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2\) dan \(1\,\mu\text{C} = 10^{-6}\text{ C}\), maka besar dan sifat interaksi gaya elektrostatis antara kedua muatan adalah ….
A. \(1{,}8\text{ N}\), tolak-menolak
B. \(1{,}8\text{ N}\), tarik-menarik
C. \(0{,}18\text{ N}\), tolak-menolak
D. \(0{,}18\text{ N}\), tarik-menarik
Ubah satuan ke dalam Standar Internasional (SI):
• \(q_1 = 3\,\mu\text{C} = 3 \times 10^{-6}\text{ C}\)
• \(q_2 = 6\,\mu\text{C} = 6 \times 10^{-6}\text{ C}\)
• \(r = 30\text{ cm} = 0{,}3\text{ m} = 3 \times 10^{-1}\text{ m}\)
F &= k \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2} \\
F &= 9 \times 10^9 \cdot \frac{(3 \times 10^{-6}) \cdot (6 \times 10^{-6})}{(3 \times 10^{-1})^2} \\
F &= 9 \times 10^9 \cdot \frac{18 \times 10^{-12}}{9 \times 10^{-2}} \\
F &= 18 \times 10^{-1} = 1{,}8\text{ N}
\end{align*}
Karena kedua muatan berlainan jenis (positif dan negatif), maka sifat gayanya adalah tarik-menarik.
Soal 11
Perhatikan posisi tiga buah muatan listrik pada satu garis lurus berikut!
Muatan \(q_A = +4\,\mu\text{C}\) dan \(q_B = +9\,\mu\text{C}\) berjarak \(50\text{ cm}\). Sebuah muatan uji negatif \(q_C\) disisipkan di antara garis hubung kedua muatan tersebut. Agar resultan gaya Coulomb yang dialami muatan \(q_C\) bernilai nol, maka muatan \(q_C\) harus diletakkan pada jarak ….
A. \(20\text{ cm}\) di sebelah kanan \(q_A\)
B. \(25\text{ cm}\) di sebelah kanan \(q_A\)
C. \(30\text{ cm}\) di sebelah kanan \(q_A\)
D. \(35\text{ cm}\) di sebelah kanan \(q_A\)
Misalkan jarak \(q_C\) dari \(q_A\) adalah \(x\), maka jaraknya dari \(q_B\) adalah \((50 \:-\: x)\text{ cm}\).
Muatan \(q_C\) ditarik oleh \(q_A\) ke kiri (\(F_{CA}\)) dan ditarik oleh \(q_B\) ke kanan (\(F_{CB}\)). Supaya resultan sama dengan nol:
F_{CA} &= F_{CB} \\
k \cdot \frac{q_A \cdot q_C}{x^2} &= k \cdot \frac{q_B \cdot q_C}{(50 \:-\: x)^2} \\
\frac{4}{x^2} &= \frac{9}{(50 \:-\: x)^2}
\end{align*}
Akarkan kedua sisi persamaan:
\frac{2}{x} &= \frac{3}{50 \:-\: x} \\
2(50 \:-\: x) &= 3x \\
100 \:-\: 2x &= 3x \\
5x &= 100 \\
x &= 20\text{ cm}
\end{align*}
Jadi posisi muatan \(q_C\) berada tepat 20 cm di kanan \(q_A\).
Soal 12
Perhatikan pola visual garis-garis gaya listrik antara dua buah muatan titik \(M\) dan \(N\) berikut!
Berdasarkan arah anak panah pada garis medan listrik tersebut, jenis muatan \(M\) dan \(N\) berturut-turut adalah ….
A. \(M\) positif dan \(N\) negatif
B. \(M\) negatif dan \(N\) positif
C. \(M\) positif dan \(N\) positif
D. \(M\) negatif dan \(N\) negatif
Kaidah arah garis medan elektrostatis:
• Garis medan memancar keluar (menjauhi) muatan bertanda positif.
• Garis medan mengarah masuk (menuju) muatan bertanda negatif.
Karena arah garis keluar dari \(M\) dan masuk ke \(N\), maka \(M\) positif dan \(N\) negatif.
Soal 13
Sebuah muatan uji positif sebesar \(q = +2 \times 10^{-8}\text{ C}\) diletakkan di suatu titik dalam ruang medan listrik. Apabila muatan uji tersebut merasakan gaya elektrostatis sebesar \(6 \times 10^{-4}\text{ N}\), maka kuat medan listrik di titik tersebut adalah ….
A. \(3 \times 10^4\text{ N/C}\)
B. \(1{,}2 \times 10^{-11}\text{ N/C}\)
C. \(3 \times 10^{-4}\text{ N/C}\)
D. \(8 \times 10^4\text{ N/C}\)
Kuat medan listrik (\(E\)) didefinisikan sebagai gaya elektrostatis (\(F\)) per satuan muatan penguji (\(q\)):
E &= \frac{F}{q} \\
E &= \frac{6 \times 10^{-4}\text{ N}}{2 \times 10^{-8}\text{ C}} \\
E &= 3 \times 10^{(-4 \:-\: (-8))} \\
E &= 3 \times 10^4\text{ N/C}
\end{align*}
Kuat medan listrik pada posisi tersebut sebesar \(3 \times 10^4\text{ N/C}\).
Soal 14
Perhatikan tabel jarak titik uji terhadap sebuah muatan sumber \(Q\) dan nilai kuat medan listrik yang dirasakan berikut!
| Titik Uji | Jarak dari Sumber Muatan (\(r\)) | Kuat Medan Listrik (\(E\)) |
|---|---|---|
| Titik \(P\) | \(r\) | \(E\) |
| Titik \(Q\) | \(2r\) | \(E_Q\) |
| Titik \(R\) | \(\frac{1}{2}r\) | \(E_R\) |
Nilai kuat medan listrik \(E_Q\) dan \(E_R\) yang tepat dinyatakan dalam satuan \(E\) adalah ….
A. \(E_Q = \frac{1}{4}E\) dan \(E_R = 4E\)
B. \(E_Q = \frac{1}{2}E\) dan \(E_R = 2E\)
C. \(E_Q = 2E\) dan \(E_R = \frac{1}{2}E\)
D. \(E_Q = 4E\) dan \(E_R = \frac{1}{4}E\)
Persamaan kuat medan listrik: \(E = k \cdot \frac{Q}{r^2}\), yang menunjukkan \(E \propto \frac{1}{r^2}\).
1. Pada titik \(Q\) (\(r_Q = 2r\)):
E_Q &= k \cdot \frac{Q}{(2r)^2} = \frac{1}{4} \left( k \cdot \frac{Q}{r^2} \right) = \frac{1}{4}E
\end{align*}
2. Pada titik \(R\) (\(r_R = \frac{1}{2}r\)):
E_R &= k \cdot \frac{Q}{\left(\frac{1}{2}r\right)^2} = \frac{1}{\frac{1}{4}} \left( k \cdot \frac{Q}{r^2} \right) = 4E
\end{align*}
Soal 15
Sebuah usaha sebesar \(120\text{ Joule}\) diperlukan untuk memindahkan muatan listrik sebesar \(20\text{ Coulomb}\) dari titik \(A\) menuju titik \(B\). Beda potensial listrik antara kedua titik tersebut adalah ….
A. \(2.400\text{ Volt}\)
B. \(140\text{ Volt}\)
C. \(6\text{ Volt}\)
D. \(0{,}17\text{ Volt}\)
Beda potensial (\(\Delta V\)) merupakan perbandingan antara energi/usaha listrik (\(W\)) dengan muatan yang dipindahkan (\(q\)):
\Delta V &= \frac{W}{q} \\
\Delta V &= \frac{120\text{ J}}{20\text{ C}} \\
\Delta V &= 6\text{ Volt}
\end{align*}
Beda potensial listrik antara titik \(A\) dan \(B\) adalah 6 Volt.
Soal 16
Dua titik dalam medan listrik memiliki potensial masing-masing \(V_A = 12\text{ Volt}\) dan \(V_B = 32\text{ Volt}\). Besar usaha yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan listrik sebesar \(+5\,\mu\text{C}\) dari titik \(A\) ke titik \(B\) adalah ….
A. \(1 \times 10^{-4}\text{ J}\)
B. \(2{,}2 \times 10^{-4}\text{ J}\)
C. \(1{,}6 \times 10^{-4}\text{ J}\)
D. \(4{,}4 \times 10^{-4}\text{ J}\)
1. Beda potensial perpindahan:
\Delta V &= V_B \:-\: V_A \\
\Delta V &= 32\text{ V} \:-\: 12\text{ V} = 20\text{ Volt}
\end{align*}
2. Energi / usaha yang diperlukan:
W &= q \cdot \Delta V \\
W &= (5 \times 10^{-6}\text{ C}) \cdot (20\text{ V}) \\
W &= 100 \times 10^{-6}\text{ J} = 1 \times 10^{-4}\text{ J}
\end{align*}
Soal 17
Saat badai guntur mendekat, muatan listrik terkonsentrasi di dasar awan kumulonimbus dan menginduksi muatan pada atap gedung bertingkat. Untuk mengamankan gedung dari bahaya sambaran petir dipasang instalasi penangkal petir.
Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut!
(1) Ujung penangkal petir dibuat runcing karena muatan listrik mudah terpusat dan terlepas pada bagian yang berujung lancip.
(2) Penangkal petir berfungsi memantulkan awan bermuatan agar bergerak menjauhi gedung.
(3) Kawat tembaga berpenampang tebal mengalirkan lonjakan arus listrik petir langsung ke dalam tanah.
(4) Bumi dapat menetralkan muatan listrik petir karena memiliki kapasitas penampungan muatan yang sangat besar.
Pernyataan yang tepat tentang prinsip kerja dan fungsi penangkal petir adalah nomor ….
A. (1), (2), dan (3)
B. (1), (3), dan (4)
C. (2), (3), dan (4)
D. (1), (2), dan (4)
• Pernyataan (1) Benar: Pada elektrostatis, kerapatan muatan terbesar berada di daerah yang berujung lancip/runcing. Hal ini memudahkan terjadinya pelepasan ion ke udara.
• Pernyataan (2) Salah: Penangkal petir tidak bisa memantulkan awan. Tugasnya adalah menyalurkan arus petir dengan aman ke tanah ketika sambaran terjadi.
• Pernyataan (3) Benar: Kabel penghantar tembaga yang tebal menghantarkan arus listrik berkapasitas ribuan ampere tanpa meleleh atau membakar gedung.
• Pernyataan (4) Benar: Bumi (ground) memiliki kapasitas muatan tak hingga sehingga mampu menyerap lonjakan elektron secara aman hingga netral sempurna.
Soal 18
Ketika seseorang berdiri di atas bangku plastik isolator dan menempelkan tangannya pada kubah generator Van de Graaff yang berputar, helaian rambut di kepalanya akan merekah dan berdiri tegak. Fenomena ini disebabkan oleh ….
A. arus listrik menghasilkan radiasi panas yang membuat rambut mengering dan kaku
B. setiap helai rambut terisi muatan listrik sejenis sehingga saling tolak-menolak
C. rambut ditarik kuat oleh molekul-molekul udara bebas di sekitar kepala
D. terjadinya pengurangan massa helai rambut akibat pengaruh gaya gravitasi
• Karena orang berdiri di atas bahan isolator, aliran muatan dari kubah kubus logam tidak dapat mengalir langsung ke tanah.
• Muatan listrik dalam jumlah besar menyebar ke seluruh permukaan tubuh sampai ke ujung helai rambut.
• Karena semua helai rambut memperoleh muatan yang sejenis, terjadilah gaya elektrostatik tolak-menolak antarsemua helai rambut yang mengakibatkan rambut mengembang dan berdiri tegak.
Soal 19
Perhatikan tabel teknologi aplikasi listrik statis berikut!
| Nama Perangkat | Prinsip Elektrostatis yang Digunakan |
|---|---|
| (1) Mesin Fotokopi | Drum fotokonduktif bermuatan menarik serbuk toner bermuatan berlawanan jenis untuk membentuk cetakan dokumen. |
| (2) Pengecatan Mobil Elektrostatis | Butiran cat dan bodi logam mobil sengaja diberi muatan sejenis agar butiran cat menyebar dan tidak menggumpal. |
| (3) Cerobong Pabrik (Cottrell) | Kawat elektroda bertegangan tinggi memberi muatan pada partikel jelaga agar menempel pada pelat pengumpul bermuatan lawan. |
Pasangan nama perangkat dan penjelasan prinsip kerja yang tepat adalah nomor ….
A. (1) dan (2) saja
B. (1) dan (3) saja
C. (2) dan (3) saja
D. (1), (2), dan (3)
• (1) Benar: Mesin fotokopi menggunakan drum dilapisi selenium (fotokonduktor) yang bermuatan listrik untuk menarik toner hitam bermuatan berlawanan jenis.
• (2) Salah: Pada pengecatan mobil, butiran semprotan cat dan permukaan bodi logam mobil diberi muatan yang berlawanan jenis sehingga terjadi gaya tarik elektrostatik yang kuat; cat menempel rata, cepat, dan tidak terbuang sia-sia ke udara.
• (3) Benar: Pengendap Cottrell mengisi debu buangan pabrik dengan elektron bebas sehingga ditarik ke dinding pelat bermuatan positif, mengurangi emisi polutan.
Soal 20
Perhatikan struktur diagram sel saraf (neuron) penghantar impuls biolistrik berikut!
Fungsi celah akson tanpa selubung pelindung lemak yang disebut Nodus Ranvier dalam penghantaran impuls kelistrikan saraf adalah ….
A. mensekresikan neurotransmiter di ujung akson
B. mempercepat laju rambat sinyal impuls listrik dengan konduksi melompat (saltatory conduction)
C. melindungi inti sel saraf dari lonjakan tegangan kimiawi
D. menangkap rangsangan pertama kali dari organ sensorik tubuh
• Selubung mielin tersusun atas zat lipid (lemak) yang berfungsi sebagai isolator listrik alami, mencegah kebocoran muatan ionik.
• Bagian akson yang terbuka di antara lekukan mielin adalah Nodus Ranvier.
• Pertukaran ion keluar-masuk membran akson terkonsentrasi hanya pada nodus ini. Kondisi tersebut memaksa sinyal potensial aksi melompat dari satu nodus ke nodus lainnya secara cepat (disebut konduksi saltatori), meningkatkan laju transmisi impuls hingga puluhan kali lipat.
Soal 21
Kelistrikan pada sistem saraf manusia dipicu oleh perbedaan distribusi ion elektrolit di dalam dan di luar membran akson. Saat sel saraf berada dalam keadaan istirahat (potensial istirahat / polarisasi), keadaan muatan listrik membran yang benar adalah ….
A. bagian luar membran relatif bermuatan positif dan bagian dalam membran relatif bermuatan negatif
B. bagian dalam akson memiliki muatan positif yang jauh lebih tinggi daripada bagian luar
C. bagian dalam dan bagian luar membran memiliki beda potensial nol volt karena konsentrasi ion identik
D. bagian luar membran menjadi negatif karena penumpukan protein asam nukleat
• Mekanisme pompa ion aktif memompa \(3\text{ ion } Na^+\) ke luar dan memasukkan \(2\text{ ion } K^+\) ke dalam membran sel.
• Karena jumlah muatan positif yang keluar lebih banyak serta keberadaan molekul protein bermuatan negatif di sitoplasma, lingkungan sitoplasma sel saraf menjadi relatif defisit muatan positif.
• Akibatnya, permukaan luar membran bermuatan positif dan permukaan dalam akson bermuatan negatif dengan beda potensial sekitar \(-70\text{ mV}\).
Soal 22
Organ sensorik elektroreseptor berupa jeli peka listrik pada bagian moncong hiu yang mampu mendeteksi gradien medan listrik lemah dari mangsa yang bersembunyi di dalam pasir laut disebut ….
A. Sel Elektrosit
B. Ampullae of Lorenzini
C. Saluran Kanalis Semisirkularis
D. Platina Torpedo Organ
• Ikan hiu dan pari memiliki jaringan pori-pori elektrostatis bernama Ampullae of Lorenzini.
• Pori-pori ini terhubung dengan saluran berisi zat jeli berkemampuan konduktivitas tinggi yang sangat peka terhadap perubahan medan listrik hingga skala nanovolt per cm yang dipancarkan oleh denyut otot dan insang mangsa.
Soal 23
Belut listrik (Electrophorus electricus) dapat melumpuhkan mangsa maupun predatornya dengan sengatan tegangan listrik tinggi hingga mencapai lebih dari \(600\text{ Volt}\). Fenomena tegangan tinggi ini dapat dihasilkan karena organ tubuh belut listrik tersusun atas ribuan sel khusus yang disebut ….
A. sel elektrosit yang tersusun secara seri menyerupai deretan baterai
B. sel akson bermielin ganda yang beroperasi secara paralel murni
C. sel fotoreseptor bercahaya yang memancarkan medan elektromagnetik frekuensi tinggi
D. sel melanosit pengumpul arus magnetik bumi
• Belut listrik memiliki organ listrik khusus yang tersusun atas ribuan sel pipih bernama elektrosit.
• Setiap satu sel elektrosit hanya mampu membangkitkan tegangan kecil berkisar \(0{,}15\text{ Volt}\).
• Namun karena sebanyak 5.000 hingga 6.000 sel elektrosit tersebut tersusun secara seri memanjang, maka nilai tegangannya saling berakumulasi (\(V_{\text{total}} = V_1 + V_2 + \dots + V_n\)) sehingga mampu melecutkan tegangan total hingga mencapai \(600 \:-\: 650\text{ Volt}\).
Soal 24
Truk tangki pengangkut bahan bakar minyak (BBM) selalu dipasangi rantai logam penghantar pada sasis bagian belakang yang dibiarkan menyentuh permukaan aspal jalan raya. Tujuan utama dari pemasangan rantai konduktor ini adalah ….
A. menyalurkan penumpukan muatan listrik statis akibat gesekan fluida tangki dan roda langsung ke tanah guna mencegah percikan api berbahaya
B. mempermudah kendaraan berhenti secara mendadak dengan meningkatkan koefisien gesekan jalan
C. menyerap muatan magnet dari lapisan aspal agar sistem navigasi digital kendaraan bekerja akurat
D. mendinginkan suhu ruang bahan bakar minyak selama perjalanan di cuaca panas
• Pergerakan cairan BBM yang terus berguncang dan bergesekan dengan dinding dalam tangki, disertai gesekan ban mobil dengan aspal, memicu akumulasi muatan listrik statis.
• Jika muatan statis terakumulasi dalam konsentrasi tinggi, dapat terjadi loncatan bunga api listrik (spark) yang memicu ledakan uap bahan bakar yang mudah terbakar.
• Rantai logam bertindak sebagai konduktor pembumian (grounding) yang mengalirkan muatan statis berlebih langsung ke bumi secara berkelanjutan sehingga tangki tetap dalam kondisi aman.
Soal 25
Dua buah bola logam konduktor identik, yaitu bola \(X\) bermuatan \(+8\,\mu\text{C}\) dan bola \(Y\) bermuatan \(-2\,\mu\text{C}\), digantung pada tali isolator yang ringan. Kedua bola konduktor tersebut disentuhkan satu sama lain hingga terjadi transfer muatan secara sempurna, kemudian dipisahkan kembali pada posisi semula.
Pernyataan yang tepat mengenai kondisi akhir dan interaksi kedua bola setelah dipisahkan adalah ….
A. kedua bola menjadi netral (\(0\,\mu\text{C}\)) dan tidak lagi saling berinteraksi
B. kedua bola masing-masing bermuatan \(+3\,\mu\text{C}\) dan saling tolak-menolak
C. kedua bola masing-masing bermuatan \(+5\,\mu\text{C}\) dan saling tarik-menarik
D. bola \(X\) bermuatan \(+6\,\mu\text{C}\), bola \(Y\) netral, lalu terjadi interaksi tarik-menarik
Ketika dua benda konduktor disatukan, total muatan dalam sistem tertutup bersifat kekal:
Q_{\text{total}} &= q_X + q_Y \\
Q_{\text{total}} &= (+8\,\mu\text{C}) + (-2\,\mu\text{C}) = +6\,\mu\text{C}
\end{align*}
Karena kedua bola berukuran identik (sama persis), muatan total terbagi rata sama besar:
q_X’ &= q_Y’ = \frac{Q_{\text{total}}}{2} \\
q_X’ &= q_Y’ = \frac{+6\,\mu\text{C}}{2} = +3\,\mu\text{C}
\end{align*}
Karena kedua bola akhirnya sama-sama bermuatan positif (\(+3\,\mu\text{C}\)), maka keduanya memiliki muatan yang sejenis dan akan saling tolak-menolak saat dipisahkan kembali.
