Cara Menghitung Besarnya Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik

Ketika mempelajari tentang usaha dan perubahan energi, Untuk memindahkan/menggerakkan sebuah benda diperlukan usaha. Usaha yang dilakukan sama dengan perubahan energi kinetik atau perubahan energi potensial benda tersebut. Hal ini juga berlaku pada konsep kelistrikan, untuk memindahkan muatan listrik dalam medan listrik diperlukan usaha, usaha yang dilakukan sama besarnya dengan perubahan energi potensial.

Besarnya energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan bergantung pada besar muatan yang dipindahkan dan jarak perpindahannya. Sama halnya dengan energi potensial gravitasi sebuah benda yang tergantung pada massa dan ketinggiannya terhadap permukaan bumi. Prinsip tentang potensial listrik sangat penting ketika kita akan mempelajari cara kerja rangkaian elektrik. Dalam rangkaian listrik perbedaan potensial listrik antara dua titik biasa disebut dengan tegangan.

Energi Potensial Listrik

Untuk dapat lebih mudah memahami tentang pengertian energi potensial listrik dan potensial listrik, perhatikan gambar berikut:

Gambar tersebut menggambarkan medan listrik yang ditimbulkan muatan listrik q. Usaha yang diperlukan untuk memindahakan muatan listrik q’ tidak tergantung pada panjang lintasan yang ditempuh akan tetapi hanya tergantung pada kedudukan awal dan akhir.

Untuk memindahkan muatan sebesar q’ dari titik a yang berjarak ra ke titik b yang berjarak rb dari q. Usaha yang diperlukan adalah :

Besarnya energi potensial listrik di jauh tak terhingga sama dengan nol. Apabila titik a berada di jauh tak terhingga ra, maka EP_a = 0 , maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:

Sehingga secara umum Besarnya energi potensial disuatu titik dalam medan listrik dapat dirumuskan:

Rumus energi potensial disuatu titik dalam medan listrik

dengan :

E_P = energi potensial di suatu titik dalam medan listrik (Joule)

k = Konstanta = 9 × 10⁹ N m²C^-2

q = muatan listrik penimbul medan

q’ = muatan listrik penguji

r = jarak titik ke muatan q

Berdasarkan uraian diatas dapat disimpulkan bahwa energi potensial listrik di suatu titik dalam medan listrik dapat didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik dari jauh tak terhingga ke titik tersebut.

Potensial Listrik

Energi potensial per satuan muatan positif disebut potensial listrik,yang diberi lambang V. Potensial listrik termasuk sebagai besaran skalar. Jadi potensial listrik pada suatu titik dalam medan listrik yang berjarak r dari q dinyatakan :

atau

Rumus Hubungan energi potensial dan potensial listrik

dengan :

V_P = potensial listrik di titik P (Joule/Coulomb = volt)

E_P = energi potensial listrik (Joule)

q = muatan listrik penimbul medan (Coulomb)

r = jarak titik dari q

k = konstanta = 9.10⁹ Nm²C^-2

Gambar besar potensial listrik oleh beberapa muatan sumber

Jika terdiri atas beberapa muatan sumber, besarnya potensial listrik adalah jumlah aljabar biasa dari masing-masing potensial. Misalnya, kumpulan muatan sumber adalah q1, q2, dan q3, maka potensial listrik pada titik a adalah:

Rumus besar potensial listrik oleh beberapa muatan sumber

atau

dengan r1 adalah jarak antara q1 ke a, r2 adalah jarak q2 ke a, dan r3 adalah jarak q3 ke a. Potensial listrik merupakan besaran skalar, sehingga dalam memasukkan tanda positif atau negatif pada muatan harus dengan benar.

Potensial diantara dua keping sejajar

Jika dua buah keping sejajar dihubungkan dengan sumber tegangan misalnya baterai, maka kedua keping akan memiliki muatan yang sama tetapi berlawanan jenis.

Usaha yang dilakukan gaya listrik untuk memindahkan muatan-muatan sejauh d adalah

dengan d adalah jarak antara kedua keping

Besarnya usaha dalam listrik statis adalah

Berdasarkan kedua persamaan diatas, perbedaan potensial listrik antara kedua keping dapat dituliskan:

atau

Rumus beda potensial antara kedua keping sejajar

dengan :

E = kuat medan listrik (V/m)

∆V = V2- V1 adalah beda potensial antara kedua keping sejajar

Potensial listrik oleh bola konduktor bermuatan

Potensial listrik di sekitar atau di dalam bola konduktor bermuatan dapat ditentukan dengan cara menganggap muatan bola berada di pusat bola. Potensial listrik pada titik diluar bola yang berjarak r dari pusat bola sama dengan potensial listrik yang disebabkan oleh muatan q pada pusat bola konduktor.

Secara matematis, potensial listrik pada titik C yang berjarak r dari pusat bola konduktor dapat dituliskan:

Rumus Potensial listrik di luar bola konduktor bermuatan

Kuat medan magnet di dalam bola konduktor adalah nol, sehingga tidak ada usaha yang dikerjakan untuk memindahkan sebuah muatan dari suatu titik ke titik lain dalam bola konduktor. Hal tersebut menunjukan bahwa potensial listrik di setiap titik didalam bola konduktor sama dengan potensial listrik dipermukaannya.

Secara matematis, besar potensial listrik didalam dan dipermukaan bola konduktor dapat dituliskan:

Rumus potensial listrik di dalam dan di permukaan bola konduktor bermuatan

Supaya lebih memahami potensial listrik oleh bola konduktor, perhatikan grafik hubungan potensial listrik dan jarak pada bola konduktor berikut:

Grafik besar potensial listrik pada bola konduktor bermuatan

Gambar diatas menunjukan hubungan besar potensial listrik terhadap jaraknya dari pusat bola konduktor.

Silahkan like dan share jika bermanfaat!
soal latihan
Soal Fisika SMA Tentang Listrik Statis dan Pembahasannya