Energi Potensial dan Potensial Listrik

1. Energi Potensial Listrik

Konsep energi sangat berguna dalam mekanika. Hukum kekekalan energi memungkinkan kita memecahkan persoalan-persoalan tanpa perlu mengetahui gaya secara rinsi. Sebagai contoh gaya gravitasi menarik suatu benda menuju ke permukaan bumi. Baik gaya gravitasi Fg maupun kuat medan gravitasi (percepatan gravitasi=g) berarah vertikal ke bawah.

Jika mengangkat sebuah benda melawan gaya gravitasi bumi, itu berarti kita melakukan usaha pada benda, dan sebagai akibatnya energi potensial gravitasi benda bertambah

( gambar 1)

Konsep energi juga berguna dalam listrik. Gaya listrik F yang dikerjakan pada suatu muatan Uji positif q’ oleh suatu muatan negatif adalah mengarah ke muatan negatif. Vektor kuat medan listrik E= F/q’, juga mengarah ke muatan negatif.

Untuk menggerakkan muatan uji menjauhi muatan negatif, kita harus melakukan usaha pada muatan uji. Sebagai akibatnya energi potensial listrik muatan uji bertambah (gambar 2).

Gamba  1                                             Gambar 2

Konsep energi potensial listrik, mirip dengan konsep energi potensial garavitasi. Untuk itu kita akan menurunkan rumus Energi Potensial Listrik sebagai berikut :

 

Usaha yang dilakukan gaya (Fw), untuk memindahkan muatan penguji +q’, dari titik P ke Titik Q adalah W =- Fw . S = -Fw.Δr=-F.(r2-r1)

W  adalah besaran skalar, gaya F diberi tanda (-) negatif karena gaya Coulomb berlawanan arah dengan arah perpindahah Fw=Fq = gaya Coulomb.

W = -k.Q q’/r1  2 x (r2-r1) = – kQ.q’/r1.r2 (r2-r1)

W = -k Q.q’(1/r1 – 1/r2)= k Q.q’(1/r2-1/r1)

W = k Q.q’(1/r2-1/r1) = Δ EP = EP2 – EP1

Jadi usaha yang dilakukan W= pertambahan energi Potensial.

Kesimpulan : Energi Potensial Listrik adalah usaha yang dilakukan gaya Coulomb, untuk memindahkan muatan uji  +q’ dari suatu titik ke titik lainnya.

Jika titik Q, berada di jauh tak terhingga,sehingga r2= ˜ dan 1/r2=0 maka Energi Potensial Listrik dapat dirumuskan sebagai berikut: Energi Potensial Listrik dari dua muatan Q dan q’ adalah :

Ep = k Q.q’/r,     EP termasuk besaran skalar

E= Energi Potensial Listrik satuannya Joule

k = Konstanta = 9.109 N C-2 m2, r= jarak (m)

Q + muatan sumber, q’= muatan uji (Coulomb)

2. Potensial Listrik (V)

Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah

 

Dimana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V).

Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut

 

Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu

V = E r

Gambar

Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik, potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.

 

Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.

Potensial listrik adalah energi potensial per satuan muatan penguji , rumus potensial listrik sebagai berikut :  V = Ep /q’  atau seperti pada gambar berikut

Potensial listrik di titik P dirumuskan :

V = k Q/r

V = Potensial Listrik (Volt)

k = Konstanta Listrik = 9.109 NC-2 m2

Q = Muatan sumber (Coulomb)

r = jarak dari muatan sampai titik P



Sebuah muatan Q akan mengalami gaya F pada medan elektrik E. Gaya yang dialami diberikan oleh persamaan
F = Q E
Kerja  didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada jarak tertentu. Satuan untuk kerja yang dilakukan ialah joule (J).
Oleh karenanya, sejumlah diferensial kerja dW dilakukan jika gaya Fa y dikenakan menghasilkan diferensial perpindahan dI dari muatan, yaitu menudahkan muatan, sepanjang jarak dl = Secara kuantitatif,
dW = Fa · dI = -QE · dI  (J)
Perhatikan bahwa saat Q bernilai negatif dan dI dalam arah E, kerja dW = -QE dl < 0, mengindikasikan bahwa kerja dilakukan oleh medan elektrik.
sebelum melangkah lebih jauh silahkan download materi dalam bentuk ppt DISINI

1. Energi Potensial Listrik

Konsep energi sangat berguna dalam mekanika. Hukum kekekalan energi memungkinkan kita memecahkan persoalan-persoalan tanpa perlu mengetahui gaya secara rinsi. Sebagai contoh gaya gravitasi menarik suatu benda menuju ke permukaan bumi. Baik gaya gravitasi Fg maupun kuat medan gravitasi (percepatan gravitasi=g) berarah vertikal ke bawah.
Jika mengangkat sebuah benda melawan gaya gravitasi bumi, itu berarti kita melakukan usaha pada benda, dan sebagai akibatnya energi potensial gravitasi benda bertambah

Konsep energi juga berguna dalam listrik. Gaya listrik F yang dikerjakan pada suatu muatan Uji positif q’ oleh suatu muatan negatif adalah mengarah ke muatan negatif. Vektor kuat medan listrik E= F/q’, juga mengarah ke muatan negatif.
Untuk menggerakkan muatan uji menjauhi muatan negatif, kita harus melakukan usaha pada muatan uji. Sebagai akibatnya energi potensial listrik muatan uji bertambah (gambar 2).

Gamba  1                                             Gambar 2
Konsep energi potensial listrik, mirip dengan konsep energi potensial garavitasi. Untuk itu kita akan menurunkan rumus Energi Potensial Listrik sebagai berikut :
Usaha yang dilakukan gaya (Fw), untuk memindahkan muatan penguji +q’, dari titik P ke Titik Q adalah W =- Fw . S = -Fw.Δr=-F.(r2-r1)
W  adalah besaran skalar, gaya F diberi tanda (-) negatif karena gaya Coulomb berlawanan arah dengan arah perpindahah Fw=Fq = gaya Coulomb.
W = -k.Q q’/r1  2 x (r2-r1) = – kQ.q’/r1.r2 (r2-r1)
W = -k Q.q’(1/r1 – 1/r2)= k Q.q’(1/r2-1/r1)
W = k Q.q’(1/r2-1/r1) = Δ EP = EP2 – EP1
Jadi usaha yang dilakukan W= pertambahan energi Potensial.
Kesimpulan : Energi Potensial Listrik adalah usaha yang dilakukan gaya Coulomb, untuk memindahkan muatan uji  +q’ dari suatu titik ke titik lainnya.
Jika titik Q, berada di jauh tak terhingga,sehingga r2= ˜ dan 1/r2=0 maka Energi Potensial Listrik dapat dirumuskan sebagai berikut: Energi Potensial Listrik dari dua muatan Q dan q’ adalah :
Ep = k Q.q’/r,     EP termasuk besaran skalar
E= Energi Potensial Listrik satuannya Joule
k = Konstanta = 9.109 N C-2 m2, r= jarak (m)
Q + muatan sumber, q’= muatan uji (Coulomb)

2. Potensial Listrik (V)

Potensial listrik adalah energi potensial per satuan muatan penguji , rumus potensial listrik sebagai berikut :  V = Ep /q’  atau seperti pada gambar berikut
Potensial listrik di titik P dirumuskan :
V = k Q/r
V = Potensial Listrik (Volt)
k = Konstanta Listrik = 9.109 NC-2 m2
Q = Muatan sumber (Coulomb)
r = jarak dari muatan sampai titik P

capacitors

Kapasitor adalah komponen elektronika yang digunakan untuk menyimpan muatan dan energi listrik. Pada prinsipnya, kapasitor terdiri dari dua konduktor yang berdekatan namun terpisah satu sama lain, yang membawa muatan yang sama besar namun berlawanan jenis. Kedua konduktor tersebut dipisahkan oleh bahan penyekat (isolator) yang disebut bahan (zat) dielektrik. Zat dielektrik yang digunakan sebagai menyekat akan membedakan jenis kapasitor, seperti kertas, mika, plastik, pasta dan lain sebagainya.
Kapasitas suatu kapasitor (kapasitansi) bergantung semata-mata pada susunan geometris konduktor dan bukan pada muatan atau beda potensialnya. Kapasitas suatu kapasitor keping keping sejajar berbanding lurus dengan luas keping dan berbanding terbalik terhadap jarak pemisahnya:

dengan
C = kapasitas kapasitor (farad)
ε = permitivitas bahan dielektrik (C/Nm²)
A = luas penampang keping (meter²)
d = jarak pemisah kedua lempeng (meter)
Permitivitas bahan dari sebuah dielektrik pada kapasitor didefinisikan sebagai :
ε = ε_r.ε_o
dengan
ε_r = konstanta dielektrik
ε_o = permitivitas vakum (C/Nm²)
ε_o = 8,85 x 10^-12 C/Nm²
Kegunaan kapasitor dalam berbagai rangkaian listrik adalah:

1. mencegah loncatan bunga api listrik pada rangkaian yang mengandung kumparan, bila tiba-tiba arus listrik diputuskan dan dinyalakan
2. menyimpan muatan atau energi listrik dalam rangkaian penyala elektronik
3. memilih panjang gelombang pada radio penerima
4. sebagai filter dalam catu daya (power supply)

Rangkaian Kapasitor
Paralel
Apabila dua buah kapasitor atau lebih dihubungkan secara paralel, kapasitansi ekivalen kombinasinya adalah jumlah kapasitansi tunggal :
C_eq = C₁+ C₂ + C₃ + ……      kapasitor paralel
Seri
Apabila dua buah kapasitor atau lebih dihubungkan secara seri, kebalikan kapasitansi ekivalen diperoleh dengan menjumlahkan kebalikan muatan-muatan kapasitor tunggalnya :
1/C_eq = 1/C₁+ 1/C₂ + 1/C₃ + ……      kapasitor seri

About these ads