Pengertian Lengkap Energi Potensial Listrik

Pada Gambar 1. memperlihatkan sebuah muatan listrik +q' di dalam medan listrik homogen yang ditimbulkan oleh muatan listrik +q, dipindahkan dari titik a ke b dengan lintasan Δs.

Gambar 1. Muatan q' dipindahkan di dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan q.

Untuk memindahkan muatan dari titik a ke b diperlukan usaha (W ). Usaha yang diperlukan oleh muatan untuk berpindah sepanjang Δs adalah ΔW . Apabila posisi a adalah r_a dan posisi b adalah r_b, besar usaha yang dilakukan dapat dirumuskan sebagai berikut:

F_a adalah (gaya elektrostatis pada titik a)

F_b adalah (gaya elektrostatis pada titik b)

Untuk Δs yang kecil ( Δs mendekati nol) lintasan perpindahan muatan +q' dapat dianggap lurus, dan gaya elektrostatis rata-rata selama muatan +q' dipindahkan dapat dinyatakan:

Untuk memindahkan muatan q' dari a ke b tanpa kecepatan, diperlukan gaya F yang besarnya sama dengan Fc, tetapi arahnya berlawanan.

Jadi,

Apabila arah gaya F terhadap arah perpindahan muatan +q' bersudut α , maka usaha perpindahan muatan +q' dari a ke b adalah:

ΔW = F . Δs .cos α

ΔW = -Fc. Δs .cos α ............................................ (1)

Usaha pemindahan muatan +q' dari a ke b sama dengan beda energi potensial listrik di titik a dan b.

ΔEp = ΔW

ΔEp = -Fc cos α .................................................... (2)

persamaan di atas, besar usaha untuk memindahkan suatu muatan dari titik a ke titik b dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.

Berdasarkan persamaan (3) diketahui bahwa usaha tidak bergantung pada panjang lintasan yang ditempuh, tetapi hanya bergantung pada kedudukan awal dan akhir saja. Medan gaya yang demikian dinamakan medan gaya konservatif.

Jika muatan +q' semula pada jarak tak terhingga (∼), besar energi potensialnya adalah nol. Dengan demikian, apabila muatan +q' dipindahkan dari tempat yang jauh tak terhingga ke suatu titik b, besar usahanya adalah sebagai berikut:

Jadi, untuk sembarang titik, besar energi potensialnya dirumuskan:

dengan:

Ep = energi potensial listrik (J)

r = jarak antara +q dan -q (m)

q,q' = muatan listrik (C)

k = konstanta pembanding (9 × 10⁹ Nm²/C²)

Contoh Soal 1 :

Sebuah muatan listrik dipindahkan dalam medan listrik homogen dengan gaya sebesar  sejauh 20 cm. Jika arah gaya bersudut 30^o terhadap perpindahan muatan listrik, berapa beda potensial listrik tempat kedudukan awal dan akhir muatan listrik tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui: 

F = 

Δs = 20 cm = 2 × 10^-1 m

α = 30^o

Ditanya: ΔEp = ... ?

Pembahasan :

Contoh Soal 2 :

Titik P, Q, dan R terletak pada satu garis dengan PQ = 2 m dan QR = 3 m. Pada masing-masing titik terdapat muatan 2 μC, 3 μC, dan -5 μC. Tentukan besarnya energi potensial muatan di Q!

Penyelesaian:

Diketahui: 

PQ = 2 m

QR = 3 m

q_P = 2 μC = 2 × 10^-6 C

q_Q = 3 μC = 3 × 10^-6 C

q_R = -5 μC = -5 × 10^-6 C

Ditanya: Ep_Q = ...?

Pembahasan :

Ep di Q = Ep₁ + Ep₂ (karena besaran skalar)

Ep_Q = (27 × 10^-3) + (45 × 10^-3) = 72 × 10^-3 J = 7,2 × 10^-2 J

2. Potensial Listrik

Potensial listrik yaitu energi potensial tiap satu satuan muatan positif.

Gambar 2. Potensial listrik bergantung pada muatan q₁, q₂, dan q₃..

Potensial listrik termasuk besaran skalar, dan secara matematis dapat dirumuskan:

V = Ep / q .......................................................... (6)

Beda potensial (tegangan) antara dua titik yang berada di dalam medan listrik homogen, yaitu:

Beda potensial kadang-kadang ditulis dengan persamaan ΔV = V1 – V2, untuk selanjutnya hanya ditulis V saja. Sesuai dengan batasan di atas, potensial listrik suatu titik sejauh r dari muatan q besarnya dapat dinyatakan sebagai berikut:

dengan:

V = potensial listrik (volt)

q = muatan listrik (coulomb)

r = jarak (meter)

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 P adalah:

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

Contoh Soal 3 :

Bola kecil bermuatan +2 μC , -2 μC , 3 μC , dan -6 μC diletakkan di titik-titik sudut sebuah persegi yang mempunyai panjang diagonal 0,2 m. Hitung potensial listrik di titik pusat persegi!

Penyelesaian:

Diketahui:

q₁ = +2 μC = 2 × 10^-6 C 

q₂ = -2 μC = -2 × 10^-6 C 
q₃= 3 μC = 3 × 10^-6 C
q₄ = -6 μC = -6 × 10^-6 C

Panjang diagonal = 2 × 10^-1 m, sehingga jarak tiap-tiap muatan dari titik pusat

r₁ = r₂ = r₃ = r₄ = ½ (2×10^-1)

r = 10^-1 m

Ditanya: V_P = ... ?

Pembahasan :

3. 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.

Gambar 3. Potensial listrik pada bola konduktor bermuatan.

Selanjutnya, potensial listrik di titik-titik pada suatu bola bermuatan, seperti diperlihatkan pada gambar di samping dapat ditentukan melalui persamaan (8), yaitu:

Dari persamaan-persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa potensial listrik di dalam bola sama dengan di permukaan bola, sehingga:

4. Potensial Listrik pada Keping Sejajar

Dua keping sejajar seluas A terpisah dengan jarak d masing-masing diberi muatan +q dan -q.

Gambar 4. Potensial listrik pada keping sejajar.

Rapat muatan listrik σ didefinisikan sebagai muatan listrik per satuan luas.

σ = q / A

Potensial listrik:

- di antara dua keping

V = E.r .............................................................. (12)

- di luar keping

V = E.d .............................................................. (13)

artikel ini disalin lengkap dari: http://perpustakaancyber.blogspot.co.id/2013/04/pengertian-energi-potensial-listrik-rumus-contoh-soal-bola-konduktor-bermuatan-keping-sejajar-jawaban-fisika.html
halaman utama website: http://perpustakaancyber.blogspot.co.id/
jika mencari artikel yang lebih menarik lagi, kunjungi halaman utama website tersebut. Terimakasih!