Bab 3 Potensial Listrik TEL 2303 Abdillah, S.Si, MIT Jurusan Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi UIN Suska Riau

Tujuan Mahasiswa memahami: Energi Potensial Listrik Potensial Listrik Permukaan Ekuipotensial

Gaya Konservatif Kerja yang dilakukan oleh gaya konservatif memiliki sifat-sifat berikut: Dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara nilai awal dan nilai akhir dari energi potensial. Bersifat reversibel (bisa bolak-balik). Tidak tergantung pada lintasan benda tapi pada titik awal dan titik akhir lintasan. Ketika titik awal dan akhir sama, kerja total yang dihasilkan sama dengan nol.

Energi Potensial Gaya listrik yang disebabkan oleh sekumpulan muatan yang diam adalah gaya konservatif. Kerja W yang dilakukan oleh gaya listrik tersebut pada sebuah partikel bermuatan yang bergerak dalam medan listrik dapat dinyatakan oleh fungsi energi-potensial U. Wab = Ua – Ub = –(Ub – Ua) = –U

Energi Potensial Listrik pada Medan Listrik Homogen Sebuah medan listrik homogen yang mengarah ke bawah menggerakkan sebuah gaya ke bawah dengan besar F = q0E pada sebuah muatan uji positif q0. Kerja W yang dilakukan oleh medan listrik homogen adalah hasil kali dari besarnya gaya dan komponen pergeseran d dalam arah gaya tersebut. Wab = Fd = q0Ed Kerja ini positif karena gaya tersebut bergerak dalam arah yang sama seperti pergeseran muatan uji. Kerja ini dapat dinyatakan dengan sebuah fungsi energi potensial U. U = q0Ey

Energi Potensial Listrik pada Medan Listrik Homogen

Energi Potensial Listrik pada Medan Listrik Homogen

Energi Potensial Listrik Muatan Titik Energi potensial listrik untuk dua muatan titik q dan q0 yang terpisah sejauh r adalah U = 1 qq0 4o r Energi potensial ini positif jika muatan q dan q0 mempunyai tanda yang sama, dan energi potensial ini negatif jika mempunyai tanda yang berlawanan.

Perhatian Energi potensial listrik selalu didefinisikan relatif terhadap suatu titik acuan dimana U = 0. Dalam persamaan U adalah 0 bila q dan q0 yang terpisah sejauh tak berhingga dan r =  Jika q dan q0 memiliki tanda yang sama, interaksinya adalah tolak menolak, kerja ini positif dan U adalah positif di setiap pemisahan yang berhingga. Jika tandanya berbeda, maka interaksinya tarik menarik dan U adalah negatif. U = 1 qq0 4o r

Energi Potensial Listrik Beberapa Muatan Titik Energi potensial listrik untuk sebuah muatan titik q0 dalam medan listrik dari sekumpulan muatan qi diberikan oleh U = q0 q1 + q2 + q3 + . . . = q0  qi 4o r r r 4o i ri dimana ri adalah jarak dari qi sampai q0 . Jika q0 berada tak berhingga jauhnya dari semua muatan lainnya, maka U = 0.

Contoh Soal Sebuah sistem muatan-muatan titik. Dua muatan titik diletakkan pada sumbu x, q1 = -e di x = 0 dan q2 = +e di x = a. a) Carilah kerja yang harus dilakukan oleh sebuah gaya luar untuk membawa sebuah muatan titik ketiga q3 = +e dari tak berhingga ke x = 2a. b) Carilah energi potensial total dari sistem ketiga muatan itu.

Penyelesaian a) Kerja yang harus dilakukan pada q3 oleh gaya luar Fluar sama dengan selisih di antara dua kuantitas: energi potensial U yang diasosiasikan dengan q3 ketika berada di x = 2a dan energi potensial ketika berada di tak berhingga adalah nol, sehingga kerja yang harus dilakukan sama dengan U. Jarak antara muatan-muatan itu adalah r13 = 2a dan r23 = a, sehingga dari persamaan (24-10),

Penyelesaian Jika q3 dibawa dari tak berhingga sepanjang sumbu x positi, maka q3 itu ditarik oleh q1 tetapi ditolak secara lebih kuat oleh q2 ; maka kerja positif harus dilakukan untuk mendorong q3 ke kedudukan di x = 2a. b) Energi potensial total dari kumpulan ketiga muatan itu diberikan oleh Persamaan (24-11).

Penyelesaian Karena U < 0, sistem itu mempunyai energi potensial yang lebih rendah daripada energi potensial yang akan dipunyainya seandainya ketiga muatan itu terpisah sejauh tak berhingga. Sebuah gaya luar harus melakukan kerja negatif untuk membawa ketiga muatan itu dari tak berhingga untuk mengumpulkan keseluruhan susunan ini dan harus melakukan kerja positif untuk memindahkan ketiga muatan itu kembali tak berhingga.

Potensial Listrik Potensial V adalah energi potensial per satuan muatan. Potensial yang ditimbulkan oleh sebuah muatan titik tunggal q sejauh r dari muatan tsb adalah V = U = 1 q q0 4o r Potensial yang ditimbulkan oleh sekumpulan muatan titik qi adalah V = U = 1  qi q0 4o i ri Potensial yang ditimbulkan oleh sebuah distribusi muatan kontinu adalah V = 1  dq 4o r

Selisih Potensial Selisih potensial di antara dua titik a dan b disebut juga potensial dari a terhadap b, diberikan oleh integral garis dari E: Va - Vb= ab E. dl = ab E cos  dl Potensial dapat dihitung baik dengan cara mengintegral- kannya terhadap muatan, atau mula-mula dengan mencari E dan kemudian menggunakan persamaan ab E cos  dl

Satuan Dua himpunan ekuivalen dari satuan untuk besarnya medan listrik adalah volt per meter (V/m) dan newton per coulomb (N/C). Satu volt adalah satu joule per coulomb (1 V = 1 J/C). Elektron volt, yang disingkat eV, adalah energi yang bersesuaian dengan sebuah partikel dengan muatan yang sama dengan muatan elektron yang bergerak melalui selisih potensial sebesar satu volt. Faktor konversinya adalah 1 eV = 1,602 x 10-19 J.

Strategi Penyelesaian Soal Menghitung Potensial Listrik Jika mencari medan di titik tertentu, maka letakkan titik itu pada permukaan Gaussian Jika distribusi muatan memiliki simetri silinder atau bola, pilihlah permukaan Gaussian itu berturut-turut sebagai sebuah silinder bersumbu atau sebuah bola yang konsentris Jika medan listrik menyinggung sebuah permukaan di setiap titik, maka E⊥= 0 dan integral pada permukaan itu adalah nol Jika E = 0 di tiap-tiap titik pada sebuah permukaan, maka integral itu adalah nol

Contoh Soal

Penyelesaian

Penyelesaian

Permukaan Ekuipotensial Sebuah permukaan ekuipotensial adalah permukaan yang mempunyai nilai yang sama di tiap-tiap titik. Di sebuah titik dimana sebuah garis medan bersilangan dengan sebuah permukaan ekuipotensial, maka garis medan itu tegak lurus terhadap permukaan ekuipotensial tersebut.

Permukaan Ekuipotensial Bila semua muatan berada dalam keadaan diam, permukaan sebuah konduktor selalu merupakan sebuah permukaan ekuipotensial, dan semua titik dalam material sebuah konduktor berada pada potensial yang sama. Bila sebuah rongga di dalam sebuah konduktor tidak mengandung muatan, maka keseluruhan rongga itu adalah sebuah daerah ekuipotensial, dan tidak ada muatan permukaan di manapun pada permukaan rongga itu.

Perhatian Jangan keliru dalam membedakan permukaan ekuipotensial dengan permukaan Gaussian yang dijumpai dalam Bab 23. Permukaan gaussian hanya mempunyai relevansi bila kita menggunakan hukum Gauss, dan kita dapat memilih sebarang permukaan Gaussian yang nyaman untuk digunakan. Kita tidak bebas memilih permukaan ekuipotensial karena bentuknya ditentukan oleh distribusi muatan.

Gradien Potensial Jika potensial itu diketahui sebagai fungsi dari koordinat x, y dan z, maka komponen-komponen dari medan listrik E di setiap titik diberikan oleh Dalam bentuk vektor

Tabung Sinar-Katoda Tabung sinar katoda menggunakan sebuah berkas sinar elektron yang diciptakan oleh sehimpunan elektroda yang dinamakan meriam elektron. Berkas sinar itu dibelokkan oleh dua himpunan pelat pembelok, kemudian menumbuk sebuah layar pijar (fluorescent screen) dan membentuk sebuah bayangan pada layar itu.

Pekerjaan Rumah Kerjakan soal latihan dan soal-soal bab 25 tentang Potensial Listrik Download materi handout Kapasitansi dan Dielektrika Baca bab 25 buku Young & Freedman mulai dari Pendahuluan hingga Pertanyaan Diskusi