Pengertian potensial listrik
Potensial listrik didefinisikan sebagai energi
potensial listrik per satuan muatan
listrik. Misalkan ketika berada pada titik a, muatan q mempunyai
energi potensial listrik sebesar EPa , maka potensial listrik pada
titik a dirumuskan sebagai berikut :
Keterangan :
V = potensial listrik, EPa = energi potensial listrik, q = muatan listrik.
Potensial listrik juga dapat didefinisikan sebagai
usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan positif sebesar 1 satuan dari
tempat tak terhingga ke suatu titik tertentu. Potensial listrik dapat pula
diartikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan penguji. Potensial listrik tidak
hanya ada di titik a tetapi
juga pada semua titik dalam medan listrik. Titik a digunakan sebagai contoh. Sebagaimana
akan dijelaskan kemudian, potensial listrik tidak bergantung pada muatan q.
Energi
potensial listrik dan muatan listrik merupakan besaran skalar sehingga
potensial listrik juga termasuk besaran skalar. Satuan sistem
internasional energi potensial listrik adalah Joule dan satuan
sistem internasional muatan listrik adalah Coulomb, sehingga satuan sistem
internasional potensial listrik adalah Joule per Coulomb (J/C). Nama lain J/C
adalah Volt, berasal dari nama ilmuwan Italia dan penemu baterai listrik,
Alessandro Volta (1745-1827).
Rumus Potensial Listrik
Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari B
ke A per satuan muatan disebut potensil listrik. Potensial listrik dapat
dirumuskan dalam persamaan sebagai berikut:
Keterangan : V =
Potensial listrik ( Volt ), Q = Muatan listrik (C), W = Usaha (J)
Potensial listrik sebesar 1 Volt antara dua titik jika
diperlukan usaha 1 Joule untuk memindahkan muatan 1 Coulumb antara dua titik
tersebut.
Beda
potensial listrik
Potensial
listrik di suatu titik misalnya potensial listrik di titik a yakni Va,
tidak dapat diketahui nilainya karena yang bermakna adalah perubahan potensial
listrik. Perubahan potensial listrik dapat diketahui nilainya baik melalui
perhitungan maupun pengukuran. Potensial listrik berubah ketika muatan q
bergerak dari satu titik ke titik lainnya. Misalkan muatan q bergerak dari
titik a ke titik b maka perubahan potensial listrik adalah :
Vab
adalah beda potensial listrik antara dua titik dalam medan listrik, misalnya
titik a dan b. Beda potensial listrik antara titik a dan b (Vab)
sama dengan usaha
yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan listrik ketika bergerak dari titik
a ke titik b, per satuan muatan (Wab/q). Perlu diketahui bahwa usaha
yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan q ketika bergerak dari titik a ke
titik b (Wab) sama dengan perubahan energi potensial listrik muatan
q (ΔEP). Karenanya pada persamaan di atas ΔEP bisa diganti dengan Wab.
Ketika
suatu benda berada pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah maka benda
itu mempunyai energi potensial gravitasi, di mana permukaan tanah digunakan
sebagai titik acuan. Dalam hal ini ketinggian permukaan tanah dan energi
potensial gravitasi tepat di permukaan tanah ditetapkan bernilai nol. Serupa
dengan energi potensial gravitasi, ketika kita menyatakan suatu titik mempunyai
potensial listrik tertentu maka harus adalah titik lain yang digunakan sebagai
titik acuan, mengingat hanya perbedaan potensial listrik yang dapat dihitung
nilainya. Biasanya tanah (ground) atau konduktor listrik yang dihubungkan ke
tanah dipilih sebagai titik acuan, di mana potensial listrik pada konduktor itu
atau potensial listrik di dalam tanah, ditetapkan bernilai nol.
Jadi,
apabila suatu titik mempunyai potensial listrik senilai 12 Volt maka beda
potensial listrik antara titik tersebut dengan tanah adalah 12 Volt. Pada baterai
6 Volt, beda potensial listrik antara terminal positif dengan terminal negatif
adalah 6 Volt. Karena satuan beda potensial listrik adalah Volt maka beda
potensial listrik di antara dua titik biasanya disebut sebagai tegangan listrik
(voltage).
Persamaan
beda potensial listrik di atas dapat ditulis lagi seperti di bawah ini :
Apabila
muatan q melewati beda potensial listrik Vab maka energi
potensialnya berubah sebesar ΔEP. Misalnya muatan 2 Coulomb melewati beda
potensial listrik sebesar 12 Volt maka energi potensial listriknya berubah
sebesar (2 C)(12 V) = 24 Joule. Demikian juga bila muatan 4 Coulomb melewati
beda potensial listrik sebesar 24 Volt maka energi potensial listriknya berubah
sebesar (4 C)(24 V) = 96 Joule.
Jadi,
perubahan energi potensial listrik (ΔEP) sebanding dengan muatan (q) dan
tegangan listrik (Vab). Semakin besar muatan listrik dan/atau
tegangan listrik, semakin besar perubahan energi potensial listrik. Energi
potensial berkaitan dengan kemampuan melakukan usaha sehingga jika perubahan
energi potensial listrik besar maka kemampuan melakukan usaha juga besar.
Persamaan beda potensial listrik di atas
masih bersifat umum. Untuk mendapatkan persamaan potensial listrik yang lebih
detail maka tinjau beda potensial listrik di dalam medan listrik homogen dan
beda potensial listrik yang ditimbulkan oleh sebuah muatan tunggal.
Potensial
listrik dalam medan listrik homogen
Beda
potensial listrik antara dua titik di dalam medan listrik homogen, misalnya
titik a dan titik b, dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah :
Keterangan : Vab
= beda potensial listrik antara dua titik, E = medan listrik dan s = jarak
antara dua titik.
Potensial
listrik yang ditimbulkan oleh muatan tunggal
Potensial
listrik pada suatu titik akibat adanya muatan tunggal yang menghasilkan medan
listrik, dapat dihitung menggunakan persamaan :
Keterangan : Vab
= beda potensial listrik antara dua titik, k = konstanta Coulomb, Q = muatan
tunggal yang menimbulkan medan listrik, r = jarak antara muatan Q dan titik di
mana potensial listrik dihitung.
Hubungan
antara medan listrik dan potensial listrik
Medan
listrik merupakan besaran vektor sedangkan potensial listrik merupakan besaran
skalar. Besaran vektor melibatkan arah sehingga lebih sulit dihitung
dibandingkan dengan menghitung besaran skalar. Untuk mempermudah perhitungan
medan listrik maka digunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara medan
listrik dengan potensial listrik.
Persamaan beda potensial yang telah dijelaskan sebelumnya ditulis kembali seperti di bawah :
Persamaan beda potensial yang telah dijelaskan sebelumnya ditulis kembali seperti di bawah :
Secara
matematis, usaha merupakan hasil kali gaya dengan perpindahan, di mana gaya
merupakan hasil kali muatan dan medan listrik. Hubungan antara usaha, gaya dan
perpindahan dinyatakan melalui persamaan di bawah :
Jika
kedua persamaan di atas disatukan maka dihasilkan persamaan baru seperti di
bawah :
Keterangan : E = Medan
listrik, Vab= beda potensial listrik antara dua titik misalnya titik
a dan b, d = jarak antara dua titik.
Satuan beda potensial adalah Volt dan satuan jarak adalah
meter sehingga medan listrik dapat dinyatakan dalam satuan Volt per meter
(V/m). Persamaan ini dapat digunakan untuk menentukan medan listrik (homogen)
jika diketahui beda potensial antara dua titik dan jarak antara kedua titik.
Berdasarkan persamaan, medan listrik sebanding dengan potensial listrik dan
berbanding terbalik dengan jarak. Ini artinya semakin besar potensial listrik
maka semakin besar medan listrik dan semakin besar jarak maka semakin kecil
medan listrik.
Kapasitor
adalah sebuah benda yang dapat menyimpan muatan listrik. Benda ini terdiri dari
dua pelat konduktor yang dipasang berdekatan satu sama lain tapi tidak sampai
bersentuhan. Benda ini dapat menyimpan tenaga listrik dan dapat menyalurkannya
kembali, kegunaannya dapat kamu temukan seperti pada lampu flash pada camera,
juga banyak dipakai pada papan sirkuit elektrik pada komputer yang kamu pakai
maupun pada berbagai peralatan elektronik.
Atau
juga kapasitor atau kondensator adalah komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan
muatan listrik. Dan secara sederhana terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan
oleh bahan penyekat (bahan dielektrik), tiap konduktor disebut keping. Simbol
yang digunakan untuk menampilkan sebuah kapasitor dalam suatu rangkaian listrik
adalah :
Dalam
pemakaian normal, satu keping diberi muatan positif dan keping lainnya diberi muatan
negatif yang besarnya sama. Antara
kedua keping tercipta suatau medan listrik yang berarah ke keping positif
menuju keping negatif.
Kapasitor
[C] gambaran sederhananya terdiri dari dua keping sejajar yang memiliki luasan
[A] dan dipisahkan dengan jarak yang sempit sejauh [d]. Seringkali kedua keping
tersebut digulung menjadi silinder dengan sebuah insulator atau kertas sebagai
pemisah kedua keping. Pada gambar rangkaian listrik,
simbolnya dinotasikan dengan :
[Simbol]
Berbagai
tipe kapasitor, (kiri) keping sejajar, (tengah) silindris, (kanan) gambar
beberapa contoh asli yang digunakan pada peralatan elektronik.
[Sumber:
Douglas C. Giancoli, 2005]
Kapasitor
berguna untuk :
1.
memilih frekuensi pada radio penerima
2.
filter dalam catu daya (power suply).
3.
memadamkan bunga api pada sistim pengapian mobil
4.
menyimpan energi dalam rangkaian penyala elektronik.
·
Kapasitor kertas. Kertas pada
kapasitor ini berfungsi sebagai penyekat di antara kedua pelat logam.
·
Kapasitor variabel. Kapasitor
ini digunakan dalam rangkaian penala pada pesawat radio.
· Kapasitor elektrolit (elco). Kapasitor
jenis ini memiliki kapasitansi paling tinggi, yaitu sampai dengan 100.000 pF.
Perlu
kamu ketahui bahwa walaupun memiliki fungsi yang hampir sama, namun baterai
berbeda dengan kapasitor. Kapasitor berfungsi hanya sebagai penyimpan muatan
listrik sementara, sedangkan baterai selain juga dapat menyimpan muatan
listrik, baterai juga merupakan salah satu sumber tegangan listrik. Karena
baterai perbedaan itu, baterai juga memiliki simbol yang berbeda pada rangkaian
listrik. Simbol baterai dinotasikan dengan :
[Simbol
baterai]
Contoh
penggunaan kedua simbol tersebut pada rangkaian listrik :
Kamu
dapat mencari nilai kapasitas atau kapasitansi suatu kapasitor, yakni jumlah
muatan listrik yang tersimpan. Untuk bentuk paling umum yaitu keping sejajar,
persamaan kapasitansi dinotasikan dengan :
Dimana
:
C
= kapasitansi (F, Farad) (1 Farad = 1 Coulomb/Volt)
Q
= muatan listrik (Coulomb)
V
= beda potensial (Volt)
Nilai
kapasitansi tidak selalu bergantung pada nilai 
dan 
. Besar nilai
kapasitansi bergantung pada ukuran, bentuk dan posisi kedua keping serta jenis
material pemisahnya (insulator). Nilai usaha dapat berupa positif atau negatif
tergantung arah gaya
terhadap perpindahannya. Untuk jenis keping sejajar dimana keping sejajar
memiliki luasan [A] dan dipisahkan dengan jarak [d], dapat dinotasikan dengan
rumus :
dan . Besar nilai
kapasitansi bergantung pada ukuran, bentuk dan posisi kedua keping serta jenis
material pemisahnya (insulator). Nilai usaha dapat berupa positif atau negatif
tergantung arah gaya
terhadap perpindahannya. Untuk jenis keping sejajar dimana keping sejajar
memiliki luasan [A] dan dipisahkan dengan jarak [d], dapat dinotasikan dengan
rumus :
Dimana
:
A
= luasan penampang keping (m2)
d
= jarak antar keping (m)
=
permitivitas bahan penyekat (
)
Jika
antara kedua keping hanya ada udara atau vakum (tidak terdapat bahan penyekat),
maka nilai permitivitasnya dipakai
.
.
Muatan sebelum
disisipkan bahan penyekat ( ) sama dengan muatan setelah disisipkan bahan
penyekat ( ), sesuai prinsip bahwa muatan bersifat kekal. Beda potensialnya
dinotasikan dengan rumus :
Kapasitor
menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Besar energi [W] yang tersimpan
pada dapat dicari menggunakan rumus:
Dimana :
W = jumlah energi
yang tersimpan dalam kapasitor (Joule)
Kapasitas kapasitor keping sejajar
Kapasitansi
atau kapasitas adalah ukuran jumlah muatan listrik
yang disimpan (atau dipisahkan) untuk sebuah potensial listrik yang
telah ditentukan. Bentuk paling umum dari piranti penyimpanan muatan adalah
sebuah kapasitor
dua lempeng/pelat/keping. Jika muatan di lempeng/pelat/keping adalah +Q dan –Q,
dan V adalah tegangan listrik antar lempeng, maka rumus kapasitans adalah :
C
= kapasitas kapasitor satuannya dalam SI (Farad disingkat F), 1 Farad = 1
Coulomb/Volt. satuan lain μF (microfarad) 1 μF = 10-6 F
Q
= muatan listrik sataunnya Coulomb, dan V = beda potensial satunnya Volt.
Kapasitas
kapasitor keping sejajar juga (1) sebanding dengan luas keping A, (2) sebanding
dengan permitivitas bahan penyekat ε dan (3) berbanding terbalik dengan jarak
pisah antar keping d, secara matematika di rumuskan :
εr=
permitivitas relative bahan penyekat adalah perbandingan antara kapasitas dalam
bahan penyekat Cb dan kapasitas dalam vakum atau udara Co
εo
= 8,5 x 10-12 C2N-1m-2 adalah permitivas
vakum atau udara
Jika
antara kedua keeping hanya terdapat udara atau vakum (tidak terdapat
bahan penyekat ), maka kapasitas kapasitor dalam vakum atau udara (Co)
dirumuskan sebagai berikut :
Co
= Kapasitas kapasitor kosongan ( Farad = F)
εo=
Permitivitas ruang hampa
A
= luas penampang keping (m2)
d
= jarak antara dua keping (m)
Beda potensial kedua keping
Jika
pada suatu kapasitor keeping sejajar beda potensialnya berubah, maka prinsip
yang kita pegang : muatan adalah kekal.
Jadi,
muatan kapasitor sebelum disisipkan bahan penyekat (qo) sama dengan muatan
kapasitor sesudah disisipkan bahan penyekat (qb)
Energi yang tersimpan dalam kapasitor
Kapasitor
menyimpan energi dalam bentuk medan listrik, Energi yang tersimpan dalam
kapasitor (energi Potensial ) W dinyatakan oleh :
W=
Energi yang tersimpan pada kapasitor satuannya Joule (J)
Q=
Muatan listrik yang tersimpan pada kapasitor satuannya Coulomb( C )
C
= Kapasitas kapasitor satuannya Farad (F)
V
= Beda potensial antara dua keping satuannya Volt (V)
Rangkaian Kapasitor
Dua kapasitor atau lebih dapat disusun secara seri
maupun paralel dalam satu rangkaian listrik. Rangkaian seri memiliki
sifat-sifat yang berbeda dengan rangkaian paralel. Berikut diberikan tabel
sifat-sifatnya pada rangkaian seri dan paralel.
Sumber referensi :
