لطفي: Potensial dan Kapasitor Listrik

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 EP_a , maka potensial listrik pada titik a dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan : V = potensial listrik, EP_a = 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 V_a, 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 :

V_ab adalah beda potensial listrik antara dua titik dalam medan listrik, misalnya titik a dan b. Beda potensial listrik antara titik a dan b (V_ab) sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan listrik ketika bergerak dari titik a ke titik b, per satuan muatan (W_ab/q). Perlu diketahui bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan q ketika bergerak dari titik a ke titik b (W_ab) sama dengan perubahan energi potensial listrik muatan q (ΔEP). Karenanya pada persamaan di atas ΔEP bisa diganti dengan W_ab.

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 V_ab 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 (V_ab). 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 : V_ab = 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 : V_ab = 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 :

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, V_ab= 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.

Sekarang ini, ada tiga jenis kapasitor yang banyak digunakan dalam rangkaian listrik, yaitu :

· 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 :

Dimana :

A = luasan penampang keping (m²)

d = jarak antar keping (m)

$Description: \epsilon$ = 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 :

ε_r= permitivitas relative bahan penyekat adalah perbandingan antara kapasitas dalam bahan penyekat Cb dan kapasitas dalam vakum atau udara Co

ε_o = 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 (C_o) 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 :

https://gurumuda.net/potensial-listrik.html

https://physicsranggaagung.wordpress.com/2017/06/26/potensial-listrik/

https://www.studiobelajar.com/kapasitor/

https://tienkartina.wordpress.com/2010/11/13/kapasitor/

http://pengertianahli.id/2014/01/pengertian-jenis-fungsi-kapasitor.html