MAKALAH
ENERGI POTENSIAL LISTRIK BERMUATAN
Disusun Oleh :
Nama : Chandra
NPM : 1621016
Nama : M. Saleh
NPM : 1521003
Nama : Faruq Ar-Rahman
NPM : 1321023
Nama : Nur Buat
NPM : 1621028
Nama : Novriadi
NPM :
Fakultas /Jurusan : Teknik/ Teknik Elektro Mata Kuliah : Medan Elektomagnetik
Dosen Pengajar :
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS INTERNATIONAL BATAM 2016
KATA PENGANTAR
Puji syukur penyusun panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan karuniaNya kami dapat menyelesaikan Makalah Medan elektro magnetik “Energi potensial listrik bermuatan’’ Tujuan penulisan makalah ini adalah untuk menambah pengetahuan kepada semua mahasiswa khusunya dibidang Teknik elektro, Di samping itu, makalah ini diajukan guna memenuhi tugas mata kuliah medan elektromagnetik.
Makalah ini dibuat sebagai salah satu referensi mata kuliah guna membantu mahasiswa mengenai materi listrik statis. Dalam makalah ini materi yang berkaitan dengan muatan listrik, hukum coulumb, medan listrik, energi potensial listrik dan potensial listrik, usaha listrik, bola konduktor, dan kapasitor.
Penulis menyadari bahwa makalah ini masih banyak kelemahan baik dari segi tata tulis maupun sistematikanya oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan makalah kami untuk selanjutnya.semoga makalah ini bermanfaat bagi pembaca.
Batam, 4 Oktober 2016
( Chandra )
DAFTAR ISI
Cover... i
Kata Pengantar... ii
Daftar Isi... iii
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang... 4
I.2 Rumusan Masalah... 4
I.3 Tujuan Penulisan... 4
BAB II PEMBAHASAN MATERI 2.1 Pengertian Energi Potensial... 5
2.1.1 SI dan satuan berhubungan... 5
2.1.2 Konsep Energi Potensial... 5
2.2 Potensial Listrik... 7
2.3 Hubungan Potensial dengan Medan Listrik... 9
2.3.1 Konduktor Dua Keping Sejajar... 9
2.3.2 Konduktor Bola Bermuatan... 10
2.3.3 Pemanfaatan Listrik Statis... 10
2.4 Kapasitor... 12
2.4.1 Pengertian Kapasitor... 12
2.4.2 Kapasitas Kapasitor... 13
2.4.3 Kapasitor Keping Sejajar... 13
2.4.4 Kapasitor Bola Konduktor... 15
2.4.5 Rangkaian Kapasitor... 16
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan... 17
3.2 Saran... 17 Daftar Pustaka
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sebuah benda dikatakan bermuatan listik jika mengalami kekurangan atau kelebihan elektron. Muatan listrik ada dua jenis yaitu muatan positif (+) dan muatan negative (-). Suatu benda disebut bermuatan positif (+) jika benda tersebut kekurangan elektron. Benda disebut
3
bermuatan negative (-), jika benda tersebut kelebihan elektron. Setelah bermuatan listrik, muatan tersebut akan diam di dalam benda sehingga muatan listrik tersebut dinamakan muatan listrik statis.
Alat yang digunakan untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau tidak adalah elektroskop. Salah satu contoh elektroskop adalah elektroskop daun emas.
Prinsip kerja elektroskop daun emas dalam mendeteksi adanya muatan listrik suatu benda adalah sebagai berikut: jika suatu benda bermuatan listrik menyentuh kepala elektroskop, pelat logam dan daun emas menjadi bermuatan listrik.
1.2 Rumusan Masalah
1. Apakah yang dimaksud dengan Energi Potensial?
2. Bagaimana Konsep Energi Potensial Listrik?
3. Bagaimana hubungan antara Potensial Listrik dan Medan Listrik?
4. Bagaimana Pemanfaatan listrik statis?
5. Apa yang dimaksud dengan kapasitor?
6. Bagaimana Rangkaian kapasitor?
1.3 Tujuan Penulisan
1. Agar pembaca dapat memahami Mengenai Energi Potensial.
2. Dapat mengetahui konsep Energi potensial listrik.
3. Dapat mengetahui hubungan antara Potensial listrik dan Medan Listrik
4. Dapat mengetahui manfaat listrik statis.
5. Dapat mengetahui pengertian dan konsep kapasitor.
6. Dapat mengetahui rangkaian kapasitor.
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Energi Potensial
Energi potensial dari sebuah sistem adalah energi yang dihubungkan dengan
konfigurasi ruang dari komponen-komponennya dan interaksi mereka satu sama lain. Jumlah partikel yang mengeluarkan gaya satu sama lain secara otomatis membentuk sebuah sistem dengan energi potensial. Gaya-gaya tersebut, contohnya, dapat timbul dari interaksi elektro statik (lihathukum Coulomb), atau gravitasi.
2.1.1 SI dan satuan berhubungan
Satuan SI untuk energi dan kerja adalah joule (J), dinamakan untuk menghormati James Prescott Joule dan percobaannya dalam persamaan mekanik panas. Dalam istilah yang
lebih mendasar 1 joule sama dengan 1 newton/meter dan, dalam istilah satuan dasar SI, 1 J = 1 kg m2 s−2.
2.1.2 Konsep Energi Potensial
Konsep energi sangat berguna dalam mekanika. Hukum kekekalan energi memungkinkan kita memecahkan persoalan-persoalan tanpa perlu mengetahui gaya secara rinci. Sebagai contoh gaya gravitasi menarik suatu benda menuju kepermukaan bumi. Baik gaya gravitasi 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 kemuatan negatif. Vektor kuat medan listrik E= F/q’, juga mengarah kemuatan 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).
5
Gambar 1. Gambar 2.
Konsep energi potensial listrik, mirip dengan konsep energi potensial garavitasi.
Untuk itu kita akan menurunkan rumus Energi Potensial Listrik sebagai berikut :
Gambar 3. Konsep energi potensial listrik
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 (-) negative karena gaya Coulomb berlawanan arah dengan arah perpindahan 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
Kesimpulannya, Energi Potensial Listrik adalah usaha yang dilakukan gaya Coulomb, untuk memindahkan muatan uji +q’ dari suatu titik ketitik 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) Contoh Soal.
Sebuah proton (muatan proton = +e = +1,6×10-19C) digerakkan menuju sebuah inti atom yang bermuatan q. Jarak pisah awal kedua partikel tersebut 2,5×10-11m dan jarak pisah akhirnya 2,0×10-11m. Apabila usaha yang diperlukan dalam proses terebut 1,44×10-17J, tentukan muatan inti atom tersebut!
Penyelesaian : W12= kqoq
1,44×10-17J =(9×109 Nm2C-2)(1,6×10-19C)(q) q = 10-18 coulomb.
2.2 Potensial Listrik
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
7
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
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.
Contoh Soal.
Dua muatan titik positif sama besarnya + 5 nC pada sumbu-x. Satu di pusat dan yang lain pada x = 8 cm seperti ditunjukkan pada gambar. Tentukan potensial di
a. Titik P1 pada sumbu x di x=4 cm b. Titik P2 pada sumbu y di y = 6 cm.
a. Titik P1 pada sumbu x di x=4 cm
b. Titik P2 pada sumbu y di y = 6 cm.
2.3 Hubungan Potensial dengan Medan Listrik
2.3.1 Konduktor Dua Keping Sejajar
Konduktor dua keping sejajar adalah dua keping logam sejajar yang dihubungkan dengan sebuah baterai sehingga kedua keeping mendapat muatan yang sama tapi berlawanan tanda. Bentuk keeping sejajar seperti ini disebut kapasitor.
Di antara dua keping akan dihasilkan medan listrik yang serba sama dengan arah dari keping positif ke keping negatif. Medan listrik yang serba sama seperti ini disebut medan listrik homogen.
Pada muatan positif q bekerka gaya listrik F = q E yang arahnya kekanan.
Untuk memindahkan muatan positif q dari A ke B (ke kiri) kita harus melakukan gaya F’ yang melawan gaya F, tetapi besar F’ sama dengan besar F (F’ = F). Usaha luar yang dilakukan untuk memindahkan muatan q dari A ke B adalah:
W A B = q E d W A B = q ∆ V A B Contoh Soal.
Gambar dibawah ini menunjukkan konduktor dua keping sejajar yang dimuati oleh baterai 240 V. kedua kepping berada dalam vakum.
a. Tentukan besar dan arah kuat medan listtrik di antara kedua keeping tersebut.
b. Tentukan beda potensial antara titik C yang berjarak 2 m dari B dengan titik B.
Jawab :
Beda potensial baterai ∆VBA = 240 volt; jarak keping AB, d = 4 cm = 4x10-2 m.
a. Keeping A bertanda + karena dihubungkan dengan kutub + baterai.
Keeping B bertanda – karena dihubungkan dengan kutub- baterai.
Dengan demikian, arah kuat medan listrik dalam ruang antar keping adalah dari keeping A menuju ke keeping B (ke arah kanan). Besar kuat medan E anta rkeping adalah homogen dan dihitung dengan persamaan,
E = ∆VAB / d = 240 / 4x10-2 <=> E = 6000 V/m
b. Beda potensial antara titik C dan B, ∆VBC, dihitung dengan persamaan,
∆VBC = E . r dengan r = 2 cm = 2x10-2 m = (6000)(2 x 10-2) = 120 volt
9
2.3.2 Konduktor Bola Bermuatan
Potensial listrik disekitar atau di dalam bola konduktor bermuatan dapat ditentukan dengan cara menganggap muatan bola berada di pusat bola. Selanjutnya, potensial listrik di titik-titik pada suatu bola bermuatan, seperti diperlihatkan pada gambar di bawah dapat ditentukan melalui persamaan potensial listrik, yaitu :
Gambar 4. Potensial listrik pada bola konduktor bermuatan VA = k . q / R ; VB = k . q / R ; VC = k . q / r
Dari persamaan-persamaan di atas dapat menimbulkan bahwa potensial listrik di dalam bola sama dengan dipermukaan bola, sehingga:
VA = VB k . q / R untuk r ≤ R VC = k . q / r untuk r > R
2.3.3 Pemanfaatan Listrik Statis
Ada pula alat yang prinsip kerjanya mengguakan atau menerapkan konsep statis adalah sebagai berikut:
1. Penangkal Petir
Sebelum terdengar petir tentu kita lihat kilat. Kilat adalah cahaya yang timbul karena gerak elektron yang bergesekan dengan udara. Akibatnya, udara yang dilalui kilat terbelah dan memuai dengan cepat sehingga dapat menghasilkan suara yang menggelegar, yang disebut petir. Cara kerja penangkal petir adalah sebagai berikut:
a. Jika di sekitar penangkal penangkal petir terdapat awan bermuatan negative, batang logam penangkal petir mengalami induksi sehingga bermuatan positif (muatan hasil induksi berlawanan dengan muatan benda yang menginduksi).
b. Jika petir menyambar batang logam, muatan negative petir berpindah ke batang logam dan diteruskan kebumi melalui kabel penangkal petir.
c. Bersamaan itu, muatan positif logam meloncat kea wan petir sehingga menjadi netral.
2. Generator Van de Graaff
