Pengertian Energi Potensial Listrik dan Contoh Soal
Suatu objek dapat memiliki energi potensial listrik karena dua elemen utama, yaitu muatan listriknya sendiri dan posisi relatifnya terhadap objek bermuatan listrik lainnya. Besarnya potensial listrik bergantung pada besarnya usaha (work) yang dilakukan untuk memindahkan objek dari satu titik ke titik lain melawan medan listrik.
Ketika sebuah benda digerakkan melawan medan listrik maka ia memperoleh sejumlah energi yang didefinisikan sebagai energi potensial listrik. Jadi, energi potensial listrik adalah energi potensial yang dihasilkan dari gaya-gaya Coulomb konservatif dan diasosiasikan dengan konfigurasi sejumlah muatan-muatan titik dalam sebuah sistem yang didefinisikan.
Sementara itu, satuan SI untuk energi potensial listrik adalah Joule (dinamai berdasarkan fisikawan Inggris James Prescott Joule). Dalam sistem CGS, erg (berasal dari kata dalam bahasa Yunani ergon yang berarti usaha) adalah satuan energi, yang setara dengan 10‾⁷ J. Elektronvolt juga dapat digunakan, 1 eV = 1,602×10¯¹⁹ J.
Pada gambar di atas terdapat dua plat, di mana yang atas bermuatan positif dan bawah bermuatan negatif. Medan listrik akan memperluas dari plat bermuatan positif dan mengarah ke plat negatif. Kemudian, katakanlah terdapat muatan positif yang berada di antara kedua plat. Muatan positif tersebut memiliki gaya yang akan mempercepatnya ke arah yang sama dengan medan listrik dalam hal ini ke arah Y negatif. Muatan negatif juga menambah gaya yang akan mempercepatnya dalam arah yang berlawanan dari medan listrik.
Kemudian, anggap saja itu sebagai di titik A dan muatannya akan bergerak ke titik B. Selanjutnya, bagaimana kita bisa menentukan energi potensial listrik pada masing-masing titik ini? Jadi, katakanlah titik B berada pada posisi ‘Yb’ di atas plat bermuatan negatif, dan titik A berada pada posisi ‘Ya’ di atas plat bermuatan negatif. Dengan ini, kita dapat menghasilkan rumus untuk menghitung energi potensial listrik.
Usaha atau work (W) yang terjadi dari a ke b akan sama dengan perubahan negatif dalam energi potensial (Wa→b=–△U). Sementara itu, energi potensial dapat diwakili dengan PE atau huruf kapital U, walau ada juga yang menggunakan UE, tetapi pada pembahasan ini energi potensial listrik akan menggunakan U.
Selanjutnya, kita tahu bahwa usaha (W) sama dengan gaya (F) dikali perpindahan (d) atau W=Fd. Dengan demikian, dari a ke b mengalami perubahan energi potensial, sehingga –(Ub–Ua). Kemudian, gaya listrik (F) sama dengan besarnya medan listrik (E) dikali muatan (q) sehingga kita dapat mengganti F dengan E dikali q. Tanda negatif juga dapat dipindahkan di sisi lain sehingga menjadi –Eqd=+(Ub–Ua).
Kita tahu jika d mewakili perpindahan, di mana muatan berpindah dari a ke b. Dengan kata lain, perpindahan akan menjadi perubahan posisi, sehingga Yb dikurangi Ya, –Eq(Yb–Ya)=Ub–Ua. Selanjutnya, distribusikan –Eq sehingga kita akan mendapatkan –EqYb+EqYa=Ub–Ua.
Dengan demikian, Ub akan sama dengan –EqYb, sedangkan –Ua akan sama dengan +EqYa jika Anda mengalikan keduanya dengan negatif satu, Anda akan mendapatkan bahwa +Ua sama dengan –EqYa.
Jadi, kita dapat menyimpulkan bahwa energi potensial listrik adalah U=–EqY, dengan persamaan ini maka dapat membantu Anda untuk menghitung energi potensial listrik. Perhatikan persamaan ini mirip dengan energi potensial gravitasi (Ug), di mana Ug=mgh. Pada kedua kasus energi potensial ini bergantung pada posisi dari ground level. Dalam kasus energi potensial listrik, plat negatif dapat dijadikan sebagai ground level dari struktur khusus ini.
Contoh Soal
Muatan +50 µC yang berada di titik A berpindah ke titik B (amati gambar di bawah). Titik A berada 100 cm di atas plat bermuatan negatif, sedangkan titik B berada 25 cm di atas plat bermuatan negatif. Kemudian, untuk medan listrik adalah 20×10¯⁶ C. Hitunglah energi potensial listrik di titik A dan B, besarnya usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari titik A ke titik B, dan potensial listrik di titik A dan B.
*Note:
E mengarah ke plat bermuatan negatif sehingga ditulis –2×10⁶ N/C.
