MAKALAH

ENERGI POTENSIAL LISTRIK BERMUATAN

Disusun Oleh :  

Nama : Kholifah 

NIM : 141.080.2000.88/A1

Fakultas /Jurusan : Teknik/ Teknik Informatika

Mata Kuliah : Fisika 

Dosen Pengajar : Ismail, S.Kom.

FAKULTAS TEKNIK INFORMATIKA

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SIDOARJO

2014-2015

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 dan informatika, Di samping itu,

makalah ini diajukan guna memenuhi tugas mata kuliah Fisika

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.

Dan tidak lupa penulis juga menyampaikan banyak terima kasih kepada :

1. Allah SWT sehingga dapat menyelesaikan tugas makalah ini.

2. Bapak Hindarto, S.Kom.,MT selaku Dekan Fakultas Teknik Informatika Universitas

Muhammadiyah Sidoarjo.

3. Ibu Yulian Findawati, ST., M.MT selaku Kaprodi Teknik Informatika Universitas

Muhammadiyah Sidoarjo.

4. Rekan-rekan mahasiswa yang telah memberikan motivasi dan dorongan sehingga

penulis dapat menyelesaikan tugas makalah ini

5. Orang tua serta keluarga yang telah membantu dalam menyelesaikan makalah ini.

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.

Sidoarjo, 18 Oktober 2014

( Kholifah )

ii

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

iii

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

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.

iv

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).

v

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

vi

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

vii

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.

viii

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.

ix

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

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

x

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

Generator Van de Graaff adalah alat yang dapat menghasilkan muatan listrik dengan jumlah

besar melalui proses penggosokan. Alat ini dirancang oleh Robert Jemson Van de Graaff

(1901-1967). Generator Van de Graaff terdiri atas:

a.       Dua ujung runcing yang terdapat di bagian atas dan bawah,

b.      Sebuah silinder logam yang terdapat di bagian bawah,

c.       Sebuah silinder politilen yang terdapat di bagian atas,

d.      Sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder,

e.       Konduktor berongga berbentuk bola (kubah).

3.      Alat penggumpal asap

Untuk menanggulangi polusi udara dari cerobong asap pabrik, seorang ahli kimia Amerika

yang bernama Frederick Gardner Cottrel membuat alat penggumpal asap yang terdiri dari

dua logam yang memiliki muatan yang berlawanan sehingga partikel-partikel asap terinduksi

dan terjadi gaya tarik menarik antara partikel sehingga massa partikel bertambah besar dan

membentuk gumpalan hitam yang mudah dibersihkan.

4.      Pengecatan mobil

Ketika cat disemprot, butir-butir halus cat akan menjadi bermuatan karena bergesekan dengan

udara. Mobil yang dicat diberi muatan berlawanan sehingga cat dapat rata dan halus.

5.      Mesin fotokopi

Mesi fotokopi pertama yang dipasarkan adalah Xerox Corporation pada tahun 1959 dengan

memanfaatkan prinsip muatan induksi serta gaya Coulomb. Bagian utama mesin fotokopi

adalah pelat foto konduktif yang dalam keadaan gelap tidak menghantar listrik. Pelat baru

aktif jika dikenai cahaya.

xi

2.4 Pemanfaatan Listrik Statis

2.4.1 Pengertian Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronika yang digunakan untuk menyimpan muatan

dan energi listrik. Pada prinsipnya, kapasitor terdiri dari dua konduktor yang berdekatan

namun terpisah satu sama lain, yang membawa muatan yang sama besar namun berlawanan

jenis. Kedua konduktor tersebut dipisahkan oleh bahan penyekat (isolator) yang disebut

bahan (zat) dielektrik. Zat dielektrik yang digunakan sebagai menyekat akan membedakan

jenis kapasitor, seperti kertas, mika, plastik, pasta dan lain sebagainya.

Sifat-sifat dari kapasitor, yaitu :

  Dapat menyimpan dan mengosongkan muatan listrik.

  Tidak dapat mengalirkanarussearah.

  Dapat mengalirkan arus bolak-balik.

  Untuk arus bolak-balik berfrekuensi rendah.

  Kapasitor dapat menghambat arus.

Menurut pemasangannya dalam rangkaian listrik, kapasitor dibedakan menjadi kapasitor

berpolar yang mempunyai kutub positif dan negatif. dan juga kapasitor nonpolar, yang tidak

mempunyai kutub, bila dipasang pada rangkaian arus bolak-balik (AC).

Beberapa kegunaan kapasitor, antara lain sebagi berikut :

a.       Menyimpan muatan listrik,

b.      Memilih gelombang radio (tuning),

c.       Sebagai perata arus pada rectifier,

d.      Sebagai komponen rangkaian starter kendaraan bermotor,

e.       Memadamkan bunga api pada sistem pengapian mobil,

f.       Sebagai filter dalam catu daya (power supply).

xii

Gambar 5. Simbol kapasitor

2.4.2 Kapasitas Kapasitor

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron untuk level tegangan tertentu.

Dengan rumus dapat ditulis :

                                                Q = C.V

Jadi kapasitas kapasitor untuk ruang hampa adalah :            

Q = muatanelektrondalam C (coulombs)

C = nilai kapasitansi dalam F (farads)

V = besar tegangan dalam V (volt)

Dari rumus tersebut dapat diturunkan rumus kapasitansi kapasitor, yaitu :

                                                C = Q/V

Contoh soal.

Jika muatan dan kapsitas kapasitor diketahui berturut-turut sebesar 5µC dan 20µF, tentukan

beda potensial kapasitor tersebut!

Dik.     :Q = 5µC = 5x10-6 C

             C = 20µF = 5x10-5 F 

Dit.      : V = ...?

Jawab :

C =  Q / V           V = Q / C  = 5x10-6 / 5x10-6 = 5x10-1 / 2 = 0,25 volt

2.4.3 Kapasitor Keping Sejajar

Kapasitor keeping sejajar adalah kapasitor yang terdiri dari dua keeping konduktor

yang dipisahkan oleh bahan dielektrik.

 

Bila luas masing-masing keping A maka :

xiii

Tegangan antara kedua keping :

Jadi kapasitas kapasitor untuk ruang hampa adalah :

C = Kapasitas kapasitor (F)

ε0 =Permitivitas vakum (8,85x10‐12 C2N‐1m2 )

A = Luaspenampangmasing‐masingkeping (m2)

d = Jarak antar keping (m)

Bila di dalamnya di isi bahan lain yang mempunyai konstanta dielektrik K, maka

kapasitasnya menjadi :

Hubungan C0dan C adalah :  

Kapasitas kapasitor akan berubah harganya bila :K , A dan d diubah.

Dalam hal ini C tidak tergantung Q dan V, hanya merupakan perbandingan-perbandingan

yang tetap saja. Artinya meskipun harga Q diubah, harga C tetap.

Contoh soal.

xiv

2.4.4 Kapasitor Bola Konduktor

Kapasitor bola adalah kapasitor yang berbentuk bolaberongga dengan jari‐jari

tertentu.Perhitungan kapasitansi :

a.      Beda potensial pada bola

            V = K

b.      Kapasitas kapasitor bola

            C =     = 4 ε0R

Kapasitas kapasitor bola tidak tergantung padamuatan dan beda potensial kapasitor.

c.       Kapasitor Tabung

Kapasitor tabung atau silnder terdiri dari dua silinder konduktor berbeda jari-jari yang

mengapit bahan dielektrik diantaranya.

Gambar 6. Kapasitor silinder

Karena beda potensial diantara silinder adalah :

Dengan demikian :

Contoh soal.

Satu kabel koaksial terdiri dari kabel berjari-jari 0,5 mm dan lapisan konduktor terluar

dengan jari-jari 1,5 mm. Tentukan kapasitansi persatuan panjang.

Penyelesaian :

xv

2.4.5 Rangkaian Kapasitor

a.      Rangkaian Seri Kapasitor

                    Kapasitor yang dihubungkanseriakanmempunyaimuatan yang sama.

Gambar 7. Rangkaian seri kapasitor

b.      Rangakian Paralel Kapasitor

Kapasitor yang dihubungkan paralel, tegangan antara ujung-ujung kapasitor adalah

sama, sebesar V.

Gambar 8. Rangkaian paralel kapasitor

xvi

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

1. Energi Potensial Listrik adalah usaha yang dilakukan gaya Coulomb, untuk

memindahkan muatan uji  +q’ dari suatu titik ketitik lainnya.

2. Konsep energi potensial listrik, mirip dengan konsep energi potensial garavitasi.

3. Pemanfaatan listrik statis :

Penangkal Petir

Generator Van de Graaff

Alat penggumpal asap

Pengecatan mobil

Mesin fotokopi

4. Konduktor dua keping sejajar adalah dua keping logam sejajar yang dihubungakan

dengan baterai sehingga keping mendapat muatan yang sama tapi berlawanan tanda

itulah yang disebut dengan kapasitor

5. Kapasitor adalah komponen elektronika yang digunakan untuk menyimpan muatan

dan energi listrik.

3.2 Saran

1. Demikian dapat dipaparkan mengenai materi Energi potensial yang menjadi pokok

bahasa dalam makalah kami, tentunya masih banyak kekurangan dan kelemahan

karena terbatasnya materi dan referensi.

2. Kami mengharapkan para pembaca yang budiman dapat memberikan kritik yang baik

guna untuk membangun makalah ini lebih baik dari sebelumnya.

xvii

DAFTAR PUSTAKA

1. http://nike-ardila.blogspot.com/

2. http://nurfahmiakhmad96.blogspot.com/2013/10/pengertian-energi-potensial-

listrik.html

3. http://tienkartina.wordpress.com/2010/10/24/energi-potensial-dan-potensial-

listrik/

4. http://physic-nurfaizal.blogspot.com/2012/04/potensial-listrik-dan-

kapasitor.html

xviii