Ketika Anda pertama kali mempelajari gerakan partikel dalam medan listrik, ada kemungkinan besar Anda telah mempelajari sesuatu tentang gravitasi dan medan gravitasi.
Seperti yang terjadi, banyak hubungan dan persamaan penting yang mengatur partikel dengan massa memiliki rekanan di dunia interaksi elektrostatik, membuat transisi yang mulus.
Anda mungkin telah mempelajari bahwa energi partikel dengan massa dan kecepatan konstanvadalah jumlah darienergi kinetikEK, yang ditemukan menggunakan hubunganmv2/2, danenergi potensial gravitasiEP, ditemukan menggunakan produkmghdimanagadalah percepatan gravitasi danhadalah jarak vertikal.
Seperti yang akan Anda lihat, menemukan energi potensial listrik dari partikel bermuatan melibatkan beberapa matematika analog.
Medan Listrik, Dijelaskan
Partikel bermuatanQmembentuk medan listrikEyang dapat divisualisasikan sebagai serangkaian garis yang memancar secara simetris ke segala arah dari partikel. Bidang ini memberikan kekuatanFpada partikel bermuatan lainnyaq. Besarnya gaya diatur oleh konstanta Coulombkdan jarak antara muatan:
F = \frac{kQq}{r^2}
kmemiliki besaran9 × 109 N m2/ C2, dimanaCsingkatan dari Coulomb, satuan dasar muatan dalam fisika. Ingat bahwa partikel bermuatan positif menarik partikel bermuatan negatif sementara muatan sejenis tolak-menolak.
Anda dapat melihat bahwa gaya berkurang dengan kebalikannyakotakpeningkatan jarak, bukan hanya "dengan jarak", dalam hal inirtidak akan memiliki eksponen.
Gaya juga dapat ditulisF = qE, atau sebagai alternatif, medan listrik dapat dinyatakan sebagaiE = F/q.
Hubungan Antara Gravitasi dan Medan Listrik
Sebuah objek besar seperti bintang atau planet dengan massasayamembentuk medan gravitasi yang dapat divisualisasikan dengan cara yang sama seperti medan listrik. Bidang ini memberikan kekuatanFpada benda lain yang bermassasayadengan cara yang besarnya berkurang dengan kuadrat jarakrdiantara mereka:
F = \frac{GMm}{r^2}
dimanaGadalah konstanta gravitasi universal.
Analogi antara persamaan ini dan persamaan di bagian sebelumnya terlihat jelas.
Persamaan Energi Potensial Listrik
Rumus energi potensial elektrostatik, dituliskamuuntuk partikel bermuatan, memperhitungkan besaran dan polaritas muatan dan pemisahannya:
U = \frac{kQq}{r}
Jika Anda ingat bahwa usaha (yang memiliki satuan energi) adalah gaya kali jarak, ini menjelaskan mengapa persamaan ini berbeda dari persamaan gaya hanya dengan "r" dalam penyebut. Mengalikan yang pertama dengan jarakrmemberikan yang terakhir.
Potensial Listrik Antara Dua Muatan
Pada titik ini Anda mungkin bertanya-tanya mengapa ada begitu banyak pembicaraan tentang muatan dan medan listrik, tetapi tidak menyebutkan voltase. Kuantitas ini,V, hanyalah energi potensial listrik per satuan muatan.
Beda potensial listrik menyatakan kerja yang harus dilakukan terhadap medan listrik untuk memindahkan partikelqberlawanan dengan arah yang ditunjukkan oleh medan. Artinya, jikaEdihasilkan oleh partikel bermuatan positifQ, Vadalah usaha yang diperlukan per satuan muatan untuk memindahkan partikel bermuatan positif sejauhrantara mereka, dan juga untuk memindahkan partikel bermuatan negatif dengan muatan yang sama besarnya jarakr jauhdariQ.
Contoh Energi Potensial Listrik
Sebuah partikelqdengan muatan +4.0 nanocoulomb (1 nC = 10 –9 Coulomb) adalah jarakr= 50 cm (yaitu 0,5 m) dari muatan -8,0 nC. Berapakah energi potensialnya?
\begin{aligned} U &= \frac{kQq}{r} \\ &= \frac{(9 × 10^9 \;\text{N} \;\text{m}^2/\text{C }^2)×(+8.0 × 10^{-9} \;\text{C})×(–4.0 × 10^{-9} \;\text{C})}{0.5 \;\text{m} } \\ &= 5,76 × 10^{-7} \;\text{J} \end{selaras}
Tanda negatif dihasilkan dari muatan yang berlawanan dan karena itu saling tarik-menarik. Besarnya usaha yang harus dilakukan untuk menghasilkan perubahan energi potensial yang diberikan memiliki besar yang sama tetapi sebaliknya arah, dan dalam hal ini usaha positif harus dilakukan untuk memisahkan muatan (seperti mengangkat benda melawan gravitasi).