Untuk memahami listrik, Anda harus memahami gaya listrik dan apa yang akan terjadi pada muatan dengan adanya medan listrik. Kekuatan apa yang akan dirasakan muatan? Bagaimana itu akan bergerak sebagai hasilnya? Konsep terkait adalah potensi listrik, yang menjadi sangat berguna ketika Anda berbicara tentang baterai dan sirkuit.
Definisi Potensial Listrik
Anda mungkin ingat bahwa massa yang ditempatkan di medan gravitasi memiliki sejumlah energi potensial karena lokasinya. (Energi potensial gravitasi adalahGMm/r, yang direduksi menjadimghdekat permukaan bumi.) Demikian pula, muatan yang ditempatkan di medan listrik akan memiliki sejumlah energi potensial karena lokasinya di medan.
Ituenergi potensial listrikbiayaqkarena medan listrik yang dihasilkan oleh muatanQdiberikan oleh:
PE_{elec}=\frac{kQq}{r}
Dimanaradalah jarak antara muatan dan konstanta Coulomb k = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Namun, ketika bekerja dengan listrik, seringkali lebih mudah untuk bekerja dengan besaran yang disebutpotensial listrik
(juga disebut potensial elektrostatik). Apa itu potensial listrik dengan kata-kata sederhana? Nah, itu adalah energi potensial listrik per satuan muatan. Potensial listrikVmaka, jarakrdari muatan titikQaku s:V=\frac{kQ}{r}
Dimanakadalah konstanta Coulomb yang sama.
Satuan SI untuk potensial listrik adalah volt (V), di mana V = J/C (joule per coulomb). Untuk alasan ini, potensial listrik sering disebut sebagai “tegangan”. Unit ini dinamai Alessandro Volta, penemu baterai listrik pertama.
Untuk menentukan potensial listrik pada suatu titik dalam ruang yang dihasilkan dari distribusi beberapa muatan, Anda cukup menjumlahkan potensial listrik dari masing-masing muatan. Perhatikan bahwa potensial listrik adalah besaran skalar, jadi ini adalah jumlah langsung dan bukan jumlah vektor. Meskipun skalar, bagaimanapun, potensial listrik masih dapat mengambil nilai positif dan negatif.
Beda potensial listrik dapat diukur dengan voltmeter dengan menghubungkan voltmeter secara paralel dengan benda yang tegangannya diukur. (Catatan: potensial listrik dan beda potensial bukanlah hal yang sama. Yang pertama mengacu pada kuantitas absolut pada titik tertentu, dan yang terakhir mengacu pada perbedaan potensial antara dua titik.)
Tips
Jangan bingung antara energi potensial listrik dan potensial listrik. Mereka bukan hal yang sama, meskipun mereka terkait erat!Potensial listrikVberhubungan denganenergi potensial listrikpelistrikmelaluipelistrik = qVuntuk biayaq.
Permukaan dan Garis Ekipotensial
Permukaan atau garis ekuipotensial adalah daerah yang potensial listriknya konstan. Ketika garis ekuipotensial ditarik untuk medan listrik tertentu, mereka membuat semacam peta topografi ruang seperti yang terlihat oleh partikel bermuatan.
Dan garis ekuipotensial benar-benar berfungsi dengan cara yang sama seperti peta topografi. Seperti yang Anda bayangkan dapat mengetahui arah mana bola akan menggelinding dengan melihat topografi seperti itu, Anda dapat mengetahui ke arah mana muatan akan bergerak dari peta ekuipotensial.
Pikirkan daerah berpotensi tinggi sebagai puncak perbukitan dan daerah berpotensi rendah sebagai lembah. Sama seperti bola akan menggelinding menuruni bukit, muatan positif akan bergerak dari potensial tinggi ke rendah. Arah yang tepat dari gerakan ini, kecuali gaya lain, akan selalu tegak lurus terhadap garis ekuipotensial ini.
Potensial listrik dan medan listrik:Jika Anda ingat, muatan positif bergerak searah dengan garis medan listrik. Maka mudah untuk melihat, bahwa garis-garis medan listrik akan selalu memotong garis-garis ekuipotensial secara tegak lurus.
Garis ekuipotensial yang mengelilingi muatan titik akan terlihat seperti berikut:
Perhatikan bahwa mereka ditempatkan lebih dekat bersama-sama di dekat muatan. Hal ini karena potensi jatuh lebih cepat di sana. Jika Anda ingat, garis-garis medan listrik terkait untuk titik muatan titik positif mengarah keluar secara radial dan, seperti yang diharapkan, akan memotong garis-garis ini secara tegak lurus.
Berikut adalah penggambaran garis ekuipotensial dipol.
•••dibuat menggunakan aplikasi: https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html
Perhatikan bahwa mereka antisimetris: Yang dekat muatan positif adalah nilai potensial tinggi, dan yang dekat muatan negatif adalah nilai potensial rendah. Muatan positif yang ditempatkan di mana saja di sekitar akan melakukan apa yang Anda harapkan dari bola yang menggelinding menuruni bukit: Menuju ke "lembah" potensial rendah. Muatan negatif, bagaimanapun, melakukan yang sebaliknya. Mereka “berguling menanjak!”
Sama seperti energi potensial gravitasi diubah menjadi energi kinetik untuk benda yang jatuh bebas, demikian juga untuk adalah energi potensial listrik diubah menjadi energi kinetik untuk muatan yang bergerak bebas dalam listrik an bidang. Jadi jika muatan q melintasi celah potensial V, maka besarnya perubahan energi potensialnyaqVsekarang energi kinetik1/2mv2. (Perhatikan bahwa ini juga setara dengan jumlah kerja yang dilakukan oleh gaya listrik untuk memindahkan muatan pada jarak yang sama. Ini konsisten dengan teorema energi kerja-kinetik.)
Baterai, Arus, dan Sirkuit
Anda mungkin akrab dengan melihat daftar tegangan pada baterai. Ini merupakan indikasi perbedaan potensial listrik antara dua terminal baterai. Ketika dua terminal dihubungkan melalui kawat konduktor, elektron bebas di dalam konduktor akan diinduksi untuk bergerak.
Meskipun elektron bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi, arah aliran arus secara kanonik didefinisikan dalam arah yang berlawanan. Ini karena ia didefinisikan sebagai arah aliran muatan positif sebelum fisikawan mengetahui bahwa itu adalah elektron, partikel bermuatan negatif, yang sebenarnya bergerak secara fisik.
Namun, karena untuk sebagian besar tujuan praktis, muatan listrik positif yang bergerak dalam satu arah terlihat sama dengan muatan listrik negatif yang bergerak berlawanan arah, perbedaannya menjadi tidak relevan.
Sirkuit listrik dibuat setiap kali kabel meninggalkan sumber listrik, seperti baterai, pada potensial tinggi kemudian terhubung ke yang berbeda elemen rangkaian (mungkin bercabang dalam prosesnya) kemudian bersatu kembali dan terhubung kembali ke terminal daya potensial rendah sumber.
Ketika terhubung seperti itu, arus bergerak melalui sirkuit, memberikan energi listrik ke berbagai elemen sirkuit, yang pada gilirannya mengubah energi itu menjadi panas atau cahaya atau gerakan, tergantung pada fungsi.
Sirkuit listrik dapat dianggap sebagai analog dengan pipa dengan air yang mengalir. Baterai mengangkat salah satu ujung pipa sehingga air mengalir ke bawah. Di bagian bawah bukit, baterai mengangkat air kembali ke awal.
Tegangan analog dengan seberapa tinggi air diangkat sebelum dilepaskan. Arus dianalogikan dengan aliran air. Dan jika berbagai penghalang (kincir air, misalnya) ditempatkan di jalan, itu akan memperlambat aliran air karena energi ditransfer seperti elemen sirkuit.
Tegangan Hall
Arah aliran arus positif didefinisikan sebagai arah di mana muatan bebas positif akan mengalir dengan adanya potensial yang diterapkan. Konvensi ini dibuat sebelum Anda mengetahui muatan mana yang benar-benar bergerak dalam suatu sirkuit.
Anda sekarang tahu bahwa, meskipun Anda mendefinisikan arus dalam arah aliran muatan positif, pada kenyataannya, elektron mengalir ke arah yang berlawanan. Tetapi bagaimana Anda bisa membedakan antara muatan positif yang bergerak ke kanan dan muatan negatif yang bergerak ke kiri ketika arusnya sama?
Ternyata muatan yang bergerak mengalami gaya dengan adanya medan magnet luar.
Untuk konduktor tertentu dengan adanya medan magnet tertentu, muatan positif yang bergerak ke kanan berakhir dengan perasaan ke atas gaya, dan karenanya akan terkumpul di ujung atas konduktor, menciptakan penurunan tegangan antara ujung atas dan ujung bawah.
Elektron yang bergerak ke kiri dalam medan magnet yang sama akhirnya merasakan gaya ke atas juga, sehingga muatan negatif akan terkumpul di ujung atas konduktor. Efek ini disebutefek aula. Dengan mengukur apakahTegangan hallpositif atau negatif, Anda dapat mengetahui partikel mana yang merupakan pembawa muatan sebenarnya!
Contoh untuk Dipelajari
Contoh 1:Sebuah bola memiliki permukaan yang bermuatan 0,75 C. Berapa jarak dari pusatnya potensial 8 MV (megavolt)?
Untuk menyelesaikannya, Anda dapat menggunakan persamaan potensial listrik dari muatan titik dan menyelesaikannya untuk jarak, r:
V=\frac{kQ}{r}\menyiratkan r=\frac{kQ}{V}
Memasukkan angka memberi Anda hasil akhir:
r=\frac{kQ}{V}=\frac{(8.99\times10^9)(0.75)}{8.00\times10^6}=843\text{ m}
Itu tegangan yang cukup tinggi bahkan pada jarak hampir satu kilometer dari sumbernya!
Contoh 2:Penyemprot cat elektrostatik memiliki bola logam berdiameter 0,2 m pada potensial 25 kV (kilovolt) yang menolak tetesan cat ke objek yang diarde. (a) Berapa muatan yang ada pada bola? (b) Berapa muatan yang harus dijatuhkan oleh setetes cat 0,1 mg untuk mencapai benda dengan kecepatan 10 m/s?
Untuk menyelesaikan bagian (a) Anda mengatur ulang persamaan potensial listrik Anda untuk menyelesaikan Q:
V=\frac{kQ}{r}\menyiratkan Q = \frac{Vr}{k}
Dan kemudian masukkan nomor Anda, dengan mengingat bahwa jari-jarinya adalah setengah dari diameter:
Q = \frac{Vr}{k}=\frac{(25\times 10^3)(0.1)}{8,99\times 10^9}=2,78\times10^{-7}\text{ C}
Untuk bagian (b), Anda menggunakan konservasi energi. Energi potensial yang hilang menjadi energi kinetik yang diperoleh. Dengan mengatur dua ekspresi energi yang sama dan menyelesaikanq, Anda mendapatkan:
qV=\frac{1}{2}mv^2\implies q=\frac{mv^2}{2V}
Dan lagi, Anda memasukkan nilai Anda untuk mendapatkan jawaban akhir:
q=\frac{mv^2}{2V}=\frac{(0.1\times10^{-6})(10)^2}{2(25\times10^3)}=2\times10^{-10 }\teks{ C}
Contoh 3:Dalam eksperimen fisika nuklir klasik, partikel alfa dipercepat menuju inti emas. Jika energi partikel alfa adalah 5 MeV (Mega-elektronvolt), seberapa dekat dengan inti emas sebelum dibelokkan? (Sebuah partikel alfa memiliki muatan +2e, dan inti emas memiliki muatan +79edimana muatan dasare = 1.602 × 10-19 C.)
Tips
Elektron volt (eV) BUKAN satuan potensial!Ini adalah satuan energi yang setara dengan pekerjaan yang dilakukan dalam mempercepat elektron melalui beda potensial 1 volt. 1 elektron volt =e×1 volt, di manaeadalah muatan dasar.
Untuk menjawab pertanyaan ini, Anda menggunakan hubungan antara energi potensial listrik dan potensial listrik untuk terlebih dahulu menyelesaikan r:
PE_{elec}=qV=q\frac{kQ}{r}\menyiratkan r=q\frac{kQ}{PE_{elec}}
Anda kemudian mulai memasukkan nilai, sangat berhati-hati dengan unit.
r=q\frac{kQ}{PE_{elec}}=2e\frac{(8.99\times10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2)(79e)}{5\times10^ 6\teks{ eV}}
Sekarang, Anda menggunakan fakta bahwa 1 elektron volt =e×1 volt untuk lebih menyederhanakan, dan masukkan nomor yang tersisa untuk mendapatkan jawaban akhir:
r=2e\frac{(8.99\times10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2)(79\cancel{e})}{5\times10^6\cancel{\text{ eV }}\teks{ V}}\\ \teks{ }\\=2(1.602\times 10^{-19}\text{ C})\frac{(8.99\times10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2)(79)} {5\times10^6\text{ V}}\\ \text{ }\\=4.55\times10^{-14}\text{ m}
Sebagai perbandingan, diameter inti emas adalah sekitar 1,4 × 10-14 m.
