1

MODUL III

FISIKA DASAR II

I. POTENSIAL LISTRIK,KAPASITANSI DAN DIELEKTRIKUM

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa diharapkan dapat memahami dan menghitung energi potencial listrik

dalam kelistrikan.

II. Materi :

2.1 Potensial Listrik

2.2 Kapasitansi

2.3 Dielektrik

III. Pembahasan

2.1 Potensial Listrik

Potencial listrik merupakan besaran skalar yang bersifat koservatif , sehingga

memeungkinkan untuk mendefinisikan fungís energi potencial yang berhubungan

dengan gaya listrik.

Jika muatan listrik q berada dalam medan listrik E, maka akan menimbulkan gaya

listrik pada muatan tersebut sebesar qE. Gaya tersebut melakukan kerja atau usaha

sebagai berikut :

( 3.1 )

Gaya listrik akan melakukan kerja pada muatan yang berada dalam medan listrik

antara dua plat yang bermuatan sama tetapi berlawanan, sehingga mempercepatnya

menuju plat negatip ( Gambar 3.1 ). Energi kinetik partikel bermuatan akan

bertambah, sedangkan energi potencial akan menurun dengan besar yang sama.

Verja yang dilakukan menjadi negatip dari perubahan energi potencial Ep, yaitu :

( 3.2 )

Untuk perpindahan muatan dari titik a ke b, maka perubahan energi potensialnya

ádalah :

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB NURHASANAH

FISIKA II 1

( 3.3 )

Gambar 3.1

Beda potensial antara titik a dan b ( Vb – Va ), merupakan perubahan energi

potensial untuk satu satuan muatan.yang dinyatakan sebagai berikut :

( 3.4 )

Satuan potencial listrik dan beda potencial hádala Joule/Coulomb atau volt.

Satuan lain adalah elektrón volt, yaitu energi yang diperoleh sebuah elektrón jika

dipercepat melalui beda potensial sebesar 1 volt.

Hubungan antara satuan elektrón dan satuan joule adalah :

2.1.1 Potensial Listrik Oleh muatan titik

Muatan titik q menghasilkan medan listrik yang berarah radial ( Gambar 3.2 ).

Besar kuat medan listrik E di suatu titik berjarak r dari muatan q adalah :

( 3.5 )

P Gambar 3.2

Q r

Potensial listrik disuatu titik yang dihasilkan oleh beberapa muatan adalah jumlah

potensial listrik oleh masing-masing muatan titik di titik tersebut ( Gambar 3.3 ).

Besar potensial listrik di suatu titik di tulis sebagai berikut :

( 3.6 )


FISIKA II 2

Gambar 3.3

Q1 r12 Q2

Kerja yang dilakukan sama dengan energi potensial ( U ) dari dua partikel bermuatan

yang dipisahkan sejauh r12, maka besarnya energi potensial adalah :

( 3.7 )

Contoh 1 :

Muatan titik sebesar 6 μC diletakkan disuatu koordinat, dan muatan titik kedua

sebesar -4μC pada posisi ( 4,0 ) meter. Jika titik yang Sangay jauh dipilih sebagai

acuan nol potensial listrik. Hitunglah :

a. Potensial listrik di titik ( 0,5 ) meter

b. Kerja yang diperlukan untuk membawa muatan ke tiga sebesar 6 μ C dari

tempat jauh ke titik P

c. Energi potensial total system tiga muatan ( Gambar 3.4 )

P P

Q3= 6 μC

Q1=6 μC 4m Q2 = -4μC Q1=6 μC 4m Q2= -4μC

Gambar 3.4

Penyelesaian :

a. Potensial listrik di titik P yang dihasilkan oleh dua muatan adalah :


FISIKA II 3

b.

c.

Contoh 2 :

Suatu muatan sebesar 6 μC terletak pada sumbu x sejauh 30 cm, muatan ke dua

terletak pada x = 40 cm dan 9 pada sumbu sejauh x = 60 cm. Berapa besar

potensial listrik pada sumbu x .

2.2 Kapasitansi

Kapasitor disebut juga kondensator, adalah statu alat yang dapat menyimpan

muatan listrik. Dimana alat tersebut terdiri dari dua macam bahan penghantar yang

biasanya plat atau lembaran. Jika kapasitor diberi sumber tegangan atau batería

( Gambar 3.5 ), maka jumlah muatan Q yang terdapat oleh setiap plat sebanding

dengan beda potencial V :

Q = C V ( 3.8 )

C = kapasitansi dari kapasitor dengan satuan Farad ( F )

Gambar 3.5

V

Untuk plat sejajar yang masing-masing memiliki luas A dan dipisahkan oleh jarak d

yang berisi udara ( Gambar 3.6 ). Muatan persatuan luas :

Besar kuat medan listrik E diantara ke dua plat, yaitu :


FISIKA II 4

dan beda potencial antara ke dua plat diperoleh sebagai berikut :

Kapasitansi dan kapasitor dinyatakan sebagai berikut :

( 3.9 )

A = luas permukaan

d = jarak antara plat

= permitivitas ruang hampa

-Q d +Q

A Gambar 3.6

V

Contoh 3 :

a. Hitunglah kapasitansi sebuah kapasitor yang usuran plat-platnya 30cmx30

cm dan dipisahkan oleh udara sejauh 1,5 mm

b. Berapa muatan pada setiap plat, jira kapasitor tersebut dihubungkan ke

batería 12 volt.

c. Berapa medan listrik antara ke dua plat tersebut

Penyelesaian

a. Luas = 0,30 m x 0,30 m = 0,09 m2 .


FISIKA II 5

b. Muatan pada setiap plat

c. Besarnya Medan Listrik

2.2.1 Rangkaian Kapasitor

Beberapa kapasitor seringkali dihubungkan secara seri maupun paralel, atau

gabungan seri dan paralel. Kapasitansi dari kapasitor disebut kapasitansi ekivalen

atau kapasitor pengganti . Simbol untuk menggambarkan kapasitor adalah :

atau

A.Rangkaian seri

Untuk rangkaian kapasitor yang dihubungkan seri ( 2.7)

a b a

C1 C2 C3 1/Cek = 1/C1+1/C2+1/C3

Beda potensial masing-masing kapasitor adalah :

dan dan

sehingga

atau ( 3.10 )

B. Rangkaian Paralel

Q1 C1

a Q2 C2 b a b

Q3 C3 Cek = C1 + C2 + C3

Gambar 3.8

V


FISIKA II 6

Muatan masing-masing kapasitor :

Q1=C1V dan Q2=C2V dan Q3 = C3V

Muatan total ke tiga kapasitor adalah :

Q = Q1 + Q2 + Q3 = ( C1 + C2 + C3 ) V

( 3.11 )

2.2.2 Penyimpanan Energi Listrik dalam kapasitor

Dalam statu kapasitor ada tersimpan energi potencial yang sama dengan kerja yang

dilakukan untuk memuat kapasitor ( yaitu memisahkan muatan positip dan negatip ).

, dimana

( 3.12 )

2.3 Dielektrikum

Dielektrikum adalah statu bahan yang tidak memeiliki electrón bebas. Ruang yang

terdapat diantara dua plat berisi bahan dielektrik, sehingga dengan usuran yang

Sangay Cecil akan diperoleh kapasitansi yang besar. Kemampuan untuk

memperbesar atau memperkecil medan listrik luar di dalam dielektrik disebut

konstanta dielektrik ( K ). Untuk kapasitor plat sejajar, sebagai berikut :

kapasitor plat sejajar ( 3.13 )

atau , dimana

Contoh 4 :

Sebuah kapasitor dengan plat sejajar 5 cm2, dipisahkan oleh bahan dielektrik Setúbal

2 mm. Jika konstanta dielektrik bahan = 3,7 dan kekuatan dielektrik 1,6 x 107 V/m.

a. Hitung muatan maksimum yang dapat disimpan dalam kapasitor

b. Hitung energi maksimum yang dapat disimpan dalam kapasitor

Penyelesaian :

a.


FISIKA II 7

b.

c.

Tugas-tugas

1. Beda potensial antara dua keping besar dari logam yang sejajar 120 volt.

Jarak pisah antara keping 3 mm. Tentukan intensitas medan dalam ruang kedua

keping tersebut.

2. Hitunglah potensial dititik pada jarak 5cm( dalam udara ) dari suatu muatan 6

x10-9 C.

3. Pada sumbu x terdapat muatan +5 μC di x = 30 cm, muatan -6 μC di x = 40

cm , dan 7μC di titik x = 60 cm, Berapakah potensial mutlak dititik x = 0 ?

4. 20 cm 60 cm 20 cm

Q1= 200 pC D C Q2= - 100 pC

Ditanyakan : a. Potensial di titik C dan D.

b. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan + 500

μC dari C ke D.

Daftar Pustaka

1. Giancoli,’ Fisika 2 ‘ , Penerbit Erlangga,edisi ke lima, Jakarta,2001

2. Drs.Soeharto,’ Fisika Dasar II ‘, Pt Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1995

3. Frederick J.Bueche,’Fisika’, Edisi ke delapan, Erlangga,1997


FISIKA II 8

1

Documents

Transcript of 1