Beda Potensial dan Potensial Listrik

Beda Potensial dan Potensial Listrik. Jika muatan uji q_o ditempatkan pada daerah medan listrik E yang dihasilkan oleh distribusi muatan sumber, gaya listrik yang bekerja pada muatan uji tersebut adalah q_oE. Gaya ini bersifat konservatif karena gaya di antara dua muatan seperti yang digambarkan oleh Coulomb adalah konservatif.
Jika muatan uji digerakkan di dalam medan listrik oleh beberapa pengaruh luar, usaha yang dilakukan oleh medan tersebut pada muatan uji sama dengan negatif usaha yang dilakukan oleh sumber-pengaruh luar yang menyebabkan terjadinya perpindahan. Ini merupakan analogi pada kegiatan mengangkat benda bermassa dalam medan gravitasi (usaha yang dilakukan pengaruh luar adalah mgh dan usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah – mgh)

Dalam menganalisis medan listrik dan medan magnet, lebih praktis menggunakan notasi ds untuk menyatakan vektor perpindahan yang sangat kecil yang arahnya menyinggung lintasan melalui ruang. Lintasan ini dapat berupa garis lurus atau kurva, dan integral sepanjang lintasan itu disebut integral lintasan atau integral garis.

Untuk perpindahan muatan ds yang sangat kecil, usaha yang dilakukan oleh medan listrik pada muatan tersebut adalah F × ds = q_oE × ds. Karena ini adalah usaha yang dilakukan oleh medan, maka energi potensial medan-muatan tersebut berubah sebesar dU = - q_o E × ds. Jika muatan berpindah dari titik A ke titik B, perubahan energi potensial sistem adalah 

DU = U_B – U_A

Integrasi dilakukan sepanjang lintasan yang dilalui oleh muatan qo selama bergerak dari A ke B. Oleh karena q_oE konservatif, integral garis ini tidak bergantung pada bentuk lintasan yang digunakan dari A ke B.

Untuk posisi tertentu dari mautan uji di dalam medan tersebut, sistem medan-muatan memiliki energi potensial U relatif terhadap susunan sistem yang didefenisikan U = 0. Dengan membagi energi potensial dengan muatan uji akan meghasilkan suatu besaran fisis yang hanya bergantung pada distribusi muatan sumber. Energi potensial per satuan muatan U/q_o tidak bergantung pada nilai q_o dan memiliki nilai pada setiap titik di dalam medan listrik tersebut. Besaran U/q_o inilah yang disebut potensial listrik atau potensial saja (V). Dengan demikian, potensial listrik pada suatu titik di dalam medan listrik adalah 

Kenyataan bahwa energi potensial adalah skalar menunjukkan pula bahwa potensial listrik juga adalah skalar.

Jika suatu pengaruh luar memindahkan suatu muatan uji dari A ke B tanpa mengubah energi kinetik muatan uji tersebut, pengaruh luar tersebut melakukan usaha yang mengubah energi potensial sistem : W = DU. Muatan uji q_o digunakan sebagai unsur hayal untuk mendefinisikan potensial listrik. Andaikan terdapat muatan sebarang q yang ditempatkan di dalam sebuah medan listrik. Dari persamaan 25.3 , usaha yang dilakukan oleh pengaruh luar dalam memindahkan muatan q melalui pada medan magnet dengan kecepatan konstan adalah

W = q DV

Karena potensial listrik merupakan ukuran energy potensial per satuan muatan, satuan SI untuk potensial listrik dan beda potensial adalah joule per coulomb, yang didefenisikan sebagai volt (V) :

1 V ≡ 1 J/C

Ini berarti bahwa usaha 1 J harus dilakukan untuk memindahkan sebuah muatan 1 C pada beda potensial 1 V.

Persamaan 25.3 menunjukkan bahwa satuan untuk beda potensial juga adalah satuan medan listrik dikali jarak. Dengan demikian satuan SI untuk medan listrik juga dapat dinayatakan dalam volt per meter :

1 N/C = 1 V/m

Jadi, dapat disimpulkan bahwa medan listrik merupakan ukuran laju perubahan potensial listrik.

Satuan energy yang umumnya digunakan dalam fisika atom dan fisika nuklir adalah elektron volt (eV), yang didefenisikan sebagai energi sebuah sistem medan-muatan yang menerima atau melepaskan sebuah muatan sebesar e (dapat berupa electron atau proton) yang dipindahkan pada beda potensial 1 V. Karena 1 V = 1 J/C dan muatan dasar e adalah 1,60 x 10^-19 C, hubungan antara elektron volt dan joule adalah :

1 eV = 1,60 x 10^-19 C.V = 1,60 x 10^-19 J

Sebagai contoh, sebuah elektron dalam berkas tabung gambar televisi dapat memiliki kelajuan 3,0 x 10⁷ m/s. Ini bersesuaian dengan energi kinetik 4,1 x 10^-16 J, yang ekivalen dengan 2,6 x 10³ eV. Untuk mencapai laju seperti, elektron seperti ini harus dipercepat dari keadaan diam pada beda potensial 2,6 kV.