Sebelum mempelajari topik ini, terlebih dahulu pahami materi usaha fisika, gaya konservatif, muatan listrik, hukum Coulomb dan medan listrik.
Gaya listrik merupakan gaya konservatif
Selain gaya gravitasi dan gaya pegas, contoh gaya konservatif lainnya adalah gaya listrik. Agar lebih memahami mengapa gaya listrik disebut sebagai gaya konservatif, pahami penjelasan berikut.
Andaikan terdapat dua plat bermuatan listrik sebagaimana tampak pada gambar, plat kiri bermuatan positif dan plat kanan bermuatan negatif. Tanda panah di antara kedua plat merupakan garis-garis medan listrik yang keluar dari muatan positif menuju muatan negatif. Sebuah muatan positif berada di dekat plat bermuatan listrik positif.
Adanya medan listrik menyebabkan muatan positif mengalami gaya listrik yang searah dengan medan listrik, sehingga muatan positif dipercepat ke kanan menuju plat bermuatan negatif. Arah gaya listrik ke kanan, searah dengan arah gerak muatan, sehingga gaya listrik melakukan usaha positif pada muatan. Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan positif adalah W = F s = q E s, di mana W = usaha, F = gaya listrik, s = jarak antara kedua plat, q = muatan positif, E = medan listrik.
Setelah tiba di dekat plat bermuatan negatif, jika muatan positif hendak dikembalikan ke posisinya semula di dekat plat bermuatan positif maka diperlukan gaya luar. Ketika muatan positif dipindahkan ke kiri menuju plat bermuatan positif, gaya listrik tetap berarah ke kanan sehingga gaya listrik melakukan usaha negatif pada muatan. Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan positif adalah W = – F s = – q E s.
Usaha total yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan positif, ketika muatan berpindah ke kanan lalu berpindah lagi ke kiri menuju posisinya semula adalah W = q E s – q E s = 0. Jika usaha total yang dilakukan oleh suatu gaya pada suatu benda, ketika benda bergerak menjauhi posisinya semula lalu kembali lagi ke posisinya semula, sama dengan nol, maka gaya tersebut merupakan gaya konservatif. Berdasarkan penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa gaya listrik merupakan gaya konservatif.
Gaya listrik dan energi potensial listrik
Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya konservatif berkaitan dengan perubahan energi potensial. Sebagai contoh, usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada suatu benda bermassa mengubah energi potensial gravitasi benda bermassa tersebut. Demikian juga, usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada suatu muatan listrik mengubah energi potensial listrik muatan tersebut.
Muatan positif di dalam medan listrik homogen
Dua gambar di bawah menjelaskan contoh usaha yang dilakukan yang dilakukan oleh gaya konservatif yang menyebabkan terjadinya perubahan energi potensial. Penjelasan tentang usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi dan perubahan energi potensial gravitasi digunakan sebagai pembanding untuk mempermudah pemahaman tentang usaha yang dilakukan oleh gaya listrik dan perubahan energi potensial listrik.
Gambar di sebelah kiri menunjukan sebuah benda jatuh bebas menuju permukaan tanah. Ketika berada pada ketinggiah, benda mempunyai energi potensial gravitasi maksimum. Ketika bergerak ke bawah, gaya gravitasi bekerja pada benda tersebut. Arah gaya gravitasi sama dengan arah perpindahan benda yakni ke bawah, sehingga gaya gravitasi melakukan usaha positif. Ketika dipercepat ke bawah, ketinggian benda berkurang sehingga energi potensial gravitasi benda berkurang. Pada saat hendak tiba di tanah, energi potensial gravitasi bernilai minimum. Dapat disimpulkan bahwa usaha positif yang dilakukan gaya gravitasi pada benda mengurangi energi potensial gravitasi benda. Energi potensial gravitasi tidak hilang tetapi berubah menjadi energi kinetik, yang ditunjukkan dengan meningkatnya laju benda ketika bergerak ke bawah.
Gambar di sebelah kanan menunjukan sebuah muatan positif berada di dekat plat bermuatan positif. Ketika berada di dekat plat bermuatan positif, energi potensial listrik muatan bernilai maksimum. Adanya medan listrik di antara kedua plat menyebabkan muatan dipercepat oleh gaya listrik dari plat bermuatan positif ke plat bermuatan negatif. Ketika muatan berpindah ke kanan, gaya listrik juga searah dengan perpindahan muatan yakni ke kanan, sehingga gaya listrik melakukan usaha positif. Selama berpindah ke kanan, energi kinetik muatan bertambah sedangkan energi potensial listrik berkurang. Pada saat tiba di dekat plat bermuatan negatif, energi potensial listrik muatan bernilai minimum. Dapat disimpulkan bahwa usaha positif yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan, mengurangi energi potensial listrik muatan. Sebaliknya, jika muatan positif dipindahkan kembali ke posisinya semula maka arah perpindahan muatan ke kiri, berlawanan dengan arah gaya listrik ke kanan. Karena berlawanan arah maka gaya listrik melakukan usaha negatif pada muatan positif. Ketika bergerak ke kiri, energi potensial listrik bertambah. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa usaha negatif yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan menambah energi potensial listrik muatan.
Muatan negatif di dalam medan listrik homogen
Berbeda dengan muatan positif, muatan negatif mempunyai energi potensial listrik maksimum ketika berada di dekat plat bermuatan negatif dan energi potensial listrik minimum ketika berada di dekat plat bermuatan positif. Secara alami muatan listrik dengan sendirinya bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, jadi muatan negatif juga berpindah dari plat bermuatan negatif ke plat bermuatan positif. Arah perpindahan muatan negatif ke kiri, sedangkan arah gaya listrik ke kanan sehingga gaya listrik melakukan usaha negatif. Pada saat berpindah ke kiri, energi potensial listrik muatan negatif berkurang dan bernilai minimum ketika muatan negatif tiba di dekat plat bermuatan positif. Dapat disimpulkan bahwa usaha negatif yang dilakukan oleh gaya listrik, mengurangi energi potensial listrik muatan negatif. Energi potensial listrik tidak hilang tetapi berubah menjadi energi kinetik yang ditandai dengan meningkatnya kelajuan muatan ketika bergerak menuju plat bermuatan positif.
Energi potensial listrik di dalam medan listrik homogen
Energi potensial listrik suatu muatan ketika muatan tersebut berada pada posisi tertentu, tidak dapat diketahui nilainya. Tetapi jika muatan tersebut berpindah dari suatu tempat ke tempat lain maka dapat diketahui perubahan energi potensial listrik muatan tersebut. Jadi yang bermakna adalah perubahan energi potensial (ΔEP).
Sebagai perbandingan, ketika buah mangga berada di tangkainya, buah mangga mempunyai energi potensial gravitasi tetapi tidak dapat diketahui nilainya. Apabila buah mangga dipercepat ke tanah oleh gaya gravitasi maka berkurangnya energi potensial gravitasi buah mangga dapat diketahui melalui perhitungan menggunakan rumus W = ΔEP = m g h, di mana m = massa, g = percepatan gravitasi, h adalah jarak antara tangkai mangga dengan permukaan tanah.
Demikian juga perubahan energi potensial listrik suatu muatan dapat diketahui ketika muatan dipercepat oleh gaya listrik dari suatu titik ke titik lainnya. Sebagaimana dijelaskan sebelumnya, jika muatan positif berpindah dari plat bermuatan positif ke plat bermuatan negatif maka berkurangnya energi potensial listrik muatan tersebut dihitung menggunakan rumus W = ΔEP = q E s, di mana q = muatan listrik, E = medan listrik dan s adalah jarak antara kedua plat atau jarak antara suatu tempat dengan tempat yang lain. Demikian juga, apabila muatan negatif berpindah dari plat bermuatan negatif ke plat bermuatan positif maka bertambahnya energi potensial listrik muatan negatif dihitung menggunakan rumus W = ΔEP = q E s.
Energi potensial listrik dari dua muatan titik
Perubahan energi potensial listrik tidak hanya dialami muatan di dalam medan listrik homogen, tetapi juga bisa pada medan listrik yang dihasilkan oleh sebuah muatan listrik tunggal. Misalkan terdapat sebuah muatan tunggal Q yang menimbulkan medan listrik dan muatan q berjarak r dari muatan Q.
Keterangan : k (konstanta Coulomb) = 9 x 109 N.m2/C2, Q = muatan listrik yang menimbulkan medan listrik, q = muatan listrik yang mengalami perpindahan dalam medan listrik yang ditimbulkan muatan Q, s = r = jarak muatan q dari muatan Q.
Jika kedua muatan bertanda sama, + atau – , maka kedua muatan saling tolak menolak atau saling menjauhi sehingga perubahan energi potensial bernilai positif (energi potensial listrik bertambah). Hal ini menyerupai benda bermassa yang bergerak ke atas menjauhi bumi sehingga ketinggian dan energi potensial gravitasinya bertambah. Sebaliknya apabila kedua muatan bertanda tidak sama maka kedua muatan saling tarik menarik atau saling mendekati sehingga perubahan energi potensial bernilai negatif (energi potensial listrik berkurang). Hal ini menyerupai benda bermassa yang bergerak ke bawah mendekati bumi sehingga ketinggian dan energi potensial gravitasinya berkurang.
Gaya listrik merupakan gaya konservatif karenanya bentuk lintasan muatan tidak berpengaruh terhadap perubahan energi potensial listrik. Yang mempengaruhi nilai perubahan energi potensial listrik adalah posisi awal dan posisi akhir muatan.
Pada topik selanjutnya akan diulas potensial listrik, besaran fisika yang sangat berkaitan dengan energi potensial listrik.
