Pengertian
Potensial listrik didefinisikan sebagai energi potensial per satuan muatan listrik. Misalkan ketika berada pada titik a, muatan q mempunyai energi potensial sebesar EPa , maka potensial pada titik a dirumuskan sebagai berikut :
Keterangan : V = potensial listrik, EP = energi potensial listrik, q = muatan listrik.
V tidak hanya ada di titik a tetapi juga pada semua titik dalam medan listrik. Titik a digunakan sebagai contoh. Sebagaimana akan dijelaskan kemudian, nilainya tidak bergantung pada muatan q.
EP dan muatan listrik merupakan besaran skalar sehingga V juga termasuk besaran skalar. Satuan sistem internasional EP adalah Joule dan satuan sistem internasional muatan listrik adalah Coulomb, sehingga satuan sistem internasional V adalah Joule per Coulomb (J/C). Nama lain J/C adalah Volt, berasal dari nama ilmuwan Italia dan penemu baterai listrik, Alessandro Volta (1745-1827).
Beda potensial listrik
V di suatu titik misalnya V di titik a yakni Va, tidak dapat diketahui nilainya karena yang bermakna adalah perubahan potensial. Perubahan potensial dapat diketahui nilainya baik melalui perhitungan maupun pengukuran. V berubah ketika muatan q bergerak dari satu titik ke titik lainnya. Misalkan muatan q bergerak dari titik a ke titik b maka perubahan potensial adalah :
Vab adalah beda potensial antara dua titik dalam medan listrik, misalnya titik a dan b. Beda potensial antara titik a dan b (Vab) sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan listrik ketika bergerak dari titik a ke titik b, per satuan muatan (Wab/q). Perlu diketahui bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan q ketika bergerak dari titik a ke titik b (Wab) sama dengan perubahan energi potensial muatan q (ΔEP). Karenanya pada persamaan di atas ΔEP bisa diganti dengan Wab.
Ketika suatu benda berada pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah maka benda itu mempunyai energi potensial gravitasi, di mana permukaan tanah digunakan sebagai titik acuan. Dalam hal ini ketinggian permukaan tanah dan energi potensial gravitasi tepat di permukaan tanah ditetapkan bernilai nol. Serupa dengan energi potensial gravitasi, ketika kita menyatakan suatu titik mempunyai potensial tertentu maka harus adalah titik lain yang digunakan sebagai titik acuan, mengingat hanya perbedaan potensial yang dapat dihitung nilainya. Biasanya tanah (ground) atau konduktor listrik yang dihubungkan ke tanah dipilih sebagai titik acuan, di mana potensial pada konduktor itu atau potensial di dalam tanah, ditetapkan bernilai nol. Jadi apabila suatu titik mempunyai V senilai 12 Volt maka beda potensial antara titik tersebut dengan tanah adalah 12 Volt. Pada baterai 6 Volt, beda potensial antara terminal positif dengan terminal negatif adalah 6 Volt. Karena satuan beda potensial adalah Volt maka beda potensial di antara dua titik biasanya disebut sebagai tegangan listrik (voltage).
Persamaan beda potensial di atas dapat ditulis lagi seperti di bawah ini :
Apabila muatan q melewati beda potensial Vab maka energi potensialnya berubah sebesar ΔEP. Misalnya muatan 2 Coulomb melewati beda potensial sebesar 12 Volt maka energi potensial berubah sebesar (2 C)(12 V) = 24 Joule. Demikian juga bila muatan 4 Coulomb melewati beda potensial sebesar 24 Volt maka energi potensial berubah sebesar (4 C)(24 V) = 96 Joule.
Jadi perubahan energi potensial (ΔEP) sebanding dengan muatan (q) dan tegangan listrik (Vab). Semakin besar muatan listrik dan/atau tegangan listrik, semakin besar perubahan energi potensial. Energi potensial berkaitan dengan kemampuan melakukan usaha sehingga jika perubahan energi potensial besar maka kemampuan melakukan usaha juga besar.
Persamaan beda potensial di atas masih bersifat umum. Untuk mendapatkan persamaan V yang lebih detail maka tinjau beda potensial di dalam medan listrik homogen dan yang ditimbulkan oleh sebuah muatan tunggal.
Medan listrik homogen
Beda potensial antara dua titik di dalam medan listrik homogen, misalnya titik a dan titik b, dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah :
Keterangan : Vab = beda potensial antara dua titik, E = medan listrik dan s = jarak antara dua titik.
Muatan tunggal
Potensial pada suatu titik akibat adanya muatan tunggal yang menghasilkan medan listrik, dapat dihitung menggunakan persamaan :
Keterangan : Vab = beda potensial antara dua titik, k = konstanta Coulomb, Q = muatan tunggal yang menimbulkan medan listrik, r = jarak antara muatan Q dan titik di mana potensial dihitung.
Hubungan antara medan listrik dan potensial
Medan listrik merupakan besaran vektor sedangkan potensial merupakan besaran skalar. Besaran vektor melibatkan arah sehingga lebih sulit dihitung dibandingkan dengan menghitung besaran skalar. Untuk mempermudah perhitungan medan listrik maka digunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara medan listrik dengan potensial.
Persamaan beda potensial yang telah dijelaskan sebelumnya ditulis kembali seperti di bawah :
Secara matematis, usaha merupakan hasil kali gaya dengan perpindahan, di mana gaya merupakan hasil kali muatan dan medan listrik. Hubungan antara usaha, gaya dan perpindahan dinyatakan melalui persamaan di bawah :
Jika kedua persamaan di atas disatukan maka dihasilkan persamaan baru seperti di bawah :
Keterangan : E = Medan listrik, Vab= beda potensial antara dua titik misalnya titik a dan b, d = jarak antara dua titik.
Satuan beda potensial adalah Volt dan satuan jarak adalah meter sehingga medan listrik dapat dinyatakan dalam satuan Volt per meter (V/m).
Persamaan ini dapat digunakan untuk menentukan medan listrik (homogen) jika diketahui beda potensial antara dua titik dan jarak antara kedua titik. Berdasarkan persamaan, medan listrik sebanding dengan potensial dan berbanding terbalik dengan jarak. Ini artinya semakin besar potensial maka semakin besar medan listrik dan semakin besar jarak maka semakin kecil medan listrik.
