Listrik Statis : Medan Listrik dan Potensial Listrik

Pada bagian ini kita akan membahas medan listrik dan potensial listrik.

Pada bab sebelumnya (Listrik statis 1), kita sudah mengenal adanya gaya listrik antara benda yang bermuatan listrik. Kalau kita perhatikan, gaya listrik ini bekerja bahkan tanpa adanya sentuhan (kontak) antar benda yang bermuatan.

Dari situ kita coba cari suatu besaran yang menyatakan suatu daerah yang dipengaruhi gaya listrik meski tanpa bersentuhan tadi. Daerah tersebut kita sebut sebagai suatu medan, dimana akan muncul gaya listrik jika kita letakkan suatu benda bermuatan listrik tertentu di dalamnya.

Didalam daerah tersebut ada suatu medan listrik yang bekerja, meskipun tidak ada benda bermuatan lain (sebagai benda uji) yang kita letakkan di daerah tersebut. Medan listrik ini akan menghasilkan gaya listrik jika kita letakkan benda uji bermuatan ke dalamnya.

Oleh karena itu, kita definisikan suatu besaran yang disebut medan listrik itu sebagai gaya listrik yang dirasakan benda bermuatan untuk tiap besarnya muatan uji, atau dirumuskan sebagai

$\bar{E}=\frac{\bar{F}}{q^2}$,

sehingga jika suatu benda bermuatan q berada dalam pengaruh medan listrik $\bar{E}$, maka benda tersebut akan mengalami gaya listrik sebesar $\bar{F}=q\bar{E}$.

Selanjutnya karena medan listrik juga merupakan suatu besaran vektor, bagaimana kita menggambarkan medan listrik untuk benda bermuatan positif dan negatif?

Contoh paling sederhana adalah benda titik atau benda bulat (berbentuk bola) yang bermuatan positif atau negatif, gambar medan listrik untuk masing-masing benda bermuatan tersebut seperti pada Gambar 1 berikut.

Medan listrik oleh muatan positif adalah mengarah keluar sedangkan untuk muatan negatif mengarah kedalam (menuju muatan negatif).

Dari perumusan medan listrik di atas, untuk gaya listrik yang dirasakan oleh muatan uji q adalah

$\bar{F}=k\frac{q_0q}{r^2}\hat{r}$,

sehingga bisa kita peroleh medan listrik yang dihasilkan oleh benda bermuatan $q_0$ adalah

$\bar{E} = k \frac{q_0}{r^2}\hat{r}$.

Kaitannya dengan energi potensial listrik dan potensial listrik, perumusannya mirip dengan energi potensial gravitasi.

Pada gravitasi, suatu benda bermassa m akan mengalami gaya gravitasi oleh benda lain yang bermassa M dengan perumusan seperti:

$\bar{F}=-G\frac{Mm}{r^2}\hat{r}$,

yang mana G adalah suatu konstanta gravitasi. Kemudian dikenal energi potensial gravitasi yang dalam perumusannya adalah dalam bentuk

$\bar{F}=-\frac{dU}{dr}\hat{r}$,

dengan U adalah energi potensial gravitasi. Dari perumusan di atas, bisa kita cek bahwa energi potensial gravitasi memiliki bentuk

$U=-\frac{GMm}{r} + C$,

dengan C adalah suatu konstanta. Maka untuk perumusan energi potensial listrik statis dengan melihat perumusan umum $\bar{F}=-\frac{dU}{dr}\hat{r}$, maka kita bisa memperoleh bentuk energi potensial listrik statis sebagai:

$U=-\frac{kQq}{r} + C$.

Baik pada energi potensial gravitasi maupun energi potensial listrik statis kita lihat ada suatu konstanta C, apa makna dari konstanta tersebut?

Konstanta tersebut menjelaskan bahwa energi potensial baik itu pada gravitasi maupun pada listrik statis bergantung pada acuan, yang dipentingkan di sini adalah perubahan energi potensial.

Sebagai contoh pada kasus jatuh bebas akibat gravitasi, bisa kita bilang bahwa energi kinetik benda yang jatuh bertambah dan bersamaan pula energi potensial gravitasinya berkurang, yang artinya perubahan energi potensial menyebabkan bertambahnya energi kinetik.

Jadi bagaimana jika energi potensial suatu benda diam? Bisa kita bilang bahwa energi potensial (baik itu gravitasi atau listrik statis) bisa bernilai berapa saja, tergantung acuan posisi yang digunakan. Hanya saja, ketika energi potensial tersebut mengalami perubahan (bertambah atau berkurang), maka akibatnya akan sama (untuk kedua acuan).