Pemetaan Medan Listrik - Universitas Sebelas Maret

PEMETAAN MEDAN LISTRIK
Khodijah Amini
[email protected]
Abstrak
Telah dilakukan percobaan mengenai pemetaan medan listrik yang bertujuan untuk
menunjukkan keterkaitan antara medan listrik dan potensial listrik serta mengidentifikasi
garis ekipotensial. Percobaan ini dilakukan menggunakan pasir sebagai media penghantar
arus listrik yang juga akan diukur besar medan listriknya di beberapa titik pada pasir
tersebut, dengan cara mengukur besar beda potensial antara dua elektroda yang divariasi
jaraknya. Dari data nilai beda potensial dan jarak yang diperoleh tersebut dapat dicari
nilai medan listriknya. Hasil pemetaan medan listrik menggambarkan bahwa nilai medan
listrik akan semakin kecil manakala jarak titik yang diukur terhadap acuan semakin jauh.
Kata Kunci : medan listrik, potensial listrik, garis ekipotensial
I.
Pendahuluan
Kelistrikan adalah sesuatu yang biasa digunakan sehari-hari. Hal-hal mengenai
kelistrikan ini biasanya tidak terlalu banyak diperhatikan. Sekitar satu abad yang lalu
hanya ada sedikit lampu listrik dan belum ada peralatan yang lainnya. Hal ini
membuktikan bahwa pada waktu itu telah dikembangkan konsep mengenai kelistrikan.
Pada percobaan ini akan dipelajari beberapa konsep mengenai kelistrikan, dengan
mengamati bagaimana bentuk pemetaan medan listrik, bagaimana hubungannya
terhadap jarak dan beda potensial.
Daerah diantara dua konduktor tertentu dengan potensial listrik masing-masing
permukaan diketahui sebagai syarat batas maka akan diperoleh garis-garis medan atau
juga dinamai garis gaya listrik dari bidang-bidang ekuipotensialnya. Bidang
ekuipotensial adalah suatu bidang yang potensial listriknya sama di setiap titik pada
bidang itu. Garis-garis medan listrik dengan bidang ekuipotensial adalah saling tegak
lurus satu-sama lain. Untuk mendapatkan distribusi potensial di titik-titik yang
tersebar diantara dua permukaan konduktor menggunakan metode pemetaan. (Rustam
Efendi, 2007)
Coulomb menyelediki gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua muatan titik
atau partikel bermuatan yaitu gaya antara benda bermuatan yang ukurannya kecil
dibandingkan dengan jarak antara keduanya. Ia menemukan bahwa gaya tersebut
besarnya:
1
𝑭𝒕 = 4𝜋𝜀
𝑞𝑙 𝑞𝑡
0
𝑅𝑙𝑡 2
𝒂𝑙𝑡
..........
(1)
Medan listrik merupakan daerah yang masih dipengaruhi sifat kelistrikan dari muatan
tertentu. Medan listrik dapat juga didefinisikan sebagai gaya bertumpu pada muatan
uji satuan pada titik yang ingin didapatkan harga medan vektornya. Bila ditulis gaya
yang bertumpu pada satu satuan muatan, maka :
𝑭𝒕
𝑞𝑡
1
= 4𝜋𝜀
𝑞𝑙
2
0 𝑅𝑙𝑡
𝒂𝑙𝑡
..........
(2)
Sehingga:
𝑞
𝑬 = 4𝜋𝜀
0𝑅
2
𝒂𝑅
..........
(3)
Medan listrik dapat pula dihitung apabila suatu potensial listrik V diketahui, melalui
perhitungan gradiennya.
𝜕𝑉
𝜕𝑉
𝜕𝑉
∇𝑉 = 𝜕𝑥 𝒂𝑥 + 𝜕𝑦 𝒂𝑦 + 𝜕𝑧 𝒂𝑧
..........
(4)
𝑬 = −∇𝑉
..........
(5)
sehingga
( Safarul Azmi, 2007)
Medan listrik didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan, dan potensial listrik
didefinisikan sebagai energi potensial per satuan muatan.
𝑭
𝑬=𝑞
..........
(6)
..........
(7)
..........
(8)
..........
(9)
dan
∆𝑉 =
∆𝑈
𝑞
Dimana
∆𝑈 = 𝑭 ∆𝑠
maka,
∆𝑉
𝑬 = − ∆𝑠
yang menunjukkan bahwa medan listrik secara langsung berhubungan dengan laju
perubahan potensial listrik dari suatu titik ke titik yang lain dalam ruang. Semakin
drastis perubahan potensial listrik dari satu titik ke titik lain, maka semakin besar nilai
dari medan listrik pointing sepanjang perpindahan tersebut. Sebaliknya, jika potensial
listrik tidak berubah sama sekali dari satu titik ke titik lain (potensial listrik konstan)
maka medan listrik tidak dapat menunjuk ke arah perpindahan tersebut. Ini merupakan
gagsan garis ekuipotensial yang akan dipelajari. (Tim Eksperimen Fisika I, 2012)
II. Metodologi
Penelitian ini dimaksudkan untuk membuat sebuah pemetaan suatu medan listrik.
Langkah yang dilakukan adalah membuat suatu rangkaian alat sebagai media
pemetaan yang terdiri dari media pasir, elektroda paku tiga buah, power supply DC,
multimeter digital, penggaris, dan kertas milimeter blok. Tiga buah elektroda dipasang
pada media pasir homogen sebagai penghantar listrik. Elektroda I dihubungkan pada
kutub negatif power supply dan elektroda II dihubungkan pada kutub positif power
supply. Elektroda I juga dihubungkan pada probe negatif multimeter digital dan
elektroda III dihubungkan pada probe positif multimeter. Skema susunan rangkaian
adalah seperti gambar berikut.
Elektroda III
Multimeter
Elektroda II
Elektroda I
Power supply
Media pasir
Gambar 1. Susunan Rangkaian
Selanjutnya tegangan pada sistem diberikan dengan menghidupkan power supply
sebesar 2 Volt. Jarak antara elektroda I dan III diukur dengan penggaris dan dicatat
sebagai nilai ∆R, lalu beda potensial yang terbaca pada multimeter antara elektroda I
dan III dicatat hasilnya sebagai ∆V. Posisi titik-titik pemetaannya digambar pada
kertas multimeter blok. Posisi elektroda I dan II diposisikan tetap, sedangkan elektroda
III divariasikan jaraknya terhadap elektroda I sehingga diperoleh 42 variasi jarak.
Setelah memperolah 42 variasi data kemudian dihitung besarnya medan listrik E di
masing-masing titik, berdasarkan data jarak dan beda potensial antara elektroda I dan
III. Titik-titik yang memiliki medan listrik sama atau selisihnya kurang dari 0,1
dihubungkan dengan garis sehingga terbentuk pemetaan medan listrik.
III. Hasil dan Pembahasan
Tabel 1. Medan Listrik pada Ruas Kiri
∆R (m)
0,06
0,07
0,08
0,11
0,14
0,16
0,19
0,22
0,26
0,29
Baris 1
∆V (volt)
1,05
1,17
1,18
1,24
1,35
1,41
1,42
1,49
1,49
1,52
E (V/m)
17,50
16,71
14,75
11,27
9,64
8,81
7,47
6,77
5,73
5,24
∆R (m)
0,10
0,11
0,12
0,13
0,14
0,17
0,19
0,22
0,24
0,26
0,29
Baris 2
∆V (volt)
1,11
1,16
1,20
1,26
1,28
1,32
1,34
1,37
1,43
1,43
1,44
E (V/m)
11,1
10,55
10,00
9,69
9,14
7,76
7,05
6,23
5,96
5,50
4,97
Tabel 2. Medan Listrik pada Ruas Kanan
∆R (m)
0,05
0,06
0,07
0,09
0,11
0,12
0,14
0,17
0,19
0,21
0,23
Baris 1
∆V (volt)
1,00
1,09
1,16
1,30
1,34
1,44
1,49
1,62
1,63
1,65
1,67
∆R (m)
0,09
0,10
0,11
0,12
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
0,26
E (V/m)
20,00
18,17
16,57
14,44
12,18
12,00
10,64
9,53
8,58
7,86
7,26
Baris 2
∆V (volt)
1,16
1,16
1,17
1,29
1,41
1,45
1,52
1,53
1,54
1,55
E (V/m)
12,89
11,60
10,64
10,75
9,40
8,53
8,00
7,29
6,70
5,96
Gambar 2. Pemetaan medan listrik
Perhitungan nilai medan listrik ini dibuat mengacu pada persamaan 9, yang
menyatakan bahwa besarnya medan magnet E berbanding lurus dengan beda potensial
1
dan berbanding terbalik dengan jarak (𝑬~𝑉~ ).
𝑠
Dalam percobaan ini besarnya medan listrik dapat diketahui jika besarnya beda
potensial pada jarak tertentu juga diketahui. Pemetaan medan magnet sebagai hasil
dari percobaan ini diperlihatkan oleh gambar 2. Pemetaan pada gambar 2 tersebut
terbentuk menggunakan tiga buah elektroda, elektroda I dan II sebagai penghantar arus
listrik dari power supply ke dalam media penghantar (pasir). Sedangkan elektroda III
difungsikan sebagai elektroda variabel yang ditempatkan di beberapa titik yang dibuat
tersebut. Penempatan elektroda III untuk mengukur beda potensial ini jaraknya
mengacu pada elektroda I.
Dari gambar 2 tersebut dapat dilihat bahwa nilai medan listrik akan semakin turun jika
jarak pengukuran semakin jauh dari elektroda I sebagai acuan. Sedangkan untuk posisi
penyebaran garis ekipotensial bergantung pada besarnya medan listrik di titik-titik
yang diukur. Garis-garis tersebut menghubungkan titik-titik dengan medan listrik yang
sama dengan asumsi bahwa beda potensialnya bernilai sama sekitar 2 volt. Sehingga
pada saat medan listrik bernilai sama untuk jarak yang sama, akan menghasilkan nilai
potensial yang sama dan dapat dihubungkan dengan garis ekipotensial.
IV. Kesimpulan
Medan listrik di sekitar dua konduktor yang sama dan bermuatan listrik nilainya akan
bergantung pada jarak titik yang diukur beda potensialnya terhadap salah satu
konduktor yang menjadi titik acuan. Untuk beda potensial yang sama, maka semakin
jauh jarak titik uji terhadap acuan, maka medan listriknya listriknya akan semakin
kecil. Garis ekuipotensial adalah garis yang menghubungkan titik-titik yang memiliki
potensial listrik yang sama. Pada medan listrik yang sama dengan jarak yang sama,
maka potensial listrik juga bernilai sama.
V. Daftar Pustaka
Anonim.
.
Penulisan
Sitasi
Pada
Karya
Ilmiah.
http://ewinarko.staff.ugm.ac.id/metopen/modul6-daftarpustaka.pdf (diakses pada
21 Desember 2012, 15.21 )
Azmi, Safarul. 2007. Penggunaan FEM (Finite Element Method) Dalam Memetakan
Medan Listrik Pada Permukaan Isolator Jenis Pin Dan Post 20 kV Dan Udara
Disekitarnya. Semarang: Teknik Elektro, Universitas Diponegoro
Efendi, Rustam. 2007. Medan Elektromagnetik Terapan. Jakarta: Erlangga
Hayt, William H; Buck, A John. 2006. Elektromagnetika, Edisi 7. Jakarta: Erlangga
Saris, Harri Bensu, dkk. 2012. Simulasi Distribusi Tegangan Dan Medan Listrik Pada
Isolator Suspensi 20 KV 3 Sirip Dengan 4 Tipe Ukuran Sirip. Semarang: Teknik
Elektro Universitas Diponegoro. Transient: Vol. 1, No. 4, ISSN: 2302-9927, 219
Tim Eksperimen Fisika 1. 2012. Buku Petunjuk Praktikum Eksperimen Fisika I.
Surakarta: MIPA Fisika Universitas Sebelas Maret
Tipler. 2001. FISIKA untuk Sains dan Teknik , Jilid 2, Edisi 3. Jakarta: Erlangga