Energi Terbarukan Online: Artikel kapasitor fisika

Pada awal penyelidikan listrik tidak ada cara untuk dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu yang lama. Bahkan ketika benda bermuatan diletakkan pada tempat berisolasi pun, muatan cenderung bocor.

Pada tahun 1746 di Universitas Leyden, Pieter Van Musschenbroek (1692-1761) mencoba menyimoan sejumlah besar muatan listrik. Hasilnya adalah suatu peralatan yang secara luas dikenal sebagai botol Leyden. Botol Leyden adalah sebuah botol kaca dengan dinding dalam dan luarnya dilapisi oleh daun logam.

Botol Leyden menjadi dasar dari penelitian-penelitian listrik selama 50 tahun berikutnya. Botol Leyden adalah “condenser” pertama atau yang sekarang kita sebut kapasitor, yaitu suatu peralatan yang dapat menyimpan muatan dan energy listrik.

1. Mengenal Kapasitor

Sebuah Kapasitor terdiri atas dua keeping konsuktor yang ruang di antaranya diisi oleh dielektrik (penyekat), misalnya udara atau kertas. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas (atau kapasitansi). Satuan SI dari kapasitas adalah farad(F), namun ukuran kapasitas kapasitor yang sering digunakan dinyatakan dalam microfarad (µF), nanofarad (nF), dan pikofarad (pf).

1 µF = 10^-6F ; 1 nF = 10^-9F ; 1 pF = 10^-2F

2. Jenis- Jenis Kapasitor

a. Kapasitor Kertas

Kertas berfungsi sebagai bahan penyekat diantara kedua pelat. Kapasitor jenis ini memiliki kapasitas 0,1 µF

b. Kapasitor Elektrolit

Pada kapaitor elektrolit, bahan penyekatnya adalah aluminium oksida. Kapasitor elektrolit memiliki kapasitas paling besar, yaitu sampai dengan 100.000 pF.

c. Kapasitor Variabel

Kapasitor Variabel adalah kapasitor dengan nilai kapasitas dapat diubah-ubah, sehingga digunakan untuk memilih frekuensi gelombang pada radio penerima. Penyekatnya adalah udara, dengan nilai maksimum kapasitasnya sampai dengan 500 pF (0,0005 µF)

3. Kapasitansi

Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron.

Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :

q = CV …………….(1)

q : muatan elektron dalam C (coulombs)

C : nilai kapasitansi dalam F (farads)

V : besar tegangan dalam V (volt)

1 F = 1 coulumb/volt

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut :

C = (8.85 x 10^-12) (k A/t) ...(2)

4. Formulasi Kapasitas Kapasitor Keping Sejajar

Untuk menghitung kapasitas kapasitor, kita tentukan dahulu kuat medan listrik homogen, E, dalam ruang antara kedua keeping, kemudian kita hitung V dan E.

Kuat medan listrik, E, dalam ruang antarkeping sejajar adalah E = σ/є_0,dengan rapat muatan

σ = q/A. dengan demikian,

Kapasitas Kapasitor Keping

ε₀ : permitivitas vakum/udara = 8,85 x 10^-12dalam SI

A : luas tiap keeping

d : jarak pisah antarkeping

5. Pengaruh Dielektrikum terhadap Kapasitas Kapasitor

Dielektrik adalah suatu bahan isolasi, seperti kertas, karet, kaca, atau plastik. Ketika sebuah dielektrik disisipkan dalam ruang antara keeping-keping sebuah kapasitor, kapasitas kapasitor akan meningkat. Kapasitas kapasitor dalam dielektrik, C_D,adalah

Primitivitas Relatif dielektrik adalah perbandingan antara kapasitas kapasitor dalam dielektrik dengan kapasitas kapasitor dalam vakum (tanpa dielektrik).

Penyisipan dielektrik dalam ruang antara kedua keeping menyebabkan kapasitas kapasitor meningkat.

a. Pengaruh Dielektrik untuk Baterai Tidak Dihubungkan

Karena hubungan dengan baterai diputuskan, maka ketika disisipkan dielektrik, beda potensial antarkeping diperbolehkan berubah. Prinsip untuk kasus ini : muatan yang tersimpan dalam kapasitor adalah tetap. Berarti muatan sesudah penyisipan dielektrik (q_D) sama dengan muatan sebelum penyisipan dielektrik (q₀). q_D = q₀

Karena є_r> 1_,maka beda potensial antarkeping setelah disisipi dielektrik akan berkurang (V_D > V₀).

a. Pengaruh Dielektrik untuk Baterai Tetap Dihubungkan

Karena kedua keping dihubungkan secara tetap dengan baterai, maka beda potensial antarkeping tidak berubah, yaitu sama dengan beda potensial baterai. Pada kasus ini, prinsip yang harus kita pegang adalah : beda potensial antarkeping adalah tetap. Berarti, beda potensial sesudah penyisipan dielektrik (V_D) sama dengan beda potensial sebelum penyisipan dielektrik (V₀). V_D = V₀

q_D = є_rq₀ Karena є_r> 1, maka muatan pada keping setelah disisipi dielektrik mengalami kenaikan (q_D > q₀).

6. Analisis Rangkaian Kapasitor

Susunan kapasitor yang paling sederhana yaitu susunan seri dan susunan parallel. Susuan seri digunakan jika diinginkan kapasitas yang lebih kecil dan susunan parallel digunakan jika diinginkan kapasitas yang lebih besar.

a. Susunan Seri Kapasitor

Kapasitas ekivalen, C_ekdari susunan seri didefinisikan sebagai kapasitas dari sebuah kapasitor tunggal, yang memiliki muatan yang sama dengan muatan kapasitor yang digantikannya, yaitu q, ketika diberi beda potensial V yang sama.

Pada rangkaian kapasitor seri, berlaku rumus:

tegangan total : V = V₁ + V₂ + … + V_n

Muatan Total : Q = Q₁ = Q₂ = Q_n

Kapasitas ekivalen seri

Kebalikan dari kapasitor ekivalen dari susunan seri kapasitor sama dengan jumlah kebalikan dari tiap-tiap kapasitas. Beda potensial tiap kapasitor umumnya tidak sama.

b. Susunan Paralel Kapasitor

Kapasitas ekivalen, C_ek, dari susunan paralel didefinisikan sebagai kapasitas dari sebuah kapasitor tunggal.

q = C_ekV

hasil ini dapat diperluas untuk sejumlah kapasitor yang disusun parallel

Pada rangkaian kapasitor paralel, berlaku rumus:

Tegangan tiap kapasitor sama besar V₁ = V₂ =V₃ = V_n

Muatan Total :Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q_n

Kapasitor Ekivalen Paralel C_ek= C₁+ C₂+ C_3+…

Kapasitas ekivalen dari susunan parallel sama dengan jumlah dari tiap-tiap kapasitas. Beda potensial tiap kapasitor dalam susunan parallel adalah sama, yaitu sama dengan beda potensial kapasitor ekivalennya, namun muatan kapasitor umumnya tidak sama.

c. Analisis Rangkaian Listrik yang Mengandung Kapasitor

Jika pada rangkaian listrik arus searah rangkaian listriknya mengandung kapasitor , prinsip yang harus kita pegang adalah sebagai berikut.

“Kapasitor dianggap dalam kondisi tunak atau stabilm yaitu kapasitor telah penuh terisi muatan. Dalam keadaan tunak, cabang yang mengandung kapasitor adalah terbuka (open) sehingga arus dalam cabang ini sama dengan nol.”

7. Energi Potensial Kapasitor

Sebuah kapasitor yang bermuatan memiliki potensial yang tersimpan di dalamnya. Jika salah satu muatannya dibebaskan mulai dari keadaan diam dari saru keping ke keping lainnya, maka energi potensialnya semakin besar selama muatan itu berpindah.

Secara lengkap, persamaan energi yang tersimpan dalam kapasitor (energi potensial) adalah

8. Penggunaan Kapasitor

Energy maksimum yang dapat disimpan dalam sebuah kapasitor besar kira-kira hanya 10 J. Kapasitor digunakan sebagai penyimpan energy karena ia dapat dimuati dan melepas muatannya dengan sangat cepat.

Kapasitor digunakan salah satunya yaitu pada blitz. Kapasitor juga memainkan peran yang penting dalam rangkaian elektronika lainnya, seperti memilih frekuensi pada radio penerima; memisahkan arus bolak-balik dari arus searah; sebagai filter pada rangkaian catu daya; menghilangkan loncatan api dalam rangkaian saklar; menghilangkan bunga api pada system pengapian mobil; menghemat daya listrik dalam rangkaian lampu TL; dan sebagai catu daya cadangan ketika suplai listrik dari PLN terputus.

Untuk menjaga pembebanan lebih dari jaringan transmisi dalam suatu area pelayanan, kapasitor menyimpan muatan berukuran sangat besar secara perlahan dimuati dan kemudian secara cepat dilepaskan muatannya ketika diperlukan.

GAMBAR-GAMBAR KAPASITOR