Lab Elektronika Industri Fisika 2 CHAPTER 2 ENERGI DAN POTENSIAL LISTRIK

Transkripsi

1 HAPTER ENERGI DAN POTENSIAL LISTRIK. ENERGI LISTRIK Teori listrik kemudian dapat dijelaskan dengan cara lebih dengan konsep energi. Ingat adanya prinsip kekekalan energi di alam ini. Misalnya dengan menghitung perubahan energi potensial (energi potensial listrik, EP b EP a ) ketika sebuah muatan q bergerak dari titik b ke titik a. ontoh, suatu medan listrik antara dua plat sejajar bermuatan sama tetapi berlawanan, serta jarak antara dua plat adalah kecil dibanding dengan lebar dan tingginya, sehingga medan akan seragam pada sebagian besar daerah. Jika sebuah muatan positif q diletakkan di titik b yang dekat sekali plat positif, kemudian dilepaskan, muatan akan mendapat gaya listrik akan melakukan kerja sehingga muatan akan bergerak dan dipercepat menuju plat negatif. Tepat saat muatan berada di titik b, energi potensial adalah maksimum sedang energi kinetik adalah 0. Ketika muatan kemudian bergerak, energi potensial muatan berkurang dan energi kinetiknya bertambah, sehingga EP b EP a > 0 Jika didefinisikan potensial listrik (V) sebagai energi potensial listrik per satuan muatan, maka EPa Va Vb q EP q b Karena selisih energi potensial adalah kerja (negatif) yang dilakukan oleh gaya listrik, maka beda potensial listrik antara titik b dan a adalah V V V EP EP q b a ba b a W q ba Satuan potensial listrik berarti adalah Joule/ oulomb yang didefinisikan sebagai volt (V). volt joule/coulomb, V J/ Dalam melihat beda potensial sering dipilih titik tertentu, misal V a sebagai 0 volt sebagai titik referensi. Sumber listrik Awan petir ke tanah Transmisi listrik SUTET atu daya tabung TV Starter mobil Listrik rumah tangga Baterai mobil Baterai senter Potensial diam antara membran syaraf Perubahan potensial pada kulit (EKG dan EEG) Tegangan (pendekatan) 0 8 V.0 5 V 0 4 V 0 4 V.0 V V,5 V 0 - V 0-4 V

2 ontoh. Sebuah elektron pada tabung TV (RT) dipercepat dari keadaan diam melalui beda potensial Vba +5000V. v qv ba 7 4,.0 m 9 (,6.0 )(5000V) 3 9,.0 kg c. EP qv ba (,6 x 0-9 )(-5000V) -8,0 x 0-6 J v qv ba 5 9,8.0 m 9 (,6.0 )( 5000V) 7,67.0 kg a. Berapa perubahan energi potensial elektron? b. Berapa laju elektron? c. Jika yang diletakkan adalah sebuah proton (m,67 x 0-7 kg) Jawab. a. Muatan elektron -,6 x 0-9, maka EP q V ba (-,6.0-9 )(+5000V) -8,0.0-6 J tanda min (-) berarti energi potensialnya berkurang. b. Dari Hk. kekekalan energi didapat, EK - EP ½ mv - qv ba m/s m/s. POTENSIAL LISTRIK DAN MEDAN LISTRIK Kerja yang dilakukan oleh medan listrik untuk memindahkan muatan positif q dari b ke a adalah W q V ba Kerja adalah gaya dikali jarak, dan gaya yang bekerja pada muatan q adalah F qe, dimana E adalah medan listrik seragam, sehingga W F d qe d q V ba q V ba V Vba E. d atau E E adalah medan seragam d ba jadi satuan E bisa dalam N/ atau V/m, karena Nm/m J/m V/m. Jadi N/ V/m. Karena satuan energi (J) adalah sangat besar untuk muatan elektron, maka didefinisikan satuan baru yang disebut elektron volt (ev). ev adalah energi potensial yang didapat oleh partikel yang membawa muatan yang sama dengan elektron karena melewati beda potensial V. Jadi W elektron qv ev (,6.0-9 )(V) ev,6.0-9 J

3 3. POTENSIAL LISTRIK OLEH MUATAN TITIK Besarnya potensial listrik oleh suatu muatan sebesar pada jarak sejauh r adalah, V E. d k r atau V r k r Perhatikan bahwa V akan besar jika jarak kecil dan akan turun apabila jaraknya membesar. Potensial listrik adalah besaran skalar, sehingga penjumlah dll, dapat dilakukan dengan sangat mudah. ontoh Hitung potensial listrik pada titik A dan titik B pada gambar di bawah. Jawab. a. V A V + V k + k k + r r r r 3

4 ,0.0 Nm / + 0,6m 0,3m 7,5.0 5 V b. V B 0V 4. KAPASITANSI Kapasitansi adalah efek yang timbul oleh karena dua konduktor bermuatan yang berdekatan. Efek ini kemudian dipakai untuk membuat komponen kapasitor (kondensator). Kapasitor berguna untuk menyimpan muatan listrik. Komponen ini banyak sekali pemakaiannya mulai dari rangkaian elektronika, penyimpan bit pada RAM (Random Acces Memory), papan sentuh (keypad) dll. Kapasitor atau kondensator adalah salah satu dari komponen listrik/elektronika pasif juga. Kapasitor berguna untuk menyimpan energi/muatan listrik atau mudahnya untuk menyimpan listrik. Karena sifat ini, maka kapasitor juga berguna untuk filter (penyaring) listrik. Kapasitor akan menahan arus D (direct current) tetapi akan melewatkan arus A (alternating current). Pada dua buah penghantar (konduktor) yang terpisah akan selalu timbul efek kapasitas asal kedua penghantar tidak bersentuhan. Hal ini sama terjadi bahwa pada suatu penghantar akan timbul efek resistansi juga. Untuk membuat kapasitor, umumnya dipakai dua plat penghantar. Besar kecilnya kapasitas yang terbentuk pada ujung ujungnya ditentukan dari hubungan berikut: ε 0 A r () A luas plat penghantar r jarak antara kedua plat ε 0 permitivitas ruang hampa 8,85x0 - Jadi semakin luas plat yang dipakai semakin besar kapasitor yang terbentuk. Dielektrikum Untuk membuat kapasitor dipakai plat yang luas kemudian menggulungnya sehingga menjadi berbentuk kecil saja. Ini dapat kita temukan pada kondensator elektrolit. Untuk memperbesar kapasitor perlu juga dibuat agar jarak kedua plat sekecil mungkin, tetapi tidak saling bersentuhan. Semakin kecil jarak kedua plat, semakin besar efek kapasitas yang terjadi. ara lain yaitu memberikan bahan insulator tertentu. Jika antara kedua plat hanya terdapat udara maka, besar σ, sedang jika diisi bahan tertentu, misalnya: keramik, milar, cairan elektrolit dll, maka efek kapasitas menjadi membesar. ontoh, jika diberi cairan elektrolit antar kedua plat, maka nilai σ 30. Sehingga kapasitor yang terbentuk akan naik kira-kira 30 kali lipat. Dengan penambahan bahan dielektrikum nilai kapasitor menjadi Kε 0 A r dimana K konstanta dielektrikum Beberapa nilai K seperti tampak pada tabel berikut: 4

5 Tabel. Konstanta dielektrikum (0 0 ) Bahan Hampa udara Udara ( atm) Parafin Karet (padat) Vinyl (plastik) Kertas Kuarsa Kaca Porselen Mika Ethyl alkohol Air K,0000,0006,,8,8 4, , Simbol kapasitor adalah. Ketika sebuah kapasitor diberi tegangan D, maka untuk waktu yang sangat singkat kapasitor akan diisi energi/muatan listrik sehingga akan terjadi arus listrik yang mengalir mengisi kapasitor. Kemudian setelah isi kapasitor penuh (besar kecilnya tergantung nilai kapasitor) dan tidak bisa diisi lebih lanjut, maka arus akan berhenti. Itu sebabnya kapasitor tidak akan bisa melewatkan arus D. Lainya halnya untuk arus A. Arus A suatu saat positif tapi saat lain negatif. Misalnya pada satu saat arus A adalah (+), maka sesaat arus ini akan mengisi kapasitor, dan pada saat lain ketika arus A adalah (-), maka arus ini akan membuang muatan kapasitor. Kemudian arus A (+), dan mengisi kapasitor lagi, selanjutnya arus A (-), dan akan membuang isi muatan kapasitor lagi. Begitu seterusnya sehingga muatan pada kapasitor akan diisi, dibuang, diisi, dibuang dst. Itu sebabnya kapasitor dapat melewatkan arus A. Ketika dilakukan test dengan multimeter, maka jarum akan menyimpang sesaat kemudian kembali. Hal karena, sesaat kapasitor akan diisi muatan (jarum menyimpang) dan ketika muatan telah penuh, arus pengisian berhenti sehingga jarum kembali. Nilai kapasitor diukur dengan satuan Farad (F). Kapasitor F akan mempunyai ukuran fisik yang relatif besar sekali, sehingga kapasitor hanya praktis dibuat dengan ukuran kecil-kecil. Umumnya kapasitor tersedia dari ukuran: pico Farad (pf) 0 - F seper trilyun Farad, nano Farad (nf) 0-9 F seper milyar Farad, mikro Farad (µf) 0-6 F seper juta Farad, mili Farad (mf) 0-3 F seper ribu Farad. Dengan kamajuan teknologi sekarang telah berhasil dibuat kapasitor double electrolite technique yang ukurannya bersatuan Farad. Kapasitor ini sering disebut super capacitor. Pencantuman nilai kapasitor pada kapasitor selain dengan penulisan langsung tetapi ada yang menggunakan kode, misalnya tertulis 47, 0, 683, 4. Artinya, 47 47%0 pf 470pF.47nF 0 0%0 pf 000pF.nF %0 3 pf 68000pF 68nF 4 %0 4 pf 0000pF 0nF Kapasitor keramik misalnya, sering berukuran dibawah 00pF, sehingga nilai langsung dicantumkan dalam digit. ontoh tertulis 47 artinya 47pF. Nilai kapasitor umumnya juga bersifat logaritmik dengan kaidah E3, E4, E6, E dst, tapi sangat jarang yang sampai E4, E36 atau E48. E4:,0, 4,7 6,8 E:,0,,5,8,,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8, 5

6 Masalah Tegangan Breakdown (Tegangan Rusak) Dalam menggunakan kapasitor perlu diwaspadai tentang tegangan breakdown ini, khususnya kapasitor elektrolit. Jangan pernah sekali-kali menggunakan kapasitor pada tegangan yang sama atau lebih besar dari tegangan breakdown. Pada kapasitor elektrolit, tegangan yang lebih ini akan membuat cairan elektrolit mencapai kondisi breakdown yang menyebabkan cairan elektrolit menjadi konduktor dan mengembang. Keadaan ini bisa membuat kapasitor menjadi bocor atau bahkan bisa meledak. Untuk kapasitor non elektrolit (misalnya: keramik, milar, polyster dll) umumnya tegangan breakdown cukup tinggi (mencapai 00V atau lebih) sehingga tidak terlalu membahayakan. Beberapa jenis Kapasitor Electrolytic apacitors (Electrochemical type capacitors) Terbuat dari plat aluminium yang dioksidasi dan diberi cairan elektrolit sebagai insulator antara kedua plat. Bisa berukuran µf sampai beberapa puluhan ribu µf. Tersedia dalam tegangan breakdown mulai 0V, 6V, 5V, 35V, 50V, 80V, 00V dan 50V. Nilai kapasitor besar dan tegangan breakdown yang besar akan membuat ukuran fisik kapasitor elektrolit juga besar. Penggunaan insulator membuat kapasitor ini menjadi terpolarisasi, sehingga satu plat menjadi elektroda positif dan plat lainnya menjadi elektroda negatif. Oleh karenanya, kapasitor ini mempunyai kutub (+) dan kutub (-). Dalam pemasangannya perhatikan polaritas kaki kapasitor jangan terbalik. Jika terbalik maka kapasitor bisa meledak. Kegunaan utama kapasitor ini dipakai untuk memfilter (menyaring) tegangan kerut (ripple voltage) pada rangkaian power supply. Dengan pemasangan kapasitor elektrolit dengan nilai yang cukup pengubahan tegangan A ke D oleh rangkaian power supply menjadi bagus. Kegunaan lainnya untuk memfilter atau mem-bypass sinyal frekuensi rendah (sinyal audio). Karena plat almunium yang dipakai umumnya cukup panjang, maka akan timbul efek induktansi yang membuat kapasitor ini tidak baik untuk rangkaian frekuensi tinggi atau dikatakan mempunyai karakteristik frekuensi yang jelek. Tantalum apacitors Seperti halnya kapasitor elektrolit yang terbuat dari aluminium, kapasitor tantalum juga memeakai insulator elektrolit tetapi memakai bahan plat/elektroda dari bahan tantalum. Kapasitor tantalum juga punya polaritas (kutub + dan -), sehingga pemasangannya jangan sampai terbalik. Kelabihan 6

7 kapasitor tantalum adalah mempunyai karakteristik suhu dan frekuensi yang baik. Umumnya kapasitor lain akan berubah nilai kapasitansinya jika ada perubahan suhu atau perubahan frekuensi, tetapi jenis tantalum ini sangat stabil terhadap perubahan suhu dan frekuensi. Kapasitor tantalum sedikit lebih mahal dibanding kapasitor aluminium. Sering juga dipakai pada rangkaian yang membutuhkan kestabilan tinggi pada nilai kapasitor. Noise yang timbul akibat lonjakan arus seperti yang terjadi pada kapasitor alminium sudah hilang pada kapasitor tantalum. Polaritas (kutub) umumnya sudah tertulis pada bodi sekaligus nilai kapasitor dan tegangan breakdownnya. eramic apacitors Kapasitor keramik dibuat dari bahan keramik dengan insulator titanium acid barium. Kapasitor ini tidak memakai gulungan plat panjang sehingga sangat cocok untuk rangkaian frekuensi tinggi khususnya untuk mem-bypass sinyal frekuensi tinggi ke ground. Kapasitor keramik berbentuk menyerupai piringan/cakram. Nilai kapasitor umumnya sangat kecil, berukuran pf sampai beberapa puluh uf. Nilai kapasitor dicantumkan dengan kode. Misalnya seperti gambar tertulis, pF 0nF. Kapasitor ini tidak mempunyai kutub sehingga pemasangan bisa terbalik-balik. Sebaiknya tidak digunakan untuk rangkaian sinyal analog karena akan mendistrosi sinyal. Multilayer eramic apacitors Kapasitor multilayer (banyak lapis) adalah kapasitor keramik dengan insulator banyak lapisan. Desain ini membuat kapasitor mempunyai karakteristik suhu dan frekuensi yang baik sekali. Ukuran fisiknya juga kecil. Bagus digunakan untuk mem-bypass sinyal frekuensi tinggi ke ground terutama pada rangkaian digital. Kapastor tidak dipolarisasi sehingga tidak mempunyai kutub. Pemasangan bisa terbalik-balik. Ukuran kapasitansi bisa dari nf sampai ratusan nf. Polystyrene Film apacitors Kapastor ini dibuat dari gulungan elektrode berbahan tembaga atau almunium dengan insulator dari lapisan tipis (film) polysterin. Karena kapasitor ini terbuat dari gulungan tembaga atau almunium maka akan timbul efek induktansi sehingga tidak baik untuk penggunaan rangkaian frekuensi tinggi. Kapasitor ini baik untuk rangkaian filter dan rangkaian timer yang bekerja pada frekuensi beberapa ratus kilo hertz atau kurang. Jika kapasitor berwarna coklat maka itu terbuat dari tembaga sedang jika berwarna perak maka terbuat dari almunium. Ukuran kapasitas tersedia mulai dari pf sampai dengan puluhan nano farad. Kapasitor tidak mempunyai kutub (polaritas). Electric Double Layer apacitors (Super apacitors) Ini adalah kapasitor super, dengan ukuran yang begitu kecil nilai kapasitansinya adalah µF 470mF 0,47F. Jika menggunakan kapasitor dalam rangkaian perlu hati-hati. Misalnya pada rangkaian power supply, karena besarnya nilai kapasitor, maka ketika pertama kali rangkaian dihidupkan, kapasitor yang dari keadaan tanpa muatan akan segera diisi muatan dengan luar biasa cepatnya. Ini artinya, selama sesaat akan ditariklah arus listrik yang besar sekali untuk mengisi kapasitor. Hal ini menjadikan seolah-olah rangkaian seperti 7

8 dihubungsingkat. Untuk mengatasi ini perlu kiranya saat dihidupkan arus pengisian kapasitor dibatasi dulu. Baru setelah muatan kapasitor penuh rangkaian dipekerjakan seperti biasanya. Kapasitor ini tidak mempunyai polaritas. Polyester Film apacitors Kapasitor ini menggunakan bahan film polister yang tipis sebagai insulator. Toleransi kapasitor cukup besar umumnya sekitar 5% atau 0% sehingga nilai kapasitansinya relatif tidak tepat dibanding kapasitor lain. Tetapi kapasitor ini murah dan mudah penanganannya. Perlu diperhatikan dalam pembacaan nilai kapasitor ini, karena tiap-tiap pabrik kadang-kadang mempunyai cara yang berbeda dalam mencantumkan nilai kapasitornya. ontoh di gambar tertera.k artinya 0,µF atau 0nF. Misalnya tertera 00K artinya 0,00µF atau nf. Tapi pabrik lain mungkin mencantumkan seperti ini: tertera 04 artinya 0%0 4 pf atau pF atau 00nF. Berikut contoh-contoh nilai kapasitor dan cara salah satu pabrik dalam mencantumkan nilainya: tertera 47K 4700pF 4,7nF (4n7) 0,0047µF tertera 68K 6800pF 6,8nF (6n8) 0,0068µF tertera 474K pF 470nF 0,47µF Kapasitor ini tidak mempunyai kutub atau tidak mempunyai polaritas. Polypropylene apacitors Mica apacitors Kapasitor ini bisa dipilih jika ketepatan nilai kapasitansi menjadi perhatian. Kapasitor ini mempunyai toleransi yang lebih kecil dibanding kapasitor polister di atas. Umumnya besar toleransi adalah %. Kapasitor ini memakai bahan film polipropilin sebagai insulator. Nilai kapasitansi dari kapasitor ini hampir tidak berubah jika dipakai pada rangkaian dengan frekuensi kerja 00kHz atau kurang. Kapasitor ini tidak mempunyai polaritas. Kapasitor ini menggunakan bahan mika sebagai insulator atau dielektriknya. Kapasitor ini sangat bagus kestabilan nilanya terhadap perubahan suhu. Selain itu juga mempunyai karakteristik frekuensi yang sangat bagus sehingga sangat cocok untuk rangkaian frekuensi tinggi, rangkaian resonansi (penala/tuner). Antara kedua elektroda mempunyai isolasi (insulation) yang bagus terhadap tegangan tinggi sehingga 8

9 bisa dibuat kapasitor dengan tegangan breakdown yang tinggi sekali. Umumnya tegangan breakdown mulai 50V, 500V, 000V atau lebih. Kapasitor ini cocok untuk rangkaian tegangan tinggi misalnya: rangkaian dengan tabung trioda, pentoda dll. Sayangnya kapasitor ini tidak bisa atau sulit dibuat untuk nilai kapasitansi yang besar dan juga harganya yang relatif lebih mahal. Pencantuman nilai kapasitor biasanya seperti ini, misalnya: tertera 470J artinya 47pF J artinya 0pF 0J artinya 000pF atau nf Kapasitor ini juga tidak mempunyai polaritas. Metallized Polyester Film apacitors Ini adalah varian dari kapasitor polister. Karena elektrodanya bisa dibuat sangat tipis maka bisa dibuat kapasitor yang berukuran kecil. Tegangan breakdown kapasitor ini umumnya cukup tinggi. Ketika memegang kapasitor harap berhati-hati karena kaki-kaki kapasitor ini mudah patah. Jika ini terjadi kapasitor tidak bisa dipakai lagi. Kapasitor ini tidak mempunyai polaritas. Variable apacitor Kapasitor variabel umumnya diperuntukkan bagi teknisi untuk menepatkan rangkaian. Biasanya dipakai untuk menepatkan frekuensi pada rangkaian frekuensi tinggi. Nilai kapasitor umumnya kecil sekali yaitu berorde piko farad. Rangkaian Kapasitor Sebuah kapasitor yang diberi tegangan sebesar V, maka kapasitor akan dimuati listrik sehingga kapasitor akan menyimpan energi listrik tersebut sebesar. Hubungan antara V dan terlihat seperti persamaan berikut: V () dimana muatan kapasitor V tegangan pada kapasitor kapasitansi kapasitor ontoh. a. Hitung kapasitas sebuah kapasitor yang ukuran platnya adalah 0cm x 3cm dan dipisahkan oleh udara sejauh mm. b. Berapa muatan pada setiap plat jika kapasitor tersebut dihubungkan ke baterai V? c. Berapa kuat medan listrik di antara kedua plat tersebut? 9

10 Jawab. a). Luas plat, A (0.0 - )(3.0 - )m m 3 A 6.0 Kε 0 ( )(8,85.0 ) 53pF 3 r.0 b). Muatan setiap plat V ( F)(V) 6,4.0-0 c). Medan listrik diantara plat V V E,.0 4 V / m 3 r.0 m. Rangkaian Kapasitor Paralel setara, sampai n dihubung kan secara paralel pada sebuah sumber tegangan V. Berapa ekuivalen yang terjadi? Jawab: Setelah beberapa saat arus akan mengalir dan memuati setiap, sampai n, sehingga masingmasing kapasitor bermuatan, sampai n. Kemudian kondisi ini akan tetap stabil seperti itu. Perhatikan bahwa setipa yang terpasang mempunyai tegangan yang sama. Dari persamaan () didapatkan:.v,.v dan seterusnya n n.v Kalau dihitung berapa jumlah muatan atau energi listrik yang tersimpan pada seluruh kapasitor adalah muatan yang tersimpan pada ditambah muatan yang tersimpan pada ditambah muatan-muatan di kapasitor lain sampai n. Jadi total muatan yang tersimpan adalah: total n (3) Kalau kemudian seluruh kapasitor itu setara/ekuivalen dengan ek, maka tentu saja muatan yang ada pada ek juga sebesar total dan tegangan pada ek akan sama dengan V. Dengan demikian didapatkan: ek ek.v (4) Dan karena, ek total ek.v n ek.v.v +. V + + n.v atau ek n (5) 0

11 . Rangkaian Kapasitor Seri setara, sampai n dirangkaikan seri pada sebuah sumber tegangan V. Sesaat arus akan mengalir dan mengisi tiap-tiap kapasitor dengan muatan listrik. Kemudian rangkaian akan stabil. Karena pada rangkaian seri setiap kapasitor akan dialiri arus pengisian muatan yang sama, maka muatan yang tersimpan pada setiap kapasitor juga akan bernilai sama yaitu. Tegangan yang timbul pada kapasitor adalah V, pada adalah V, dan selanjutnya pada n adalah Vn. Dari hukum tegangan KVL, bahwa jumlah tegangan pada rangkaian tertutup adalah nol, maka: V + V + + Vn + (-V batere) 0 atau V + V + + Vn V batere Sehingga, V batere (6) n Pada kapasitor ek berarti juga akan ada tegangan V batere dan bermuatan, atau: ek ek. V batere dan ek pada tiap-tiap kapasitor (7) Dari kedua persamaan (6) dan (7) di atas didapat : Jadi n ek ek n (8) 3. Penyimpanan Energi Listrik pada Kapasitor Kapasitor yang bermuatan menyimpan energi listrik yang besarnya sama dengan kerja yang dilakukan untuk memuati kapasitor tsb. Jadi kerja yang diperlukan untuk menembah muatan kapasitor adalah W V q. Tetapi ini hanya berlaku jika tegangan pada kapsitor selalu tetap. Kenyataannya ketika muatan kapasitor bertambah, tegangan kapasitor juga bertambah ( V). Sehingga energi pada kapasitor akan sama dengan kerja total yang dilakukan untuk memindahkan semua muatan sekaligus melalui tegangan rata-rata selama proses tersebut. Tegangan rata-ratanya adalah (V f 0)/ V f /. Jadi, U W V V