KAPASITOR : ANTARA MODEL DAN REALITA oleh : Sugata Pikatan

Transkripsi

1 Kristal no.11/desember/ KAPASITOR : ANTARA MODEL DAN REALITA oleh : Sugata Pikatan Kita semua tahu bahwa kapasitor merupakan salah satu piranti elektronika yang terpenting. Rasanya tak ada untai elektronika dirangkai tanpa menggunakan kapasitor. Kalaupun secara fisik kapasitor tidak dipakai dalam suatu untai elektronika, watak kapasitas tetap hadir pada piranti-piranti yang lain, baik itu pada resistor, dioda, ataupun transistor. Oleh sebab itu pemahaman watak-watak kapasitas mutlak perlu jika kita ingin menguasai teknologi modern yang boleh dikata hampir selalu berkaitan dengan elektronika. Dari fisika dasar atau elektronika dasar kita dapatkan definisi kapasitansi (C) sebagai konstanta kesebandingan antara muatan listrik (q) yang dapat ditampung oleh konduktor jika konduktor itu ditempatkan pada suatu beda tegangan listrik (V 0 ). q = C.V 0 (1) Secara umum kapasitor terdiri dari dua elektroda yang terbuat dari konduktor, dan bahan dielektrik yang berada di antara kedua elektroda itu. Untuk mempelajari watak kapasitor tersebut diperlukan model ideal yang sederhana. Di dalam model ini bahan dielektrik dianggap bersifat isolator ideal, yakni tidak memiliki daya hantar listrik sama sekali. Dalam istilah ilmiahnya konduktivitas listrik suatu isolator ideal sama dengan nol. Muatan listrik tidak dapat menyeberangi bahan isolator ini. Bertolak dari anggapan model kapasitor ideal ini kita kemudian menurunkan berbagai watak lain kapasitor dalam sebuah untai listrik. Mari sekarang kita tinjau proses pengisian muatan listrik ke dalam sebuah kapasitor. Kedua elektrodanya dihubungkan pada sumber tegangan melalui kawat-kawat konduktor. Pada model yang paling sederhana kawat-kawat penghubung itu dianggap tidak memiliki resistansi, sehingga muatan listrik langsung masuk ke dalam kapasitor sesuai dengan fungsi undak seperti pada gambar 1. Waktu t = 0 adalah waktu saklar S ditutup. Gambar 1. Pengisian kapasitor ideal Bila anggapan kawat penghubung tanpa resistansi ini dicabut, katakanlah kawat itu sekarang memiliki resistansi sebesar R, untai listrik pengisian kapasitor ini menjadi rangkaian seri antara R dan C. Persamaan tegangannya menurut hukum Kirchoff adalah: i.r + q/c = V 0 (2)

2 Kristal no.11/desember/ V 0 adalah beda tegangan yang diberikan oleh sumber tegangannya. Arus listrik, i, tidak lain adalah laju aliiran muatan listrik yang masuk ke dalam kapasitor : i = dq/dt, sehingga persamaan (2) dapat dijadikan persamaan diferensial : dq/dt + (1/RC)q = V 0 /R (3) Mengingat pada saat awal pengisiannya (t = 0) kapasitor tidak berisi muatan listrik, penyelesaiannya dapat langsung diperoleh : q(t) = C.V 0.(1-e -t/rc ) (4) Persamaan (4) ini menunjukkan bahwa pengisian muatan listrik pada suatu kapasitor merupakan proses transien, yang keadaan akhirnya adalah nilai asimtotis yang tidak lain adalah persamaan (1). Grafik yang analog dengan gambar 1 untuk proses pengisian kapasitor dengan memperhatikan resistansi kawat penghubungnya dapat dilihat pada gambar 2 di bawah. Gambar 2. Pengisian kapasitor ideal (C) dengan memperhatikan resistansi kawat penghubung (R) Gagasan proses transien adalah diperlukannya waktu untuk mencapai keadaan ajeg (steady state). Keadaan ajegnya sendiri dicapai pada waktu t =. Tentu saja ini tidak berarti bahwa keadaan ajeg tidak pernah tercapai, karena dalam prakteknya waktu tak hingga ini hanya menunjukkan waktu yang cukup lama terhitung dari kedaan awal t = 0. Ukuran lama atau sebentarnya tergantung pada konstanta waktu yang muncul pada eksponensial dalam persamaan (4) di atas, yaitu R.C, kita lambangkan saja besaran ini τ. Untuk mendapatkan gambaran seberapa jauh pengaruh τ terhadap proses transien ini, ambilah kapasitor 1 µf dan kawat penghubung 1 Ω, konstanta waktunya τ = 1 µs. Jadi pengisian kapasitor ini membutuhkan 3 µs untuk mendapatkan muatan listrik sebanyak 95% dari niali keadaan ajegnya, sehingga praktis dalam 10 µs kapasitor itu sudah penuh. Dalam skala waktu kita, waktu seperseratusribu detik aamatlah singakat, sehingga keadaan yang teramati dalam pengukuran adalah keadaan ajegnya. Proses transien baru kentara jika τ cukup besar, misalnya ke dalam untainya dengan sengaja ditambahkan resistor 1 MΩ, orde waktunya menjadi 1 detik. Selang waktu untuk pengisian 95 % menjadi 5 detik, sehingga kita dapat mengamati proses transien ini dengan jelas. Dalam kenyataannya, bahan dielektrik yang berada dalam kapasitor memiliki konduktivitas, walaupun sangat kecil. Dampaknya, terjadilah aliran arus listrik di antara kedua elektrodanya. Arus ini disebut arus bocor pada kapasitor. Untuk keperluan perhitungan-

3 Kristal no.11/desember/ nya, kapasitor sejati ini digambarkan sebagai satu kapasitor ideal yang terpasang paralel dengan sebuah resistor yang besar resistansinya. Melalui hukum Kirchoff untuk arus listrik, persamaan untainya adalah : i 1 = i 2 + C.dV c /dt (5) Gambar 3. Kapasitor sejati pada proses pengisian V c adalah beda tegangan yang diterima oleh kapasitor. Arus i 1 dan i 2 masingmasing melewati kawat penghubung (R) dan bahan dielektrik dalam kapasitor (r). Besar arus-arus ini mematuhi hukum Ohm : i 1 = (V 0 - V c )/R (6) i 2 = V c /r (7) sehingga persamaan (5) dapat ditulis dalam bentuk persamaan diferensial : dv c /dt + (1/T) V c = V 0 /τ (8) dimana konstanta waktu yang berlaku sekarang adalah T, yang hubungannya dengan konstanta waktu untuk kapasitor tak-bocor τ dapat ditunjukkan : 1/T = 1/(r.C) + 1/τ (9) Tampak bahwa T < τ, artinya dengan adanya arus bocor pengisian kapasitor terjadi lebih cepat. Bagaimana dengan jumlah muatan yang dapat ditampungnya jika arus bocor ikut diperhitungkan? Pertanyaan ini dapat kita jawab dengan mencari penyelesaian persamaan diferensial (8), yaitu : V c (t) = V 0 (T/τ)(1-e -t/τ ) (10) yang jika dikalikan dengan C kita temukan persamaan muatan yang analog dengan persamaan (4) : q(t) = C.V 0 (T/τ) (1-e -t/τ ) (11) Perbedaannya dengan persamaan (4) terletak pada konstanta waktu yang berlaku (T), dan faktor T/τ, yang melalui persamaan (9) dapat ditunjukkan : T/τ = r/(r+r) (12)

4 Kristal no.11/desember/ Oleh karena kawat penghubung selalu beresistansi kecil dan bahan dielektrik beresistansi amat besar, faktor ini mendekati nilai satu. Persamaan (11) akan menjadi persamaan (4), sehingga efek arus bocor ini tidak teramati. Seperti halnya pada pengamatan proses transien kapasitor ideal, pengamatan terhadap efek arus bocor dapat dilakukan dengan menambahkan resistansi R yang cukup besar sehingga faktor persamaan (12) bernilai lain daripada satu. Konsekuensi lain dari faktor ini adalah nilainya yang lebih kecil daripada satu, membuat niali asimtotik yang dituju lebih kecil nilainya daripada kasus tanpa arus bocor. Pada gambar 3 kasus tanpa arus bocor diwakili oleh kurva putus-putus, kurva penuh mewakili kasus dengan arus bocor. Adanya arus bocor pada kapasitor menyebabkan daya tampungnya menurun. Dikatakan, bahwa kapasitansi efektifnya adalah : C ef = (T/τ)C = rc /(r+r) (13) Watak kapasitor sejati ini membuka peluang bagi kita untuk melakukan pengukuran terhadap konduktivitas berbagai jenis bahan dielektrik. Pengukuran langsung dengan menggunakan hukum Ohm sulit dilakukan karen arus listrik yang terjadi amat kecil. Cara pengukurannya akan kita bahas kemudian. Sebagai contoh konkrit, ambillah bahan dielektrik berupa mika yang memiliki konstanta dielektrik ε r = 6, dan konduktivitas σ berorde mho/meter. Kapasitansi C ditentukan oleh watak bahan dielektrik dan bentuk geometrinya, demikian pula resistansi r tergantung pada watak konduksi bahan dan bentuk geometrinya (1). Dengan demikian suku pertama di ruas kanan pada persamaan (9) dapat ditunjukkan sama dengan nisbah : 1/(r.C) = σ/ε (14) di mana ε adalah permitivitas listrik bahan dielektriknya, ε = ε r.ε 0 (ε 0 = 8, F/m). Suku persamaan (14) ini jika dihitung besarnya berorde 0,2 untuk mika, sehingga untuk τ = 1 µs penyimpangan konstanta waktu yang disebabkan adanya arus bocor ini hanyalah %, sebuah nilai penyimpangan yang amat kecil. Resistansi arus bocor kapasitor 1 µf dapat kita peroleh melalui persamaan (14) : r = 5 MΩ. Apabila resistor R yang kita tambahkan memiliki orde yang sama dengan r ini, misalnya kita memakai hambatan geser, pada saat hambatan geser bernilai sama dengan r tegangan pada kapasitor menunjukkan nilai separo dari sumber tegangannya. Cara inilah yang kemudian kita gunakan untuk mengukur konduktivitas bahan dielektrik. C 1 C 2 S V o Gambar 4. Kapasitor ideal terpasang seri Akibat lebih jauh dari adanya arus bocor ini dapat kita amati pada rangkaian kapasitor. Yang sangat menarik adalah efeknya pada rangkaian seri kapasitor yang dipakai

5 Kristal no.11/desember/ kapasitor ideal dua kapasitor seri akan memiliki muatan listrik yang sama banyak. Logikanya dapat diruntut dari elektroda kedua kapasitor yang terhubung oleh penghantar, yakni yang berada pada kotak bergaris putus-putus dalam gambar 4. Sebelum saklar ditutup konduktor yang berada dalam kotak putus-putus ini berada dalam keadaan netral, tak bermuatan listrik. Saat saklar ditutup, terjadilah induksi, akibatnya terjadi polarisasi muatan listrik dalam jumlah yang sama dengan muatan listrik yang berada di seberangnya. Konduktor dalam kotak putus-putus ini harus memiliki muatan positif dan negatif yang sama dalam keadaan terpolarisasi, karena berlakunya kekekalan muatan listrik. Adanya kebocoran arus pada masing-masing kapasitor mengubah pengertian dasar ini. Pada keadaan ajeg banyaknya muatan listrik pada kapasitor akan dikendalikan oleh resistansi bahan dielektrik pada masing-masing kapasitor. Analisanya dapat dimulai dari bentuk untai listrik kapasitor sejati, seperti yang ada pada gambar 5. Resistansi kawatkawat penghubung kita abaikan agar gagasan perbedaan antara kasus ideal dan sejati lebih mudah teramati. Hukum Kirchoff untuk arus listriknya : Gambar 5. Kapasitor sejati terpasang seri C 1 dv 1 /dt + i 1 = C 2 dv 2 /dt + i 2 (15) Mengingat i 1 = V 1 /r 1, i 2 = V 2 /r 2, dan V 1 = V 0 - V 2, persamaan (15) menghasilkan persamaan diferensial : dv 2 /dt + (1/T 0 )V 2 = V 0 /r 1 (C 1 +C 2 ) (16) di mana konstanta waktunya sekarang : T 0 = (C 1 +C 2 )(1/r 1 + 1/r 2 ) -1 (17) Penyelesaian persamaan diferensial (16) dapat kita tunjukkan (2) : V0 V 2 (t) = r + r [ r 2 + ( C 1 r 1 C 2 r 2 ) C + C e t / T 0] (18) sehingga muatan listrik yang dikandung oleh masing-masing kapasitor adalah : q 1 (t) = C 1 V 0 r + r [r 1 - ( C 1 r 1 C 2 r 2 ) C + C e t / T 0] (19)

6 Kristal no.11/desember/ q 2 (t) = C V r + r [r 2 + ( C 1 r 1 C 2 r 2 ) C + C e t / T 0] (20) Untuk menberi arti pada persamaan (19) dan (20) sebaiknya kita mengingat kembali persamaan (14). Hasil kali r dan C hanya bergantung pada watak elektrostatik dan konduktivitas listrik bahan dielektrik yang berada dalam kapasitor itu. Jadi apabila kedua kapasitor yang kita pasang seri itu menggunakan bahan dieklektrik yang sama, r 1 C 1 = r 2 C 2 = ε/σ, sehingga akibatnya dapat kita tunjukkan melalui persamaan (19) dan (20) bahwa muatan listrik kedua kapasitor itu sama banyak, q 1 = q 2, tetap seperti yang terjadi pada kapasitor ideal. Penyimpangan dari kondisi ideal dengan demikian hanya terjadi jika bahan dielektrik kedua kapasitor itu berbeda. Pada kasus ini nisbah muatan listrik kedua kapasitor itu dalam keadaan ajeg adalah : q 1 /q 2 = r 1 C 1 /r 2 C 2 = (ε 1 /ε 2 )(σ 2 /σ 1 ) (21) Misal bahan dielektrik yang dipakai adalah mika dan kaca. Konstanta dielektrik dan konduktivitas listrik kaca berturut-turut 4,5 dan mho/meter. Nisbah muatan listrik yang dikandung kedua kapasitor yang terpasang seri itu : (6/4,5)(10-10 /10-11 ) = 40/3, kapasitor mika akan bermuatan listrik 13 kali lebih banyak daripada kapasitor berbahan dielektrik kaca. Untuk memperoleh gagasan kapan keadaan ajeg ini tercapai, kita ambil kapasitansi kedua kapasitor itu sama besar, 1 µf. Kapasitor mika sudah kita hitung sebelumnya memiliki hambatan dalam 5 MΩ. Kapasitor kaca dengan cara yang sama kita dapatkan hambatan dalamnya 400 kω. Harga-harga ini memberikan konstanta waktu T 0 = 0,74 detik. Jadi keadaan ajeg baru dicapai setelah saklar ditutup sekitar 7 detik. Tampak jelas sekarang bahwa kapasitor sejati memiliki watak-watak berbeda dengan kapasitor ideal. Lebih jauh, dari tulisan ini kita dapat mengambil kesimpulan bahwa keadaan ideal suatu model dapat berbeda sekali dengan keadaan sesungguhnya. Tetapi dalam batas-batas tertentu, keadaan ideal masih dapat digunakan untuk mempermudah masalah. Bagaimanapun juga, model ideal masih kita perlukan untuk memulai belajar tentang suatu gejala, karena sifatnya yang sederhana dan mudah dicerna penalarannya. Tentang nanti akan diperluas ke keadaan sebenarnya, penguasaan model ideal akan sangat membantu perluasan pengertian seperti itu. Hal ini tampak sangat jelas pada ulasan dalam tulisan ini yang memperluas pengertian model ideal kapasitor ke kondisi sejati yang sebenarnya terjadi di lapangan. Permodelan kapasitor sejati dapat dibangun di atas dasar yang berupa model kapasitor ideal. Daftar Pustaka : 1. Sugata Pikatan, Fisika II, diktat fisika fakultas Teknik Universitas Surabaya, A.P. French, Are the Textbook Writes Wrong about Capacitors?, The Physics Teacher, vol.31, Maret * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *