LAPORAN R-LAB PENGISIAN DAN PELEPASAN MUATAN DI KAPASITOR

Transkripsi

1 LAPORAN R-LAB PENGISIAN DAN PELEPASAN MUATAN DI KAPASITOR Nama : Sesaria Marina Raissa NPM : Fakultas : Teknik Departemen : Teknik Sipil Kode Praktikum : LR 01 Tanggal Praktikum : 14 Oktober 2011 Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP-IPD) Universitas Indonesia Depok

2 PENGISIAN DAN PELEPASAN MUATAN DI KAPASITOR A. Tujuan Percobaan Percobaan ini dilakukan untuk: Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan. B. Peralatan yang Digunakan Kapasitor Resistor Amperemeter Voltmeter Variable power supply Camcorder Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis C. Landasan Teori Muatan Ketika benda-benda berada dalam keadaan saling bergesekan, seperti ketika keduanya digosokkan satu sama lain, elektron-elektron berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Apabila suatu benda mengalami kelebihan sejumlah elektron maka benda ini menjadi bermuatan negatif dan benda lainnya yang mengalami kekurangan elektron akan menjadi bermuatan

3 positif. Dalam proses ini, muatan tidak diciptakan tetapi hanya mengalami perpindahan. Muatan total dari kedua benda tidak berubah. Hukum kekekalan muatan merupakan suatu hukum dasar dari alam. Pada interaksi-interaksi tertentu antara partikel-partikel dasar (partikel elementer), partikel bermuatan seperti elektron akan diciptakan atau dianihilasi. Kapasitor Kapasitor adalah piranti yang berguna untuk menyimpan muatan dan energi. Kapasitor terdiri dari dua konduktor yang berdekatan tetapi terisolasi satu sama lain dan membawa muatan yang sama besar dan berlawanan. Kapasitor pertama untuk menyimpan muatan listrik yang besar adalah botol (jar) dengan lempengan emas di dalam dan di luarnya yang disebut Leyden jar. Kapasitor ini ditemukan pada abad ke-18 di Leyden (Belanda) oleh para eksperimentalis, yang ketika mempelajari pengaruh muatan listrik terhadap manusia dan hewan, mendapatkan ide untuk mencoba menyimpan sejumlah besar muatan ke dalam botol air. Prinsip Dasar Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.1, kapasitor akan menjadi hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutp, arus akan mengalir. Saat rangkaian tertutup, arus akan mengakibatkan kapasitor dimuati hingga saa dengan tegangan yang diberikan sebesar V 0. Sebaliknya, kapasitor akan melepaskan muatan melalui resistor saat rangkaian dibuka. Karakteristik tegangan pada kapasitor dapat diterangkan dengan fungsi eksponensial. Gbr.1. Rangkaian kapaitor dan resisitor arus searah Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah

4 Dengan τ adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi dan kapasitansi yang ditentukan dari besar hambatan Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan kapasitor Vc(t) turun secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat pada Gbr. 2 Konstanta waktu dapat dihitung berdasarkan kurva pengisian kapasitor. Tarik garis tangensial dari kurva pengisian pada titik t = 0 s dan tarik garis asimtot dari kurva pengisian. Buat garis yang tegak lurus dari titik perpotongan antara tangensial dengan garis asimtot ke sumbu x. Titik yang diperoleh pada sumbu adalah konstanta waktu. Gbr. 2. Kurva pengisian dan pelepasan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktu

5 Pada percobaan di R-Lab akan digunakan 4 buah model rangkaian, yaitu Model 1, 2, 3 dan 4. Untuk Model 1 dan 3 mengunakan kapasitor dengan kapasitasi yang sama, Untuk Model 2 dan 4 menggunakan kapasitor dengan kapasitasi yang sama. D. Prosedur Percobaan Percobaan RLab ini dilakukan dengan cara mengklik link RLab yang ada pada situs setelah user melakukan log in dan pergi menuju halaman course yang diikuti user. Kemudian akan terbuka halaman di mana user akan melakukan praktikum dengan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Menekan tombol video agar simulasi praktikum dapat dilihat oleh praktikan. 2. Mengatur model rangkaian yang digunakan, yaitu model Menghidupkan power supply dengan cara menekan tombol power supply yang tersedia di halaman. 4. Mengukur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian atau pelepasan kapasitor. 5. Mengulangi langkah 3 dan 4 untuk model rangkaian 2, 3 dan 4. E. Data Pengamatan Data pengamatan terlampir di bagian lampiran.

6 F. Pengolahan Data 1. Grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan. Untuk pengisian muatan pada kapasitor (charge) terjadi pada selang waktu antara 1 hingga 15 sekon. a) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengisian Kapasitor Model y = e x R² = Expon. () Waktu (s) b) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengisian Kapasitor Model 2

7 y = e 0.043x R² = Waktu (s) Expon. () c) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengisian Kapasitor Model y = e 0.036x R² = Waktu (s) Expon. () d) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengisian Kapasitor Model 4

8 y = e x R² = Waktu (s) Expon. () 2. Grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan. Untuk pelepasan muatan pada kapasitor (discharge) terjadi pada selang waktu antara 16 hingga 30 sekon. a) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor Model 1 Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor untuk Model y = e x R² = Waktu (s) Expon. ()

9 b) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor Model 2 Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor untuk Model y = e x R² = Waktu (s) Expon. () c) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor Model 3 Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor untuk Model y = x R² = Waktu (s) Linear () d) Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor Model 4

10 2.5 2 Grafik Tegangan terhadap Waktu saat Pengosongan Kapasitor untuk Model y = x R² = Waktu (s) Linear () 3. Besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva yang dibuat dan besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai komponen R dan C beserta perbandingan hasilnya. a) Besar Konstanta Waktu dari Rangkaian Kapasitor Model 1 o Pengisian (charge) (x menunjukkan variabel waktu t) o pengosongan (discharge) (x menunjukkan variabel waktu t) b) Besar Konstanta Waktu dari Rangkaian Kapasitor Model 2 o pengisian (charge) (x menunjukkan variabel waktu t)

11 o pengosongan (discharge) (x menunjukkan variabel waktu t) c) Besar Konstanta Waktu dari Rangkaian Kapasitor Model 3 o pengisian (charge) (x menunjukkan variabel waktu t) o pengosongan (discharge) Tidak dapat dicari, karena tidak dapat dibuat trendline untuk persamaan eksponensialnya. d) Besar Konstanta Waktu dari Rangkaian Kapasitor Model 4 o pengisian (charge) (x menunjukkan variabel waktu t) o pengosongan (discharge) Tidak dapat dicari, karena tidak dapat dibuat trendline untuk persamaan eksponensialnya. e) Besar Konstanta Waktu yang Dihitung dari Nilai Komponen R dan C Besar kosntanta waktu melalui perhitungan rumus τ = R C, tidak dapat dicari karena besar dari resistor yang digunakan pada tiap model tidak diketahui. Hal ini membuat kosntanta waktu τ tidak dapat dihitung. Dengan tidak dapatnya kosntanta waktu τ untuk dihitung, maka nilai τ dari kurva pengisian dan pelepasan muatan di kapasitor pun tidak dapat dibandingkan dengan nilai τ dari perhitungan. G. Analisa Data 1. Percobaan

12 Pada percobaan Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor memiliki tujuan untuk melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan. Percobaan ini menggunakan empat macam model rangkaian dengan kapasitor yang memiliki kapasitansi yang berbeda-beda. Untuk model rangkaian satu dan tiga, digunakan kapasitor dengan besar kapasitansi yang sama (C 13 ). Berbeda dengan model satu dan tiga, model dua dan empat memiliki kapasitor dengan besar kapasitansi yang berbeda dari model satu dan tiga namun sama satu dengan yang lainnya (C 24, dengan C 13 C 24 ). Sebelum menyalakan power supply, dalam simulasi percobaan dilakukan pengaturan model rangkaian yang akan digunakan. Setelah mengatur model rangkaian, praktikan menyalakan power supply dan melakukan pengukuran. Sama halnya dengan model rangkaian yang lain, memilih model rangkaian yang diinginkan, menyalakan power supply dan melakukan pengukuran sampai terdapat data dari keempat model rangkaian yang digunakan di dalam percobaan. Ada pun beberapa kesulitan yang praktikan alami selama percobaan: Tidak hadirnya praktikan secara langsung di area percobaan membuat praktikan sulit mengerti apa yang terjadi selama percobaan berlangsung. Video yang disajikan pada RLab kurang begitu jelas dan kualitasnya kurang baik sehingga praktikan tidak dapat melihat dan mengerti akan tahapan pengerjaan percobaan. Selain itu, praktikan tidak dapat memahami apa yang terlihat di video seperti perbedaan model rangkaian dan mana yang merupakan voltmeter, amperemeter, kapasitor dan resistor. Ketidakhadiran praktikan secara langsung juga membuat praktikan tidak mengetahui keadaan lingkungan di area percobaan sehingga praktikan tidak mengetahui apakah ada gangguan dari luar atau kesalahan lainnya. 2. Hasil Percobaan Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor ini menghasilkan sebanyak 120 data dengan masing-masing 30 data untuk setiap model (terdapat 4 model). Masingmasing model teridiri dari 15 data pengisian muatan dan 15 data pelepasan muatan. Pengisian muatan pada kapasitor berlangsung pada detik ke satu hingga ke lima belas. Sedangkan untuk pelepasan muatan berlangsung pada detik ke enam belas hingga ke detik tiga puluh. Melalui grafik besar tegangan terhadap waktu (V vs t) pada pengisian dan pengosongan kapasitor bisa didapat besat konstanta waktu τ melalui rumus

13 Melalui grafik didapat persamaan eksponensial dimana besar konstanta waktu τ dapat dicari dengan cara Dengan begitu, nilai konstanta waktu τ dapat dicari. Besar konstanta waktu τ yang dihitung dari rumus τ = R C tidak dapat diperoleh akibat tidak diketahuinya besar hambatan R tiap model rangkaian. Walaupun nilai kapasitansi C diketahui C 13 dan C 24, tetap saja nilai τ tidak dapat dicari akibat masih tidak diketahuinya besar hambatan R tiap rangkaian. Hal ini membuat data τ dari grafik tidak bsia dibandingkan dengan τ dari hasil perhitungan. Namun, berdasarkan persamaan τ = R C dapat disadari bahwa besar hambatan R dan kapasitansi C berbanding terbalik dimana semakin besar hambatan makan besar kapasitansi menjadi semakin kecil dan sebaliknya. 3. Grafik Percobaan ini menggunakan delapan macam grafik, masing-masing dua untuk setiap model. Setiap model rangkaian memiliki dua grafik berupa grafik tegangan terhadap waktu pada saat pengisian dan pengosongan kapasitor. Setiap grafik praktikan mencari persamaan eksponensialnya yang nanti akan dipakai untuk perhitungan konstanta waktu τ. Untuk setiap grafik pengisian, praktikan dapat mencari persamaan eksponensialnya. Namun, untuk grafik pengosongan kapasitor praktikan hanya dapat mencari persamaan eksponensial dari grafik pengosongan model satu dan dua. Praktikan menggunakan fasilitas yang didapat di program Microsoft Excel untuk pencarian persamaan eksponensial. Pada saat pencarian persamaan eksponensial grafik pengosongan kapasitor model tiga dan empat, pilihan persamaan eksponensial tidak dapat digunakan atau unavailable. Hal ini membuat persamaan eksponensial grafik pengosongan kapasitor rangkaian model tiga dan empat tidak dapat dicari dan nilai konstanta waktu τ pun tidak dapat dicari. Persebaran data yang dimiliki kedelapan grafik ini praktikan anggap cukup baik dan relevan. Dengan garis persamaan eksponensial yang tidak menyimpang terlalu jauh dan tidak adanya nilai dari data yang membuat grafik tidak konsisten dan tidak wajar.

14 H. Kesimpulan Berdasarkan percobaan Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor ini dihasilkan beberapa data berikut: 1. Besar Konstanta Waktu τ saat Pengisian Muatan di Kapasitor a) Model 1 : s b) Model 2 : s c) Model 3 : s d) Model 4 : s 2. Besar Konstanta Waktu τ saat Pelepasan Muatan di Kapasitor a) Model 1 : 4.78 s b) Model 2 : s c) Model 3 : - d) Model 4 : - Didapat pula bahwa besar hambatan R berbanding terbalik dengan besar kapasitansi C. Sedangkan untuk besar konstanta waktu τ, tidak memiliki ketergantungan dengan besaran lainnya. I. Referensi Giancoli, Douglas C.. PHYSICS: Principles with Application - Sixth Edition. Upper Saddle River: Pearson-Prentice Hall. Tipler, Paul A FISIKA untuk Sains dan Teknik - Edisi Ketiga. Jakarta: Penerbit Erlangga.

15 J. Lampiran 1. Model Rangkaian 1 Waktu IC VC Model Rangkaian 2

16 Waktu IC VC Model Rangkaian 3 Waktu IC VC

17 Model Rangkaian 4 Waktu IC VC

18