Materi ajar Kapasitor
A. Kapasitor 1. Pengertian kapasitor Kapasitor atau sering juga disebut kondensator adalah alat (komponen) yang dibuat sedemikian sehingga mampu menyimpan muatan listrik. Sebuah kapasitor terdiri atas lempeng-lempeng logam yang disekat satu sama lain dengan isolator. Isolator penyekat itu sering disebut zat dielektrik. Lempengan yang dihubungkan dengan muatan positif memperoleh muatan positif, sebab elektron-elektron dari lempeng masuk ke kutub positif baterai, sedangkan lempeng yang dihubungkan dengan kutub negatif menerima aliran elektron dari kutub negatif baterai, sehingga memperoleh negatif. Besar muatan positif pada salah satu lempeng sama dengan muatan negatif pada lempeng yang lain 2. Simbol dan satuan Kapasitor Simbol kapasitor yang sering digunakan ialah terdiri dari empat simbol, yang masing-masing simbolnya memiliki pengertian yang berbeda-beda yang disesuaikan dengan kegunaan dan cara kerja nya. Beberapa simbol kondensator atau yang biasa disebut dengan kapasitor adalah sebagai berikut : simbol kapasitor (Capacitor), simbol Kapasitor elektrolit (Electrolite Condenser) atau biasa disebut ELCO, Kapasitor Variabel (Variable Capacitor) dan Kapasitor
Trimmer (Trimmer Capacitor). Seperti yang kita ketahui bahwa kapasitor atau kondensator ini merupakan salah satu alat yang dapat menyimpan berbagai macam energi di dalam suatu medan listrik dengan mengumpulkan segala ketidakseimbangan dalam suatu muatan listrik secara internal, yang memiliki satuan hitung sendiri yaitu satuan yang bernama farad. Contoh Beberapa Simbol Kapasitor Kapasitor pada umumnya memiliki 2 garis lurus horizontal yang memiliki posisi sejajar yang melambangkan muatan listrik, yang dipisahkan oleh 2 garis sejajar vertikal melambangkan komponen dielektrik, pada garis horizontal sebelah kiri memiliki muatan positif, sedangkan yang sebelah kanan adalah muatan negatif. Selain itu terdapat beberapa simbol untuk kapasitor dengan jenis lain yaitu : Electrolit Condensator ( Kapasitor Elektrolit) Simbol Kapasitor Elektrolit memiliki simbol yang hampir mirip dengan kapasitor biasa pada umumnya, tetapi dilengkapi dengan 2 resistor di masing-
masing muatan listriknya yang bertujuan untuk menahan arus listrik dan menyaring arus tersebut untuk menghalau muatan arus DC dan membiarkan arus AC. Variable Capacitor (Kapasitor Variabel) Simbol Kapasitor Variabel juga sama memiliki simbol yang hampir mirip dengan kapasitor biasa pada umumnya, tetapi pada kedua komponen dielektriknya di lalui tanda panah serong ke atas kanan yang menandakan bahwa kapasitor ini menggunakan udara sebagai intinya. Capacitor Trimmer (Kapasitor Trimmer) Simbol kapasitor trimmer sama dengan simbol yang dimiliki oleh kapasitor variabel yang membedakannya adalah ujung garisnya tidak berbentuk panah tapi garis yang terbentuk seperti huruf T. Yang mana kapasitor jenis ini dapat di set melalui alat bantu berupa obeng. 3. Kapasitas Kapasitor keping Seping Sejajar Muatan (q) yang tersimpan dalam kapasitor sebanding dengan potensial listrik (V) pada kedua pelat. Makin besar muatan, makin besar pula potensial listriknya. Perbandingan antara muatan yang tersimpan dalam kapasitor dan potensial listrik antara kedua keping merupakan bilangan yang tetap yang disebut kapasitansi atau kapasitas (C) kapasitor. Persamaanya: Keterangan: C = kapasitas kapasitor (farad) q = muatan lsitrik yang tersambung (coulomb) V = beda potensial listrik (volt)
1. Kapasitas Kapasitor Keping Sejajar Kapasitor keping sejajar tersusun atas dua keping konduktor dengan luas tiaptiap keping A, jarak antara kedua keping tersebut d, dan diberi muatan sama besar tetapi berlawanan jenis. Kuat medan (E) kapasitor keping sejajar adalah: Beda potensial listrik (V) kapasitor keping sejajar adalah: Kapasitas kapasitor dengan bahan penyekat berupa udara: Kapasitas kapasitor dengan bahan penyekat selain udara: Beda potensial kedua keping sesudah disisipi bahan penyekat selain udara dituliskan sebagai berikut: Keterangan: C = kapasitas kapasitor keping sejajar (F) ε 0 = permitivitas udara/vakum ε r ε = permitivitas relatif bahan penyekat = permitivitas bahan A = luas tepi keping pelat (m 2 )
d = jarak pisah kedua keping (m) C b = kapasitas kapasitor dengan penyekat selain udara (F) V b = beda potensial listrik kedua keping kapasitor dengan bahan penyekat selain udara (V) 2. Kapasitas Kapasitor Bola Beda potensial listrik antara kedua bola pada kapasitor berbentuk bola berongga bermuatan q adalah: Beda potensial listrik kapasitor berbentuk bola pejal bermuatan q dan berjarijari R: 3. Kapasitas Kapasitor Silinder Kapasitas kapasitor berbentuk silinder dengan jari-jari silinder kecil = a dan jari-jari silinder besar = b dapat ditentukan dengan: B. Susunan kapasitor Susunan kapasitor dapat berupa rangkaian seri maupun rangkaian paralel. Di pasaran banyak kita jumpai kapasitor yang nilai kapasitasnya bermacammacam, dari yang kecil yaitu dalam ukuran piko farad (pf), nano farad (nf), dan
mikro farad (μf). Akan tetapi kadang-kadang yang ada di pasaran tidak cocok dengan yang kita butuhkan, sehingga kita dapat menyusun kapasitor itu sedemikian rupa memiliki kapasitas yang kita butuhkan. Dalam rangkaian listrik ataupun rangkaian elektronika, kapasitor dapat disusun dalam dua cara, yaitu susunan seri dan paralel, tetapi dapat juga disusun gabungan susunan seri dan paralel. 1. Susunan Kapasitor Seri Susunan seri diperoleh dengan saling menghubungkan elektroda-elektroda (kaki-kaki kapasitor) secara berurutan seperti tampak pada gambar dibawah. Tiga buah kapasitor yang kapasitasnya masing-masing C1, C2, dan C3 disusun seri dan dihubungkan dengan sumber tegangan yang mempunyai beda potensial V. Ketiga buah kapasitor itu bisa diganti dengan sebuah kapasitor yang dapat kita sebut kapasitas pengganti hubungan seri dan diberi lambang Cs. Besarnya kapasitas kapasitor pengganti hubungan seri dapat dicari sebagai berikut. Gambar. Kapasitor susunan seri Pada kapasitor yang dihubungkan seri, besarnya muatan yang terkandung pada tiap kapasitor adalah sama, karena muatan pada tiap keping kapasitor yang saling berdekatan saling meniadakan. Oleh karena itu, persamaan rangkaian seri kapasitor berlaku :
2. Susunan Kapasitor Pararel Beberapa kapasitor disusun paralel apabila keping-keping kapasitor yang bermuatan sejenis digabungkan menjadi satu, yaitu kutub positif dijadikan satu dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan dan kutub negatif dijadikan satu dihubungkan dengan kutub negatif sumber tegangan seperti tampak pada gambar berikut. Gambar. Kapasitor disusun pararel Tiga buah kapasitor yang kapasitasnya masing-masing C 1, C 2, dan C 3 disusun paralel dan dihubungkan dengan sumber tegangan yang mempunyai beda potensial V. Ketiga buah kapasitor itu dapat diganti dengan sebuah kapasitor yang dapat
kita sebut kapasitor pengganti hubungan paralel dan diberi lambang C p. Besarnya kapasitas kapasitor pengganti hubungan paralel dapat dicari sebagai berikut. Rumus dari Rangkaian Paralel Kapasitor (Kondensator) adalah : C total = C 1 + C 2 + C 3 + C 4 +. + C n Dimana : C total = Total Nilai Kapasitansi Kapasitor C 1 C 2 C 3 C 4 C n = Kapasitor ke-1 = Kapasitor ke-2 = Kapasitor ke-3 = Kapasitor ke-4 = Kapasitor ke-n
C. Energi yang Tersimpan Pada Kapasitor Biasanya kerja untuk memuati dilakukan oleh baterai atau akumulator, dengan memanfaatkan energi kimia dalam baterai tersebut. Misalkan pada waktu t sebuah muatan q (t) telah dipindahkan dari sebuah plat ke plat lain. Beda potensialnya menjadi U(t) = q (t)/c. Jika suatu penambahan muatan ekstra dq dipindahkan, maka sejumlah kecil kerja tambahan yang diperlukan adalah: dw =Udq = (q /C)dq. Jika proses ini diteruskan sampai muatan total q dipindahkan maka kerja totalnya adalah: Dari persamaan q=cu, didapat: W= U = ½ CU 2 Di dalam sebuah kapasitor plat sejajar, dengan mengabaikan pinggiran, medan listrik di antara plat-platnya bersifat uniform, yaitu mempunyai nilai sama di semua titik. Maka kerapatan energinya, yang juga harus uniform, dapat ditulis: Dengan Ad adalah volume di antara plat-plat. Dari hubungan C = εoa/d dan E= U/d, maka persamaan di atas dapat dituliskan sebagai : u = ½ εoe2 Persamaan di atas berlaku umum, yaitu jika sebuah medan listrik E terdapat pada setiap titik di dalam ruang hampa udara, maka titik-titik tersebut dapat
dipikirkan sebagai tempat tersimpannya energi yang besarnya persatuan volume adalah: ½ ε o E 2 Energi yang tersimpan dalam kapasitor ( W ) dinyatakan dengan persamaan: Keterangan: W = energi yang tersimpan dalam kapasitor, dalam joule q = muatan pada kapasitor, dalam coulomb C = kapasitas kapasitor, dalam farad U = beda potensial, dalam volt Gambar ini memperlihatkan rangkaian percobaan sederhana untuk membuktikanfenomena energi yang tersimpan dalam kapasitor. Fenomena Energi Tersimpan dalam Kapasitor