Kapasitor sma12fis Fisika Drajat

115 Listrik Statis Gambar 2.16 konduktor dua plat sejajar Gambar di atas menunjukkan dua pelat konduktor sejajar yang luas setiap pelatnya A dan terpisah sejauh d dengan kuat medan listrik di antara pelat E. Beda poten- sial V antara kedua pelat sejajar tersebut dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan usaha. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan sebuah muatan q dari pelat bermuatan negatif ke pelat bermuatan positif adalah Usaha untuk memindahkan muatan q sejauh d dengan gaya F adalah dengan F = qE sehingga W 12 = qEd Dari kedua persamaan usaha tersebut diperoleh q V 2 – V 2 = qEd atau V 2 – V 1 Ed Beda potensial V 2 –V 1 in dapat ditulis sebagai beda poten- sial V antara kedua pelat. Jadi,

E. Kapasitor

1. Mengenal Kapasitor

Kapasitor adalah komponen listrik yang digunakan untuk- menyimpan muatan listrik. Secara prinsip, kapasitor terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat disebut juga bahan dielektrik. Kedua konduktor itu diberi muatan sama besar, tetapi berlawanan tanda yang satu bermuatan +, lainnya ber- muatan − . Kemampuan kapasitor menyimpan muatan dinyatakan oleh besaran kapasitas kapasitansi yang umumnya diukur dalam satuan mikrofarad satau pikofarad pF. 1 = 10 -6 F 1pF = 10 -6 F Gambar 2.17 Gaya elektrostatis antara dua oelat konduktr yang muatannya tidak sejenis Di unduh dari : Bukupaket.com 116 Fisika untuk SMAMA kelas XII 1 = 1.000.000 pF Beberapa penggunaan kapasitor dalam berbagai fungsi kapasitor dalam berbagai rangkaian listrik adalah sebagai berikut. a. untuk memilih frekuensi pada radio penerima; b. sebagai filter dalam catu daya power supply; c. untuk menghilangkan bunga api pada sistem penga- pian mobil; d. sebagai penyimpan energi dalam rangkaian penyala elektronik. Kapasitor terdiri dari berbagai bentuk, ukuran, dan jenis disesuaikan dengan penggunaannya dalam praktek. Berikut ini dibahas tiga jenis kapasitor yang sering di- gunakan dalam praktek, yaitu kapasitor kertas, kapasitor elektrolit, dan kapasitor variabel.

a. Kapasitor Kertas

Kapasitor kerta terdiri dari dua lembar kertas timah pan- jang yang berfungsi sebagai pelat-pelat konduktor. Kertas timah ini digulung pada sebuah silinder yang diantaranya diberi penyekat kertas. Jadi, kertas berfungsi sebagai bahan penyekat di antara kedua pelat. Kapasitor jenis ini memiliki kapasitansi sebesar 0,1 .

b. Kapasitor Elektrolit

Kapasitor elektrolit terdiri dari dua lembar kertas aluminium Sumber : CD Encar ta , 2004 Gambar 2.18 Berbagai jenis kapasitor Di unduh dari : Bukupaket.com 117 Listrik Statis sebagai pelat konduktor dan aluminium oksida yang diproses secara kimia sebagai bahan penyekat. Satu pelat konduktor diberi tanda + dan pelat ini harus diberi mua- tan positif. Apabila diberi muatan negatif maka bahan penyekatnya akan rusak. Kapasitor jenis ini memiliki kapasitas paling tinggi sampai 100.000 pF.

c. Kapasitor Variabel

Kapasitor variabel digunakan untuk memilih frekuensi gelombang pada radio penerima. Kapasitor ini memiliki dua kumpulan pelat-pelat logam pararel sebagai pelat konduktor yang dipisahkan oleh udara udara sebagai bahan penyekat. Kumpulan pelat yang satu ditahan tetap agar tidak dapat bergerak dan kumpulan pelat lainnya dapat diputar sehingga nilai kapasitansinya dapat berubah. Nilai maksimum kapasitansinya sampai dengan 0,0005 500 pF. 2. Kapasitor dan Faktor-Faktor yang Mempengaruhin- ya Kapasitor adalah komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan muatan lsitrik dan kemampuannya untuk menyimpan muatan lsitrik dinyatakan oleh besaran atau kapasitansi. Kapasitas C didefinisikan sebagai perband- ingan antara muatan q yang tersimpan dalam kapasitor dan beda potensial antara kedua konduktornya V. Oleh karena satuan muatan q adalah coulomb dan satuan beda potensial V adalah volt. Maka, satuan kapasitas adalah coulombvolt diberi nama farad F. Jadi, 1 farad = 1 coulombvolt Sebuah kapasitor dimuati oleh baterai 3 volt sehingga bermuatan 0,6 . Tentukanlah: a. kapasitas kapasitor; b. muatan yang tersimpan dalam kapasitor apabila dimuati oleh beterai 12 volt. Contoh Soal 2.11 Di unduh dari : Bukupaket.com 118 Fisika untuk SMAMA kelas XII Jawaban: Diketahui: V 1 = 3 volt q 1 = 0,6 = 6 0, 6 10 − × C a. b. Kapasitas kapasitor pada suatu medium tidak bergantung pada q maupun V. Dengan demikian, apabila V diperbesar n kali semaula maka q akan menjadi n kali pula, sedangkan C tetap.

a. Kapasitas Kapasitor Pelat Sejajar

Perhatikan gambar berikut ini. Gambar tersebut menunjukkan dua pelat konduktor yang disebut dengan kapasitor pelat sejajar. Apabila masing- masing pelat diberi muatan +q dan –q, beda potensial kedua pelat V, luas tiap pelat A, dan jarak pisah kedua pelat d, kapasitas kapasitor pelat sejajar dapat diturunkan persamaannya. dengan cara mensubtitusikan nilai dan akan diperoleh sebagai berikut. sehingga Keterangan: C = kapasitas kapasitor pelat sejajar farad E = permisivitas ruang hampa = 12 8,85 10 − × A = luas setiap pelat m 2 Gambar 2.19 Kapastor pelat sejajar dengan zat padat sebahai baham elektrik Di unduh dari : Bukupaket.com 119 Listrik Statis d = jarak pisah kedua pelat m

b. Dielektrik

Delektrik adalah bahan isolator yang memisahkan kedua pelat konduktor pada suatu kapasitor pelat sejajar. Ka- pasitor suatu kapasitor bergantung pada bahan dielektrik yang digunakan.Kapasitor yang menggunakan dielektrik kaca, mika, atau karet memiliki kapasitas yang lebih besar dibandingkan dengan kapasitor lain yang berukuran sama, tetapi menggunakan udara sebagai dielektriknya. Efisiensi relatif suatu bahan sebagai dielektrik di- tunjukkan oleh konstanta dielektrik K dan permisivitas bahan. Konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai perbandingan antara kapasitas kapasitor pelat sejajar yang menggunakan dielektrik dari bahan tersebut dan kapasitor pelat sejajar yang menggunakan udara seba- gai dielektriknya. Secara matematis, persamaannya dapat ditulis sebagai berikut. atau C’ = KC dengan: K = konstanta dielektrik = atau disebut permisivi- tas relatif bahan = C ’ = kapasitas kapasitor yang menggunakan dielektrik dari bahan tertentu C = kapasitas kapasitor yang menggunakan dielektrik dari udaraApabila di antara kedua pelat sejajar disisipkan Tabel 2.2 Tabel Hasil Pengukuran Kuat Arus Listrik Bahan Konstanta Dielektrik, K Vakum Udara 1 atm Parafin Polystyrene Karet Plastik Kertas 1,0000 1,0006 2,2 2,6 6,7 2-4 3,7 Di unduh dari : Bukupaket.com 120 Fisika untuk SMAMA kelas XII Jarak pelat dalam suatu kapasitor pelat sejajar berisi udara 2 mm. Luas masing-masing pelat 200 cm 2 . Pelat kapasitor diberi beda potensial 100 V. Kemudian, dilepaskan dari sumber tegangan dan ruang antara kedua pelat diisi oleh dielektrik dengan tetapan dielektrik 20. Tentukanlah: a. kapasitas kapasitor C sebelum diberi dielektrik; b. muatan q pada setiap pelat; c. kuat medan listrik E sebelum diberi dielektrik; d. kapasitas kapasitor C ’ setelah diberi dielektrik; e. permisivitas bahan dielektrik E ; f. beda potensial pelat V’ setelah diberi dielektrik; g. kuat medan listrik E’ setelah diberi dielektrik. Jawaban: Diketahui: = 12 8,85 10 − × C2N -1 m -2 V = 100 V d = 2 mm = 3 2 10 − × m K = 20 A = 200 cm 2 = 2 2 10 − × m 2 Contoh Soal 2.12 Apabila di antara kedua pelat sejajar disisipkan bahan dielektrik dengan permisivitas bahan E , persamaannya dapat diubah menjadi A C d E = Kapasitas kapasitor pelat sejajar bergantung pada dimensi kapasitor luas pelat dan jarak pelat, serta bahan yang mengisi antara kedua pelat. Kapasitor tidak bergan- tung pada muatan yang tersimpan dalam kapasitor dan beda potensial antara kedua pelatnya. Quartz Minyak Kaca Porselen Mika Air 4,3 4 5 6-8 7 80 Di unduh dari : Bukupaket.com 121 Listrik Statis

3. Susunan Kapasitor

Begaimana mengukur pada kapasitor? Dua atau lebh kapa- sitor dapat disusun secara seri berderet,pararel sejajar, atau gabungan antara seri dan pararel.

a. Susunan Seri Kapasitor

Dua kapasitor yang disusun seperti gabar berikut dinama- kan susunan seri. Kita dapat mengganti dua buah kapasitor itu dengan sebuah kapasitor pengganti yang memiliki kapasitas C s . Pada susunan seri kapasitor berlaku: 1 Muatan pada tiap-tiap kapasitor adalah sama yaitu sama denga muatan pada kapasitor pengganti. q = q 1 = q 2 2 Beda potensial pada ujung-ujung kapasitor pengganti sama dengan jumlah beda potensial ujung-ujung tiap- tiap kapasitor. V = V 1 + V 2 Perhatikan gambar a dengan menggunakan persamaan a. b. c. d. e. f. g. Gambar 2.20 a. Dua kapasitor pelat sejajar C 1 danC 2 disusunseri b. Kapasitor pengisi... dariC 1 dan C 2 disusun seri Di unduh dari : Bukupaket.com 122 Fisika untuk SMAMA kelas XII . Maka, kita akan memperoleh Perhatikan gambar b Dengan menggunakan persa- maan . Maka, kita akan memperoleh Dengan memasukkna nilai V, V 1 , dan V 2 ke dalam persamaan V = V 1 + V 2 . Maka, kita akan memperoleh persamaan: Apabila kedua persamaan dibagi dengan q. Maka, Apabila kita kembangkan susunan seri dengan tiga atau lebih kapasitor maka kapasitas pengganti susunan seri dapat dibuat persamaannya sebagai berikut. Secara umum, kapasitas kapasitor pengganti dari kapasitor-kapasitor yang disusun secara seri dapat dibuat persamaannya sebagai berikut. Di unduh dari : Bukupaket.com 123 Listrik Statis Jadi, kapasitas pengganti susunan seri beberapa buah kapasitor selalu lebih kecil daripada kapasitas tiap-tiap kapasitor. Ini berarti, untuk mendapat kapasitas terkecil maka kapasitas kapasitor disusun seri.

b. Susunan Pararel Kapasitor Dua kapasitor yang disusun pada gambar a berikut ini

disebut susunan pararel. Kiat dapat mengganti dua buah kapasitor itu dengan sebuah kapasitor pengganti yang memiliki kapasitas C p . Pada susunan pararel kapasitor berlaku: Pada susunan pararel kapasitor berlaku: 1 Beda potensial tiap-tiap kapasitor sama, dan bernilai sama dengan potensial sumber. V = V 1 + V 2 2 Muatan kapasitor sama dengan jumlah muatan tiap- tiap kapasitor. q = q 1 + q 2 Perhatikan gambar b berikut Dengan menggunakan persamaan Perhatikan pula gambar c . Beda potensial ujung-ujung kapasitor pengganti juga V sehingga kita peroleh: Dengan cara memasukkan nilai q, q 1 , dan q 2 ke dalam persamaan V = V 1 + V 2 . Maka, kita akan memperoleh persamaan: C p = C 1 V + C 2 V Apabila kedua persamaan dibagi dengan V. Maka, C p = C 1 + C 2 Apabila kita kembangkan susunan pararel dengan tiga atau lebih kapasitor maka kapasitas pengganti pararel dapat dibuat persamaannya berikut ini. Gambar 2.21 a. Dua kapasitor plat sejajar C 1 dan C 2 disusun pararel b. Kapasitor pengisi dari C 1 dan C 2 disusun pararel Di unduh dari : Bukupaket.com 124 Fisika untuk SMAMA kelas XII Jadi, kapasitas pengganti susunan pararel dengan tiga buah kapasitor selalu lebih besar daripada kapasitas tiap-tiap kapasitor. Ini berarti, untuk mendapat kapasitas terbesar maka kapasitor-kapasitor disusun pararel. Secara umum, kapasitas kapasitor pengganti dari kapasitor-kapasitor yang disusun secara pararel dapat ditulis persamaannya sebagai berikut.

4. Energi yang Tersimpan dalam Kapasi- tor

Sebuah kapasitor yang bermuatan memiliki energi po- tensial yang tersimpan di dalamnya. Apabila salah satu muatannya kita bebaskan mulai dari keadaan diam dari satu keping ke keping lainnya maka energi potensialnya semakin besar selama muatan itu berpindah. Kita akan menghitung berapa banyak energi yang tersimpan dalam kapasitor. Perhatikan sebuah kapasitor keping sejajar yang mula- mula tidak bermuatan sehingga beda potensial awal antara kedua keping nol. Sekarang bayangkan bahwa kapasitor dihubungkan ke baterai untuk memberi muatan maksimum q. Kita anggap sedikit demi sedikit muatan dipindahkan dari salah satu keping ke keping yang lain. Setelah muatan q dipindahkan, beda potensial akhir antara kedua leping ialah . Beda potensial awal adalah nol sehingga beda potensial rata-rata selama proses pemindahan muatan ini adalah Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan q adalah hasil kali beda potensial rata-rata dengan muatan yang sudah dipindahkan: Di unduh dari : Bukupaket.com 125 Listrik Statis Oleh karena q = CV maka Oleh karena maka Secara lengkap persamaan energi yang tersimpan dalam kapasitor energi potensial adalah: Dua kapasitor 3 dan 5 disusun seri dan beda potensial 110 V dipasang pada rangkaian ini. Hitung energi yang tersimpan dalam sistem. Jawaban: Mula-mula kita hitung kapasitas pengganti susunan seri dengan persamaan Kemudian, energi yang tersimpan dalam sistem dihitung dengan persamaan Contoh Soal 2.13 Di unduh dari : Bukupaket.com 126 Fisika untuk SMAMA kelas XII Listrik statis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan diam. Atom terdiri atas inti yang bermuatan positipdan dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif. Di dalam inti atom terdapat proton yang bermuatan positip dan Neutron yang tidak bermuatan netral. Suatu benda dikatakan bermuatan listrik negatif, jika benda tersebut kelebihan elektron. Adapun benda dikatakan bermuatan listrik positip, jika benda tersebut kekurangan elektron. Benda netral adalah benda yang jumlah muatan positipnya sama dengan jumlah muatan negatipnya.. Gaya Coulomb adalah gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antar-dua muatan listrik Medan listrik adalah ruang di sekitar benda bermuatan listrik tempat benda-benda bermuatan listrik lainnya akan mengalami gaya listrik. Besarnya kuatmedan listrik E di definisikan sebagai hasil bagi antara gaya Coulomb F yang bekerja pada muatan uji dan besarnya muatan uji tersebut q’. Kuat medan listrik di dalam konduktor bola berongga berjaari-jari R adalah Ringkasan Potensial listrik akibat sebuah muatan titik adalah energi potensial per satuan muatan di titik tersebut. Potensial listrik di dalam konduktor bola berongga yang berjari-jari R. Kapasitansi kapasitor adalah kemampuan suatu kapasitor untuk memperoleh dan menyimpan muatan listrik. Konstanta dielektrik suatu bahan dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara k a p a s i t a s k a p a s i t o r p e l a t s e j a j a r y a n g menggunakan dielektrik dari bahan tersebut dan kapasitor pelat sejajar yang menggunakan udara sebagai dielektriknya. atau Kapasitas kapasitor didefinisikan sewbagai perbandingan tetap antara muatan q yang tersimpan dalam kapasitor dan beda potensial antara kedua konduktornya V. Energi yang tersimpan pada kapasitor. Di unduh dari : Bukupaket.com 127 Listrik Statis

A. Pilihlah satu jawaban yang benar