Listrik Statis dengan Kapasitor

Halo, teman-teman! Kita bertemu kembali dalam pembahasan Fisika. Kali ini kita akan mengulik seputar listrik statis berkaitan dengan kapasitor. Wah, apa itu kapasitor, ya? Lalu, bagaimana contoh perhitungannya? Oke deh, yuk kita mulai pembahasannya~

1. Pengertian Kapasitor

     Kapasitor adalah suatu komponen listrik yang berperan dalam menyimpan muatan listrik sehingga sangat penting dan banyak dibutuhkan dalam bidang teknologi informasi dan komunikasi. Ketika kedua bagian kaki kapasitor dihubungkan ke sumber tegangan listrik, nantinya dapat menyimpan muatan listrik yang digunakan kemudian.

2. Cara Mengisi Kapasitor

Komponen kapasitor yang utama adalah dua buah pelat konduktor yang jaraknya berdekatan tetapi tidak saling melekat.  Muatan listrik yang berlawanan akan berkumpul pada masing-masing pelat ketika dihubungkan dengan sumber tegangan listrik. Dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Sumber : http://profmikra.org/?p=1504

Besarnya muatan listrik yang terkumpul di tiap pelat bergantung pada besaran yang dapat kita sebut sebagai kapasitansi (C). Kapasitansi dipengaruhi oleh bentuk kapasitor serta jenis material yang berada di antara dua pelat.

Ketika kapasitor tersebut dihubungkan dengan tegangan listrik maka muatan listrik akan berkumpul pada masing-masing pelat. Besar muatan pada setiap pelat sama, tetapi tandanya berlawanan. Satu pelat menyimpan muatan positif dan pelat lainnya menyimpan muatan negatif. Apabila tegangan yang diberikan semakin besar, maka muatan yang disimpan kapasitor akan semakin besar pula. 

Berikut contoh rangkaian ekuivalen untuk menentukan besar arus dan tegangan :

Sumber : https://www.tneutron.net/elektro/pengisian-dan-pengosongan-kapasitor/

Sesuai dengan hukum Kirchoff II tentang tegangan, maka jumlah tegangan dalam rangkaian tertutup sama dengan nol.

Jika V tetap maka arus menjadi i = (V / R) – (q / R . C)

Pada saat t = 0, q = 0, arus pada t = 0 disebut arus awal I0 = V / R

Karena muatan q makin besar maka q / R . C semakin besar dan arus semakin kecil, dan ketika arus I = 0 , maka V / R = q / R . C

3. Efek Bahan Dielektrik pada Kapasitor

Efek bahan dielektrik terhadap kapasitor yakni dapat meningkatkan kapasitansi kapasitor. Hal ini karena ketika bahan dielektrik diselipkan di sela-sela ruang kedua pelat yang berjarak, maka terjadi polarisasi muatan listrik dalam bahan dielektrik. Pada permukaan bahan dielektrik yang berhadapan dengan elektroda positif akan terbentuk lapisan bermuatan listrik negatif, sedangkan pada permukaan bahan dielektrik yang berhadapan dengan elektroda negatif akan terbentuk lapisan muatan positif. Hal ini akan membuat jumlah muatan pada masing-masing elektroda pun mengecil. Kita dapat melihatnya pada gambar berikut.

Sumber : http://profmikra.org/?p=1504

Akibat dari mengecilnya jumlah muatan ini membuat medan listrik di antara elektroda menjadi mengecil pula, sehingga muatan masih bisa ditambah lagi tanpa melampaui batas yang menimbulkan elektron terlepas dari elektroda. Hal ini dapat disimpulkan, jika jumlah muatannya mengecil, maka medan listrik di antara elektroda (ruang yang diisi oleh bahan dielektrik) juga akan menjadi lebih kecil.

Kapasitansi kapasitor tanpa bahan dielektrik dapat dihitung dengan rumus :

C = ε0 . A / d

Sementara itu, apabila ditambahkan bahan dielektrik akan menjadi :

C = K . ε0 . A / d

Dapat kita lihat, nilai kapasitansi dikalikan lagi dengan K, yaitu konstanta dielektrik yang disebut juga dengan "kappa". Adanya bahan dielektrik ini, membuat nilai kapasitansi kapasitor menjadi semakin besar meskipun jarak kedua pelat sangat jauh dan luas pelatnya tidak begitu besar.

4. Analisis Perhitungan Kapasitor

     Nah, teman-teman, setelah kita mengetahui bersama apa itu kapasitor, cara pengisiannya, dan juga efek yang ditimbulkan dengan adanya bahan dielektrik, maka berikut ini kita akan menganalisis bersama bagaimana suatu nilai kapasitansi kapasitor dapat dihasilkan. Kita dapat menggunakan file animasi Excel perhitungan kapasitor dari website berikut ini : http://profmikra.org/?p=1504 . Dari file tersebut kita dapat melakukan sejumlah percobaan dengan mengganti salah satu bagian yang ada, yakni bisa jarak pelat, tegangannya, ataupun luas pelat untuk memperoleh perbedaan nilai-nilai kapasitansi kapasitor. 

     Berikut contoh tabel perhitungan yang telah diuji. Dalam percobaan ini, saya dan teman-teman kelompok memilih untuk memberikan variasi pada luas pelat kapasitor (A), sementara itu untuk jarak antar pelat (d) dan juga tegangan listrik tetap dibuat sama apa adanya, sesuai dengan kondisi mula-mula sebelum diubah angkanya, yakni d = 0,1 mm dan tegangan listrik (V) = 7,5 volt. Untuk luas pelat, kami membuatnya menjadi 5 ragam dengan masing-masing selisihnya adalah 20 cm². Percobaan ini akan membantu kita memahami bagaimana luas pelat mempengaruhi hasil perhitungan nilai kapasitansi.

Tabel perbedaan luas pelat

Pembuktian perhitungan :

(No. 1)

Dik : d = 0,1 mm = 0,001 m = 10^-4 m

        V = 7,5 volt

        A = 30 cm² = 3 x 10^-3 m²

Dit : C = … ?

Dij :  

C = (ε0  .  A) / d

    = (8,85 . 10^-12 .  3 x 10^-3) / (10^-4)

    = (2,655 . 10^-14) / (10^-4)

    = 2,655 x 10^-10 F

(ubah ke bentuk nF)

    = 2,655 x 10^-10 x 10^9

    = 0, 2655 nF (terbukti)

    = 0,2655K nF apabila dengan bahan dielektrik

(No. 2)

Dik : d = 0,1 mm = 0,001 m = 10^-4 m

        V = 7,5 volt

        A = 50 cm² = 5 x 10^-3 m²

Dit : C = … ?

Dij :  

C = (ε0  .  A) / d

    = (8,85 . 10^-12 . 5 x 10^-3) / (10^-4)

    = (4,425 . 10^-14) / (10^-4)

    = 4,425 x 10^-10 F

(ubah ke bentuk nF)

    = 4,425 x 10^-10 x 10^9

    = 0,4425 nF (terbukti)

    = 0,4425K nF apabila dengan bahan dielektrik

(No. 3)

Dik : d = 0,1 mm = 0,001 m = 10^-4 m

       V = 7,5 volt

        A = 70 cm² = 7 x 10^-3 m²

Dit : C = … ?

Dij : 

C = (ε0  .  A) / d

    = (8,85 .  10^-12 .  7 x 10^-3) / (10^-4)

    = (6,195 .  10^-14) / (10^-4)

    = 6,195 x 10^-10 F

(ubah ke bentuk nF)

    = 6,195 x 10^-10 x 10^9

    = 0,6195 nF (terbukti)

    = 0,6195K nF apabila dengan bahan dielektrik

(No. 4)

Dik : d = 0,1 mm = 0,001 m = 10^-4 m

        V = 7,5 volt

        A = 90 cm² = 9 x 10^-3 m²

Dit : C = … ?

Dij : 

C = (ε0  .  A) / d

    = (8,85 .  10^-12 .  9 x 10^-3) / (10^-4)

    = (7,965 .  10^-14) / (10^-4)

= 7,965 x 10^-10 F

(ubah ke bentuk nF)

= 7,965 x 10^-10 x 10^9

  = 0,7965 nF (terbukti)

    = 0,7965K nF apabila dengan bahan dielektrik

(No. 5)

Dik : d = 0,1 mm = 0,001 m = 10^-4 m

        V = 7,5 volt

        A = 110 cm² = 1,1 x 10^-2 m²

Dit : C = … ?

Dij : 

C =   (ε0  .  A) / d

    = (8,85 .  10^-12 .  1,1 x 10^-2) / (10^-4)

    = (9,735  .  10^-14) / (10^-4)

= 9,735 x 10^-10 F

(ubah ke bentuk nF)

= 9,735 x 10^-10 x 10^9

   = 0,9735 nF (terbukti)

     = 0,9735K nF apabila dengan bahan dielektrik

Dari data hasil perhitungan di atas, maka dapat dibuat grafik berikut :

     Dari hasil percobaan dan grafik yang diperoleh, kita dapat menyimpulkan bahwa besar luas pelat dapat mempengaruhi besarnya kapasitansi pula. Semakin besar luas pelatnya, maka semakin besar pula nilai kapasitansi kapasitornya. Hal ini dikarenakan, dalam rumus besar kapasitansi kapasitor, luas pelat berbanding lurus dengan nilai kapasitansinya. Pada grafik, dapat kita lihat titiknya semakin meninggi ke arah kanan, diikuti dengan nilai kapasitansinya yang juga semakin besar.

5. Rumus-rumus yang Dapat Digunakan dalam Perhitungan Kapasitor

Dari pembahasan di atas tentu kita dapat menemukan beberapa rumus-rumus yang dapat digunakan dalam perhitungan kapasitor. 

Rumus-rumus tersebut yaitu :

• Rumus Kapasitas Kapasitor 

Rumus ini memasukkan unsur muatan listrik apabila diketahui pada kapasitor. Nantinya muatan listrik dalam satuan Coulomb (Q) dibagi dengan tegangan listrik dalam volt (V) untuk mendapatkan besaran kapasitansi (C) dengan satuan Farad / F .

• Rumus Kapasitas Keping Sejajar

Rumus ini digunakan pada kapasitor yang terdiri dari dua keping sejajar. Untuk mencari nilai kapasitansi (C), kita dapat mengalikan nilai permitivitas udara (ε0) = 8,85 x 10^-12 dengan luas pelat (A) dengan satuan m² , kemudian dibagi dengan jarak kedua pelat yang berhadapan (d) dengan satuannya m. Eits, rumus ini digunakan pada pelat yang tidak disisipkan bahan dielektrik, ya... Sementara untuk kapasitor dengan bahan dielektrik yaitu dengan mengalikan kembali nilai kapasitansi (C) dengan konstanta bahan dielektriknya (K).

• Rumus Kapasitor Berbentuk Bola

Selain keping sejajar, ada pula kapasitor dengan bentuk bola. Tentunya kita menggunakan rumus lain sebab bentuknya berbeda. Pada kapasitor berbentuk bola, kita dapat mengalikan koefisien 4 dengan nilai π , permitivitas udara (ε0) , dan jari-jari dari bola tersebut (R) dalam satuan m untuk memperoleh nilai kapasitansi kapasitornya (C).

Nah, teman-teman, itu tadi pembahasan tentang listrik statis yang berkaitan dengan kapasitor. Semoga dapat bermanfaat yaa~

Nantikan pembahasan berikutnya, ya! Sampai jumpa ;)

-------------------------------

Oleh :

Kelompok 5 

- Callista Dian P. (6)

- Claudia Loana (8)

- Gavriela Angelita T. (13)

- Reuben Elshad (24)

- Tristan Owen (27)

- Verlita Athanasya (30)

------------------------------

*Daftar Pustaka

• Prof. Mikra. (2020, Maret 25). 052) Animasi Excel untuk Fisika: Pengisian Kapasitor dan Efek Bahan Dielektrik. Diakses dari http://profmikra.org/?p=1504
• Taufiqullah. (2021, Januari 13). TN Elektro : Pengisian dan Pengosongan Kapasitor. Diakses dari https://www.tneutron.net/elektro/pengisian-dan-pengosongan-kapasitor/  
• Wikipedia. (2021, Juni 25). Kondensator. Diakses dari https://id.m.wikipedia.org/wiki/Kondensator