Kapasitor Dan Kapasitansi

Bimbel TES SMAKBO

Daftar

Bimbel SBMPTN / SIMAK_UI

Daftar

Kapasitor sedikit seperti baterai tetapi mereka bekerja dengan cara yang sama sekali berbeda. Baterai adalah perangkat elektronik yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik sedangkan kapasitor adalah komponen elektronik yang menyimpan energi elektrostatik dalam medan listrik. Pada artikel ini, mari kita pelajari tentang kapasitor secara detail.

Apa itu Kapasitor?

Kapasitor adalah perangkat listrik dua terminal yang memiliki kemampuan untuk menyimpan energi dalam bentuk muatan listrik. Ini terdiri dari dua konduktor listrik yang dipisahkan oleh jarak. Ruang antara konduktor dapat diisi dengan vakum atau dengan bahan isolasi yang dikenal sebagai dielektrik. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan disebut kapasitansi.

Kapasitor menyimpan energi dengan memisahkan pasangan muatan yang berlawanan. Desain kapasitor yang paling sederhana adalah pelat paralel, yang terdiri dari dua pelat logam dengan celah di antara keduanya. Tetapi, berbagai jenis kapasitor diproduksi dalam berbagai bentuk, gaya, panjang, lingkar, dan bahan.

Bagaimana Cara Kerja Kapasitor?

Untuk demonstrasi, mari kita pertimbangkan struktur paling dasar dari sebuah kapasitor kapasitor pelat paralel. Ini terdiri dari dua pelat paralel yang dipisahkan oleh dielektrik. Ketika kita menghubungkan sumber tegangan DC melintasi kapasitor, satu pelat terhubung ke ujung positif (pelat I) dan pelat lainnya ke ujung negatif (pelat II). Ketika potensi baterai diterapkan melintasi kapasitor, pelat I menjadi positif terhadap pelat II. Arus mencoba mengalir melalui kapasitor pada kondisi tunak dari pelat positifnya ke pelat negatifnya. Tetapi tidak dapat mengalir karena pemisahan ini dengan bahan isolasi.

Medan listrik muncul di kapasitor. Pelat positif (pelat I) mengumpulkan muatan positif dari baterai, dan pelat negatif (pelat II) akan mengumpulkan muatan negatif dari baterai. Setelah suatu titik, kapasitor menahan jumlah muatan maksimum sesuai dengan kapasitansinya sehubungan dengan tegangan ini. Rentang waktu ini disebut waktu pengisian kapasitor.

Ketika baterai dilepas dari kapasitor, kedua pelat menahan muatan negatif dan positif untuk waktu tertentu. Dengan demikian, kapasitor bertindak sebagai sumber energi listrik.

Jika pelat-pelat ini dihubungkan ke suatu beban, arus mengalir ke beban dari Pelat I ke Pelat II sampai semua muatan hilang dari kedua pelat. Rentang waktu ini dikenal sebagai waktu pengosongan kapasitor.

Bagaimana Anda Menentukan Nilai Kapasitansi?

Pelat penghantar memiliki beberapa muatan Q₁ dan Q₂ (Biasanya jika satu pelat memiliki +q, yang lain memiliki muatan –q). Medan listrik di daerah antara pelat tergantung pada muatan yang diberikan pada pelat penghantar. Kita juga tahu bahwa beda potensial (V) berbanding lurus dengan medan listrik sehingga kita dapat mengatakan,

\(\begin{array}{l}Q\propto V\end{array} \)

\(\begin{array}{l}Q=CV\end{array} \)

\(\begin{array}{l}C=\frac{Q}{V}\end{array} \)

Konstanta proporsionalitas ini dikenal sebagai kapasitansi kapasitor.

Kapasitansi adalah perbandingan antara perubahan muatan listrik suatu sistem dengan perubahan potensial listriknya.

Kapasitansi kapasitor apapun dapat berupa tetap atau variabel tergantung pada penggunaannya. Dari persamaan, tampaknya 'C' tergantung pada muatan dan tegangan. Sebenarnya, itu tergantung pada bentuk dan ukuran kapasitor dan juga pada isolator yang digunakan di antara pelat penghantar.

Elektrostatika dan Kapasitansi Topik Penting untuk JEE / SBMTPN

Energi yang Disimpan dalam Kapasitor

Setelah muatan yang berlawanan ditempatkan di kedua sisi kapasitor keping sejajar, muatan dapat digunakan untuk melakukan kerja dengan membiarkannya bergerak menuju satu sama lain melalui rangkaian. Persamaan memberikan energi total yang dapat diekstraksi dari kapasitor yang terisi penuh:

\(\begin{array}{l}U=\frac{1}{2}CV^2\end{array} \)

Kapasitor berfungsi sangat mirip dengan baterai isi ulang. Perbedaan utama antara kapasitor dan baterai terletak pada teknik yang mereka gunakan untuk menyimpan energi. Tidak seperti baterai, kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi tidak berasal dari reaksi kimia melainkan dari desain fisik yang memungkinkannya untuk memisahkan muatan negatif dan positif.

Satuan Standar Kapasitansi

Satuan dasar kapasitansi adalah Farad. Tapi, Farad adalah unit besar untuk tugas-tugas praktis. Oleh karena itu, kapasitansi biasanya diukur dalam sub-unit Farad, seperti mikro-farad (µF) atau pico-farad (pF).

Sebagian besar aplikasi listrik dan elektronik dicakup oleh awalan satuan standar (SI) berikut untuk memudahkan perhitungan:

• 1 mF (millifarad) = 10⁻³ F
• 1 μF (microfarad) =10⁻⁶ F
• 1 nF (nanofarad) = 10⁻⁹ F
• 1 pF (picofarad) = 10⁻¹² F

Kapasitansi Kapasitor Pelat Paralel

Kapasitor pelat paralel seperti yang ditunjukkan pada gambar memiliki dua pelat konduktor yang identik, masing-masing memiliki luas permukaan A dan dipisahkan oleh jarak d. Ketika tegangan V diterapkan ke pelat, ia menyimpan muatan Q.

Gaya antara muatan meningkat dengan nilai muatan dan berkurang dengan jarak antara mereka. Semakin besar area pelat, semakin banyak muatan yang dapat disimpan. Oleh karena itu, nilai C lebih besar untuk nilai A yang besar. Demikian pula, semakin dekat pelat, semakin besar daya tarik muatan yang berlawanan pada mereka. Oleh karena itu C lebih besar untuk d yang lebih kecil.

Rumus memberikan kerapatan muatan pada pelat.

\(\begin{array}{l}\sigma =\frac{Q}{A}\end{array} \)

Ketika jarak pisah (d) kecil, medan listrik antara pelat cukup seragam dan besarnya diberikan oleh:

\(\begin{array}{l}E=\frac{\sigma }{\epsilon_0 }\end{array} \)

Karena medan listrik antara pelat seragam, beda potensial antara pelat diberikan oleh :

\(\begin{array}{l}V=Ed=\frac{\sigma d}{\epsilon _0}=\frac{Qd}{\epsilon _{0}A}\end{array} \)

Mengganti nilai V di atas ke dalam rumus kapasitansi, kita dapatkan:

\(\begin{array}{l}C=\frac{Q}{V}=\frac{Q}{Qd/\epsilon _{0}A}=\epsilon _{0}\frac{A}{d}\end{array} \)

Kapasitansi kapasitor pelat paralel diberikan oleh rumus \(\begin{array}{l}C=\epsilon _{0}\frac{A}{d}\end{array} \)

Soal Pembahasan 1

Hitung kapasitansi kapasitor keping sejajar kosong yang memiliki pelat logam dengan luas 1,00 m², dipisahkan oleh 1,00 mm?

Jawaban:

Dengan menggunakan rumus, kita dapat menghitung kapasitansi sebagai berikut:

\(\begin{array}{l}C=\epsilon _{0}\frac{A}{d}\end{array} \)

Mengganti nilai, kita mendapatkan

\(\begin{array}{l}C=(8.85\times 10^{-12}\,\frac{F}{m}) \frac{1\,m^2}{1\times 10^{-3}\,m}=8.85\times 10^{-9}\,F=8.85\,nF\end{array} \)

Kapasitansi dari Kapasitor Bulat

Kapasitor bola terdiri dari dua kulit bola konduktor konsentris dengan jari-jari  R₁ dan R₂ . Kulit diberi muatan yang sama dan berlawanan +Q dan –Q masing-masing. Medan listrik antara kulit diarahkan secara radial ke luar. Besarnya medan dapat diperoleh dengan menerapkan hukum Gauss di atas permukaan bola Gaussian dengan jari-jari r konsentris dengan kulit.

Oleh karena itu, muatan terlampir adalah +Q.

\(\begin{array}{l}\oint_{S}\vec{E}\cdot \hat{n}dA=E(4\pi r^2)=\frac{Q}{\epsilon _0}\end{array} \)

Medan listrik antara konduktor diberikan sebagai:

\(\begin{array}{l}\vec{E}=\frac{1}{4\pi \epsilon _0}\frac{Q}{r^2}\hat{r}\end{array} \)

Mengintegrasikan E sepanjang jalur radial antara kulit, kita mendapatkan

\(\begin{array}{l}V=\int_{R_1}^{R_2}\vec{E}\cdot \vec{dl}=\frac{Q}{4\pi \epsilon _0}(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})\end{array} \)

Beda potensial antara dua konduktor dapat dihitung dengan menggunakan rumus

\(\begin{array}{l}V_B-V_A=-\int_{A}^{B}\vec{E}\,\vec{dL}\end{array} \)

Beda potensial antara pelat adalah

\(\begin{array}{l}V=-(V_{2}-V_{1})=V_{1}-V_{2}\end{array} \)

Substitusi nilai V dalam rumus kapasitansi, kita mendapatkan

\(\begin{array}{l}C=\frac{Q}{V}=4\pi \epsilon _0\frac{R_1R_2}{R_2-R_1}\end{array} \)

Kapasitansi kapasitor bola diberikan oleh persamaan \(\begin{array}{l}C=4\pi \epsilon _0\frac{R_1R_2}{R_2-R_1}\end{array} \)

Soal & Pembahasan 2:

Sebuah kapasitor berbentuk bola memiliki bola dalam berjari-jari 12 cm dan bola luar berjari-jari 13 cm. Bola luar dibumikan dan bola dalam diberi muatan 2,5 C. Ruang antara bola konsentris diisi dengan cairan konstanta dielektrik 32. Tentukan kapasitansi kapasitor.

Jawaban:

Dikerahui

Jari-jari bola bagian dalam, R₂ = 12 cm = 0,12 m

Jari-jari bola luar, R₁= 13 cm = 0,13 m

Muatan pada bola bagian dalam, q = 2.5 C = 2.5 x 10^-6 C

350

Konstanta dielektrik cairan, _r = 32

Kapasitansi kapasitor bola diberikan oleh hubungan:

\(\begin{array}{l}C=4\pi \epsilon _0\frac{R_1R_2}{R_2-R_1}\end{array} \)

∈₀ = Permittivity of free space = 8.85 x 10^-12 C² N^-1 m^-2

\(\begin{array}{l}\frac{1}{4\pi \epsilon _0}=9\times 10^9\end{array} \)

Subsitusi nilai-nilai dalam persamaan, kita mendapatkan

\(\begin{array}{l}C=\frac{32\times 0.12\times 0.13}{9\times 10^9(0.13-0.12)}\end{array} \)

\(\begin{array}{l}C=5.5\times 10^{-9}\,F\end{array} \)

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kapasitansi

• Dielektrik

Pengaruh dielektrik pada kapasitansi adalah semakin besar permitivitas dielektrik semakin besar kapasitansi, demikian juga semakin kecil permitivitas dielektrik semakin kecil kapasitansi. Beberapa bahan menawarkan lebih sedikit perlawanan terhadap fluks medan untuk sejumlah gaya medan tertentu. Bahan dengan permitivitas yang lebih besar memungkinkan lebih banyak fluks medan, sehingga muatan yang lebih besar dikumpulkan.

• Jarak Plate

Pengaruh jarak pada kapasitansi adalah berbanding terbalik dengan jarak antara pelat. Secara matematis diberikan sebagai:

\(\begin{array}{l}C\propto \frac{1}{d}\end{array} \)

• Luas Pelat

Pengaruh luas pelat adalah kapasitansi berbanding lurus dengan luas. Semakin besar luas pelat semakin nilai kapasitansinya. Secara matematis diberikan sebagai:

\(\begin{array}{l}C\propto A\end{array} \)

Apa Aplikasi Kapasitor?

Kapasitor untuk Penyimpanan Energi

Sejak akhir abad ke-18, kapasitor digunakan untuk menyimpan energi listrik. Kapasitor individu tidak menyimpan banyak energi, hanya menyediakan daya yang cukup untuk digunakan perangkat elektronik selama pemadaman listrik sementara atau ketika mereka membutuhkan daya tambahan. Ada banyak aplikasi yang menggunakan kapasitor sebagai sumber energi dan beberapa di antaranya adalah sebagai berikut:

• Perlengkapan audio
• Kamera Berkedip
• Supply listrik
• Kumparan magnet
• Laser

Superkapasitor adalah kapasitor yang memiliki kapasitansi tinggi hingga 2 kF. Kapasitor ini menyimpan sejumlah besar energi dan menawarkan kemungkinan teknologi baru di berbagai bidang seperti mobil listrik, pengereman regeneratif di industri otomotif dan motor listrik industri, cadangan memori komputer selama kehilangan daya, dan banyak lainnya.

Kapasitor untuk Pengkondisian Daya

Salah satu aplikasi penting dari kapasitor adalah pengkondisian catu daya. Kapasitor hanya mengizinkan sinyal AC untuk lewat ketika mereka dibebankan memblokir sinyal DC. Efek kapasitor ini banyak digunakan dalam memisahkan atau memisahkan bagian yang berbeda dari rangkaian listrik untuk mengurangi kebisingan, sebagai hasil dari peningkatan efisiensi. Kapasitor juga digunakan di gardu utilitas untuk melawan pembebanan induktif yang diperkenalkan oleh saluran transmisi.

Kapasitor sebagai Sensor

Kapasitor digunakan sebagai sensor untuk mengukur berbagai hal termasuk kelembaban, regangan mekanis, dan tingkat bahan bakar. Dua aspek konstruksi kapasitor digunakan dalam aplikasi penginderaan, jarak antara pelat paralel dan bahan di antara mereka. Yang pertama digunakan untuk mendeteksi perubahan mekanis seperti akselerasi dan tekanan dan yang terakhir digunakan untuk merasakan kelembaban udara.

Kapasitor untuk Pemrosesan Sinyal

Ada aplikasi canggih kapasitor dalam teknologi informasi. Kapasitor digunakan oleh perangkat Dynamic Random Access Memory (DRAM) untuk mewakili informasi biner sebagai bit. Kapasitor juga digunakan bersama dengan induktor untuk menyetel sirkuit ke frekuensi tertentu, efek yang dimanfaatkan oleh penerima radio, speaker, dan equalizer analog.

Ikuti terus BYJU'S untuk artikel menarik lainnya. Juga, daftar ke “BYJU'S – The Learning App” untuk banyak video interaktif yang berhubungan dengan Fisika dan bantuan akademik tanpa batas.

Pertanyaan yang Sering Diajukan tentang Kapasitor dan Kapasitansi

Apa itu kapasitor variabel?

Kapasitor variabel adalah kapasitor yang kapasitansinya dapat divariasikan hingga kisaran nilai tertentu berdasarkan kebutuhan. Dua pelat kapasitor variabel terbuat dari logam di mana salah satu pelat dipasang dan pelat lainnya dapat digerakkan. Fungsi utama mereka adalah untuk memperbaiki frekuensi resonansi di sirkuit LC. Ada dua jenis frekuensi variabel, yaitu kapasitor penyetelan dan kapasitor pemangkas.

Bagaimana bentuk kapasitor mempengaruhi kapasitansinya?

• Jarak antar pelat

Semakin jauh pelat, semakin sedikit elektron bebas di pelat jauh yang merasakan dorongan elektron yang ditambahkan ke pelat negatif. Hal ini membuat lebih sulit untuk menambahkan lebih banyak muatan negatif ke pelat negatif. Jika pelat lebih dekat satu sama lain, arus akan mengalir melalui korsleting. Ini menyiratkan bahwa kapasitansi pelat paralel berbanding terbalik dengan pemisahan pelat.

• Luas pelat

Jauh lebih mudah untuk menambahkan muatan ke kapasitor jika pelat paralel memiliki area yang sangat luas. Dua pelat logam lebar akan memberikan dua muatan yang saling menolak untuk menyebar ke seluruh pelat, membuatnya lebih mudah untuk menambahkan lebih banyak muatan negatif ke satu pelat. Demikian juga, area pelat yang sangat kecil akan menyebabkan elektron menjadi sempit lebih awal, sehingga lebih sulit untuk mendapatkan perbedaan muatan yang besar untuk tegangan tertentu.

Apa itu Ultrakapasitor?

Ultrakapasitor, juga dikenal sebagai superkapasitor, adalah kapasitor berkapasitas tinggi dengan nilai kapasitansi yang jauh lebih tinggi daripada kapasitor lain, tetapi dengan batas tegangan yang lebih rendah.

Berapa lama kapasitor bertahan?

Kapasitor memiliki rentang hidup yang terbatas. Kebanyakan kapasitor dirancang untuk bertahan sekitar 20 tahun.

Energi apa yang tersimpan dalam kapasitor?

Energi yang tersimpan dalam kapasitor adalah energi potensial listrik, dan dengan demikian terkait dengan muatan Q dan tegangan V pada kapasitor.

Mengapa air tidak digunakan sebagai dielektrik dalam kapasitor?

Air memiliki konstanta dielektrik yang tinggi tetapi kekuatan dielektrik yang sangat rendah, oleh karena itu air akan bertindak sebagai konduktor dan akan membocorkan muatan melaluinya.

View this post on Instagram

A post shared by Ctes bimbingan belajar (@ctesbimbelbogor)

View this post on Instagram

A post shared by Ctes bimbingan belajar (@ctesbimbelbogor)

Catatan Kaki

JEE (Joint Entrance Exam) singkatan dari Ujian Masuk Bersama dan merupakan ujian masuk nasional yang diadakan untuk kandidat yang ingin melanjutkan kursus teknik dari berbagai perguruan tinggi.