Home / Fisika / Kapasitor

Kapasitor

  • 8 min read
Loading...

Penulis : Jehnsen Hirena Kane Mahasiswa FMIPA Jurusan Fisika UI 2016

Pendahuluan

Mungkin kamu pernah bertanya ke diri sendiri “kenapa sih TV tidak langsung mati ketika listrik padam? Bagaimana cara kerja baterai? Bagaimana cara penyimpanan energi pada baterai di mobil listrik?”.

Semua pertanyaan kamu akan terjawab apabila kamu mengerti apa yang dimaksud dengan kapasitansi dan aplikasinya pada kapasitor yang merupakan salah satu dari komponen elektrik dasar yang sangat vital. Tanpa kapasitor kamu tidak akan dapat bermain HP, menonton TV, bahkan berpindah secara cepat baik menggunakan mode transportasi saat ini. Agar kamu dapat lebih paham mari kita simak penjelasan mengenai kapasitor di bawah ini.

Kapasitansi dan kapasitor

Penemu kapasitor pertama menurut catatan sejarah adalah seorang ilmuwan Jerman bernama Ewald Georg von Kleist yang menciptakan kapasitor pertama pada November 1745. Namun beberapa bulan kemudian, profesor dari Universitas Leyden di Belanda yang bernama Pieter van Musschenbroek menciptakan alat serupa kapasitor yang dinamai “Kendi Leyden”.

Loading...
is-resized">gambar Ewald Georg von Kleist dan Pieter van Musschenbroek
Ewald Georg von Kleist ( kiri ) dan Pieter van Musschenbroek ( kanan )

Pada saat itu perlu diingat bahwa dunia belum memiliki kemampuan komunikasi global, sehingga yang dianggap sebagai penemu kapasitor pertama adalah Pieter van Musschenbroek, namun seiring berjalannya waktu dan karena penelitian mereka berdua tidak bersinggungan, klaim akan siapa penemu kapasitor pertama akhirnya disematkan ke Ewald dan Pieter. Sehingga berdasarkan keputusan ilmuwan dunia, penemu pertama kapasitor adalah Ewald Georg von Kleist dan Pieter van Musschenbroek

Lalu, apa itu kapasitor? Kapasitor adalah suatu alat atau komponen elektrik yang dapat menyimpan energi listrik.

kapasitor
(ilustrasi kapasitor, gambar diambil dan diedit kembali dari Physics for Scientist and Engineer)

Kapasitor dibentuk dari kombinasi dua konduktor yang dialiri listrik dengan suatu rangkaian namun tidak bersentuhan, konduktor-konduktor ini biasa disebut sebagai “pelat” namun pada dunia nyata tidak semua konduktor yang digunakan pada kapasitor berbentuk pelat.

Kapasitor dapat menyimpan energi listrik, namun selain itu kapasitor dalam fungsinya juga dapat melepas energi listrik. Ketika energi listrik yang disimpan oleh kapasitor habis, kapasitor tersebut dapat diisi ulang dengan menggunakan rangkaian ilustrasi kapasitor di atas

Mekanisme menyimpan energi di kapasitor

  1. Ketika rangkaian sudah tertutup atau terhubung dengan baik, baterai akan mengalirkan muatan negatif atau elektron dari pelat kiri ke sumbu positif baterai sehingga yang tersisa dari pelat kiri hanyalah muatan positif sehingga pelat kiri bermuatan positif.
  2. Hal yang sama berlaku dengan pelat kanan sehingga pelat kanan pun akan bermuatan negatif.
  3. Muatan pada kedua pelat akan menghasilkan perbedaan potensial pada kedua pelat yang nilainya akan terus meningkat sampai setara dengan perbedaan potensial yang dimiliki baterai.
  4. Ketika perbedaan potensial antar pelat dan baterai sudah setara, maka tidak ada lagi arus yang mengalir dan kapasitor dapat dikatakan telah “penuh”.

Perlu dicatat bahwa asumsi yang digunakan dalam penulisan ini adalah, muatan tidak dapat mengalir dari satu pelat ke pelat lainnya melalui jarak yang memisahkan kedua pelat.

Berapa banyak energi listrik yang dapat disimpan di dalam suatu kapasitor? Kita dapat menjawabnya dengan kapasitansi. Kapasitansi adalah rasio dari besar suatu muatan pada kedua konduktor terhadap besar perbedaan potensial dari kedua konduktor, secara umum dirumuskan sebagai berikut:

Dengan:

  • C adalah kapasitansi [F]
  • Q adalah muatan [C]
  • 1adalah perbedaan potensial [V]

Pada kapasitor dengan bentuk pelat pararel, kapasitansi maksimumnya dirumuskan sebagai berikut:

Dengan:

  • 2adalah permitivitas vakum ( 3 )
  • A adalah luas permukaan pelat (m2)
  • d adalah jarak antar pelat (m)

Persamaan kapasitor di atas digunakan apabila tidak ada material yang disisipkan di antara dua pelat pararel, biasa disebut sebagai material dielektrik. Lalu, apa manfaat dari material dielektrik yang disisipkan di antara pelat kapasitor?

Manfaat material dielektrik

Material dielektrik yang disisipkan di antara palat kapasitor berguna untuk menigkatkan kemampuan penyimpanan energi listrik kapasitor. Untuk menghitung besar nilai kapasitansinya, kita harus menggunakan persamaan:

cara menghitung besar nilai kapasitansi

Dengan K adalah konstanta dielektrik yang nilainya bergantung pada jenis material yang digunakan.

Nah berdasarkan konsep dari kapasitansi dan kapasitor di atas, kamu dapat menjawab pertanyaan – pertanyaan yang ditanyakan diawal artikel ini. TV tidak langsung mati ketika listrik padam dikarenakan pada TV tersemat kapasitor yang menyimpan energi listrik.

Ketika listrik padam energi listrik pada kapasitor akan menggantikan aliran listrik utama dan menghindarkan TV dari perubahan arus listrik mendadak yang dapat merusak TV. Hal yang sama berlaku pada saat TV pertama kali di aktifkan dimana ada jeda beberapa saat sejak kamu menekan tombol On sampai TV menyala, nah itu adalah momen dimana kapasitor pada TV sedang di recharge.

Hal yang sama berlaku juga pada baterai, perbedaannya hanya terletak pada komponen baterai yang lebih kompleks sehingga memungkinkan baterai untuk menyimpan energi lebih banyak dan lebih lama.

Jenis-Jenis Kapasitor

Kapasitor dapat dibagi menjadi 6 jenis utama, yaitu:

Loading...
  • Kapasitor elektrolitik : Kapasitor yang digunakan apabila diperlukan kapasitas yang besar. Lapisan dielektriknya adalah lapisan tipis oxida yang biasanya berukuran kurang dari 10 mikrometer.
  • Kapasitor Mika : Kapasitor yang terbuat dari mineral alami dan menggunakan dielektrik. Digunakan apabila diinginkan kapasitor yang stabil dan dapat bekerja di frekuensi tinggi
  • Kapasitor Kertas : Kapasitor yang memiliki kapasitas sangat rendah, terbuat dari kertas, dan bekerja di frekuensi yang tinggi sampai dengan 2000V
  • Kapasiotr Film : Kapasitor yang terbuat dari lapisan plastik tipis dan dielektrik. Kelebihan kapasitor film adalah stabilitas, induktansi rendah, dan murah.
  • Kapasitor Non-Polar : Kapasitor non-polar dapat dibuat dari plastik maupun elektrolit. Digunakan apabila akan berurusan dengan teganan arus AC yang besar.
  • Kapasitor Keramik : Kapasitor keramik terbuat dari material keramik dan dielektrik. Kapasitor keramik memiliki kelebihan pada nilai kapasitansi maksimumnya yang dapat mencapai 100 mikro Farad.

Contoh Soal Latihan

  1. Sebuah rangkaian sederhana yang terdiri dari baterai dan kapasitor terhubung dengan sempurna. Apabila kapasitas maksimum kapasitor adalah 0.1 F dan beda potensial pada baterai adalah 12 V, berapakah besar muatan yang tersimpan pada kapasitor ketika kapasitor sudah terisi penuh?

Diketahui

  • C = 0.1 F
  • 1= 12 V

Ditanya

  • Berapa besar muatan yang tersimpan pada kapasitor pada saat kapasitor terisi penuh?

Jawab

  • Muatan pada kapasitor saat terisi penuh dapat kita hitung apabila mengetahui besar kapasitas maksimum kapasitor, berdasarkan soal di atas maka menggunakan persamaan:
4

Kemudian substitusikan nilai dari beda potensial baterai dan kapasitas maksimum kapasitor:

5

2. Perhatikan gambar di bawah ini

9

(ilustrasi kapasitor pararel soal nomor 2, diambil dari Fundamental of Physics)

Diketahui pelat h dan l masing- masing memiliki luas permukaan sebesar 2 meter persegi, jarak antar pelat 0.1 m. Berapakah kapasitas maksimum dari kapasitor tersebut?

Diketahui

  • = 2 m2
  • d = 0.1 m
  • adalah permitivitas vakum ( )

Ditanya

  • Berapa besar kapasitansi maksimum dari kapasitor?

Jawab

  • Kasus di atas adalah kasus pada kapasitor pelat pararel non dielektrik, soal ini dapat dikerjakan secara langsung menggunakan rumus kapasitor pelat pararel di atas:
6

Perhatikan bahwa hal yang menarik pada konsep kapasitor pelat pararel non dielektrik ada pada besar kapasitornya yang hanya bergantung pada geometri dari kapasitor (luas permukaan pelat dan jarak antar pelat kapasitor).

3. Perhatikan rangkaian kapasitor pelat pararel dielektrik pada gambar di bawah ini!

10

(gambar diambil dari Physics for scientist and engineer, ilustrasi soal nomor 3)

Apabila pelat dielektrik pada gambar memiliki luas permukaan sebesar 4 meter persegi, tebal bahan dielektrik 0.5 m, dan konstanta dielektrik sebesar 50, tentukan nilai kapasitas maksimum kapasitor! Berapakah kapasitas maksimum kapasitor apa bila material dielektrik dihilangkan?

Diketahui

  • = 4 m2
  • d = 0.5 m
  • 2adalah permitivitas vakum ( 10 )
  • K = 50

Ditanya

  • Berapa besar kapasitas maksimum kapasitor tersebut?
  • Berapa besar kapasitas maksimum kapasitor apabila material dielektrik dihilangkan?

Jawab

  • Menggunakan persamaan kapasitor pelat pararel dielektrik yang sudah dijabarkan sebelumnya, akan didapat:
18
  • Apabila bahan dielektrik dihilangkan maka dapat diasumsikan bahan dielektrik akan digantikan dengan udara yang memiliki konstanta dielektrik yang besarnya mendekati 1, sehingga:
17

Daftar Pustaka

[1] Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2016). Principles of Physics Extended, International Student Version. India: Wiley India Pvt. Ltd

[2] Serway, R. A., & Jewett, J. W. (1996). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics 9th. International Edition (Brooks/Cole Publishing Co., Pacific Grove, CA, USA, 2011)

Baca juga

Loading...
Loading...