Mari Kita Mengenal Kapasitor

1. Mengenal Kapasitor

Sebuah Kapasitor terdiri atas dua keeping konsuktor yang ruang di antaranya diisi oleh dielektrik (penyekat), misalnya udara atau kertas. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas (atau kapasitansi). Satuan SI dari kapasitas adalah farad(F), namun ukuran kapasitas kapasitor yang sering digunakan dinyatakan dalam microfarad (µF), nanofarad (nF), dan pikofarad (pf).

1 µF = 10^-6 F ; 1 nF = 10^-9 F ; 1 pF = 10^-2 F

2. Jenis- Jenis Kapasitor

a. Kapasitor Kertas

Kertas berfungsi sebagai bahan penyekat diantara kedua pelat. Kapasitor jenis ini memiliki kapasitas 0,1  µF

b. Kapasitor Elektrolit

Pada kapaitor elektrolit, bahan penyekatnya adalah aluminium oksida. Kapasitor elektrolit memiliki kapasitas paling besar, yaitu sampai dengan 100.000 pF.

c. Kapasitor Variabel

Kapasitor Variabel adalah kapasitor dengan nilai kapasitas dapat diubah-ubah, sehingga digunakan untuk  memilih frekuensi gelombang pada radio penerima. Penyekatnya adalah udara, dengan nilai maksimum kapasitasnya sampai dengan 500 pF (0,0005 µF)

3. Kapasitansi

Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron.

Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :

q = CV …………….(1)

q : muatan elektron dalam C (coulombs)

C : nilai kapasitansi dalam F (farads)

V : besar tegangan dalam V (volt)

1 F = 1 coulumb/volt

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut :

C = (8.85 x 10^-12) (k A/t) ...(2)

4. Formulasi Kapasitas Kapasitor Keping Sejajar

Untuk menghitung kapasitas kapasitor, kita tentukan dahulu kuat medan listrik homogen, E, dalam ruang antara kedua keeping, kemudian kita hitung V dan E.

Kuat medan listrik, E, dalam ruang antarkeping sejajar adalah E = σ/є_0, dengan rapat muatan

σ = q/A. dengan demikian,

ε₀ : permitivitas vakum/udara = 8,85 x 10^-12 dalam SI

A : luas tiap keeping

d : jarak pisah antarkeping

5. Pengaruh Dielektrikum terhadap Kapasitas Kapasitor

Dielektrik adalah suatu bahan isolasi, seperti kertas, karet, kaca, atau plastik. Ketika sebuah dielektrik disisipkan dalam ruang antara keeping-keping sebuah kapasitor, kapasitas kapasitor akan meningkat. Kapasitas kapasitor dalam dielektrik, C_D,adalah

Primitivitas Relatif dielektrik adalah perbandingan antara kapasitas kapasitor dalam dielektrik dengan kapasitas kapasitor dalam vakum (tanpa dielektrik).

Penyisipan dielektrik dalam ruang antara kedua keeping menyebabkan kapasitas kapasitor meningkat.

a. Pengaruh Dielektrik untuk Baterai Tidak Dihubungkan

Karena hubungan dengan baterai diputuskan, maka ketika disisipkan dielektrik, beda potensial antarkeping diperbolehkan berubah. Prinsip untuk kasus ini : muatan yang tersimpan dalam kapasitor adalah tetap. Berarti muatan sesudah penyisipan dielektrik (q_D) sama dengan muatan sebelum penyisipan dielektrik (q₀). q_D = q₀

Karena є_r > 1_, maka beda potensial antarkeping setelah disisipi dielektrik akan berkurang (V_D > V₀).

b. Pengaruh Dielektrik untuk Baterai Tetap Dihubungkan

Karena kedua keping dihubungkan secara tetap dengan baterai, maka beda potensial antarkeping tidak berubah, yaitu sama dengan beda potensial baterai. Pada kasus ini, prinsip yang harus kita pegang adalah : beda potensial antarkeping adalah tetap. Berarti, beda potensial sesudah penyisipan dielektrik (V_D) sama dengan beda potensial sebelum penyisipan dielektrik (V₀). V_D = V₀

q_D = є_r q₀ 

Karena є_r > 1, maka muatan pada keping setelah disisipi dielektrik mengalami kenaikan (q_D > q₀).

6. Analisis Rangkaian Kapasitor

a. Susunan Seri Kapasitor

Pada rangkaian kapasitor seri, berlaku rumus:

tegangan total : V = V₁ + V₂ + … + V_n

Muatan Total : Q = Q₁ = Q₂ = Q_n

Kapasitas ekivalen seri

b. Susunan Paralel Kapasitor

Pada rangkaian kapasitor paralel, berlaku rumus:

Tegangan tiap kapasitor sama besar V₁ = V₂ =V₃ = V_n

Muatan Total :Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q_n

Kapasitor Ekivalen Paralel C_ek = C₁ + C₂ + C_3+…

7. Energi Potensial Kapasitor

Sebuah kapasitor yang bermuatan memiliki potensial yang tersimpan di dalamnya. Jika salah satu muatannya dibebaskan mulai dari keadaan diam dari saru keping ke keping lainnya, maka energi potensialnya semakin besar 

Latihan Soal.

1. Keping-keping sebuah kapasitor sejajr memiliki luas 40 cm² dan terpisah pada jarak 1,0mm.

(ε₀ = 8,85 x 10^-12 C² N^-1 m^-2)

a) Berapa kapasitasnya?

b) Ketika kapasitor dihubungkan ke baterai 45V, berapa muatan pada tiap keping?

2. Dua keping sejajar memiliki keping berbentuk persegi dengan sisi 10cm dan terpisah pada jarak 2cm. Tentukan kapasitas keping sejajar tersebut jika ruang antara kedua kepingnya a) berisi udara, dan b) berisi mika (ε_r = 7,0).

3. Luas keping-keping dari sebuah kapasitor keping sejajar adalah 50 cm² dan terpisah sejauh      1,0 mm.

a) Tentukan kapasitasnya.

b) Ketika kapasitor dihubungkan dengan baterai 60V, berapakah muatan pada tiap kepingnya?

4. Sebuah kapasitor dengan ruang antarkepingnya berisi udara, dihubungkan ke sebuah baterai, sehingga tiap kepingnya bermuatan 100 µC. Tanpa melepas baterai, ruang antarkeping diisi dengan minyak, dan ternyata muatan tambahan 150 µC mengalir lagi dari baterai menuju ke keping. Tentukan permitivitas relatif minyak.

5. Sebuah kapasitor keping sejajar memiliki luas tiap keping 2,00 cm² dan teerpisah 2,00 mm, dengan air berada dalam ruang antarkepingnya (ε_r = 80). Sebuah baterai 6,00 V dihubungkan terus pada kedua keping. Hitung: a) besar kuat medan listrik di antara kedua keping, b) muatan pada tiap keping, dan c) muatan pada tiap keping jika air dibuang dan digantikan oleh udara.

6. Dua buah kapasitor masing-masing kapasitasnya 20µF dan 50µF disusun seri, dan ujung-ujungnya dihubungkan ke baterai yang beda potensialnya 14 V. Hitung :

a) Kapasitas ekivalen,

b) Muatan ekivalen,

c) Muatan dan beda potensial masing-masing kapasitor.