Ayo kupas tuntas kapasitor (bagian 2)

” tidak ada cemilan atau minuman hari ini, menyedihkan sekali,…………………..😦. ya sudah kita lanjutkan saja. Dalam artikel tentang kapasitor ini sengaja saya susun tidak berurutan, tetapi agak acak namun tetap pertopik bahasan, tujuannya, bila ada siswa yang membutuhkan datanya, mereka bisa mengetik ulang jangan cuma copy terus paste. hehehehehe, jahat ya……….”

Sejarah Kapasitor.

Banyak siswa-siswa atau bahkan mahasiswa yang ditanya siapa penemu kapasitor dengan lantang dan yakin benar 100% menyebut Michael Faraday, hahahaahaha. pas ditanya lagi kenapa? jawabnya karena satuannya Farrad berasal dari nama Faraday. Michael Faraday bukan penemu kapasitor yang sebenarnya, tetapi beliau adalah peletak dasar yang sangat penting dalam bidang elektromagnetik dan elektrokimia. kita tidak akan membahas tentang siapa Michael Faraday, tetapi bila ingin mengetahui dengan jelas biografi beliau dapat di baca di sini http://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday.

Kapasitor pertama kali dibuat pada tahun 1745 oleh ilmuwan Jerman Ewald Georg von Kleist dan secara terpisah juga di buat oleh ilmuwan Belanda Pieter van Musschenbroek pada tahun 1746. Pieter van Musschenbroek membuat kapasitor pertamanya di universitas Leyden (University of Leyden) dan menamakannya sebagai kapasitor Leyden atau lebih dikenal dengan sebutan Leyden Jar. berikut gambar Leyden Jar.

Gambar 2 Leyden Jar sumber http://electronics.howstuffworks.com/capacitor3.htm

membuat kapasitor ini sangat mudah, kita hanya membutuhkan sebuah toples selai bekas yang bersih, lembaran aluminium foil, kawat dan paku serta sebuah sumbat. Namun untuk mengisihnya kita membutuhkan sumber listrik statis tegangan tinggi dari mesin Wimshurst atau dari generator Van De Graff. Nantilah pada kesempatan berikutnya akan kita bahas cara membuat mesin-mesin elektrostatis yang menarik ini, sekarang kita fokus dulu pada kapasitor.

Seiring dengan berkembang pesatnya industri elektronika, maka perkembangan kapasitor juga tumbuh dengan cepat, Banyak industri di dunia yang mengembangkan kapasitor sehingga dari tahun ke tahun kapasitor yang dibuat semakin kecil dalam hal ukuran namun semakin besar kapasitas dan kemampuannya. Sekarang banyak industri dan pusat riset yang gencar mengembangkan super-kapasitor dan ultra-kapasitor, yaitu jenis kapasitor yang memiliki kapasitas yang sangat besar dengan ukuran yang kecil dan memiliki hambatan dalam yang sangat rendah. Kedua jenis komponen ini jauh lebih unggul bila dibandingkan baterai, karena memiliki waktu pengisian dan pengosongan yang jauh lebih cepat dan hanya melepaskan sedikit energi panas. Super-kapasitor dan ultra-kapasitor disiapkan untuk mengantikan penggunaan baterai dalam kendaraan dengan penggerak listrik.

Satuan Kapasitor

Kapasitas sebuah kapasitor dinyatakan dalam satuan Farrad (F) namum 1 Farrad adalah harga yang sangat besar sekali untuk sebuah kapasitor. Di pasaran kapasitor umumnya dijual dalam ukuran kapasitas yang jauh lebih kecil dari 1 Farrad. Untuk kapasitor polar (dwikutub) dengan bahan dielektrik larutan elektrolit dijual dengan satuan mikro Farrad, umumnya dari 0,1 mikroFarrad hingga 47000 mikroFarrad (47 miliFarrad). Sedangkan untuk kapasitor non polar umumnya tersedia dengan kapasitas yang lebih kecil lagi, berkisar dari 1000 nanoFarrad hingga 1 pikoFarrad. (bingung dengan satuan mili, mikro, nano dan piko???  lihat berikut ini.)

Macam-Macam Kapasitor

Kapasitor dinamakan berdasarkan jenis bahan dielektriknya seperti kapasitor keremik bahan dielektriknya dari keramik, kapasitor kertas bahan dielektriknya kertas, kapasitor elektrolit bahan dielektriknya dari larutan elektrolit dan sebagainya. berikut macam – macam kapasitor dan contoh gambarnya.( untuk gambar saya kutip dari mbah google dan dari beberapa situs yang saya sendiri lupa, kalo harus memfoto sendiri, bayangkan berapa biaya yang harus dikeluarkan, apalagi beberapa kapasitor jarang terdapat di pasaran Indonesia. )

1. Elektrolit Kapasitor (ELKO)

Kapasitor ini merupakan jenis kapasitor polar atau memilik 2 buah kutub pada kaki – kakinya. Kaki yang panjang merupakan kutub positif dan kaki yang pendek atau kaki yang memiliki tanda khusus adalah kaki negatif. Pemasangan kapasitor elektrolit dalam rangkaian elektronika tidak boleh terbalik, khususnya untuk rangkaian arus DC namun untuk arus AC tidak jadi masalah. Kapasitor ini tidak boleh terkena panas yang berlebih pada saat proses penyolderan karena bahan elektrolit yang terdapat di dalam kapasitor dapat mendidih dan menyebabkan kapasitor menjadi rusak. berikut gambar kapasitor elektrolit

Gambar 2 kapasitor elektrolit (ELKO)

Kapasitor ini tersedia dengan kapasitas yang cukup besar, paling kecil memiliki kapasitas 0,1 mikroFarrad dan paling besar yang umum terdapat di pasaran adalah 47000 mikroFarrad. Namun penulis pernah menjumpai kapasitor ini dalam ukuran 1 Farrad dengan harga yang cukup membuat kantong menjadi kering. Tegangan kerja kapasitor ini sangat beragam namun biasanya dituliskan pada bodi kapasitor. Tegangan kerjanya berkisar dari 6,7 V hingga 200 Volt.

2. Kapasitor Keramik

Kapasitor keramik adalah jenis kapasitor dengan bahan dielektrik yang terbuat dari keramik. Ini termasuk kapasitor yang umum dan banyak terdapat di pasaran. kapasitor keramik termasuk jenis kapasitor non polar artinya tidak ada perbedaan antara kedua kakinya (boleh dibolak-balik, asal jangan disatukan kedua kakinya dalan satu lubang solderan hehehehehehe). karena dielektrik terbuat dari bahan keramik, maka kapasitor ini sangat tahan terhadap panas solder, pada waktu disolder kapasitor akan terlihat seperti mengeluarkan cairan, namun itu tidak menjadi masalah. (mungkin dia berkeringat ketika kena panas). Kapasitor keramik juga sangat cocok digunakan untuk rangkaian yang bekerja pada frekuensi tinggi. berikut penampakan dari kapasitor keramik

Gambar 3 Kapasitor keramilk

Kapasitor keramik tersedia dari ukuran 1000 nanoFarrad hingga 1 pikoFarrad. Tegangan kerja kapasitor ini sangat tinggi, rata-rata bisa bekerja pada tegangan 400 V.

3. Kapasitor Mylar

Kapasitor mylar memiliki dielektrik yang terbuat dari bahan mylar. kapasitor ini cocok untuk pengandeng kristal frekuensi pada clock untuk mikrokontroller. termasuk katergori kapasitor non polar dan tidak terlalu tahan terhadap panas. berikut wajah tampan kapasitor mylar

Gambar 4 kapasitor mylar

sama halnya dengan kapasitor keramik, kapasitor mylar juga tersedia dalam ukuran yang kecil dari 1000 nano Farrad hingga 1 picoFarrad.

4. Kapasitor Kertas

Sesuaid dengan namanya, kapasitor ini memiliki bahan dielektrik yang terbuat dari kertas. kapasitor kertas umum digunakan didalam rangkaian radio, karena bahan dielektrik dari kertas sangat bagus untuk frekuensi radio dan otomatis kapasitor ini tidak terlalu tahan panas sehingga pada saat penyolderan harus jumlah panas yang diberikan harus diperhatikan. berikut penampian kapasitor kertas.

Gambar 5 Kapasitor kertas

Kapasitor kertas memiliki ukuran yang kecil sama seperti kapasitor mylar dan keramik. Kapasitor kertas juga termasuk jenis kapasitor yang non polar.

5. Kapasitor Tantalum

Bahan dielektrik kapasitor ini adalah logam tantalum. Kapasitor tantalum jarang terdapat di pasaran dan mamiliki harga yang mahal. kapasitor ini termasuk jenis kapasitor polar sama seperti kapasitor elektrolit. Kelabihan kapasitor ini dibandingkan dengan Elko adalah kapasitor tantalum memiliki arus bocor yang sangat kecil. Namun dipasaran, kapasitor ini di jual dalam ukuran kapasitas yang kecil. Berikut gambar kapasitor tantalum

Gambar 6 Kapasitor Tantalum

6. Kapasitor Mika

Sesuai namanya, kapasitor ini memiliki bahan dielektrik yang terbuat dari mika. Termasuk dalam golongan kapasitor non polar dan memiliki ukuran yang kecil dari range 1000 nanoFarrad hingga 1 picoFarrad. Berikut penampakan kapasitor mika.

Gambar 7 kapasitor mika

7. Kapasitor polystyrene

Kapasitor ini termasuk jenis kapasitor non polar dengan bahan dielektrik polystyrene. Dipasarkan dengan ukuran yang kecil. Berikut contoh gambar kapasitor polystyrene.

Gambar 8 kapasitor polystyrene

8. Kapasitor Teflon

Kapasitor teflon memiliki bahan dielektrik yang terbuat dari teflon, Termasuk jenis kapasitor non polar dan umumnya bekerja pada tegangan tinggi. berikut contoh gambar kapasitor teflon.

Gambar 9 kapasitor Teflon

9. Variabel Kapasitor (Varco)

Variabel kapasitor adalah jenis kapasitor yang besar kapasitasnya bisa diubah-ubah dengan mengatur luas bidang elektroda yang berhadapan. Variabel kapasitor umumnya menggunakan bahan dielektrik udara. Variabel kapasitor dirangkai bersama dengan induktor dan resistor, digunakan sebagai alat untuk men-turning frekuensi radio. Karena menggunakan bahan dielektrik udara maka kapasitor ini memiliki kapasitas yang kecil dalam orde picoFarrad. berikut adalah gambar varibel kapasitor.

Gambar 10 Variabel kapasitor

(aduh sudah jam 18.05, waktunya pulang dulu, cacing dalam perut sudah demo minta sembako, kalo ditahan sebentar lagi mereka bisa anarkis ni.. ok nanti dilanjutkan lagi. Mohon koreksi bila adalah yang salah.)

__________________________________________________________________________________________________________________________________

(ok lanjut lagi, masih di halaman ini ,karena halaman ini belum lengkap bila tidak ada hitungannya hehehehehehehe)

Dari tadi kita terus berbicara tentang dielektrik, sebenarnya apakah dielektrik itu sehingga begitu penting untuk dipasang di sebuah kapasitor?. pada topik selanjutnya kita akan bahas tentang dielektrik

Dielektrik

Dielektrik adalah bahan isolator yang disisipkan diantara 2 lempeng konduktor di dalam kapasitor. Di dalam medan listrik molekul pada bahan dielektrik dapat terpolarisasi. Tidak seperti halnya dengan konduktor yang dapat memindahkan muatan listrik, namun molekul penyusun dielektric hanya bergeser dari posisi kesetimbangannya menjadi terpolarisasi. Karena molekul penyusun bahan dielektrik terpolarisasi, maka muatan positif bahan dielektrik akan berhadapan dengan lempeng konduktor yang bermuatan negatif dan sebaliknya muatan negatif materail penyusun dielektrik akan berhadapan dengan lempeng konduktor yang bermuatan positif. Posisi ini akan menciptakan medan listrik internal yang menyebabkan turunnya medan listrik keseluruhan (medan listrik total), akibatnya tegangan kapasitor akan turun. Tegangan kapasitor yang turun akan meningkatkan kapasitas kapasitor.

Gambar 11 kapasitor tanpa dielektrik dan kapasitor dengan dielektrik

Bila kondisi awal kapasitor dengan muatan Q dan tegangan V0 akan memiliki kapasitas sebesar :

Setelah disisipkan bahan dielektrik yang memiliki konstanta dielektrik 0, maka tegangan kapasitor akan turun menjadi V1, dimana V1 < V0, maka kapasitas kapasitor menjadi:

Berikut adalah beberapa konstanta dielektrik untuk bahan –  bahan yang terdapat disekitar kita

Bahan

Kontanta dielektrik

Ruang hampa

1,0000

Udara

1,0006

Kertas paraffin

2,5 – 3,5

Oli tranfo

4

Gelas

5 – 10

Mika

3 – 6

Karet

2,5 – 35

Kayu

2,5 – 8

Porselein

6

Gliserin

56

Minyak

2

Air murni

81

Secara garis besar ada 2 jenis bahan dielektrik yaitu bahan dielektrik yang bersifat polar contoh air dan bahan dielektrik yang bersifat non polar. Untuk bahan yang bersifat polar, mempunyai momen dipole listrik yang permanen.

Gambar 12 arah momen dipole pada bahan yang bersifat polar

Dalam daerah yang tidak ada medan listrik, maka arah molekul-molekul bahan dielektrik yang bersifat polar akan acak. Ketika diberikan medan listrik sebesar E0, akan timbul torsi yang memutar molekul-molekul sehingga arah molekul-molekul menjadi searah dengan arah medan listrik E0. Molekul yang berubah menjadi searah dengan medan listrik eksternal, akan menimbulkan terjadinya medan listrik internal yang berlawanan arah dengan medan listrik eksternal tetapi besarnya lebih kecil dibandingkan dengan medan listrik eksternal.

Pada bahan dielekrik  yang bersifat non-polar tidak terdapat momen listrik dipole, tetapi momen listrik dipole ini bisa diinduksikan dengan menempatkan bahan dielektrik ini ke dalam medan listrik eksternal.

Gambar 13 momen dipole yang diinduksi oleh medan listrik

gambar 13 menunjukan arah molekul bahan non polar yang berada pada medan listrik eksternal E0. Induksi muatan listrik pada permukaan akan menciptakan medan listrik internal Ep yang arahnya berlawanan dengan medan listrik eksternal E0.

Polarisasi

Lebih lanjut, untuk mempelajari proses polarisasi ini, kita asumsikan bahan dielektrik tersusun atas banyak dipole listrik baik yang timbul secara permanen maupun yang timbul melalui proses induksi. Salah satu konsep penting yang harus dipahami adalah medan listrik rata-rata yang dihasilkan oleh banyaknya dipole listrik yang searah. Anggap kita memiliki sepotong bahan dielektrik dengan bentuk silinder yang memiliki luas penampang (A) dan tinggi (h). Bahan ini mengandung dipole listrik sebanyak (n) dan semua dipole listrik tersebut tersebar merata dan seragam di seluruh silinder serta memiliki momen dipole listrik (). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 14 sebuah silinder dengan distribusi dipole yang seragam

Momen dipole listrik memiliki arah yang searah dengan sumbu silinder. Dipole – dipole listrik tersebut memiliki medan listrik sendiri sedangkan medan listrik eksternal kita abaikan. Maka Vektor polarisasi dapat dihitung :

Untuk kasus silinder pada gambar 14 :

Sekarang bagaimana dengan medan listrik rata-rata yang dihasilkan ?, perhatikan gambar 15 berikut ini.

    Gambar 15a. silinder dengan distribusi dipole listrik yang seragam, 15b. distribusi muatan yang sama

Gambar 15a menunjukan distribusi dipole listrik yang seragam pada sebuah bahan dielektrik berbentuk silinder. Akibat distribusi dipole listrik yang seragam ini akan menyebabkan timbulnya distribusi muatan listrik yang sama seperti pada gambar 15b. Muatan positif akan berkumpul pada bagian atas silinder sedangkan muatan negatif akan berkumpul pada bagian bawah silinder. (Qp.h) harus sama dengan jumlah total momen dipole listrik (n.). atau dapat ditulis :

Untuk menghitung medan listrik yang dihasilkan oleh Qp , kita lihat kembali distribusi muatan permukaan yang telah dibahas dalam topik kapasitor pelat paralel. Kerapatan muatan permukaan adalah sama dengan besar polarisasi :

Dalam SI satuan P adalah  sama dengan satuan untuk kerapatan muatan permukaan . Secara umum vektor polarisasi membentuk sudut , maka kerapatan muatan permukaan dapat dihitung :

maka muatan – muatan yang sama pada sistem akan menghasilkan medan listrik rata-rata yang besarnya :

Karena arah medan listrik ini berlawanan dengan arah polarisasi maka dalam bentuk vektor dapat ditulis menjadi :

Perlu diperhatikan arah medan listrik disini berlawanan dengan arah dipole itu sendiri, namun hal ini merupakan pandangan secara garis besar saja. Jika kita melihat lebih dekat ke arah dipole masing-masing, maka meda listrik yang ditimbulkan akan berbeda.

Dalam pembahasan di atas kita mengabaikan medan listrik eksternal. Namun pada kenyataannya bahan – bahan dielektrik selalu berada dalam medan listrik eksternal. Medan listrik total dengan mengikut sertakan medan listrik eksternal dapat dihitung sebagai berikut :

Dalam banyak kasus polarisasi (P) tidak selalu memiliki arah yang sama dengan E0 tetapi besarnya selalu linier dan proporsional dengan E0 . Hal ini benar karena tanpa adanya medan eksternal ( E0 ) maka dipole listrik yang searah tidak akan terbentuk. Hubungan antara P dan E0 dapat dituliskan sebagai berikut :

  disebut electric susceptibility. Material yang mengukuti persamaan ini adalah material yang memiliki dielektrik yang linier. Dari kombinasi 2 persamaan diatas maka didapat hubungan :

dimana :

disebut juga konstanta dielektrik. Harga konstata dielektrik selalu lebih besar dari 1 dengan syarat > 0.

bahan dielektrik selalu membuat medan listrik menjadi turun. akibatnya tegangan pada kapasitor juga ikut turun, bila tegangan turun maka kapasitas kapasitor akan naik. Tegangan listrik yang turun secara matematis dapat dituliskan :

akibatnya :

Dapat kita lihat dari persamaan diatas, kapasitas sebuah kapasitor akan naik dengan faktor kenaikan sebesar . sedangkan medan listriknya akan turun sebesar :

Medan listrik kapasitor akan turun sebesar faktor .

” ok cukup sekian dulu kita bahas tentang dielektrik kapasitor, pada kesempatan lain akan kita lanjutkan lagi, semoga bermanfaat………”

Posted on Maret 12, 2012, in Fisika and tagged , , , , , . Bookmark the permalink. 5 Komentar.

  1. Klo kapasitor tertulis 15D400 artinya apa?

  2. Ada,dimana sy bisa mengirim gambarnya? Sy ambil dr tv jenis kapstor keramik, krn dicek short stlah sy liat nilainya,lain dr biasanya, apakah bisa diganti dengan yg lain,

  3. bang newbie mau brtanya.
    kl kapasitor” itu dng brmcam macam dielektrikny apkah brmacam macam pula pengaplikasian dlm rangkaian elektronik?
    contoh kapasitor elektrolit cocok d pakai untuk filter, coupling, dll.
    tq

    • Iya sih, dibuatnya macam-macam dielektrik salah satu tujuannya untuk memenuhi kriterian aplikasi. misalnya kapasitor keramik, akan sangat baik untuk diaplikasikan ke rangkaian yang bekerja pada frekuensi tinggi, kapasitor elektrolit sangat cocok untu frekuensi rendah dan memiliki kapasitas besar dan sebagainya.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: