aulia fitriani 1206262582 lr01 charge discharge
DESCRIPTION
Laporan Praktikum Fisika DasarTRANSCRIPT
LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR
Nama : Aulia Fitriani
NPM : 1206262582
Fakultas : Teknik
Jurusan : Teknik Metalurgi dan Material
Nomor Praktikum : LR01
Nama Praktikum : Charge Discharge
Tanggal Praktikum : 14 Oktober 2013
Nama Asisten : Miranda Rizka Anggraini
Laboratorium Fisika Dasar
UPP IPD
Universitas Indonesia
LR01 – CHARGE DISCHARGE
TUJUAN
• Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan
muatan
PERALATAN
• Kapasitor
• Resistor
• Amperemeter
• Voltmeter
• Variable power supply
• Camcorder
• Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis
TEORI DASAR
Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan
dengan huruf "C"adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di
dalam medan listrik, dengancara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari
muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan
kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011cm2 yang artinya luas permukaan
kepingan tersebut.
Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh
suatu bahandielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara
vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan
listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda)
metalnya dan pada saat yang sama muatan muatan negatif terkumpul pada ujung
metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif
dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub positif, karena
terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan
selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.
Gbr 1. Prinsip Kerja Kapasitor
Kapasitor adalah komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan muatan
listrik dan secara sederhana terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan
penyekat (bahan dielektrik). Atau dengan kata lain, kapasitor terbentuk dari dua
konduktor sembarang yang dipisahkan oleh sebuah isolator (atau ruang hampa). Suatu
kapasitor memiliki lambang berikut ini:
Gbr.2 Lambang Kapasitor
Dalam rangkaian listrik, kapasitor dapat digunakan sebagai :
1. Pencari gelombang radio (tuning)
2. Salah satu komponen pengapian
3. Penyimpan energi dalam rangkaian penyala elektronik
4. Filter dalam catu daya
Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat
menampung muatan elektron. Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan
listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas atau kapasitansi (yang dinotasikan dengan
“C”), dan didefinisikan sebagai perbandingan antara muatan listrik Q yang tersimpan
dalam kapasitor dan beda potensial V antara kedua keping.
Dimana:
Q = muatan elektron, satuan C (coulomb)
C = nilai kapasitansi, satuan F (farad)
V = besar tegangan, satuan V (volt)
Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.3, kapasitor akan menjadi
hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutp, arus akan mengalir.
Saat rangkaian tertutup, arus akan mengakibatkan kapasitor dimuati hingga saa
dengan tegangan yang diberikan sebesar V0. Sebaliknya, kapasitor akan melepaskan
muatan melalui resistor saat rangkaian dibuka. Karakteristik tegangan pada kapasitor
dapat diterangkan dengan fungsi eksponensial.
Gbr.3. Rangkaian kapaitor dan resisitor arus searah
Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah
𝑉 𝑡 = 𝑉!𝑒!! ! (1)
Dengan τ adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah
waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi !!𝑉! yang ditentukan dari besar
hambatan dan kapasitans
𝜏 = 𝑅 𝐶 (2)
Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah
𝑉 𝑡 = 𝑉! 1− 𝑒!! ! (3)
Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan kapasitor
Vc(t) turun secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat pada
Gbr. 4.
Konstanta waktu dapat dihitung berdasarkan kurva pengisian kapasitor. Tarik
garis tangensial dari kurva pengisian pada titik t = 0 s dan tarik garis asimtot dari
kurva pengisian. Buat garis yang tegak lurus dari titik perpotongan antara tangensial
V(t)
Vc
dengan garis asimtot ke sumbu x . Titik yang diperoleh pada sumbu adalah konstanta
waktu.
Gbr.4. Kurva pengisian dan pengosongan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktu
Pada percobaan di R-Lab akan digunakan 4 buah model rangkaian, yaitu
Model 1, 2, 3 dan 4. Untuk Model 1 dan 3 mengunakan kapasitor dengan kapasitas
yang sama, Untuk Model 2 dan 4 menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang
sama.
PROSEDUR PERCOBAAN
Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian
bawah halaman ini.
1. Mengaktifkan Web cam (mengeklik icon video pada halaman web r-Lab).
2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan.
3. Mengatur model rangkaian yang akan digunakan, yaitu model 1.
4. Menghidupkan Power Supply yang digunakan.
5. Mengukur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian atau
pelepasan kapasitor.
6. Mengulangi langkah 4 dan 6 untuk model rangkaian 2, 3 dan 4.
TUGAS DAN EVALUASI
1. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor
untuk tiap model rangkaian yang digunakan.
2. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan
kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan.
3. Menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva
yang dibuat dan besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai kompenen R
dan C serta membandingkan hasilnya.
DATA HASIL PERCOBAAN
Tabel Model 1
Waktu IC VC 1 3.98 1.02 2 3.18 1.82 3 2.55 2.45 4 2.04 2.96 5 1.64 3.36 6 1.31 3.69 7 1.05 3.95 8 0.84 4.16 9 0.66 4.34 10 0.53 4.47 11 0.42 4.58 12 0.32 4.68 13 0.25 4.75 14 0.19 4.81 15 0.14 4.86 16 3.88 3.88 17 3.12 3.12 18 2.51 2.51 19 2.02 2.02 20 1.63 1.63 21 1.32 1.32 22 1.07 1.07 23 0.87 0.87 24 0.7 0.7 25 0.57 0.57 26 0.46 0.46 27 0.38 0.38
28 0.31 0.31 29 0.25 0.25 30 0.21 0.21
• Pada saat pengisian kapasitor (charge), data praktikum yang diambil yaitu
pada saat t waktu 1 hingga 15 sekon.
Dari grafik charge diatas, kita mendapatkan persamaan eksponensial, yaitu
y = 4.674 e-0.20x
Dari persamaan yang kita ketahui, V (t) = V0 . e –t/τ
Maka, kita dapat menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian model 1, sebagai
berikut.
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 1,783 e-0,083x
−𝑡/𝜏 = - 0, 083 ( x menunjukkan variabel waktu t)
1/𝜏 = 0,083
𝜏 = 1/0,083
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Charge Model 1 V vs t
𝜏 = 12,048 ( s )
Pada Discharge kapasitor berlaku :
V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ
)
Dari literatur didapat hubungan :
𝜏 = (1 – 0,632 ). 12,048 sekon
𝜏 = 4, 434 sekon
• Pada saat pengosongan kapasitor (discharge), data praktikum yang diambil
yaitu pada saat t waktu 16 hingga 30 sekon.
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 107,8 e-0,20x
−𝑡/𝜏 = - 0, 20 ( x menunjukkan variabel waktu t)
Untuk mendapatkan nilai tetapan waktu R-C, maka x bisa dimisalkan sebagai t,
sehingga:
0 0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 4
4.5
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Discharge Model 1 V vs t
1/𝜏 = 0,20
𝜏 = 1/0,20
𝜏 = 5 s
Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka diperoleh perbedaan waktu yang
tidak terlalu signifikan karena pada dasarnya konstanta waktu charge = konstanta
waktu discharge :
𝜏2 - 𝜏1 = 5 – 4,434 s
𝜏2 - 𝜏1 = 0,566 s
Tabel Model 2
Waktu IC VC
1 11.17 1.43
2 8.03 2.43
3 5.79 3.15
4 4.17 3.67
5 2.99 4.04
6 2.14 4.32
7 1.51 4.52
8 1.05 4.66
9 0.72 4.77
10 0.47 4.85
11 0.29 4.91
12 0.15 4.95
13 0.05 4.99
14 0 5
15 0 5
16 11.32 3.62
17 8.22 2.63
18 5.99 1.92
19 4.38 1.4
20 3.21 1.03
21 2.37 0.76
22 1.74 0.56
23 1.3 0.42
24 0.96 0.31
25 0.72 0.23
26 0.53 0.17
27 0.4 0.13
28 0.29 0.09
29 0.23 0.07
30 0.17 0.05
• Pada saat pengisian kapasitor (charge), data praktikum yang diambil yaitu
pada saat t waktu 1 hingga 15 sekon.
Dari grafik charge diatas, kita mendapatkan persamaan eksponensial, yaitu
y = 2, 419 e 0,062x
Dari persamaan yang kita ketahui, V (t) = V0 . e –t/τ
Maka, kita dapat menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian model 2, sebagai
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Charge Model 2 V vs t
berikut.
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 2, 419 e
0,062x
−𝑡/𝜏 = - 0, 062 ( x menunjukkan variabel waktu t)
1/𝜏 = 0,062
� = 1/0,062
𝜏 = 16,129 ( s )
Pada Discharge kapasitor berlaku :
V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ
)
Dari literatur didapat hubungan :
𝜏 = (1 – 0,632 ). 16,129 sekon
𝜏 = 5,935 sekon
• Pada saat pengosongan kapasitor (discharge), data praktikum yang diambil
yaitu pada saat t waktu 16 hingga 30 sekon.
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 446,1 e-0,30x
−𝑡/𝜏 = - 0, 30 ( x menunjukkan variabel waktu t)
Untuk mendapatkan nilai tetapan waktu R-C, maka x bisa dimisalkan sebagai t,
sehingga:
1/� = 0,30
𝜏 = 1/0,30
𝜏 = 3,334 s
Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka terdapat perbedaan waktu yang
signifikan karena walaupun seharusnya besarnya konstanta waktu charge = konstanta
waktu discharge. Hal ini dapat dijelaskan karena nilai korelasi charge R2 = 0,634
yang berarti relasi data tersebut tidak terlalu akurat.
𝜏2 - 𝜏1 = 5,935 – 3,334s
𝜏2 - 𝜏1 = 2,601 s
Tabel Model 3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Discharge Model 2 V vs t
Waktu IC VC
1 2.72 2.28
2 1.61 3.39
3 0.96 4.04
4 0.57 4.43
5 0.34 4.66
6 0.19 4.81
7 0.1 4.9
8 0.04 4.96
9 0 5
10 0 5
11 0 5
12 0 5
13 0 5
14 0 5
15 0 5
16 2.88 2.88
17 1.73 1.73
18 1.06 1.06
19 0.66 0.66
20 0.42 0.42
21 0.27 0.27
22 0.18 0.18
23 0.12 0.12
24 0.08 0.08
25 0.05 0.05
26 0.04 0.04
27 0.03 0.03
28 0.02 0.02
29 0.01 0.01
30 0.01 0.01
• Pada saat pengisian kapasitor (charge), data praktikum yang diambil yaitu
pada saat t waktu 1 hingga 15 sekon.
Dari grafik charge diatas, kita mendapatkan persamaan eksponensial, yaitu
y = 3, 362 e 0,035x
Dari persamaan yang kita ketahui, V (t) = V0 . e –t/τ
Maka, kita dapat menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian model 3, sebagai
berikut.
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 3, 362 e
0,035x
−𝑡/𝜏 = - 0, 035 ( x menunjukkan variabel waktu t)
1/𝜏 = 0,035
� = 1/0,035
𝜏 = 28,57 ( s )
Pada Discharge kapasitor berlaku :
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Charge Model 3 V vs t
V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ
)
Dari literatur didapat hubungan :
𝜏 = (1 – 0,632 ). 28,57 sekon
𝜏 = 10,514 sekon
• Pada saat pengosongan kapasitor (discharge), data praktikum yang diambil
yaitu pada saat t waktu 16 hingga 30 sekon.
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 2425 e-0,43x
−𝑡/𝜏 = - 0,43 ( x menunjukkan variabel waktu t)
Untuk mendapatkan nilai tetapan waktu R-C, maka x bisa dimisalkan sebagai t,
sehingga:
1/𝜏 = 0,43
𝜏 = 1/0,43
𝜏 = 2,326 s
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Discharge Model 3 V vs t
Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka terdapat perbedaan waktu yang
signifikan karena walaupun seharusnya besarnya konstanta waktu charge = konstanta
waktu discharge. Hal ini dapat dijelaskan karena nilai korelasi charge R2 = 0,511
yang berarti relasi data tersebut tidak terlalu akurat.
𝜏2 - 𝜏1 = 10,514 – 2,326 s
𝜏2 - 𝜏1 = 8,19 s
Tabel Model 4
Waktu IC VC
1 6.61 2.88
2 3.07 4.02
3 1.44 4.54
4 0.64 4.79
5 0.24 4.92
6 0.03 4.99
7 0 5
8 0 5
9 0 5
10 0 5
11 0 5
12 0 5
13 0 5
14 0 5
15 0 5
16 7 2.24
17 3.39 1.09
18 1.71 0.55
19 0.9 0.29
20 0.5 0.16
21 0.29 0.09
22 0.18 0.06
23 0.11 0.03
24 0.08 0.02
25 0.05 0.01
26 0.03 0.01
27 0.02 0
28 0.02 0
29 0 0
30 0 0
• Pada saat pengisian kapasitor (charge), data praktikum yang diambil yaitu
pada saat t waktu 1 hingga 15 sekon.
Dari grafik charge diatas, kita mendapatkan persamaan eksponensial, yaitu
y = 3, 95 e0,021x
Dari persamaan yang kita ketahui, V (t) = V0 . e –t/τ
Maka, kita dapat menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian model 4, sebagai
berikut.
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Charge Model 4 V vs t
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 3, 95 e0,021x
−𝑡/𝜏 = - 0, 021 ( x menunjukkan variabel waktu t)
1/𝜏 = 0,021
� = 1/0,021
𝜏 = 47,619 ( s )
Pada Discharge kapasitor berlaku :
V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ
)
Dari literatur didapat hubungan :
𝜏 = (1 – 0,632 ). 47,619 sekon
𝜏 = 17,52 sekon
• Pada saat pengosongan kapasitor (discharge), data praktikum yang diambil
yaitu pada saat t waktu 16 hingga 30 sekon.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tegangan (V)
Waktu (s)
Gra1ik Discharge Model 4 V vs t
V (t) = V0 . e –t/τ
y = 23984 e-0,59x
−𝑡/𝜏 = - 0,59 ( x menunjukkan variabel waktu t)
Untuk mendapatkan nilai tetapan waktu R-C, maka x bisa dimisalkan sebagai t,
sehingga:
1/𝜏 = 0,59
𝜏 = 1/0,59
𝜏 = 1,695 s
Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka terdapat perbedaan waktu yang
signifikan karena walaupun seharusnya besarnya konstanta waktu charge = konstanta
waktu discharge. Hal ini dapat dijelaskan karena nilai korelasi charge R2 = 0,402
yang berarti relasi data tersebut tidak terlalu akurat.
𝜏2 - 𝜏1 = 17,52 – 1,695s
𝜏2 - 𝜏1 = 15,825 s
ANALISIS
Praktikum Charge Discharge merupakan percobaan yang dilakukan dengan
menggunakan remote laboratory (Rlab) sehingga praktikan dapat melakukan
praktikum melalui situs yang sudah disediakan oleh sitrampil. Meskipun praktikan
tidak melakukan percobaan di laboratorium (dilakukan secara online), praktikum ini
pada dasarnya dapat memvisualisasikan keadaan yang sebenarnya dalam lab sehingga
praktikan tetap merasakan keadaan praktikum melalui fasilitas yang sudah disediakan
(web cam).
Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik tegangan kapasitor
pada saat pengisian dan pelepasan muatan. Dalam praktikum rlab, praktikan hanya
tinggal mengklik tombol power suppy untuk mengalirkan energi dan menekan tombol
setting untuk mempersiapkan prosedur percobaan serta tombol ukur yang
menghasilkan data pengamatan. Adapun spesifikasi data percobaan yang sudah
disediakan (setelan awal yang tertera pada peralatan) saat melakukan percobaan rlab
berupa tegangan dan kuat arus rangkaian. Pada percobaan ini, tegangan yang tertera
pada voltmeter adalah 1,78 V dan kuat arus pada amperemeter sebesar 1,14 mA.
Dari data pengamatan yang dihasilkan dengan mengikuti prosedur, didapat
empat buah model data yang terdiri dari data waktu, tegangan, dan kuat arus. Dari
data yang dihasilkan dan disajikan dalam bentuk grafik, praktikan dapat melihat untuk
15 detik awal merupakan waktu pengisian kapasitor, sedangkan detik berikutnya
(sampai detik ke 30), mengalami pelepasan kapasitor. Dari data yang diperoleh
praktikan dapat mendapatkan tetapan waktu rangkaian RC dengan pada saat pengisian
kapasitor dengan hubungan:
V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ
)
Sedangkan untuk pelepasan kapasitor tetapan waktu rangkaian R-C dapat
dicari dengan hubungan:
V (t) = V0 . e –t/τ
Lebih lanjut lagi dari pengolahan menggunakan grafik didapat data yang
berbentuk eksponensial sehingga praktikan dapat mensubstitusikan persamaan grafik
eksponensial dengan rumus di atas dan mendapatkan nilai tetapan waktu rangkaian R-
C.
Faktor-faktor yang menyebabkan keberhasilan praktikum ini adalah
pengambilan data dilakukan secara otomatis (dari rlab) sehingga kesalahan
pengambilan data oleh praktikan dapat diminimalisir semaksimal mungkin,
pengambilan pengamatan data yang banyak menyebabkan peningkatan akurasi dalam
pengolahan data, perhitungan dibantu dengan peralatan dan software seperti
kalkulator dan Ms. Word maupun excel, meskipun terdapat banyak data, data grafik
terdistribusi membentuk suatu pola eksponensial sehingga tetap mudah dibaca, jenis
data dan rumus yang dipakai tidak terlalu banyak sehingga kesalahan memasukkan
variabel ke dalam rumus dapat diminimalisir.
Adapun kesulitan yang dialami selama pengolahan data adalah cara
menentukan tetapan waktu rangkaian R-C model 4 pada saat kondisi discharge. Pada
awalnya membuat grafik dengan fungsi eksponensial tidak keluar persamaan , pada
akhirnya menggunakan cara lain yang ada di Ms Excel ,tidak lama kemudian keluar
nilai eksponensialnya. Disamping itu, kendala yang dihadapi dalam percobaan
pengisian dan pelepasan muatan di kapasitor seperti banyaknya pengamatan data yang
diperoleh dapat diatasi dengan perhitungan dengan software seperti Ms word dan
excel. Sedangkan kesulitan pembacaan data pada grafik dapat diatasi dengan
memperhatikan pola eksponensial yang ada.
Pada akhirnya, apabila praktikan membandingkan data tetapan waktu
rangkaian R-C pada saat pengisian maupun pelepasan muatan di kapasitor dari hasil
percobaan, maka didapat hasil yang hampir sama pada korelasi R2 yang tinggi.
Adapun perbedaan yang terjadi mungkin akibat adanya faktor-faktor kesalahan
pembuatan grafik sehingga menghasilkan perbedaan dengan hasil teoritis yang
seharusnya terjadi. Akan tetapi, secara umum pengisian dan pelepasan muatan di
kapasitor tetap dapat menggambarkan bagaimana pola pengisian dan pelepasan
(Charge Discharge) kapasitor terjadi. Oleh karena itu, percobaan yang dilakukan oleh
praktikan dapat dikatakan berhasil karena tujuan untuk mempelajari pengisian dan
pelepasan muatan di kapasitor dapat dicapai.
KESIMPULAN
Setelah melakukan praktikum R-Lab maka praktikan dapat menyimpulkan bahwa:
1. Karateristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan
dapat dipelajari melaui praktikum Charge Discharge.
2. Grafik tegangan pada saat pengisian dan pengeluaran kapasitor berbentuk
eksponensial.
3. Nilai konstanta waktu rangkaian R-C untuk pengisian dan pengeluaran
kapasitor relatif sama (secara teori harusnya sama).
4. Konstanta waktu dapat dicari dengan mensubtitusikan persamaan tengangan
pada rangkaian R-C.
REFERENSI
• Giancoli, D.C.2000, Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition,
Prentice Hall, NJ.
• Halliday, Resnick,2005. Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition,
Extended Edition, JohnWiley & Sons, Inc., NJ.
• Tipler. 1996. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid II. Jakarta: Erlangga.
Link RLab
• http://sitrampil6.ui.ac.id/lr01