ikaandrianitahjan.comikaandrianitahjan.com/struktur materi kapasitor.docx · web viewmodel...
TRANSCRIPT
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 1
KAPASITOR
1. Sejarah Kapasitor
2. Muatan pada Kapasitor
3. Pengertian Kapasitor
3.1 Satuan Kapasitor
3.2 Prinsip Kapasitor
3.3 Cara Kerja Kapasitor
4. Jenis dan macam-macam Kapasitor
4.1 Kapasitor berdasarkan bahan (Dielektrikum)
4.2 Kapasitor berdasarkan Polaritasnya
5. Kegunaan Kapasitor
6. Bentuk Kapasitor
7. Tipe-tipe Kapasitor
8. Kapasitansi Kapasitor
9. Kapasitor keeping Sejajar
10. Dielektrik pada Kapasitor
11. Susunan Kapasitor
12. Energi yang tersimpan dalam kapasitor
A. Uraian Materi
1. Sejarah Kapasitor
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 2
KAPASITOR
Model Kapasitor pertama ”diciptakan” di Belanda, tepatnya kota Leyden pada abad
ke-18 oleh para eksperimentalis fisika. Karenanya alat ini dinamakan Leyden Jar. Leyden Jar
adalah wadah yang dibuat untuk menyimpan muatan listrik, yang pada prinsipnya berupa
wadah seperti botol namun berlapis logam/konduktor yang diisi bahan isolator (dielektrik)
misalnya air dan padanya dimasukkan sebuah batang logam yang bersifat konduktor, sehingga
diperoleh lapisan konduktor-dielektrik-konduktor. Prinsip inilah yang dipakai untuk membuat
kapasitor modern.
Gambar 1.1 : Layden jer dan kapasitor
Kapasitor ditemukan oleh penemu kapasitor yang bernama Ewald Georg von Kleist
( Oktober 1745 ). Pernahkah terlintas dibenak anda ” Kok dinamai Kondesator?? ” mengapa
kapasitor sampai mempunyai nama lain kondensator?? adalah karena pada masa itu pada
tahun 1782 dunia masih kuat akan pengaruh dari ilmuan kimiawi lainnya yaitu Alessandro
Volta, yang berkebangsaan itali. Dimana pada masa tersebut segala komponen yang
berkenaan dengan kemampuan untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding
komponen lainnya ia sebut dengan nama Condensatore ( Bahasa Itali ).
2. Pengertian kapasitor
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 3
Kapasitor adalah komponen elektronika yang mampu menyimpan muatan listrik,
yang terbuat dari dua buah keping logam yang dipisahkan oleh bahan dielektrik, seperti
keramik, gelas, vakum, dan lain-lain . Muatan positif dan negatif akan berkumpul pada kedua
ujung berlainan tersebut, apabila kedua ujung metal (elektroda) dihubungkan dengan sumber
tegangan.
Kapasitor (Kondensator) di jelaskan oleh (sari, 2013) bahwa dalam rangkaian
elektronika dilambangkan dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan
energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan
internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan
kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas permukaan kepingan
tersebut.
Kapasitor adalah komponen elektronika yang berfungsi sebagai penyimpanan
muatan, dan terbuat dari dua buah konduktor yang berada berdekatan. Komponen ini bila
dihubungkan dengan sebuah untai yang didalamnya terdapat sumber arus atau baterai, maka
dalam waktu singkat mengalirlah arus searah, dan setelah kapasitor termuati maksimum maka
aruspun berhenti. Masalah utama dalam pembuatan kapasitor adalah untuk dapat membuat
kapasitor berkapasitas besar, tetapi berdimensi kecil. Terkait dengan itu, dilakukanlah beragam
aktivitas, yang di antara lain dengan mendekatkan jarak antara kedua konduktor, member di
elektrik, atau mengubah bentuk geometriny (Jati & Priyambodo, 2010).
a. Satuan Kapasitor
Satuan yang digunakan untuk menyatakan besar kapasitansi dari sebuah kapasitor
adalah farad (F). Kapasitor dikatakan memiliki kapasitansi sebesar 1 F jika arus sebesar 1 A
mengalir di dalamnya ketika diberikan potensial yang berubah-ubah dengan kelajuan 1 V/s.
Untuk rangkaian elektronik praktis, satuan farad adalah sangat besar sekali.
Umumnya kapasitor yang ada di pasaran memiliki satuan : µF, nF dan pF. 1 Farad =
1.000.000 µF (mikro Farad)
1 µF = 1.000.000 pF (piko Farad)
1 µF = 1.000 nF (nano Farad)
1 nF = 1.000 pF (piko Farad)
1 pF = 1.000 µµF (mikro-mikro Farad)
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 4
1 µF = 10-6 F
1 nF = 10-9 F
1 pF = 10-12 F
Konversi satuan penting diketahui untuk memudahkan membaca besaran sebuah
kapasitor. Misalnya 0.047 µF dapat juga dibaca sebagai 47 nF, atau contoh lain 0.1 nF sama
dengan 100 pF. Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif
dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung.
b. Prinsip Kapasitor
Jika dua buah plat atau lebih yang berhadapan dan dibatasi oleh isolasi, kemudian
plat tersebut dialiri listrik maka akan terbentuk kondensator (isolasi yang menjadi batas kedua
plat tersebut dinamakan dielektrikum). Bahan dielektrikum yang digunakan berbeda-beda
sehingga penamaan kapasitor berdasarkan bahan dielektrikum. Luas plat yang berhadapan
bahan dielektrikum dan jarak kedua plat mempengaruhi nilai kapasitansinya.
Pada suatu rangkaian yang tidak terjadi kapasitor liar. Sifat yang demikian itu
disebutkan kapasitansi parasitic. Penyebabnya adalah adanya komponen-komponen yang
berdekatan pada jalur penghantar listrik yang berdekatan dan gulungan-gulungan kawat yang
berdekatan.
Gambar 1.2: Kapasitor
Gambar diatas menunjukan bahwa ada dua buah plat yang dibatasi udara. Jarak kedua plat
dinyatakan sebagai d dan tegangan listrik yang masuk.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 5
c. Cara Kerja Kapasitor
Cara kerja Kapasitor dalam sebuah rangkaian adalah dengan mengalirkan elektron
menuju kapasitor. Pada saat kapasitor sudah di penuhi dengan elektron, tegangan akan
mengalami perubahan. Selanjutnya, elektron akan keluar dari sebuah kapasitor dan mengalir
menuju rangkaian yang membutuhkannya. Dengan begitu, kapasitor akan membangkitkan
reaktif suatu rangkaian.
Adapun kedua keping atau piringan pada kapasitor dipisahkan oleh suatu isolator,
pada dasarnyan tidak ada elektron yang dapat menyebrang celah di antara kedua keping. Pada
saat baterai belum terhubung, kedua keping akan bersifat netral (belum termuati). Saat baterai
terhubung, titik dimana kawat pada ujung kutub negatif dihubungkan akan menolak elektron.
Elektron-elektron tersebut akan tersebar keseluruh keping kapasitor. Sesaat elektron mengalir
ke dalam keping sebelah kanan dan elektron mengalir keluar dari keping sebelah kiri; pada
kondisi ini arus mengalir melalui kapasitor walaupun sebenarnya tidak ada elektron yang
mengalir melalui celah kedua keping tersebut.
Setelah bagian luar keping termuati berangsur-angsur akan menolak muatan baru dari
baterai. Karenanya arus pada keping tersebut akan menurun besarnya terhadap waktu sampai
kedua keping tersebut berada pada tegangan yang dimiliki baterai. Keping sebelah kanan akan
memiliki kelebihan elektron yang tertukar dengan muatan -Q dan pada keping sebelah kiri
termuati sebesar + Q.
Gambar 1.3: Rangkaian Kapasitor
3. Muatan pada kapasitor
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 6
+ _ + _ + _
(a) (b) (c) (d)
Gambar 1.5: Simbol kapasitor, (a), (b) dan (c) polar, (d) non polar
Pernahkah anda memerhatikan komponen-komponen yang ada di dalam alat
elektronik, seperti televise dan radio? Kapasitor atau kondensator adalah salah satu komponen
elektronik yang ada di dalamnya. Perhatikan (Gambar 1.4), kapasitor atau kondensator adalah
dua buah penghantar (pelat) kondektor yang dipisahkan oleh suatu isolator atau zat dielektrik
untuk memperoleh muatan yang sama, tetapi berlawanan jenis. Kapasitor berfungsi untuk
menyimpan energy potensial listrik.
Gambar 1.4: Proses pengisian muatan pada kapasitor.
Anda dapat membayangkan sebuah usaha untuk memberikan muatan pada kapasitor
dengan cara kutub positif baterai menarik electron pada keeping sebelah kiri hingga keeping
tersebet menjadi bermuatan positif dan mendorong electron-elektron tersebut ke keeping
sebelah kanan menjadi bermuatan negatif hingga kedua keeping memiliki muatan sama,
hanya jenisnya yang berbeda. Proses perpindahan electron dari keeping kiri ke keeping kanan
melalui energy Kimia dari baterai yang berlangsung terus menerus sampai beda potensial V
antara keeping sama dengan beda potensial yang dimiliki baterai. Sampai akhirnya kapasitor
telah penuh muatan dan tidak dapat diisi lagi.
Simbol yang sering digunakan untuk kapasitor seperti pada (Gambar 1.2) berikut.
Kapasitor digunakan untuk :
a. menyimpan muatan atau energy listrik;
b. sebagai salah satu komponen dalam rangkaian penala yang berguna untuk memilih
frekuensi pada pesawat radio; dan
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 7
c. mencegah loncatan listrik pada rangkaian-rangkaian yang mengandung kumparan jika
tiba-tiba arus listrik diputuskan.
Gambar 1.6: a) Jenis kapasitor, b) Skema kapasitor
4. Jenis dan macam-macam Kapasitor
Berdasarkan bahan Isolator dan nilainya, Kapasitor dapat dibagi menjadi 2 Jenis yaitu
Kapasitor Nilai Tetap dan Kapasitor Variabel. Berikut ini adalah penjelasan singkatnya
untuk masing-masing jenis Kapasitor :
a. Kapasitor berdasarkan bahan (Dielektrikum)
1) Kapasitor bernilai Tetap
Kapasitor Nilai Tetap atau Fixed Capacitor adalah Kapasitor yang nilainya konstan atau
tidak berubah-ubah. Berikut ini adalah Jenis-jenis Kapasitor yang nilainya Tetap :
Gambar 1.7: Kapasitor Bernilai Tetap
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 8
a) Kapasitor Keramik (Ceramic Capasitor)
Kapasitor Keramik adalah Kapasitor yang Isolatornya terbuat dari Keramik dan
berbentuk bulat tipis ataupun persegi empat. Kapasitor Keramik tidak memiliki arah atau
polaritas, jadi dapat dipasang bolak-balik dalam rangkaian Elektronika. Pada umumnya, Nilai
Kapasitor Keramik berkisar antara 1pf sampai 0.01µF.
Kapasitor yang berbentuk Chip (Chip Capasitor) umumnya terbuat dari bahan Keramik
yang dikemas sangat kecil untuk memenuhi kebutuhan peralatan Elektronik yang dirancang
makin kecil dan dapat dipasang oleh Mesin Produksi SMT (Surface Mount Technology) yang
berkecepatan tinggi.
b) Kapasitor Polyester (Polyester Capacitor)
Kapasitor Polyester adalah kapasitor yang isolatornya terbuat dari Polyester dengan
bentuk persegi empat. Kapasitor Polyester dapat dipasang terbalik dalam rangkaian
Elektronika (tidak memiliki polaritas arah)
c) Kapasitor Kertas (Paper Capacitor)
Kapasitor Kertas adalah kapasitor yang isolatornya terbuat dari Kertas dan pada
umumnya nilai kapasitor kertas berkisar diantara 300pf sampai 4µF. Kapasitor Kertas tidak
memiliki polaritas arah atau dapat dipasang bolak balik dalam Rangkaian Elektronika.
d) Kapasitor Mika (Mica Capacitor)
Kapasitor Mika adalah kapasitor yang bahan Isolatornya terbuat dari bahan Mika. Nilai
Kapasitor Mika pada umumnya berkisar antara 50pF sampai 0.02µF. Kapasitor Mika juga
dapat dipasang bolak balik karena tidak memiliki polaritas arah.
e) Kapasitor Elektrolit (Electrolyte Capacitor)
Kapasitor Elektrolit adalah kapasitor yang bahan Isolatornya terbuat dari Elektrolit
(Electrolyte) dan berbentuk Tabung / Silinder. Kapasitor Elektrolit atau disingkat dengan
ELCO ini sering dipakai pada Rangkaian Elektronika yang memerlukan Kapasintasi
(Capacitance) yang tinggi. Kapasitor Elektrolit yang memiliki Polaritas arah Positif (-) dan
Negatif (-) ini menggunakan bahan Aluminium sebagai pembungkus dan sekaligus sebagai
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 9
terminal Negatif-nya. Pada umumnya nilai Kapasitor Elektrolit berkisar dari 0.47µF hingga
ribuan microfarad (µF). Biasanya di badan Kapasitor Elektrolit (ELCO) akan tertera Nilai
Kapasitansi, Tegangan (Voltage), dan Terminal Negatif-nya. Hal yang perlu diperhatikan,
Kapasitor Elektrolit dapat meledak jika polaritas (arah) pemasangannya terbalik dan
melampui batas kamampuan tegangannya.
f) Kapasitor Tantalum
Kapasitor Tantalum juga memiliki Polaritas arah Positif (+) dan Negatif (-) seperti
halnya Kapasitor Elektrolit dan bahan Isolatornya juga berasal dari Elektrolit. Disebut
dengan Kapasitor Tantalum karena Kapasitor jenis ini memakai bahan Logam Tantalum
sebagai Terminal Anodanya (+). Kapasitor Tantalum dapat beroperasi pada suhu yang lebih
tinggi dibanding dengan tipe Kapasitor Elektrolit lainnya dan juga memiliki kapasintansi
yang besar tetapi dapat dikemas dalam ukuran yang lebih kecil dan mungil. Oleh karena itu,
Kapasitor Tantalum merupakan jenis Kapasitor yang berharga mahal. Pada umumnya dipakai
pada peralatan Elektronika yang berukuran kecil seperti di Handphone dan Laptop.
2) Kapasitor Variabel
Kapasitor Variabel adalah Kapasitor yang nilai Kapasitansinya dapat diatur atau
berubah-ubah. Secara fisik, Kapasitor Variabel ini terdiri dari 2 jenis yaitu :
Gambar 1.8: Kapasitor Variabel
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 10
a)VARCO (Variable Condensator)
VARCO (Variable Condensator) yang terbuat dari Logam dengan ukuran yang lebih
besar dan pada umumnya digunakan untuk memilih Gelombang Frekuensi pada Rangkaian
Radio (digabungkan dengan Spul Antena dan Spul Osilator). Nilai Kapasitansi VARCO
berkisar antara 100pF sampai 500pF.
b) Trimmer
Trimmer adalah jenis Kapasitor Variabel yang memiliki bentuk lebih kecil sehingga
memerlukan alat seperti Obeng untuk dapat memutar Poros pengaturnya. Trimmer terdiri
dari 2 pelat logam yang dipisahkan oleh selembar Mika dan juga terdapat sebuah Screw
yang mengatur jarak kedua pelat logam tersebut sehingga nilai kapasitansinya menjadi
berubah. Trimmer dalam Rangkaian Elektronika berfungsi untuk menepatkan pemilihan
gelombang Frekuensi (Fine Tune). Nilai Kapasitansi Trimmer hanya maksimal sampai
100pF.
b. Kapasitor berdasarkan Polaritasnya
Polaritas adalah definisi arah/kutub pada sebuah titik. Maksud dari polaritas pada
kapasitor adalah penentuan titik positif dan negatif pada penggunaan. Dengan ditentukan
atau tidak ditentukan polaritasnya akan dipakai sebagai acuan saat perancangan dan
pemasangan kapasitor pada rangkaian. Ada tiga jenis kapasitor yang dibedakan berdasarkan
jenisnya, yaitu kapasitor polar, non-polar dan bipolar.
1) Kapasitor Non-Polar
Adalah kapasitor yang tidak mempunyai polaritas. Dalam rangkaian, pamasangan
kapasitor jenis ini boleh terbalik. Contoh kapasitor jenis non-polar adalah kapasitor keramik
dan polyester. Kapasitor non-polar terjadi karena bahan-bahan yang digunakan memang
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 11
tidak memiliki polaritas ion positif maupun negatif sehingga tidak memunculkan polaritas
tertentu.
Gambar 1.9: Kapasitor Nonpolar
2) Kapasitor Polar
Adalah kapasitor yang memiliki polaritas. Berbeda dengan kapasitor non-polar,
kapasitor jenis ini tidak boleh pemasangannya dalam rangkaian. Contoh kapasitor polar
adalah kapasitor elektrolit dan tantalum. Kapasitor ini memiliki polaritas karena bahan
dielektrikumnya memang memiliki polaritas, sehingga dalam penggunaannya juga harus
diperhatikan dengan benar polaritasnya.
Gambar 1.10: Kapasitor Polar
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 12
3) Kapasitor Bipolar
Sekilas kapasitor bipolar memang mirip dengan non-polar, mengapa? karena
kapasitor bipolar boleh dipasang secara terbalik seperti kapasitor non-polar. Lalu mengapa
disebut kapasitor bipolar? jawabannya karena kapasitor ini memang memiliki dua polaritas,
dan ini terkait dengan bahan dielektrikum yang digunakan, yaitu elektrolit.
Gambar 1.11: Kapasitor Bipolar
Seperti diketahui bahwa kapasitor jenis keramik dan polyester yang memiliki jenis
non-polar memiliki keterbatasan nilai maksimal. lalu bagaimana jika kita membutuhkan
kapasitor tanpa polaritas dengan nilai yang lebih tinggi, tentu kita harus menggunakan
kapasitor elektrolit. Permasalahannya adalah kapasitor elektrolit memiliki polaritas, lalu
bagaimana solusinya?
Teknik yang digunakan untuk membuat kapasitor tanpa polaritas dari bahan
dielektrikum elektrolit inilah yang melahirkan kapasitor bipolar. Berbeda dengan kapasitor
non-polar yang bahan dielektrikumnya memang tidak memiliki polaritas, kapasitor bipolar
memiliki dua polaritas karena dibuat dari bahan dielektrikum elektrolit.
5. Kegunaan Kapasitor
Kegunaan kapasitor adalah untuk menyimpan arus/tegangan listrik. Untuk arus DC
kapasitor berfungsi sebagai isulator/penahan arus listrik, sedangkan untuk arus AC berfungsi
sebagai konduktor/melewatkan arus listrik. Dalam penerapannya kapasitor digunakan sebagai
filter/penyaring,perata tegangan DC pada pengubah AC to DC,pembangkit gelombang ac
atau oscilator dsb.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 13
Beberapa kegunaan dari komponen kapasitor (kondensator lainnya adalah :
a. Kapasitor sebagai kopling, dilihat dari sifat dasar kapasitor yaitu dapat dilalui arus ac dan
tidak dapat dilalui arus dc dapat dimanfaatkan untuk memisahkan 2 buah rangkaian yang
saling tidak berhubungan secara dc tetapi masih berhubungan secara ac(signal), artinya
sebuah kapasitor berfungsi sebagai kopling atau penghubng antara 2 rangkaian yang
berbeda.
b. Kapasitor berfungsi sebagai filter pada sebuah rangkaian power supply, yang saya
maksud disini adalah kapasitor sebagai ripple filter, disini sifat dasar kapasitor yaitu dapat
menyimpan muatan listrik yang berfungsi untuk memotong tegangan ripple.
c. Kapasitor sebagai penggeser fasa.
d. Kapasitor sebagai pembangkit frekuensi pada rangkaian oscilator.
e. Kapasitor digunakan juga untuk mencegah percikan bunga api pada sebuah saklar.
f. Menyimpan muatan atau energy listrik;
6. Bentuk Kapasitor
Kapasitas kapasitor (C), walaupun pada dimensi, jenis dielektrik dan jarak antar
konduktor yang sama, namun nilai C berbeda pada geometri berbeda. Berikut ini diuraikan
ragam geometri kapasitor yang biasa dijumpai, yaitu geometri bola, pelat sejajar, dan
silinder.
1) Kapasitor Bola
Kapasitor bergeometri bola, biasa disebut kapasitor bola, terdiri dari dua bola konduktor
konsentris, bola sebelah dalam sebut saja berjejari a, bermuatan keseluruhan +Q yang tersebar
homogeny dipermukaan bola, dan berjejari luar b yang bermuatan keseluruhan –Q (Gambar). Bola
sebelah dalam dan luar bermuatan senilai (Q) namun berlawanan tanda. Pada kondisi demikian itu
kapasitor disebut menyimpan muatan listrik Q.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 14
Gambar 1. 12: Kapasitor Bola
Beda potensial antara kedua bola kosentris itu adalah:
Di r<a E=0
Di daerah a<r<b
Di r>b E = 0
2) Kapasitor Pelat Sejajar
Sebuah Kapasitor Pelat sejajar terbuat dari dua pelat konduktor yang didekatkan
sehingga permukaan dua pelat itu sejajar. Kedua pelat konduktor yang sejajar itu masing
masing luasnya A, jarak antar pelat d, dan masing masing pelat itu bermuatan +Q dan –Q
pada kerapatan seragam σ. Medan listrik yang dikerahkan di antara kedua pelat itu E adalah
σ/ε0, dan mengingat Q = σ A maka diperoleh kapasitas dari kapasitor itu yang terbentuk:
Jadi nilai C kapasitor Pelat sejajar dapat diatur, pengaturan itu dapat dilakukan
dengan menvariasi d atau A. Misalnya tombol pemilih gelombang pada radio, pemilihan
gelombang dilakukan dengan memvariasi A efektif pada kapasitornya. Juga dijumpai,
sejumlah transduser pada alat elektronik menggunakan sensor berpeubah C, dengan cara
variasi A atau d. Transduser merupakan system pengubah besaran nonlistrik menjadi listrik.
Sementara itu, sensor merupakan system atau bahan yang peka terhadap perubahan masukan,
misalnya karena tekanan berubah maka jarak antar pelat konduktor berubah.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 15
Gunakan Hukum Gauss untuk menghitung besar medan di ruang antar keeping.
Gambar 1. 13: Kapasitor Pelat Sejajar
3) Kapasitor Silinder
Kapasitor bergeometri silinder, biasa disebut kapasitor Silinder. Kapasitor ini terbuat
dari 2 buah konduktor berbentuk silinder konsentris. Kedua konduktor silinder itu misalnya
panjang l, masing masing berjejari a dan b (a < b), dan medium diaantara kedua konduktor
itu vakum atau udara, serta kedua konduktor bermuatan masing masing –Q dan +Q yang
tersebar seragam diseluruh permukaan silinder (Gambar).
Gambar 1. 14: Kapasitor Silinder
Gunakan hukum Gauss untuk menghitung besar medan di daerah a<r<b.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 16
7. Tipe-tipe Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih
sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan
electrochemical.
a. Kapasitor Electrostatic
Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan
dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular serta
murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai
beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berkenaan dengan frekuensi
tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti
polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene,
polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya. Mylar, MKM, MKT adalah
beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor dengan bahan-bahan dielektrik film.
Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-polar.
b. Kapasitor Electrolytic
Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan
dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini
adalah kapasitor polar dengan tanda + dan – di badannya. Mengapa kapasitor ini dapat
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 17
memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga
terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif katoda.
Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium,
titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga
membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses
elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup kedalam
larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan electrolit
diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai
permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan
Aluminiumoksida (Al2O3) pada permukaannya.
c. Kapasitor Elektrolit (Elco)Kapasitor Elektrolit (Elco)
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan
electrolyte(katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai
dielektrik. Dari rumus kedua diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal
dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat
kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.
Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan
adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah Aluminium.
Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini biasanya digulung
radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang kapasitansinya besar.
Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang sering juga disebut kapasitor elco.
Gambar 1. 15: Kapasitor Elco
Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat.
Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi elektroda
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 18
negatif-nya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan demikian kapasitor
jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi lebih ramping dan mungil.
Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya (lifetime) menjadi lebih tahan
lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus bocor yang sangat kecil Jadi dapat dipahami
mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal.
d. Kapasitor Electrochemical
Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis
ini adalah batere dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah kapasitor yang sangat
baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat
kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan
kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk applikasi mobil elektrik dan
telepon selular.
8. Kapasitas Kapasitor
Kapasitansi didefinisikan 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 (Maulana, 2009).
(Dwi & Supryadi, 2014) menjelaskan bahwa kapasitas kapasitor, biasa disebut juga
kapasitansi. (C) merupakan ukuran kemampuan kapasitor itu untuk menyimpan muatan (Q)
pada beda potensial V. Hal itu dinyatakan dalam kaitan :
C = QV (1.1)
Ada tiga jenis kapasitor yang banyak digunakan, yaitu:
a. Kapasitor kertas. Kertas pada kapasitor ini berfungsi sebagai penyekat di antara kedua pelat
logam.
b. Kapasitor variable.. Kapasitor ini digunakan dalam rangkaian penala pada pesawat radio.
c. Kapasitor elektrolit (elco). Kapasitor jenis ini memiliki kapasitansi paling tinggi, yaitu
sampai dengan 100.000 pF.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 19
Gambar 1.16 : (a) Kapasitor kertas, (b) kapasitor variable, (c) kapasitor elektrolit (elco)
9. Kapasitor Keping Sejajar
Pada tahun 1837, Michael Faraday melakukan penelitian tentang pengaruh pengisian
ruang di antara pelat-pelat kapasitor dengan menggunakan bahan dielektrik. Faraday
menggunakan dua kapasitor yang identik. Di salah satu kapasitor ditempatkan suatu bahan
dielektrik, sedangkan kapasitor lainnya berisi udara pada tekanan normal. Kemudian, kedua
kapasitor tersebut diberi potensial listrik yang sama besarnya, seperti ditunjukkan oleh (Gambar
1.3). Melalui eksperimen tersebut, Faraday memperoleh hasil spektakuler. Muatan di kapasitor
yang mengandung udara.
Oleh karena muatan q lebih besar untuk V yang sama pada kapasitor yang
mengandung dielektrik. Berdasarkan persamaan (1.1) di peroleh hasil bahwa kapasitas sebuah
kapasitor akan bertambah besar akibat penempatan bahan dielektrik di antara pelat-pelat
kapasitor.
Gambar 1.17: a) Baterai B menyebabkan perbedaan potensial yang sama pada setiap kapasitor, kapasitor dengan bahan dielektrik memiliki muatan yang leebih banyak. b) Kedua kapasitor mengangkut muatan yang sama. Kapasitor dengan bahan dielektrik memiliki perbedaan potensial lebih rendah, seperti ditunjukkan oleh pembaca alat ukur.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 20
Tabel 1.1: Sifat-sifat Dielektrik
Bahan Dielektrik Permitivitas Relatif (ε 0)
Bahan Dielektrik Permitivitas Relatif (ε 0)
Ruang Hampa 1 Mylar 3,1Udara (1 atm) 1,00059 Polivinil 3,18Udara (100 atm) 1,0548 Polystyrene 2,5 – 2,7Telfon 2,1 Pleksiglas 3,14Polietilena 2,25 Kaca 5 – 10Benzena 2,28 Neoprena 16Mika 3 – 6 Germanium 6,70Gliserin 42,5 Air 80,4Strontium 310 Vinyl clorida 2,3 – 3,1Karet 2 – 3,5 Kertas 2 – 2,5Oksigen 1,0005 Keramik 5 – 7Karet alam 2,7-4 Ebonit 2,7 – 2,9Amonia 21 – 23 Gelas 3,5 – 9
Pada (Gambar 1.18) kapasitor keeping sejajar terdiri atas dua keeping logam yang
terpasang sejajar pada jarak pisah d meter, yang jauh lebih kecil dari luas keeping A m2. Kedua
keeping tersebut diberi muatan q yang sama besar, tetapi tidak sejenis.
Gambar 1.18: Kapasitor keeping sejajar dihubungkan dengan sumber tegangan V.
Jika di antara keeping sejajar adalah udara/vakum, kapasitansi kapasitor memenuhi
persamaan berikut:
C0=¿ε 0
Ad
¿ (1.2)
Dimana ¿¿) adalah konstanta permitivitas vakum yang besarnya
8,85 x 10-12 Fm-1 dengan menempatkan bahan dielektrik ¿¿) di antara kedua pelat maka nilai
kapasitansi akan meningkat.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 21
10. Dielektrik pada Kapasitor
Di antara dua pelat keeping pada kapasitor biasanya disisipi/dipasang suatu bahan
isolator yang disebut dielektrik. Bahan ini digunakan karena dapat memperbesar nilai
kapasitas kapasitor. Contoh bahan dielektrik adalah kaca mika, kertas, dan karet.
Bahan dielektrik memiliki harga permitivitas yang berbeda dengan harga permitivitas
vakum. Berdasarkan persamaan (1.2) dapat diketahui bahwa permitivitas bahan ε=ε r ε0.
Sehingga kapasitas kapasitor yang menggunakan bahan dielektrik adalah:
C=ε r ε0 Ad = ε rC0 (1.3)
ε r=CC 0
(1.4)
11. Susunan Kapasitor
a. Susunan Seri
Dalam praktik, anda sering kali perlu menggabungkan kapasitor untuk mendapatkan
nilai kapasitas yang diinginkan. Cara penggabungan kapasitor yang sangat besar adalah cara
penggabungan dengan susunan seri dan paralel.
Gambar 1.19: Susunan seri kapasitor
Perhatikan (Gambar 1.19) dalam susunan seri kapasitor berlaku aturan berikut.
1) Muatan pada setiap kapasitor sama, yaitu sama dengan muatan kapasitor pengganti.
qtotal = q1 = q2 = q3 = q (1.5)
2) Beda potensial pada ujung-ujung kapasitor pengganti sama dengan jumlah total beda
potensial ujung-ujung setiap kapasitor.
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 22
Vtot = V1 + V2 + V3 (1.6)
Dari persamaan (1.1) diketahui bahwa
C= qV atau V= q
C
V 1=qC1
, V 2=qC2
, V 3=qC3
, sedangkan V total=q
C total
Jika harga V1, V2, dan V3 dimasukkan ke dalam persamaan (1.6), akan diperoleh
persamaan
1Ctotal
= 1C1
+ 1C2
+ 1C3
(1.7)
Besar kapasitas pengganti untuk n buah kapasitor yang disusun seri adalah:
1Ctotal
= 1C1
+ 1C2
+ 1C3
…+ 1Cn
(1.8)
b. Susunan Paralel
Dalam susunan parallel kapasitor, berlaku hal-hal berikut.
1) Beda potensial setiap kapasitor adalah sama
Vtot = V1 = V2 = V3 = V (1.9)
2) Muatan total kapasitor pengganti sama dengan jumlah total muatan
qtotal = q1 + q2 + q3 (1.10)
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 23
Perhatikan (Gambar 1.20) muatan pada masing-masing kapasitor adalah q1 = C1V,
q2 = C2V, dan q3 = C3V, sedangkan q = Ctotal V. Jika harga-harga q1, q2, q3, dan q dimasukkan ke
dalam persamaan (1.5) akan diperoleh:
Ctot = C1 + 22 + C3 (1.11)
Gambar 1.20: Susunan paralel kapasitor
Besar kapasitas pengganti untuk n buah kapasitor yang disusun parallel adalah:
Ctotal = C1 + C2 + C3 (1.12)
12. Energi yang tersimpan dalam Kapasitor
Kapasitor juga berfungsi untuk menyimpan energi potensial yang diberikan dari
sumber potensial listrik. Energi potensial tersebut digunakan ketika rangkaian listrik mulai
bekerja. Sejumlah muatan ke dalam kapasitor terus bertambah selama proses pengisian terus
berlangsung bersamaan dengan pertambahan potensial pada kedua keping sejajar hingga
penuh sebesar:
Kenaikan total energi potensial pada kapasitor Ep adalah penjumlahan atau
integral muatan q (e-) dari nol sampai Q (perhatikan gambar dibawah ini). Dengan
memperhatikan persamaan:
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 24
Energi potensial yang tersimpan dalam kapasitor dapat diperoleh sebagai berikut.
B. Daftar Pustaka
Dwi, B., & Supryadi. (2014). Konstanta Dielektrik Bahan Kertas Karton pada Keping Sejajar. Jurnal Fisika (Online) , 75 - 77.
Jati, B. M., & Priyambodo, T. (2010). Fisika Dasar Listrik Magnet Optika Fisika Modern. Yogyakarta: Andi Yogyakarta.
Kanginan, Marthen. 2013. Fisika Untuk SMA/MA Kelas XII. Jakarta: Erlangga.
Maulana. (2009). Pengukuran Nilai Kapasitansi Listrik Spora Aspergillus Niger Menggunakan Kapasitor Pelat Sejajar. Jakarta: Universitas Indonesia (UI).
Sari, R. (2013, 06 11). Dasar Elektronika Kapasitor. Retrieved 12 0, 2016, from Dasar Elektronika.com: https://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/kapasitor.pdf.
USU, M. (2013, 11 06). BAB II Dielektrik. Retrieved 12 08, 2016, from Dielektrik: http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/23931/3/Chapter%20II.pdf
Materi Ajar Fisika Kelas XII SMA 25