Istana Fisika

Kapasitor adalah sebuah perangkat elektronika yang memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik. Sebuah kapasitor terdiri atas dua pelat konduktor yang umumnya terbuat dari logam dan ruang di antaranya diisi oleh dielektrik (penyekat), misalnya udara atau kertas. Kapasitor biasanya disebut dengan sebutan kondensator yang merupakan komponen listrik dibuat sedemikian rupa sehingga mampu menyimpan muatan listrik.

Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas atau (kapasitansi). Satuan SI dari kapasitas adalah Farad(F), namun ukuran kapasitas kapasitor yang umumnya digunakan dalam peralatan elektronika dinyatakan dalam microfarad (µF), nanofarad (nF), dan pikofarad (pf).

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

Berikut simbol yang digunakan untuk menampilkan sebuah kapasitor dalam suatu rangkaian listrik

Prinsip kerja kapasitor pada umumnya hampir sama dengan resistor yang juga termasuk ke dalam komponen pasif. Komponen pasif adalah jenis komponen yang bekerja tanpa memerlukan sumber arus.

macam-macam kegunaan kapasitor:

1. sebagai pembangkit frekuensi pada rangkaian antena.
2. sebagai filter atau penyaring, biasanya digunakan pada sistem radio, televisi, amplifier, dll.
3. sebagai penyimpan arus atau tegangan dalam rangkaian listrik.
4. sebagai filter (penyaring) dalam rangkaian power supply (Catu Daya).
5. sebagai pemilih gelombang frekuensi.

Jenis-jenis kapasitor :

jenis-jenis kapasitor terbagi menjadi tiga, yaitu:

1. Kapasitor Nilai Tetap (Fixed Capacitor), yaitu kapasitor yang nilai kapasitasnya tidak berubah-ubah atau tetap. diantaranya:
   • Kapasitor Kertas, berfungsi sebagai penyekat di antara kedua pelat. Kapasitor jenis ini memiliki kapasitas 0,1 µF.
   • Kapasitor Keramik, mempunyai kapasitas mulai dari beberapa piko Farad sampai dengan ratusan nano Farad (nF).
   • Kapasitor Polyester, bentuknya persegi biasanya mempunyai warna merah, hijau, coklat, dsb.
   • Kapasitor Mika, kapasitor ini sering disebut juga kapasitor padder, nilai kapasitasnya ada yang tertulis langsung dan ada yang menggunakan kode.
2. Kapasitor Variable, kapasitor yang nilai kapasitasnya dapat diatur atau dapat berubah-ubah. Diantaranya:
   • VARCO (Variable Condensator), mempunyai kapasitas maksimum sekitar 100 pF (pikoFarad) sampai 500 pF.
   • Trimmer, mempunyai kapasitas di bawah 100 pF (pikoFarad).
3. Kapasitor Elektrolit, biasanya berbentuk tabung, mempunyai dua kutub kaki berpolaritas positif dan negatif, ditandai oleh kaki yang panjang positif sedangkan yang pendek negatif atau yang dekat tanda minus ( – ) adalah kaki negatif. Nilai kapasitasnya dari 0,47 µF (mikroFarad) sampai ribuan mikroFarad.

Kapasitansi

Kapasitansi atau kapasitas didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron atau ukuran jumlah listrik yang disimpan (atau dipisahkan) untuk sebuah potensial listrik yang telah ditentukan. 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. secara matematis dapat dtulis sebagai berikut :

Q = muatan elektron (C = Coulomb)

C = nilai kapasitansi (F = Farad)

V = beda potensial (V = Volt)

Kuat medan listrik di suatu titik dalam medan listrik didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan listrik di titik tersebut. Kuat medan listrik dinyatakan dengan lambang E. Kuat medan listrik dipengaruhi oleh besarnya muatan sumber dan jarak benda (muatan yang diuji). Kuat medan listrik di rumuskan sebagai besarnya gaya Coulomb untuk setiap satuan muatan. Kuat medan listrik merupakan besaran vektor dengan satuan SI, yaitu N/C. Secara matematis rumus kuat medan listrik yaitu:

keterangan:

E = Kuat Medan listrik (N/C)

F = Gaya Coulomb (F)

q = Muatan Uji (C)

Arah kuat medan listrik yang dialami muatan uji bergantung pada jenis muatan uji dan muatan sumber. Apabila positif dan negatif maka akan tarik menarik namun jika jenis muatannya sama akan tolak menolak.

Medan listrik pada suatu titik yang berjarak 𝑟 dari suatu muatan menunjukkan bahwa besarnya kuat medan listrik berbanding lurus dengan besar muatan sumbernya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan dengan titik yang ditinjau.

Jika diketahui rumus gaya Coulomb antara muatan sumber Q dengan muatan uji q adalah:

maka rumus Kuat medan listrik menjadi sebagai berikut:

keterangan:

E = Kuat medan listrik (N/C)

k = konstanta Coulomb ( 9 x 10⁹ Nm² /C²)

r = Jarak antara muatan sumber dengan muatan uji (m)

Medan listrik didefinisikan sebagai ruang di sekitar suatu muatan listrik sumber dengan muatan listrik lainnya dalam ruang ini akan mengalami gaya listrik atau gaya Coulomb. Keberadaan medan listrik tidak terlepas dari keberadaan muatan listrik dengan kata lain medan listrik ditimbulkan oleh muatan listrik dan mempengaruhi ruang disekitar muatan listrik, pengaruh medan listrik hanya dapat dirasakan oleh muatan listrik lainnya.

Medan listrik termasuk medan vektor, sehingga untuk menyatakan arah medan listrik dinyatakan sama dengan arah gaya yang dialami oleh muatan positif jika berada dalam sembarang tempat di dalam medan tersebut.

Telah diketahui terdapat dua jenis muatan yaitu muatan positif dan negatif. Setiap jenis muatan memiliki arah garis medan dan jenis interaksi yang berbeda dengan muatan lain. Untuk muatan positif arah garis medannya menjauhi muatan. Sedangkan muatan negatif arah garis medannya digambarkan menuju ke muatan.

Untuk menggambarkan medan listrik digunakan dengan garis-garis gaya listrik seperti yang ada di bawah berikut. Garis-garis gaya listrik digambarkan sebagai lintasan tempuh muatan listrik positif menuju muatan listrik negatif. Sehingga, garis gaya listrik tidak mungkin berpotongan, sebab garis gaya listrik merupakan garis khayal yang berawal dari benda bermuatan positif dan akan berakhir di benda yang bermuatan negatif.

Adapun medan listrik dapat menyebabkan muatan lain dalam medan listrik mengalami gaya tarik atau gaya tolak, bergantung pada apakah muatan sumber sejenis atau tak sejenis dengan muatan lain.

Tentu Anda sudah tahu bahwa muatan listrik terdiri dari muatan positif dan negatif, muatan tersebut dapat menghasilkan gaya. Gaya yang menjelaskan tentang interaksi antar muatan listrik disebut Hukum Coulomb.

Besar gaya listrik antara dua benda bermuatan listrik diselidiki oleh fisikawan Perancis bernama Charles Coulomb pada tahun 1785. Dari percobaannya, Coulomb berhasil menemukan Hukum Coulomb, yaitu sebagai berikut.

“Besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik adalah sebanding dengan perkalian kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.”

Sehingga dapat ditulis persamaan sebagai berikut.

keterangan:

q1, q2 = muatan masing-masing partikel (Coulomb = C)

r = jarak antar kedua muatan (m)

k = konstanta Coulomb

F = gaya listrik tarik-menarik atau tolak menolak atau gaya Coulomb (N)

Perhatikan bahwa garis kerja gaya listrik terletak pada garis hubung kedua muatan listrik (muatan listrik dianggap sebagai muatan titik). Jika medium tempat muatan-muatan berada adalah vakum atau udara, nilai ε = ε₀

Jika kedua muatan berada dalam medium selain vakum atau udara, permitivitas medium ε dihitung dengan persamaan berikut.

ε =ε_rε₀

dengan permitivitas relatif atau tetapan dielektrik. Nilai ε_r untuk ruang hampa atau udara adalah 1 sehingga nilai ε_r untuk medium lainnya jelas lebih besar dari 1.

Anda telah mengetahui bahwa medan gravitasi dapat divisualisasikan dengan garis-garis medan. Garis-garis medan gravitasi adalah garis-garis bersambungan yang selalu berarah menuju ke massa sumber medan gravitasi. Semakin rapat garis-garis medan gravitasi di suatu tempat, semkain besar kuat medan gravitasi di tempat tersebut.

Hal ini juga sama dapat Anda jumpai dalam medan listrik, medan listrik juga dapat divisualisasikan dengan menggunakan garis-garis medan listrik. Benda yang bermuatan listrik dikelilingi sebuah daerah yang disebut medan listrik. Dalam medan ini, muatan listrik dapat dideteksi.

Berdasarkan gambar di atas, kita mendapatkan, (1) jumlah garis medan listrik yang meninggalkan muatan positif sama dengan jumlah garis medan listrik yang masuk ke muatan negatif. (2) garis-garis medan listrik di dekat tiap muatan hampir radial. (3) garis-garis medan yang sangat rapat di dekat setiap muatan menunjukkan medan listrik yang kuat di sekitar daerah ini.

Hukum Gauss  adalah hukum yang menentukan besarnya sebuah fluks listrik yang melalui sebuah bidang. Gauss menurunkan hukumnya berdasarkan konsep garis-garis medan listrik. Fluks listrik didefinisikan sebagai jumlah garis-garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu bidang dan dapat dinyatakan sebagai berikut.

Berdasarkan konsep fluks listrik, Hukum Gauss dirumuskan oleh Carl Friedrich Gauss (1777-1855), menyatakan bahwa besar dari fluks listrik yang melalui sebuah bidang akan berbanding lurus dengan kuat medan listrik yang menembus bidang, berbanding lurus dengan area bidang dan berbanding lurus dengan cosinus sudut yang dibentuk fluks listrik terhadap garis normal. Atau dapat dinyatakan sebagai berikut.

“Jumlah garis-garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu permukaan tertutup (fluks listrik) sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dibagu dengan permitivitas udara ε₀”.

Potensial listrik didefinisikan sebagai perubahan  energi potensial per satuan muatan ketika sebuah muatan uji di pindahkan di antara dua titik. Secara umum, kita dapat mendefenisikan potensial listrik pada suatu titik yang berjarak r dari muatan sumber q sebagai berikut.

Potensial listrik secara nyata merupakam potensial terhadap acuan nol. Ketika r bertambah besar, V akan bertambah kecil. Sehingga ketika r mendekati tak berhingga, V mendekati nol. Jadi, potensial listrik secara nyata adalah perubahan energi potensial per satuan muatan yang terjadi ketika sebuah muatan uji dipindahkan dari suatu titik yang tak berhingga jauhnya ke titik yang ditanyakan.

Untuk muatan uji q_A.

ΔV₁₂ adalah potensial akhir (V₂) dikurangi potensial awal (V₁) atau beda potensial saat jarak pisahnya dari titik 1 ke titik 2.

Berdasarkan persamaan tersebut, dapat didefinisikan potensial pada suatu titik yang berjarak r₂ dan r₁ dari muatan sumber q berturut – turut.

Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya konservatif berkaitan dengan perubahan energi potensial. Sebagai contoh, usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada suatu benda bermassa mengubah energi potensial gravitasi benda bermassa tersebut. Demikian juga, usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada suatu muatan listrik mengubah energi potensial listrik muatan tersebut.

Gaya listrik merupakan gaya konservatif karenanya bentuk lintasan muatan tidak berpengaruh terhadap perubahan energi potensial listrik. Yang mempengaruhi nilai perubahan energi potensial listrik adalah posisi awal dan posisi akhir muatan. Muatan sumber positif q_B dan muatan uji yang akan kita pindahkan adalah muatan q_A. Gaya Coulomb yang dialami muatan uji q_A positif adalah berarag vertikal ke atas menjauhi pusat muatan sumber q_B.

Hitung usaha dari Gaya Coulomb muatan tersebut.

Jika integral di ruas paling kanan di selesaikan, hasilnya sebagai berikut.

Secara umum, energi potensial listrik (EP) yang dialami muatan uji q_A, yang berjarak r dari muatan sumber q_B (tanda muatan q_A dan q_B dimasukkan) adalah sebagai berikut.

Setiap benda pada dasarnya memiliki elektron-elektron bebas (muatan negatif). Jika jumlah muatan negatif pada benda lebih banyak daripada muatan positifnya maka akan terjadi perpindahan muatan dari benda tersebut ke benda lain yang ada didekatnya. Perpindahan muatan inilah yang disebut gejala elektrostatik.

Menurut Benjamin Franklin (salah satu pendiri negara Amerika Serikat), muatan positif disebut proton dan muatan negatif disebut elektron. Proton dan elektron merupakan partikel dasar/elementer penyusun sebuah atom.

Apakah yang dimaksud dengan atom ? Atom adalah partikel penyusun materi yang menurut Aristoteles (filsuf Yunani kuno) tidak dapat dibagi-bagi lagi menjadi unsur penyusun yang lebih kecil. Namun, sejak awal abad ke-20, teori atom terus disempurnakan oleh penemuan dan teori-teori yang dikemukakan oleh para ilmuwan seperti John Dalton, J.J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr dan lain-lain.

Hingga kini, teori atom atau partikel elementer penyusun materi masih terus berkembang dan disempurnakan orang. Secara umum, partikel penyusun atom ada tiga, yaitu proton, neutron, dan elektron. Proton adalah partikel penyusun inti atom bermuatan positif, neutron adalah partikel penyusun inti atom bermuatan netral (tidak bermuatan), sedangkan elektron adalah partikel yang bergerak mengelilingi inti atom menurut orbit tertentu dan bermuatan negatif. Untuk mengetahui bagaimana spesifikasi partikel-partikel penyusun inti atom. Perhatikan tabel berikut.

Sebuah atom dalam keadaan normal akan bermuatan netral tetapi jika jumlah proton atau elektronnya lebih banyak maka disebut atom bermuatan. Jika sebuah atom kelebihan jumlah elektron maka disebut atom bermuatan negatif  sedangkan jika atom kelebihan jumlah proton maka disebut atom bermuatan positif. Proton dan elektron juga sering disebut sebagai muatan listrik, dengan proton sebagai muatan listrik positif dan elektron sebagai muatan listrik negative. Muatan listrik dinotasikan dengan + e atau e⁺ sedangkan muatan listrik negatif dinotasikan sebagai –e atau e^–.

Sebuah benda/material juga dapat bermuatan listrik. Untuk membuat benda menjadi bermuatan listrik dapat dilakukan dengan cara menggosok-gosoknya dengan bahan lain, menempelkan benda tersebut dengan benda lain yang sebelumnya telah bermuatan listrik dan induksi listrik.

Jika sebuah benda bermuatan listrik maka kelebihan muatan dapat dipindahkan ke benda lain yang berada dekat atau bersentuhan dengannya. Misalnya, sebuah sisir plastic digosok-gosok dengan kain wol maka akan bemuatan listrik negatif. Sisir itu dapat menarik potongan kertas kecil yang ada didekatnya. Begitu pula jika sebuah batang besi digosok-gosok dengan kain sutra maka akan menjadi bermuatan positif.

Dua benda bermuatan listrik yang saling didekatkan dapat menghasilkan interaksi elektrostatik. Interaksi elektrostatik antara dua muatan yang didekatkan dapat berupa dua kemungkinan berikut ini.

1. Jika dua muatan yang sama didekatkan maka interaksinya adalah tolak-menolak. Misalnya, dua benda bermuatan positif atau negatif saling didekatkan maka keduanya akan saling tolak-menolak.
2. Jika dua muatan yang berbeda didekatkan maka interaksinya adalah saling tarik-menarik. Misalnya, diketahui benda A bermuatan positif dan benda B bermuatan negatif. Jika keduanya saling didekatkan maka benda A dan B akan saling tarik-menarik (menempel).