KAPASITOR dan SIFAT BAHAN DIELEKTRIK

KAPASITOR dan SIFAT BAHAN DIELEKTRIK
Kapasitor
adalah dua buah konduktor yang dipisahkan oleh isolator. Masing-masing
muatan pada pelat sama besar dan berlawanan arah.
Kapasitansi C sebuah kapasitor adalah perbandingan besar muatan Q
pada salah satu konduktornya terhadap besar beda potensial V antara
kedua konduktor tersebut.
Vab
a
b
Satuan kapasitansi adalah satu coulomb per volt (1 C/V) atau 1 farad (1 F).
Sebagai penghormatan pada Michael Faraday. Lambang kapasitor adalah
sebagai berikut :
Kapasitor pelat paralel
Kapasitor yang paling umum terdiri dari dua pelat konduktor yang dipisahkan
oleh jarak, praktis seluruh medan kapasitor terlokasi pada daerah di antara
kedua platnya.
Kedua pelat berada di ruang hampa, intensitas listrik antara dua pelat
tersebut adalah :
dengan : A = luas penampang pelat
Q = muatan pada salah satu pelat
Beda potensial antara dua pelat adalah :
dengan l = jarak antara dua pelat, maka kapasitansi kapasitor dua pelat
dalam ruang hampa adalah :
Karena nilai ε0 , A dan l sebuah konstanta, maka nilai kapasitansi merupakan
konstanta.
Sebagai contoh, jika besar kapasitansi 1 farad, jarak antar pelat dibuat 1 mm
dan kedua pelat berada di ruang hampa, maka :
Luas ini sama dengan luas bujursangkar dengan sisinya 10.600 m.
Sehingga bisa dikatakan bahwa 1 farad adalah nilai kapasitansi yang terlalu
besar, sehingga satuan yang sering digunakan adalah dalam μF, nF, pF.
Kapasitor variabel adalah kapasitor yang dapat diubah-ubah nilai
kapasitansinya. Kapasitor ini sering digunakan pada pesawat penerima radio.
Kapasitor ini tersusun atas beberapa pelat yang saling terhubung sebuah
tangkai yang melekat pada pelat yang dapat digerakkan dengan diputar.
Simbol kapasitor variabel adalah sebagai berikut :
Kapasitor dalam seri dan paralel
Dua kapasitor dihubungkan secara paralel dengan potensial V dan muatan Q1
dan Q2 adalah :
Muatan total Q yang diberikan sumber adalah
dengan
maka
Dua buah pelat dihubungkan secara seri, dengan V tidak diubah-ubah.
dengan
maka
Energi kapasitor bermuatan
Untuk memberi sebuah kapasitor muatan, maka harus dilakukan usaha dan
kapasitor tersebut merupakan tempat energi tersimpan.
Dua pelat diberi beda potensial v atau q/c dengan q adalah muatan pada salah
satu pelat. Karena usaha tidak tergantung pada lintasan, maka usaha dW untuk
memindahkan muatan dq adalah
dengan C adalah konstanta, maka
kedua ruas diintegeralkan
dengan
maka
Kapasitor pelat dalam ruang hampa, kita dapat mencari rapat energi adalah
Medan listrik yang mengisi ruang antar pelat adalah
Rapat energi adalah energi per satuan volum
Efek dielektrik
Pada kapasitor, antara dua pelat konduktor tersisip bahan padat yang tak
menghantar, disebut dielektrik.
Fungsi dielektrik antara dua pelat adalah :
1. Sekat antara dua pelat sehingga tidak bersentuhan dan tidak bisa
menghantar
2. Menahan beda potensial
3. Meningkatkan nilai kapasitansi
Penurunan V akibat adanya dielektrik karena muatan terinduksi pada kedua
permukaan dilektrik.
Penurunan V ditunjukkan dengan merapatnya daun elektroskop.
Polarisasi dan perpindahan
Sampai sejauh mana molekul dielektrik dipolasrisasi oleh medan listrik,
dapat diperinci oleh besaran vektor Polarisasi.
Jika p adalah komponen momen dipol dan n adalah molekul per satuan
volum, maka polarisasinya adalah
Karena polarisasi tak lain adalah momen dipol per satuan volum.
Momen dipol adalah sebuah dipol didefinisikan sebagai perkalian salah satu
muatan yang membentuk dipol dengan jarak pemisahan muatan.
dengan
muatan pada permukaan dielektrik,
adalah volum dielektrik.
Integral permukaan polarisasi pada seluruh permukaan tertutup adalah P A ,
karena
Menurut Hukum Gauss : integral permukaan P atas seluruh suatu
permukaan tertutp sama dengan harga negatif muatan yang terikat di dalam
permukaan tersebut.
Medan listrik E menurut Hukum Gauss adalah
dengan
D adalah fluksi
Qb adalah muatan pada elektrik
Qf adalah muatan pada pelat
Dalam dielektrik
Dalam ruang hampa P = 0 sehingga
Suseptibilitas, koefisien dielektrik dan permitivitas
Vekor polarisasi P dalam dielektrik isotropik sama arahnya dengan vektor
medan listrik Edan besarnya tergantung pada E dan sifat dielkektriknya.
Sifat dielektrik tersebut adalah suseptibilitas.
Makin besar suseptibilitas, makin besar polarisasinya. Suseptibilitas pada
ruang hampa sama dengan nol. Suseptibilitas hanya sebuah bilangan.
dengan
Dinyatakan dengan suseptibilitas, maka D adalah
Jika
sehingga
K adalah koefisien dielektrik.
Perkalian
adalah permitivitas
sehingga
Sekiranya kita sudah bisa memahami beda potensial V akan berkurang
nilainya karena adanya dielektrik. E0 antara pelat dalam ruang hampa adalah
dan beda potensial V0 antara pelat dalam ruang hampa adalah
Bila sebuah dielektrik disisipkan, maka akan menimbulkan sebuah medan Eb
berlawanan arah dengan Ef.
Resultan dari E adalah
Dengan
sehingga
Beda potensial V adalah
Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa perubahan beda potensial
karena adanya koefisien dielektrik K.
Kapasitansi sebuah kapasitor pada ruang hampa pada pelat-pelatnya adalah
Kalau diantara pelat disisipkan sebuah dielektrik, maka
Nilai kapasitansi bertambah jika disisipkan dielektrik diantara dua pelat.
Untuk kapasitor pada ruang hampa
Bila disisipkan dielektrik
(kapasitor di ruang bebas)