## ANALISIS JUMLAH MUATAN LISTRIK SERTA ENERGI PADA KAPASITOR BERDASARKAN KONSTANTA DIELEKTRIK SUATU MATERIAL
Sinta Marito Siagian 1) , Gede Wiratma Jaya 2) , Indah Nurhidayati 3)
1) Program Studi Teknik Listrik, Jurusaan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Medan Jalan Almamater No.1 Kampus USU Medan, Kota Medan 20155
2) FIS Course, Jalan Loa Ipuh, Kec. Tenggarong, Kab. Kutai Kartanegara, Kalimantan Timur 75513
3) Program Studi Teknika, Politeknik Ilmu Pelayaran Semarang, Jl. Singosari Raya No.2A, Wonodri, Kec. Semarang Sel., Kota Semarang, Jawa Tengah 50242
Corrensponding author: Sinta Marito Siagian Email : sintasiagian@polmed.ac.id
Diterima 30 Maret 2021, Direvisi 06 Mei 2021, Disetujui 07 Mei 2021

## ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui nilai muatan listrik, nilai kapasitor yang dirangkai secara seri dan  paralel  kemudian  nilai  energi  yang  tersimpan  pada  kapasitor  berdasarkan  jenis-jenis  material dengan  konstanta  dielektrik  yang  telah  ditentukan.  Metode  yang  dilakukan  adalah  mengkaji  masing- masing  nilai  tersebut  berdasarkan  konstanta  dielektrik  dengan  perhitungan  matematis  berbantuan Microsoft  excel  untuk  menghasilkan  grafiknya.  Adapun  tegangan  yang  digunakan  pada  metode  ini adalah 20, 40, 60 dan 100 volt dan material yang dianalisis antara lain kaca, udara, mika, kertas dan polystiren. Analisis dilakukan menggunakan analisis kuantitatif yang memanfaatkan data berupa angka yang  dipresentasikan  melalui  grafik.  Ditemukan  hasil  perhitungan  matematis  bahwa  kaca  memiliki jumlah muatan yang lebih besar dibandingkan dengan material yang lainnya. pada saat dirangkaiakan secara seri dan paralel diperoleh bahwa jumlah muatan kapasitor yang dirangkaiakan secara paralel jauh  lebih  besar  dibandingkan  seri,  energi  yang  tersimpan  pada  kapasitor  yang  dirangkaikan  secara paralel juga memiliki nilai yang besar dari pada kapasitor yang dirangkai secara seri.
Kata kunci: kapasitor; konstata dielektrik; tegangan.

## ABSTRACT
This research aims are to analyze the value of the electric charge, the value of the capacitor connected in series and paralel then the energy value stored in the capacitor based on the types of materials with determined  a  dielectric  constant.  The  method  used    to  examine  each  of  these  values  based  on  the dielectric constant with mathematical calculations assisted by Microsoft Excel to produce the graph. The voltages used on this methode are 20, 40, 60, and 100. The analysis using quantitative analysis that utilizes data in the form of numbers presented through graphs. It has been studied based on the physical formulation of the value of an electric charge against the dielectric constant of glass, air, mica, paper and polystyrene. It was found that the results of mathematical calculations show that glass has a greater amount of charge compared to other materials. When assembled in series and paralel, it is found that the amount of charge on the capacitor connected in paralel is much greater than in series, the energy stored in the capacitor connected in paralel also has a greater value than the capacitor connected in series.
Keywords: capasitor; dielectric constant; voltage.

## PENDAHULUAN
Kapasitor  merupakan  suatu  piranti  elektronika yang  dapat  digunakan  untuk  menyimpan muatan  listrik  dan  energi  listrik  (Nurmasyitah, 2017).  Kapasitor  memiliki  muatan  positif  dan negatif yang menempel di masing-masing plat. Muatan  yang  terdapat  di  dalam  kapasitor bersifat sementara, karena fungsi dari kapasitor berguna  untuk  membuat  arus  yang  mengalir menjadi  stabil.  Didalam  kapasitor  terdapat pemisah  antara  kedua  buah  muatan  yang berfungsi  untuk  menghindari  kontak  antara
muatan yang tidak sejenis, pemisah kedua plat dikenal  sebagai  dielektrik.  Dielektrik  adalah suatu  bahan  yang  memiliki  daya  hantar  arus yang sangat kecil atau bahkan tidak ada. Bahan dielektrik  tidak  mempunyai  elektron  konduksi yang  bebas  bergerak  di  seluruh  bahan  oleh pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan menyebabkan  pergerakan  muatan  dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan bahan  dielektrik  itu  merupakan  isolator  yang baik.  Dalam  bahan  dielektrik  semua  elektron terikat  dengan  kuat  pada  intinya  sehingga
terbentuk  suatu  struktur  regangan.  Penelitian mengenai kapasitor dielektrik sebagaian besar dilakukan secara eksperimen dengan berbagai tujuan  salah  satunya  mengetahui  konstanta dielektriki  berbagai  jenis  seperti  bahan  kertas, semen, dan lemak hewani (Supriyadi). Namun penelitian mengenai kajian teori belum banyak dilakukan  sehingga  menjadi  peluang  untuk melakukan analisa secara perhitungan matematis khususnya mengenai jumlah muatan listrik dan energi yang tersimpan pada kapasitor. Pada  penelitian  ini  mengkaji  pengaruh  jumlah muatan  listrik  pada  setiap  kapasitor  dielektrik beserta  energi  yang  tersimpan  pada  kapasitor terhadap  variasi  sumber  tegangan  DC.  Selain itu penelitian ini juga mengkaji susunan seri dan paralel kapasitor dielektrik untuk melihat jumlah muatan listrik dan energi yang dapat disimpan.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  bersifat  penelitian  kajian  teori dengan melakukan analisa kuantitatif berdasarkan  jenis  material  dielektrik  kapasitor terhadap  muatan  listrik  dan  energi  kapasitor dengan berbagai variasi tegangan DC. Tegangan DC yang digunakan yaitu 20, 40, 60, 80,  dan  100  volt  sebagai  variabel  bebas  dan luas plat kapasitor yang digunakan sebesar 10 cm 2 dan  jarak  antar  plat  kapasitor  sebesar  10 cm sebagai variabel terikat. Adapun gambaran skematik  kapasitor  dapat  dilihat  pada  Gambar 1.

## Gambar 1 Kapasitor dengan material dielektrik
Kapasitor  dengan  material  dielektrik (Gambar 1) memiliki nilai kapasitansi kapasitor (𝐶) yang  berbeda  dengan  kapasitor  tanpa material  dielektrik.  Adapun  persamaan  nilai kapasitansi kapasitor dengan material dielektrik dapat ditulis dengan persamaan 1
𝐶 = 𝐾𝜀 𝑂 𝐴 𝑑 (1)
dengan 𝐶 adalah  kapasitansi  kapasitor  (F), 𝐾 adalah  konstanta  dielektrik  material  yang didisipkan pada kapasitor, 𝜀 𝑂 adalah permitivitas  ruang  hampa  dengan  nilai  8,85  x
10 -12 F/m, 𝐴 adalah luas penampang kapasitor (m 2 ),  dan 𝑑 adalah  jarak  antar  plat  kapasitor (m). Untuk besarnya muatan listrik yang dapat disimpan oleh kapasitor menggunakan material dielektrik dapat ditulis dalam bentuk persamaan 2
𝑄 = (𝐾𝜀 𝑂 𝐴 𝑑 ) 𝑉 (2)
dengan 𝑄 adalah jumlah muatan listrik (C), dan 𝑉 tegangan  DC  (V)  (Abdullah,  2017).  Adapun jenis  material  dielektrik  kapasitor  yang  akan digunakan yaitu udara, kaca, mika, kertas, dan polystyrene  dengan  nilai  konstanta  dielektrik yang dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Nilai konstanta dielektrik masing- masing material (Tipler & Soegijono,
2001) Material Dielektrik Nilai Konstanta Dielektrik Udara 1,00 Kaca 5,60 Mika 5,40 Kertas 3,70 Polystirene 2,55
Kapasitor dengan material dielektrik yang berbeda disusun secara seri (Gambar 2a) dan disusun  secara  paralel  (Gambar  2b)  untuk mencari  seberapa  besar  kapasitansi  kapasitor rangkaian seri dan paralel. Adapun persamaan kapasitor  rangkaian  seri  dan  paralel  dapat dituliskan sebagai berikut berdasarkan persamaan 3 dan 4
 = = N i i seri C C 1 1 1 (3)  = = N i i paralel C C 1 (4)
dengan 𝐶 𝑠𝑒𝑟𝑖 adalah  kapasitansi  kapasitor rangkaian  seri  (F), 𝐶 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙 adalah  kapasitansi kapasitor  rangkaian  paralel  (F),  dan 𝐶 𝑖 adalah suatu fungsi dengan variabel 𝑖 . Kemudian untuk mencari  muatan  total  yang  dapat  disimpan pada kapasitor susunan seri dan paralel dapat ditulis dalam persamaan 5 dan 6 berikut 𝑄 𝑠𝑒𝑟𝑖 = 𝐶 𝑠𝑒𝑟𝑖 𝑉 (5)
𝑄 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙 = 𝐶 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙 𝑉 (6)
(a) (b)
Gambar 2. Rangkaian kapasitor yang disusun seri (a) dan (b) disusun secara paralel
Energi  yang  tersimpan  pada  kapasitor untuk masing-masing dielektrik maupun disusun  secara  seri  dan  paralel  secara  umum dapat  dituliskan  dalam  bentuk  persamaan sebagai berikut:
𝑊 = 1 2 𝐶𝑉 2 (7)
dengan 𝑊 adalah energi yang tersimpan pada kapasitor  (J), 𝐶 adalah  kapasitansi  kapasitor (F), dan 𝑉 adalah tegangan (beda potensial) (V) (Yakin, 2019)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kapasitor  pada  dasarnya  akan  menyimpan energi  dalam  bentuk  medan  jika  dihubungkan pada  sebuah  sumber  tegangan.  Besarnya energi  listrik  yang  tersimpan  oleh  kapasitor sama  dengan  usaha  yang  diperlukan  untuk memindahkan  muatan  listrik  dari  sumber tegangan  tersebut  ke  dalam  kapasitor.  Jika suatu  kapasitor  dengan  kapasitansi (𝐶) dihubungkan  dengan  suatu  sumber  tegangan DC (𝑉) maka setelah beberapa waktu kapasitor
akan  terisi  oleh  muatan.  Data  grafik  yang berasal  dari  penurunan  persamaan  hasil  kali antara  tegangan  DC (𝑉) dan  nilai  kapasitas kapasitor (𝐶) menghasilkan  hubungan  antara jumlah  muatan  listrik (𝑄) terhadap  variasi tegangan DC (𝑉) untuk masing-masing material dielektrik  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  3. Berdasarkan data grafik menunjukkan kapasitor dengan dielektrik material kaca memiliki jumlah muatan  yang  lebih  besar,  lalu  disusul  dengan dielektrik dari material mika, kertas, polystyrene, dan udara.
Dari grafik pada Gambar 3 dapat dikaji bahwa semakin  besar  tegangan  yang  diberikan  pada suatu kapasitor, maka makin besar nilai muatan listrik  yang  tersimpan pada  plat kapasitor tersebut, dan sebaliknya jika tegangan semakin kecil maka muatan listrik yang tersimpan akan semakin kecil.
Gambar 3. Grafik muatan listrik terhadap tegangan DC untuk setiap material dielektrik
Suatu  kapasitor  yang  memiliki  muatan  dapat memberikan  arus  lstrik  pada  suatu  komponen dalam  rangkaian  listrik.  Pemberian  arus  ini sama  hal  nya  dengan  transfer  energi  atau pemberian energi, jika ditinjau prinsip ini sama dengan baterai dan aki yang dapat menghasilkan  arus  listrik  jika  terhubung  pada suatu  beban  terhadap  suatu  rangkaian.  Oleh sebab  itu  suatu  kapasitor  yang  bermuatan dapat  menyimpan  sejumlah  energi.  Sama halnya  dengan  material  kaca  yang  memiliki jumlah  muatan  terbesar,  tentunya  dapat menyimpan energi.
Kapasitor yang disusun secara seri dan paralel memiliki  jumlah  muatan  listrik  yang  berbeda. Menggunakan persamaan yag telah ditentukan secara fisika pada kapasitor menghasilkan nilai muatan  listrik (𝑄) terhadap  variasi  tegangan DC (𝑉) yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  4.
Hasil  ini  menunjukkan  kapasitor  yang  disusun secara  paralel  menghasilkan  jumlah  muatan
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0 20 40 60 80 100 Jumla h Muatan L ustrik (nC) Tegangan DC (V) Udara Kaca Mika Kertas Polystirene
listrik  yang  jauh  lebih  besar  dibandingkan rangkaian  seri.  Namun  jumlah  muatan  listrik pada rangkaian seri jauh lebih kecil dibandingkan  kapasitor  dengan  dielektrik  dari dari material udara.
Gambar 4 . Grafik muatan listrik terhadap tegangan DC untuk susunan kapasitor seri dan paralel
Tinjauan  selanjutnya  adalah  energi  kapasior, dengan kombinasi persamaan antara kapasitor dengan kuadrat tegangan  diperoleh  hubungan energi kapasitor ( 𝑊 ) terhadap variasi tegangan DC  ( 𝑉 )  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  5. Ketika  kapasitor  mengisi  daya  dari  catu  daya yang  terhubung  dengannya,  makan  akan menghasilakn medan elektrostatis yang berfungsi  untuk    menyimpan  energi  dalam kapasitor. Jumlah energi dalam satuan joule yang disimpan dalam medan elektrostatis ini  sama  dengan  energi  yang  diberikan  oleh pasokan  tegangan  untuk  mempertahankan muatan  pada  plat  kapasitor.  Berdasarkan perhitungan  matematis  dengan  rumusan  yang telah  ditetapkan,  diperoleh  hasil  energi  yang tersimpan pada kapasitor.
Hasil  tersebut  menunjukkan  energi  kapasitor dari  rangkaian  paralel  memiliki  nilai  energi kapasitor  yang  jauh  lebih  besar.  Sedangkan energi  kapasitor  dari  rangkaian  seri  memiliki nilai energi yang sangat kecil. Untuk perbandingan antar material dielektrik, dielektrik dengan material kaca memiliki energi kapasitor  yang  lebih  tinggi  dibandingkan material  dieletrik  lainnya.  Disusul  dengan material  dielektrik  dari  material  mika,  kertas, polystyrene, dan udara.
Gambar 5. Grafik energi kapasitor terhadap tegangan DC untuk setiap material kapasitor,
susunan seri, dan paralel

## SIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan  hasil  kajian  tentang  dielektrik pada material kaca, kertas, mika, polystiren dan udara,  dapat  disimpulkan  bahwa  jumlah muatan  listrik  yang  terbesar  berada  pada material  kaca  sebesar 5,31 × 10 −10 C dengan konstanta  dielektrik  sebesar  5,6.  Energi tersimpan  pada  kapasitor  yang  dirangkaikan secara  paralel  lebih  tinggi  pada  tegangan  DC 100  volt  dan  cenderung  linear  dibandingkan dengan kapasitor yang dirangkaikan seri.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih  kepada  seluruh  pihak  yang  tidak dapat  disebutkan  satu  persatu  karena    telah membantu penulisan jurnal, sehingga jurnal ini dapat terselesaikan dengan baik .

## DAFTAR RUJUKAN
Abdullah, M. (2017). Fisika Dasar II. Bandung. Institut Teknologi Bandung .
Basorudin,  B.,  dan  Irawan,  A.  2017.  Aplikasi Perhitungan  Kapasitor Surface  Mount Device .       Riau Journal Of Computer Science 3 , pp. 49-62.
Cahyono,  B.E.,  Misto,  M.,  dan  Arviah,  H.R. 2017.  Analisa  Kualitas  Semen  Melalui Pengukuran  Konstanta  Dielektrik  dan Resitivitas.  Jurnal  Rekayasa  Energi Manufaktur 2 , pp. 57-61.
Nurmasyitah, N. (2017). PENENTUAN KONSTANTA  DIELEKTRIK  AKRILIK. Jurnal Jeumpa, 4 (2), 50-54.
Rimafatin,  N,  Cahyono,  B.E.,  dan  Misto,  M.
2019.  Analisis  Hubungan  Suhu  dan Frekuensi Terhadap Sifat Listrik Hewani. Jurnal  Fisika Flux 16 , pp. 78-
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0 20 40 60 80 100 Jumla h Muatan L ustrik (nC) Tegangan DC (V) Seri Paralel 0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 80 100 Ener gi Kapa sitor (T eV ) Tegangan DC (V) Udara Kaca Mika Kertas Polystirene Seri Paralel
Supriyadi, S. Konstanta Dielektrik Bahan Kertas Karton  Pada  Keping  Sejajar. Jurnal Fisika Unnes, 4 (2), 79886. Tipler,  P.  A.,  &  Soegijono,  B.  (2001).  Fisika: untuk sains dan teknik, jilid 2. Yakin,  K.  (2019).  Teori  dasar  listrik  dan rangkaiannya. In: Literasi Nusantara.