Generator Van de Graaff - Fakultas keguruan dan ilmu pendidikan universitas muhammadiyah prof. Dr. Hamka jakarta selatan

Generator Van de Graaff
Telah diterangkan bahwa bila sebuah konduktor bermuatan disisipkan ke dalam sebuah konduktor rongga, lalu disentuhkan pada dinidng dalamnya, maka seluruh muatan pada konduktor pertama berpindah ke konduktor kedua, tek perduli apakah konduktor kedua ini telah bermuatan sebelumnya. Sekiranya tak ada kesulitan akibat faktor isolasi, muatan konduktor rongga itu bisa saja ditambah tanpa batas dengan cara mengulang – ulang proses tadi. Tentu saja, dengan naiknya potensial konduktor, maka makin besar gaya tolak yang bekerja terhadap tiap kali muatan ditambahkan pada padanya, pada suatu saat kita tidak akan cukup kuat lagi untuk memberikan muatan.
Generator yang diciptakan oleh Robert J. Van de Graaff menerapkan asas tersebut di atas, tetapi caranya dengan memasukkan secara terus menerus muatan menggunakan pita atau ban berjalan (belt conveyor).
Sebuah diagram skematik generator Van de Graaff kecil yang dirancang untuk peragaan. Konduktor rongga A, terbuat dari logam dan hampir ulat seperti bola, ditopang oleh tabung B dari bahan penyekat. Tabung ini terpasang pada alas C dari logam yang biasanya diardekan (grounded). Sebuah sabuk D tak berujung pangkal yang bersifat tak menghantar melingkari dua buah katrol E dan F yang juga tak menghantar. Katrol F dapat diputar dengan tangan atau dengan motor listrik kecil.
Katrol E dan F dilapis dengan bahan yang berlainan, dipilih demikian rupa sehingga bila sabuk D bersentuhan dengan F, pita ini akan memperoleh muatan positif, sedangkan bila bersentuhan dengan E, akan mendapat muatan negatif. Ujung runcing G dan H di sambungkan secara listrik pada konduktor A di sebelah atas dan pada alas C.
Muatan yang timbul pada sabuk ketika bersentuhan dengan katrol, tidak lepas lagi dan diangkut oleh sabuk tersebut. Sisi kiri sabuk yang terus menerus bergerak ke atas mengangkut muatan positif ke dalam konduktor sebelah atas (A). Waktu melewati G, sabuk itu menginduksikan muatan pada konduktor ini yang, karena ujungnya runcing, menimbulkan intensitas medan yang tingginya cukup untuk mengionisasi udara antara ujung runcing dan sabuk. Maka udara yang terionisasi ini menjadi jembatan penghantar bagi muatan positif pada sabuk untuk dapat mengalir ke konduktor A.
Ketika meninggalkan katro E, sabuk itu menjadi bermuatan negatif dan sisi kanannya mengangkut, muatan negatif ini keluar dari terminal atas. Pengambilan muatan negatif ekuivalen dengan penambahan muatan positif, sehingga kedua sisi pita berperan menaikkan jumlah muatan positif terminal A. Muatan negatif terambil dari sabuk pada ujung runcing H, lalu mengalir ke tanah.
BAB III
PENUTUP
Hukum Gauss mengungkapkan sebuah sifat dasar medan elektrostatik, yaitu bahwa integral permukaan intensitas listrik pada seluruh permukaan berbatas sebanding dengan muatan netto di dalam permukaan tersebut.
Ada beberapa kejadian khusus dalam mana metode hitungan integral tidak perlu untuk menentukan integral garis E.
-
Jika E parallel di semua titik dengan sebuah lintasan yang panjangnya dan besarnya sama di semua titik, maka dan
-
Jika E tegak lurus pada sebuah lintasan di semua titik dan integral garis sama dengan nol
-
Jika E = 0 di semua titik sebuah lintasan, maka integral garis sama dengan nol.
Sifat kedua medan elektrostatik ini dapat dipakai untuk menguji kebenaran sebuah ungkapan yang dikemukakan dalam bab sebelum ini. Yaitu bahwa medan listrik tepat di luar permukaan setiap konduktor bermuatan tegak lurus pada permukaan, bila muatan dalam konduktor itu diam.
Usaha gaya itu sama dengan harga negative perbedaan energy potensial partikel yang bersangkutan antara titik ujung dan titik pangkalnya, karena itu jika ( merupakan energy potensial (listrik) muatan q’ di titik a dan b dititik b, maka
Atau
Potensial dilambangkan dengan huruf V :
Alat untuk mengukur beda potensial antara titik-titik pada mana ujung-ujungnya dihubungkan disebut voltmeter. Voltmeter yang banyak dipakai adalah voltmeter dengan kumparan bergerak. Asasnya akan diterangkan nanti Elektrometer, yang sebelumnya kita sebut sebagai alat untuk mengukur jumlah muatan, juga dapat dipakai sebagai voltmeter. Demikianlah maka jika tangkai daun elektroskop dihubungkan ke sebuah titik pada suatu potensial dan kotaknya ke sebuah titik pada potensial yang berbeda, maka jumlah muatan pada daun-daun elektroskop itu sebanding dengan beda potensial antara titik-titik tersebut dan alat itu dapat dikalibrasi untuk menunjukkan beda potensial tersebut.
Beda potensial antara sembarang dua titik a dan b dalam medan elektrostatik dapat dikalkulasi berdasarkan persamaan kalau intensitas listrik sepanjang sembarang garis yang menghubungkan kedua titik itu diketahui.
Jika intensitas listrik di semua titik sebuah medan elektrostatik diketahui, beda potensial antara dua titik dapat dicari dengan mengevaluasi integral garis E antara kedua titik tersebut. Inilah metode yang dipakai dalam bagian sebelum ini. Karena potensial itu skalar, maka potensial di sembarang titik dalam medan sejumlah muatan titik tak lain adalah jumlah aljabar (bukan jumlah vektor) potensial yang dibangkitkan satu demi satu muatan.
Telah diterangkan bahwa bila sebuah konduktor bermuatan disisipkan ke dalam sebuah konduktor rongga, lalu disentuhkan pada dinidng dalamnya, maka seluruh muatan pada konduktor pertama berpindah ke konduktor kedua, tek perduli apakah konduktor kedua ini telah bermuatan sebelumnya, generator yang diciptakan oleh Robert J. Van de Graaff menerapkan asas tersebut di atas, tetapi caranya dengan memasukkan secara terus menerus muatan menggunakan pita atau ban berjalan (belt conveyor).
DAFTAR PUSTAKA
Giancoli. Fisika Edisi Kelima Jilid-2.Jakarta: Erlangga.2001
D.Halliday, R.Resnick. Fundamentals Of Physics,edisi ke-2. New York.1981
P.A.Tipler. Fisika Sains dan Tekhnik Jilid-2. New York. 1978
Zemansky, Sears. Fisika Untuk Universitas 2 Listik Magnet. Bandung: Bina Cipta. 1962
KAPASITANSI, SIFAT BAHAN DIELEKTRIK
MAKALAH
”Untuk memenuhi salah satu tugas pada mata kuliah Listrik Magnet”
Disusun oleh:
Muchlas Yulianto
1001135038
Nurul Hikmah
1001135046
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA 5B
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PROF. DR. HAMKA
JAKARTA
2013 M/1433 H
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb
Puji serta syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan nikmatnnya kepada kami yang salah satunnya adalah nikmat sahat wal ‘afiat, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah kami yang berjudul “Kapasitansi, Sifat Bahan Dielektrik” tepat waktu. Shalawat serta salam tak lupa kami haturkan keharibaan baginda Nabi Muhammad SAW yang kami kagumi kearifannya dan kami coba contoh akhlaknya yang mulia.
Pertama-tama kami mengucapkan terima kasih kepada bunda Yulia Rahmadhar, M.pd selaku dosen kami dalam mata kuliah Listrik Magnet, perpustakaan UHAMKA yang mempermudah kami mendapatkan buku-buku referensi untuk makalah kami ini dan beberapa pihak yang tidak bisa kami sebutkan namannya satu persatu, tapi tetap tidak mengurangi rasa trimkasih kami atas bantuan dan masukannya.
Kami berharap makalah ini dapat bermanfaat dan bisa menjadi sedikit pengetahuan baik untuk kami khususnya dan teman-teman yang membaca umumnya.tapi seperti kata pepatah “tiada yang sempurna selain Allah SWT” kami sangat menyadari bahwa makalah kami ini memiliki banyak kekurangan, baik dari segi isi ataupun sistematika penulisan yang kami gunakan. Karena itu kami mohon dibukakan pintu maaf apa bila ada ketidak sesuaian dalam makalah kami ini, masukan dari teman sekalian pastinya akan sangat membantu untuk kami.
Wassalamu’alaikum wr. Wb
Jakarta, januari 2013
DAFTAR ISI
Cover
Kata Pengantar ……………………………………………………………
Daftar Isi ………………………………………………………………….
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang ………………………………………………...
I.2 Pembatasan Masalah …………………………………………..
I.3 Tujuan …………………………………………………………
BAB II KAJIAN TEORI
II.1 Kapasitor ……………………………………………………..
II.2 Kapasitor Pelat Paralel ……………………………………….
II.3 Kapasitor dalam Seri dan Paralel …………………………….
II.4 Energi Kapasitor Bermuatan …………………………………
II.5 Efek Dielektrik ……………………………………………….
II.6 Teori Kemolekulan Muatan Terinduksi pada Dielektrik ……...
II.7 Polarisasi dan Perpindahan …………………………………...
II.8 Suseptibilitas, Koefisien Dielektrik, dan Permitivitas ………..
BAB III PENUTUP
III.1 Kesimpulan ………………………………………………….
Daftar Pustaka
|
i
ii
1
2
2
3
4
5
9
10
11
13
16
19
|
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Kapasitansi atau kapasitans adalah ukuran jumlah muatan listrik yang disimpan (atau dipisahkan) untuk sebuah potensial listrik yang telah ditentukan. Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal darimuatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada perkataan bahasa Italia "condensatore", bahasa Perancis condensateur, Indonesia dan Jerman Kondensator atau Spanyol Condensador.
Dialam ini terdapat bahan yang mempunyai sifat menghantar listrik yang terbaik (Konduktor), bahan yang tidak menghantar listrik (Penyekat – Isolator) dan bahan diantara kedua bahan tersebut, (Semikonduktor) sifat – sifat daya hantar listrik bahan ditentukan oleh muatan – muatan yang terdapat dalam bahan tersebut jika muatan tersebut mudah berpindah tatkala dipengarui medan listrik maka bahan tersebut dikatakan penghantar listrik sebaliknya jika muatan – muatan terikat pada atom – atomnya maka bahna itu disebut isolator. Dalam bahan isolator sempurna, tidak ada muatan – muatan bebas. Semua electron terikat pada masing – masing atom. Bila bahan isolator ditaruh dalam medan listrik, dalam bahan akan terbentuk dipol listrik, sehingga pada permukaan bahan akan terjadi muatan induksi. Bahan isolator juga disebut Dilektrik. Terutama bila kita membicarakan dari segi muatan induksi yang ditimbulkan di dalam medan listrik.
I.2 Pembatasan Masalah
Dalam makalah ini kami membatasi pembatasannya yaitu membahas mengenai kapasitansi dan sifat bahan dielektrik.
I.3 Tujuan
Adapun tujuandalam pembuatan makalah ini adalah
-
Mengetahui apa yang dimaksud dengan kapasitor
-
Mengetahui apa yang dimaksud dengan dielektrik
-
Mengetahui jenis kapasitor dan penggunaan dielektrik
BAB II
KAJIAN TEORI
II.1 Kapasitor
Setiap dua konduktor yang dipisahkan oleh isolator dikatakan membentuk kapasitor, untuk kebanyakan keperluan praktis muatan masing-masing sama besar dan berlawanan tanda, sehingga muatan netto pada kapasitor secara keseluruhan sama dengan nol.
Kapasitansi C sebuah kapasitor didefinisikan sebagai perbandingan besar muatan Q pada salah satu konduktornya terhadap besar beda potensial antara kedua konduktor tersebut :
Maka berdasarkan definisi ini, satuan kapasitansi ialah satu coulomb per volt ( 1 C . Kapasitansi sebesar satu coulomb per volt disebut satu farad (1F), sebagai penghormatan kepada Michael Faraday. Lambang gambar kapasitor ialah
Kapasitor banyak penerapannya pada rangkaian (sirkuit) listrik. Kapasitor digunakan untuk menyetel sirkuit radio dan untuk “memuluskan” jalan arus terektifikasi yang berasal dari sumber tenaga listrik. Kapasitor dipakai untuk mencegah adanya bunga api pada waktu sebuah rangkaian yang mengandung induktansi tiba-tiba dibuka. Sistem penyalaan semua mesin mobil mempunyai kapasitor untuk keperluan ini. Efisiensi trasmisi daya arus bolak-balik sering dapat dinaikkan dengan menggunakan kapasitor besar.
II.2 Kapasitor Pelat Paralel
Kapaitor tipe paling umum terdiri atas dua pelat parallel yang dipisahkan oleh jarak. Praktis, seluruh medan kapasitor tipe ini terlokasi dalam daerah antara kedua pelatnya seperti diperlihatkan. Ada sedikit “perumbaian” medan di batas luarnya, tetapi perumbaian ini relative kurang apabila kedua pelat itu lebih diperdekatkan. Jika keduanya cukup berdektan, perumbaian tersebut dapat diabaikan, medan antara kedua pelat merata, dan muatan pada pelat akan terdistribusi merata ke seluruh permukaannya yang berhadapan. Konduktor-konduktor yang tata letaknya seperti ini disebut kapasitor pelat parallel.
Gambar 27-1 Kapasitor pelat sejajar
Mari kita andaikan bahwa kedua pelat itu mula-mula berada dalam ruang hampa. Telah dijelaskan, bahwa intensitas listrik antara sepasang pelat parallel yang amat berdekatan dalam ruang hampa ialah
Disini A berarti luas tiap pelat dan Q muatan slaah satu pelat yang mana saja. Karena intensitas listrik atau gradient potensial antara pelat itu merata, beda potensial diantara pelat ialah
Disini ialah jarak antara pelat. Karena itu kapasitansi kapasitor pelat parallel dalam ruang hampa ialah
Karena , A, merupakan konstanta untuk suatu kapasitor tertentu, maka kapasitansi merupakan konstanta yang tak bergantung kepada muatan pada kapasitor dan berbanding lurus dengan luas pelat dan berbanding terbalik dengan jarak pemisah antar pelat. Jika suatu muatan mksc yang dipakai, maka A dinyatakan dalam meter kuadrat dan dalam meter. Maka kapasitansi C karena itu dunyatakan dalam farad.
Kapasitor variable yang kapasitansinya dapat diubah-ubah sekehendak (antara batas) banyak digunakan dalam sirkuit penyetel pesawat penerima radio. Biasanya kapasitor ini kapasitor udara yang kapasitansinya relative kecil dan terdiriatas sesusunan beberapa pelat logam yang berhubungan tetap dan menjadi salah satu “ pelat” kapasitor itu, serta sesusunan lagi yang dihubungkan satu sama lain tetapi dapat digerakkan dan merupakan pelatnya yang satu lagi. Dengan memutar sebuah tangkai yang melekat pada pelat yang dapat digerakkan susunan kedua pelat-pelat logam tersebut dapat disisipkan sedalam yang dikehendaki ke antara susunan yang pertama. Daerah efektif kapasitor ini hanyakah bagian yang disisipkan tersebut.
Kapasitor variable dilambangkan dengan tanda
Atau
Dalam laboratorium standar, kadang-kadang dipakai kapasitor yang terdiri atas beberapa bola atau dari beberapa silinder koaksial, sebabnya ialah karena dapat dilakukan koreksi terhadap medan yang merumbai dan kapasitansinya dapat dikalkulasi lebih tepat atas dasar dimensi aparatnya.
II.3 Kapasitor dalam seri dan parallel
Dalam gambar (a) dua buah kapasitor dihubungkan dalam seri antara titik a dan titik b yang beda potensialnya, tidak berubah-ubah. Mula-mula kedua kapasitor itu tidak bermuatan, pada hubungan semacam ini kedua kapasitor mempunyai muatan yang sama Q.
Gambar 27-3 (a). Dua kapasitor dalam seri, dan (b) ekuivalennya.
Untuk memahami mengapa demikian halnya, perhatikan diagram dibawah. Pertama-tama misalkan bahwa halnya pelat atas kapasitor dan pelat bahwa kapasitor saja yang dihubungkan ke titik a dank e titik b, seperti pada (a). maka terbentuklah medan listrik yang mengarah ke bawah antara kedua pelat. Jika sebuah konduktor sembarang bentuk tak bermuatan disisipkan ke dalam medan ini, seperti dalam gambar (b), maka muatan negative akan terinduksi ke permukaan bawahnya. Jika kita sisipkan sebuah konduktor tak bermuatan dalam bentuk pelat datar dan sebuah kawat penghubung seperti pada gambar (c) terjadi hal yang sama: muatan yang sama besar dan berlawanan tanda terinduksi ke kedua pelat. Jika pelat-pelat yang disisipkan itu sama ukuran dan bentuknya seperti pelat pada gambar (a) dan jika antara pelat ini kecil, praktis seluruh medan akan terkurung dalam daerah antara pelat dan besar muatan pada tiap pelat adalah sama. Tetapi tata letak dalam gambar (c) sama dengan tata letak dalam gambar (a) yaitu : ada dua kapasitor yang dihubungkan seri antara titik a dan titik b.
Gambar 27-4 (a) Medan listrik antara pelat-atas kapasitor C1 dan pelat bawah kapasitor C2, atau Gambar 23-7(a). (b) muatan yang terinduksi pada sebuah konduktor bola. (c) muatan terinduksi dua pelat konduktor yang dihubungkan.
Ada pula cara lain memandangnya, yaitu seperti berikut. Muatan pada permukaan-permukaan dua pelat konduktor yang berhadapan dan berjarak sangan dekat harusnya sama dan berlawanan tanda, menurut hukum Gauss, karena itu muatan pada salah satu pelat kapasitor harus sama dengan muatan pada pelatnya yang satu lagi, dan muatan pada salah satu pelat kapasitor harus sama dengan muatan pada pelatnya yang satu lagi. Tetapi konduktor yang terdiri atas pelat-bawah dan pelat atas serta kawat penghubungnya mula-mula tidak bermuatan dank arena konduktor tersebut tersekat dari semua konduktor lainnya, muatan netto padanya tetaplah nol. Oleh sebab itu muatan pada pelat bawah sama dengan muatan pada pelat atas dan muatan pada setiap pelat sama besarnya.
Dengan memperhatikan kembali gambar (a), maka kita peroleh
Kapasitansi ekuivalen C gabungan seri itu didefinisikan sebagai kapasitansi satu kapasitor untuk mana muatan Q sama dengan muatan gabungan, kalau beda potensial V tidak berubah. Untuk kapasitor seperti demikian, seperti diperlihatkan dalam gambar (b)
Maka berdasarkan persamaan diatas
Sama seperti diatas, untuk setiap jumlah kapasitor dalam seri
Resiprokal kapasitansi ekuivalen sama dengan penjumlahan resiplokal kapasitansi masing-masing.
Dalam gambar dibawah (a), dua kapasitor dihubungkan parallel antara titik a dan titik b. Dalam hal ini, beda potensial adalah sama untuk keduanya dan muatan ialah
Gambar 27-5 (a) Dua kapasitor dalam parallel dan (b) ekuivalennya.
Muatan total Q yang diberikan oleh sumber ialah
Kapasitansi ekuivalen C gabungan yang parallel ini dedifinisikan sebagai kapasitansi ekuivalen satu kapasitor, diperlihatkan gambar (b), untuk mana muatan total sama seperti dalam (a). untuk kapasitor ini
Dengan cara yang sama, untuk sembarang jumlah kapasitor dalam parallel, maka
Kapasitansi ekuivalennya sama dengan penjumlahan kapasitansi masing-masing kapasitor.
II.4 Energi kapasitor bermuatan
Untuk memberi sebuah kapasitor muatan, harus dilakukan usaha dan kapasitor yang bermuatan itu merupakan tempat energi tersimpan. Misalkan muatan positif dalam jumlah kecil berulang – ulang terambil dari salah satu pelatnya, sehingga timbul padanya muatan negatif netto, muatan ini bergerak sepanjang suatu lintasan sembarang dan berpindah ke pelat yang satu lagi. Pada suatu tahap tertentu proses ini, yaitu ketika besar muatan netto pada salah satu pelat sam dengan q, beda potesial v antara kedua pe;at ialah q/C, dan karena usaha tak bergantung kepada lintasan, maka usaha dW untuk memindahkan muatan dq berikutnya ialah
Jumlah total usaha W untuk menaikkan muatan itu dari nol ke harga akhir Q ialah
Beda potensial akhir V antara kedua pelat kapasitor ialah V = Q/C dan kita dapat pula menulis
Usaha dinyatakan dalam joule bila Q dalam coulomb dan V dalam volt.
Kapasitor bermuatan analog dengan pegas teregang yang energi potensial elastiknya ½ kx2. Muatan Q analog dengan konstanta gaya k.
Energi yang diberikan kepada sebuah kapasitor dalam proses memuat disimpan oleh kapasitor lalu dilepaskan, sering dalam bentuk bunga api, ketika kapasitor itu melepas muatan.
Sering ada gunanya energi yang tersimpan itu dianggap terlokasi dalam medan listrik antara kedua pelat kapasitor. Kapasitor pelat paralel dalam ruang hampa ialah
Medan listrik mengisi ruang antara pelat, yang volumenya sama dengan , sedangkan intensitas listrik antara pelat ialah
Energi persatuan volum, atau rapat energi, ialah
Dengan menggunakan persamaan sebelum ini, rapat energi ini dapat dirumuskan sebagai
|