Elemen rangkaian listrik kedua digunakan untuk menyatakan penyimpangan muatan maka digunakan untuk menyatakan tenaga yang tersimpan dalam medan listrik. Seperti yang dinyatakan secara kuantitatif dalam persamaan ( 1-19 ), maka arus yang melalui elemen tersebut adalah sebanding dengan turunan tegangan melalui elemen tersebut.
Konstanta kesebandingan
C menyatakan sifat penyimpanan muatan dari elemen tersebut dan dinamakan kapasitans ( capacitance ) elemen. Dengan
q dakan coulomb dan
v dalam volt, maka kapasitans akan dinyatakan dalam
farad (
disingkat F ). Karena secara fisis satu farad adalah sebuah satuan besar, maka
C seringkali dinyatakan dalam mikrofarad ( yang sama dengan 10ˉ⁶ farad dan disingkat μF ) atau dalam pikofarad ( yang sama dengan 10ˉ¹² farad dan disingkat μF ). Sebuah
kapasitor (
capacitor ) adalah sebuah elemen fisis yang memperlihatkan sifat kapasitans.
Representasi skematis dari kapasitans dalam mana arah referensi arus dan arah referensi tegangan ditunjukkan, diperlihatkan dalam Gambar 1-4. Dalam gambar ini dan dalam Persamaan ( 1-19 ) serta Persamaan ( 1-20 ), sebuah penurunan tegangan terdapat dalam arah arus. Muatan mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Yakni, dari tanda tambah ke tanda kurang, yang menyatakan bahwa tenaga dapat dipindahkan dari rangkaian dan disimpan. Efek kapasitif dapat dipikirkan sebagai efek yang melawan perubahan arus.
Daya yang diasosiasikan dengan sebuah kapasitans adalah :
dan tenaga adalah :
Nilai tenaga yang disimpan dalam kapasitans, yang diberikan pada penjelasan
Daya Listrik dan Tenaga pada Rumus ke 3, hanya tergantung pada besarnya tegangan dan tidak bergantung pada cara untuk mencapai besarnya tegangan tersebut.
Tenaga yang tersimpan dikembalikan kepada rangkaian sewaktu tegangan direduksi ke nol. Misalnya, jika sebuah kapasitans dikosongkan dengan menempatkan sebuah resistansi melalui kapasitans tersebut, maka sebuah arus akan mengalir terus menerus dalam resistansi tersebut sampai tenaga yang tersimpan didisipasikan sebagai kalor dalam resistensi. Bila sebuah
hubungan pendek (
short circuit ), yakni sebuah elemen yang resistansinya nol, ditempatkan melalui terminal-terminal kapasitans, maka tenaga yang tersimpan diradiasikan ke lingkungan sekitarnya. Akan tetapi, secara praktis dapat dikatakan tidak ada elemen yang resistansinya nol, sehingga tenaga tersebut diubah menjadi kalor atau suatu bunga api yang dihasilkan ( seperti yang mungkin terjadi bila anda berjalan di atas sebuah permadani wool dan mengulurkan tangan untuk memegang sebuah tombol pintu yang terbuat dari logam ).
Dalam beberapa hal, maka sifat kapasitans dapat diserupakan dengan sifat sebuah pegas mekanis. Apakah pegas tersebut dipanjangkan atau dikompresi, tenaga potensial yang disimpan dalam sebuah pegas hanyalah merupakan fungsi dari kedudukan. Tenaga ini dapat muncul kembali bila pegas tersebut kembali ke kondisi kesetimbangannya. Maka analogi yang dapat ditarik adalah di antara muatan dan kedudukan, tenaga di dalam medan listrik dan tenaga potensial.
Contoh 1-2
Arus di dalam sebuah kapasitans 0,1 F diperlihatkan dalam Gambar 1-5
a. Kurva tersebut, yang dinamakan sebuah
bentuk gelombang (
waveform ), adalah sebuah kurva yang mempunyai nilai sebesar 4 A untuk waktu di antara
0 dan 0,5 detik dan setelah itu maka arus mempunyai nilai sebesar nol. Buatlah sketsa bentuk gelombang dari tegangan kapasitans
v , muatan
q , daya
p , dan tenaga yang disimpan
w sebagai fungsi dari waktu.
• PEMECAHAN Hasil - hasil yang diinginkan diperlihatkan dalam Gambar 1-5 di atas.
Tegangan ( Gambar 1-5
b ) didapatkan dari Persamaan ( 1-20 ). Muatan ( Gambar 1-5
c ) adalah, dari Persamaan ( 1-21 ),
Cv. Daya dan tenaga ( Gambar 1-5
d dan
e ) berturut-turut ditentukan dari Persamaan ( 1-22 ) dan Persamaan ( 1-23 ). Perlu diperhatikan bahwa setelah pulsa arus sudah tidak ada, maka kapasitans tetap bermuatan, dan sebuah tegangan terdapat melalui terminal-terminalnya, dan tenaga disimpan dalam medan listriknya.
Untuk mendapatkan tegangan dan tenaga yang disimpan dari arus dan daya, maka kita dapat menggunakan integrasi grafik. Jadi,
v adalah luas bawah pulsa arus, yang diskalakan oleh nilai kapasitans; dan
w adalah luas di bawah bentuk gelombang daya. Untuk lamanya pulsa arus, maka luasnya bertambah besar secara linear dengan waktu, yang menghasilkan bentuk gelombang tegangan seperti Gambar 1-5
b. Serupa halnya dengan itu, maka luas yang didefinisikan oleh bentuk gelombang daya akan bertambah secara parabolik di antara 0 dan 0,5 detik. Di luar
t = 0,5 detik, maka
p adalah nol dan tidak terjadi lagi kontibusi selanjutnya kepada luas tersebut. Hal ini menghasilkan
w dalam Gambar 1-5
e tetap konstan dengan nilai yang sama dengan luas segitiga dalam Gambar 1-5
d. Cara intergrasi grafik mungkin sudah difahami oleh para mahasiswa yang belajar mekanika. Intergrasi grafik tersebut seringkali digunakan untuk menghubungkan percepatan ke kecepatan atau kecepatan ke pergeseran di dalam dinamika, dan untuk menghubungkan geser ( shear ) dan momen lentur ( diagram momen-geser ) di dalam analisis struktur yang elementer.
*Note
Dalam bentuknya yang paling sederhana maka sebuah kapasitor dibuat dengan membentuk sepasang pelat logam yang dipisahkan oleh bahan pengisolasi ( dielektrik ), Kapasitor yang digunakan dalam praktek menggunakan beraneka ragam geometri dan dielektrik untuk menyediakan jangkauan nilai kapasitans yang lebar, biasanya mulai dari beberapa pikofarad sampai satu farad. Akan tetapi, karena sebuah kapasitor tidak dapat menyimpan tenaga yang banyaknya sebarang, maka tegangan maksimum yang mungkin terdapat melalui terminal-terminal kapasitor adalah terbatas. Dengan melebihi nilai tegangan maksimum, maka akan menyebabkan kerusakan permanen pada kapasitor sebagai akibat dari kerusakan dielektrik. Untuk dimensi-dimensi fisis yang tak lebih besar dari ukuran ibu jari, maka sudah biasa bahwa semakin besar nilai kapasitans, maka nilai tegangan maksimum akan semakin kecil.
Semoga bermanfaat
.
