Konstanta Dielektrik

BAB I

PENDAHULUAN

1.1    Latar Belakang

           Dielektrik merupakan suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan tidak ada. Bahan dilektrik dapat berbentuk padat, cair dan gas. Dalam bahan dielektrik memiliki konstanta yang berbeda-beda untuk setiap bahannya. Nilai konstanta listrik dan dielektrik memiliki nilai tetapan yang sebenarnya, namun disini kita akan mencari nilai tersebut melalui eksperimen, untuk menentukan konstantanya yang didapatkan dari hasil pengukuran.

1.2    Identifikasi Masalah

           Bagaimana cara menentukan hubungan antara muatan Q dan tegangan V yang diukur dengan menggunakan pelat kapasitor dan menentukan konstanta listrik ɛ_o dari hubungan tersebut serta dengan memvariasikan jarak antar pelat kapasitor. Bagaimana mengukur muatan pelat kapasitor sebagai invers dari jarak antar pelat pada tegangan konstan, serta menentukan hubungan antara Q dan V yang diukur menggunakan pelat kapasitor dengan media dielektrik antara kedua pelat.

1.3    Tujuan Percobaan

1.      Menentukan hubungan antara Q dan V menggunakan pelat kapasitor.

2.      Menentukan konstanta listrik ɛ_o berdasarkan hubungan V dan Q.

3.      Mengukur muatan pada pelat kapasitor sebagai fungsi invers dari jarak antara pelat pada V konstan.

4.      Menentukan hubungan antara Q dan V dengan mengukur media dielektrik diantara kedua pelat kapasitor

BAB II

TEORI DASAR

A.    Kapasitor

Kapasitor merupakan dua konduktor yang dipisahkan oleh isolator atau bahan dielektrik. Dalam sebuah konduktor, elektron terluar dari sebuah atom sangat mudah untuk terpisah dan berpindah dari satu atom ke atom lainnya bila diletakkan dalam medan listrik. Sedangkan pada suatu dielektrik, elektron lebih mudah meloncat atau diam pada posisi setimbang sehingga mereka tidak bisa terpisah jika diletakkan dalam suatu medan listrik. Jadi, medan listrik tidak memproduksi perpindahan muatan dalam suatu dielektrik. Hal ini yang menyebabkan bahan dielektrik merupakan bahan isolator yang baik. Contoh dari bahan dielektrik adalah parafin, kaca, dan mika.

Dua penghantar berdekatan yang dimaksudkan untuk diberi muatan sama tetapi berlawanan jenis disebut kapasitor atau dapat di artikan sebagai suatu alat yang digunakan untuk menyimpan muatan sementara. Kapasitas suatu kapasitor (C) adalah perbandingan antara besar muatan Q dari salah satu

penghantarnya dengan beda potensial V antara kedua pengahntar itu.Jadi kapasitas kapasitor untuk ruang hampa adalah :

Kegunaan Kapasitor, antara lain :

1.      Untuk menghindari terjadinya loncatan listrik pada rangkaian2 yang mengandung kumparan bila tiba2 diputuskan arusnya.

2.      Rangkaian yang dipakai untuk menghidupkan mesin mobil

3.      Untuk memilih panjang gelombang yang ditangkap oleh pesawat penerima radio.

Bentuk kapasitor, antara lain :

1.      Kapasitor bentuk keping sejajar

2.      Kapasitor bentuk bola sepusat

3.      Kapasitor bentuk silinder

Tetapi kapasitor yang sering digunakan adalah kapasitor keping sejajar. Suatu kapasitor terdiri dari dua keping konduktor sejajar yang terpisah. Ketika konduktor-konduktor dihubungkan pada ujung-ujung suatu sumber tegangan, sumber tegangan tersebut memindahkan muatan dari satu konduktor ke konduktor yang lainnya sampai perbedaan potensial antara ujung-ujung sumber tegangan. Adanya perbedaan potensial antara ujung-ujung sumber tegangan tersebut maka akan terjadi aliran listrik dan alirang listrik ini akan mengakibatkan timbul medan listrik di sekitar kapasitor keping sejajar tersebut.

Pada kapasitor keping sejajar tanpa dielektrik

Karena pada kondisi vakum  jadi

Jika muatan diberikan diantara dua pelat kapasitor,akan terjadi medan listrik E antar pelat yang dinyatakan oleh :

Untuk suatu kapasitor keping sejajar dengan jarak pemisah d, perbedaan potensial antara keping adalah :

Muatan kapasitor Q sebanding dengan tegangan V yang diberikan pada kapasitor, konstanta kesebandingan C dinamakan kapasitansi dari kapasitor ;

Kapasitansi dari suatu kapasitor keping sejajar tanpa dielektrik adalah :

                    dan     

Sehingga besar konstanta listrik

Dimana ;

= konstanta listrik (pAs/Vm)

d = jarak antar kedua keping (m)

A = Luas keping sejajar (m²)

Q = muatan kapasitor (nAs)

Vo = perbedaan potensial tanpa dielektrik (V).

B.     Dielektrik

Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair dan gas.Tidak seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak terdapat elektron-elektron konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Dalam bahan dielektrik, semua elektron-elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu, jika suatu dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah di mana muatan tadi ditempatkan.

Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa).Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani ε_r atau kadang-kadang κ, K, atau Dk. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai berikut:

                                                      

Penerapan bahan dielektrik ini berdasarkan hukum Gauss. Di mana Gauss menyatakan bahwa jumlah garis gaya atau fluks listrik yang keluar dari suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu. Secara matematis, pernyataan tersebut dituliskan sebagai :

C.    Kapasitor dengan dielektrik

 Apabila diantara keping sejajar kapasitor ditempatkan dielektrik, maka akan terjadi polarisasi antara dielektrik dengan momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik. Ini akan memperlemah medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor. Karena dengan hadirnya medan listrik, molekul-molekul dalam dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar dan ini juga akan mengakibatkan kapasitansi kapasitor menjadi naik.

Pada kapasitor keping sejajar dengan dielektrik

Sehingga besar medan listrik kapasitor keping sejajar apabila telah ditempatkan dielektrik diantara kepingnya adalah :

Kapasitansi dari suatu kapasitor keping sejajar yang berisi dielektrik dengan konstanta k adalah :

Seandainya V sebanding dengan Q, maka kapasitansi tidak bergantung pada muatan maupun tegangan kapasitor tetapi hanya bergantung pada faktor-faktor geometri. Untuk suatu kapasitor keping sejajr,kapasitansi sebanding dengan luas penampang dan berbanding terbalik dengan jarak pemisah.

Sehingga besar konstanta dielektrik dapat dinyatakan dengan persamaan :

Muatan pada kapasitor akan naik secara signifikan oleh dielektrik. Maka diperoleh persamaan sebagai berikut :

                dengan :    atau  

BAB III

PROSEDUR PERCOBAAN

3.1  Alat dan Bahan

1.      Pelat kapasitor, d=260 mm

2.      Pelat plastik

3.      Pelat gelas f current konduktor

4.      Resistor 10 Mohm

5.      Universal measuring amplifier

6.      Power supply, 0-10 kV

7.      Voltmeter, 0.3-300 VDC, 10-300 VAC

8.      Kabel koneksi hijau-kuning, 100 mm

9.      Kabel koneksi merah 500 mm

10.  Kabel koneksi biru 500 mm

11.  Kabel screened, BNC, 750 mm

12.  Adapter, BNC soket 4 mm

13.  Konektor tipe T, BNC

14.  PEK kapasitor 0.22 , 160 volt

3.2     Prosedur Percobaan

A.    Menentukan konstanta listrik

1.    Menentukan luas penampang kapasitor (A), diketahui d=260 mm.

2.    Mengatur tegangan Uc pada 1.5 Kv.

3.    Mengatur jarak pelat kapasitor sekecil mungkin (1 mm), dan mengukur tegangan U dan Q.

4.    Memvariasikan jarak d (d=1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 ; dan 3.5 mm) dan melakukan pengukuran seperti point 2.

5.    Dengan menggunakan data yang diperoleh, menghitung  dengan menggunakan persamaan 4.

Catatan : selama melakukan pengukuran tidak berada di dekat kapasitor.

B.     Kebergantungan muatan induksi pada tegangan

1.   Mengatur jarak antar pelat d = 2 mm.

2.   Mengukur tegangan U (Volt) dengan pemberian Uc sebesar 0.5 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 dan 3.5 Kv.

3.   Menentukan nilai Q.

4.   Dengan menggunakan data yang diperoleh, menghitung  dengan menggunakan persamaan 4.

C.    Menentukan konstanta dielektrik pelat plastik

1.   Memasang pelat plastik (d=9.8 mm) diantara pelat kapasitor.

2.   Mengukur tegangan U (Volt) dengan memberikan tegangan Uc sebesar 0.5 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 ; 3.5 dan 4.0 Kv.

3.   Menentukan harga Q (nAs) dan

4.   Melepaskan pelat plastik.

5.   Pada jarak yang sama antar pelat dengan tebal pelat plastik (d=9.8 mm), mengukur tegangan Uvac(Volt) dengan memberikan tegangan Uc sebesar 0.5 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 ; 3.5 dan 4.0 Kv.

6.   Menentukan harga Qvac (nAs) dan membandingkan harga Q dengan Qvac

D.    Menentukan konstanta dielektrik pelat gelas

1.    Memasang pelat kaca antara pelat kapasitor dan mengukur ketebalan pelat kaca.

2.    Melakukan pengukuran dan perhitungan seperti pada langkah C.