052) Animasi Excel untuk Fisika: Pengisian Kapasitor dan Efek Bahan Dielektrik

Kapasitor adalah komponen elektronika utama dan memegang peranan penting dalam perkembangan teknologi informasi dan komunikasi. Kapasitor ada dalam sejumlah IC, memori, sensor, filter, dan sejumlah divais canggih lainnya. Kapasitor juga digunakan dalam penyimpanan energi. Gambar 1 adalah contoh desain kapasitor dalam IC.

Kapasitor sebenarnya adalah piranti yang menyimpan muatan listrik ketika dua kakinya dihubungkan dengan sumber tegangan listrik. Arsitektur utama kapasitor adalah dua buah pelat konduktor yang jataknya berdekatan tetapi tidak kontak. Ketika dihubungkan dengan sumber tegangan listrik maka muatan listrik yang berlawanan akan berkumpul pada masing-masing pelat (Gambar 2, kiri atas). Besarnya muatan listrik yang terkumpul di tiap pelat bergantung pada besaran yang namanya kapasitansi. Kapasitansi bergantung pada geomentri kapasitor serta jenis material yang berada antara dua pelat.

Jika kapasitor menggunakan dua pelat sejajar dengan dan di antaranya tidak disisipkan material apa pun (hanya udara atau vakum) maka besar kapasitansi adalah

\(C=\epsion_0{A \over d}\)

dengan

epsilon_0 disebut permitivitas ruang hampa = 8,85 x 10^-12 F/m

A luas salah satu pelat (dua pelat memiliki luas yang sama A)

d adalah jarak antara dua pelat.

Ketika kapasitor tersebut dihubungkan dengan tegangan listrik maka pada masing-masing pelat terkupul muatan listrik

Besar muatan pada masing-masing pelat sama namun tandanya berlawanan. Satu pelat menyimpan muatan positif dan pelat lain menyimpan muatan negatif. Tampak bahwa makin besar tegangan yang diberikan maka muatan yang disimpan kapasitor makin besar. Tetapi ada batas. Apakah itu?

Jarak antara dua pelat adalah d. Dengan penerapan tegangan listrik V maka dalam ruang antara dua pelat terbentuk medan listrik sebesar

Karena jarak antara dua pelat sangat kecil maka kuat medan yang dihasilkan sangat besar. Misalkan jarak antara dua pelat 0,1 mm. Jika diberikan tegangan 100 Volt maka medan listrik yang dihasilkan adalah 100/(0,0001)= 1.000.000 V/m. Untuk kapasitor yang digunakan dalam IC, jarak antara dua elektroda bisa kurang dari 1 mikrometer. Dengan menerapkan tegangan 5 Volt maka dalam kapasitor dengan jatak antar pelat 10 nanometer daihasilkan medan listrik 500.000.000 V/m. Medan sebesar ini bisa membuat elektron dari lektroda negatif meloncat meninggalkan elektroda positif karena tarikan gaya coulomb yang sanat besar. Kondisi ini disebut kapasitor bocor dan tidak diharapkan. Jadi ada batas terkecil jarak antara dua pelat.

Untuk menghindari loncatan muatan maka strategi yang dilakukan adalah memasang bahan dielektrik dalam ruang antara dua pelat. Bahan dielektrik akan memperkecil medan listrik dalam ruanh antar elektroda. Dengan demikian, muatan listrik masih bisa ditambah kembali ke elektroda tanpa menimbulkan loncatan muatan. Dengan demikian, keberadaan bahan dielektrik memperbesar kapasitasi (kemampuanmenyimpan muatan kapasitor).

Mengapa bahan dielektrik dapat meningkatkan kapasitansi kapasitor? Mari kita bahas.

Ketika ruang antar dua pelat masih vakum (atau udara) maka medan listrik yang dihasilkan diberikan oleh persamaan (3). Ketika bahan dielektrik diselipkan maka terjadi polarisasi muatan listrik dalam bahan dielektrik. Pada permukaan bahan dielektrik yang bergadapan dengan elektroda positif akan terbentuk lapisan bermuatan listrik negatif. Sebaliknya pada permukaan bahan dielektrin yang brhadapan dengan elektroda negatif akan terbentuk lapisan muatan positif (Gambar 2 kanan atas). Dengan demikian, secara netto, jumlah muatan pada masing-masing elektroda mengecil. Karena jumlah muatan mengecil maka medan listrik di antara elektroda (di sini menjadi di dalam bahan dielektrik) menjadi mengecil. Oleh karena itu, muatan masih bisa ditambah lagi tanpa melampaui batas yang menimbulkan elektron lepas dari elektroda (Gambar 2 bawah). Dengan kata lain, kapasitansi kapasitor menjadi meningkat.

Dengan adanya bahan dielektrik maka kapasitasi kapasitor menjadi

dengan

kappa dinamakan konstanta dielektrik bahan.

Jadi, dengan menggunakan material yang memiliki konstanta dielektrik tinggi kita dapat membuat kapasitor dengan kapasitansi sangat besar walaupun jarak antar pelat tidak terlalu kecil atau luas elektroda tidak terlalu besar.

Saat ini banyak riset untuk mencari material dengan konstanta dielektrik sangat besar. Materual tersebut dinamakan high dielectric constant material. Contoh material tersebut adalah HfO₂ (hafnium oksida) dengan konstanta dielektrik 25, ZrO₂ (zirkonium oksida) denan konstana dielektrin 26, BaSrTiO₃ (barium stronsium titanat) dengan konstanta dielektrik 300, PbLaZrTiO₃ (timbal lantnum zirkon titanat) dengan konstanta dielektrik 1000.

Saya membuat animasi untuk memperlihatkan proses terbentuknya muatan pada elektroda kapasitor, dan efek kalau dimasukkan bahan dielektrik. File animasi dapat didownload di link berikut

Ini file animasi

Sumber gambar fitur: en.wikipedia