213: Fisika SMA: Kapasitor

Kalian tentu pernah memencet tombol keyboard komputer. Jika kalian pencet tombol A maka di monitor komputer muncul huruf A. Salah satu desain tombol keyboard adalah bentuk kapasitor. Satu tombol keyboard merupakan sebuah kapasitor. Ketika tombol ditekan maka jarak antar dua pelat di bawahnya mengecil. Mengecilnya jarak antar pelat tersebut menyebabkan nilai kapasitor berubah (lihat Gambar 213.1). Komputer mendeteksi tombol mana pada keyboard yang nilainya berubah sehingga mengetahui tombol mana yang ditekan.

Gambar 213.1 Salah satu desain keybord adalah tombol merupakan sebuah kapasitor.

Keyboard dengan desain kapasitor lebih baik daripada keyboard dengan desain tombol kontak. Mengapa? Jika kontak pada tombol mengandung karatan atau terhalangi debu maka kotak bisa tidak terbentuk meskipun tombol ditekan. Sebaliknya, pada desain kapasitor, tidak diperlukan kontak langsung antar konduktor. Yang diperlukan adalah adanya perubahan jarak dua pelat ketika tombol ditekan.

Apa sebenarnya kapasitor itu? Kapasitor adalah piranti elektronik yang dapat menyimpan muatan listrik. Kemampuan kapasitor menyimpan muatan listrik diungkapkan oleh besaran yang namanya kapasitansi. Makin besar kapasitansi sebuah kapasitor, maka makin besar pula muatan yang dapat disimpan kapasitor tersebut.

Hampir tidak ada rangkaian elektronik yang tidak mengandung kapasitor. Kapasitor memegang peranan penting salam setiap rangkaian elektronik selain tahanan, induktor, dioda, dan transistor. Gamba 213.2 adalah contoh kapasitor dalam rangkaian elektronik dan contoh kapasitor yang dijual di pasaran.

Gambar 213.2 (kiri) Contoh kapasitor yang dijual di pasar dan (kanan) kapasitor yang digunakan dalam rangkaian elektronika (ditunjuk dengan anak panah) (sumber gambar: wikipedia dan Science Woke)

Kapasitansi

Desain dasar sebuat kapasitor adalah dua pelat konduktor yang sejajar. Antara dua pelat ditempatkan bahan dielektrik dengan konstanta dielektrik \( \kappa \). Lihat Gambar 213.3.

Ketika tegangan listrik \( V \) diterapkan maka pada masing-masing pelat maka terkumpul muatan yang sama besar tetapi berbeda tanda. Satu pelat menyimpan muatan \( +Q \) dan pelat lain menyimpan muatan \( -Q \).

Besarnya muatan listrik yang disimpan sebanding dengan tegangan yang diberikan. Dengan demikian

\( Q = C V \quad \quad \quad \quad \quad \quad (213.1)\)

dengan

\( C \) adalah sebuah konstanta yang bergantung pada desain kapasitor. Kontanta tersebut dinamakan kapasitansi. Satuan kapasitansi adalah coulombo/volt. Satuan ini diberi nama lain, yaitu farad (F).

Kapasitor yang dijual di pasar memiliki nilai kapasitansi yang bermacam-macam dan tegangan yang diijinkan (tegangan kerja) yang bermacam-macam pula. Nilai tegangan dan kapasitasi bergantung pada material dielektrik yang digunakan dalam membuat kapasitor. Berbagai tipe kapasitor yang ada beserta jangkauan kapasitansi dan tegangan kerjannya tampak pada Tabel 213.1

Tabel 213.1 Berbagai tipe kapasitor dan sifat-sifatnya

Tipe	Jangkauan kapasitansi	Tegangan maksimum	Komentar
mika	1 pF – 10 nF	100 – 600 V	Sangat berguna digunakan pada daerah frekuensi radio
keramik	10 pF – 1 mF	50 – 30 000 V	Kecil dan murah
polistiren	10 pF – 2,7 mF	100 – 600 V	Kualitas tinggi, digunakan pada filter yang teliti
polikarbonat	100 pF – 30 mF	50 – 800 V	Kualitas tinggi, ukuran kecil
tantalum	100 nF – 500 mF	6 – 100 V	Kapasitansi tinggi
Elektrolit (aluminium)	100 nF – 2 F	3 – 600 V	Filer catu daya untuk meratakan tegangan

Berapa Kapasitansi Kapasitor Pelat Sejajar?

Kita perlu memiliki rumus kapasitansi kapasitor. Dengan rumus tersebut maka kita dapat memilih material dielektrik yang tepat dan ukuran yang tepat saat akan membuat kapasitor. Untuk maksud tersebut, mari kita lihgat kembali Gambar 212.3.

Medan listrik dalam ruang antar pelat yang mengandung bahan dielektrik di dalamnya adalah

\( E = {E_0 \over \kappa} \)

Tetapi sudah kita bahas sebelumnya bahwa, kuat medan listrik dalam ruang vakum antara dua pelat sejajar adalah \( E_0 = 4 \pi k \sigma \). Dengan demikian

\( E = {{4 \pi k \sigma } \over \kappa} \)

Kerapatan muatan per satuan luas memenuhi persamaan \( \sigma = Q/A \) dengan \( A \) adalah luas satu pelat. Maka

\( E = {{4 \pi k Q } \over {A \kappa}} \)

Beda tegangan antara dua pelat adalah

\( V = E d \)

\( = {{4 \pi k Q d} \over {A \kappa}} \)

Dengan demikian, kapasitansi kapasitor memenuhi persamaan

\( C = {Q \over V} \)

\( = \kappa {A \over {4 \pi k d} } \quad \quad \quad \quad \quad \quad (213.2) \)

Tampak dari persamaan (213.2) bahwa jika kita ingin memperbesar kapasitansi kapasitor maka yang dapat dilakukan adalah:

Memperbesar luas pelat
Memperkecil jarak antar pelat
Menggunakan material dengan konstanta dielektrik besar.

Oleh karena itu, dalam desain kapasitor yang memilii kapasitansi besar, digunakan dua pelat yang panjang. Setelah di antara pelat diselipkan lapisan dieletrik maka pelat tersebut digulung. Hasilnya adalah kapasitor seperti pada Gambar 213.4.

Gambar 213.4 Membuat kapasitor dengan kapasitansi besar

Untuk menghasilkan kapasitor dengan kapasitansi sangat tinggi sehingga dapat menyimpan muatan dalam jumlah sangat besar maka salah satu pendekatan yang dilakukan pada ahli adalah mengurangi ketebalan bahan dielektrin hingga beberapa lapis atom. Satu lapisan atom memiliki ketebalan sekitar 1 angstrom \( 10^{-10} \). Kapasitor jenis ini dinamakan nanokapasitor. Gambar 213.5 adalah ilustrasi desain nanokapasitor. Bahan dielektrik hanya berupa satu lapisan atom. Pembuatan tentu harus dilakukan pada pabrik yang sangat canggih karena harus dapat mengontrol hingga ketebalan satu atom.