Medan Listrik dan Kapasitansi

Pengantar

Setiap kali ada tegangan listrik antara dua konduktor yang terpisah, medan listrik hadir dalam ruang antara konduktor tersebut. Dalam elektronika dasar, kita mempelajari interaksi tegangan, arus, dan hambatan yang berkaitan dengan rangkaian, yang merupakan jalur konduktif yang dilalui elektron. Namun, ketika kita berbicara tentang bidang, kita berurusan dengan interaksi yang dapat tersebar di ruang kosong.

Memang, konsep "bidang" agak abstrak. Setidaknya dengan arus listrik, tidak terlalu sulit untuk membayangkan partikel kecil yang disebut elektron bergerak di antara inti atom dalam konduktor, tetapi "medan" bahkan tidak memiliki massa, dan tidak perlu ada di dalam materi sama sekali. .

Meskipun sifatnya abstrak, hampir setiap dari kita memiliki pengalaman langsung dengan medan, setidaknya dalam bentuk magnet. Pernahkah Anda bermain dengan sepasang magnet, memperhatikan bagaimana mereka menarik atau menolak satu sama lain tergantung pada orientasi relatifnya? Ada gaya yang tidak dapat disangkal antara sepasang magnet, dan gaya ini tanpa “substansi”. Ia tidak memiliki massa, tidak ada warna, tidak berbau, dan jika bukan karena kekuatan fisik yang diberikan pada magnet itu sendiri, itu akan sama sekali tidak masuk akal bagi tubuh kita. Fisikawan menggambarkan interaksi magnet dalam hal medan magnet di ruang antara mereka. Jika serbuk besi ditempatkan di dekat magnet, mereka mengorientasikan diri di sepanjang garis medan, secara visual menunjukkan keberadaannya.

Medan Listrik

Subjek bab ini adalah medan listrik (dan perangkat yang disebut kapasitor yang memanfaatkannya), bukan medan magnet, tetapi ada banyak kesamaan. Kemungkinan besar Anda juga pernah mengalami medan listrik. Bab 1 buku ini dimulai dengan penjelasan tentang listrik statis, dan bagaimana bahan seperti lilin dan wol—bila digosokkan satu sama lain—menghasilkan daya tarik fisik. Sekali lagi, fisikawan akan menggambarkan interaksi ini dalam bentuk medan listrik yang dihasilkan oleh dua benda sebagai akibat dari ketidakseimbangan elektron mereka. Cukuplah untuk mengatakan bahwa setiap kali ada tegangan antara dua titik, akan ada medan listrik yang dimanifestasikan dalam ruang antara titik-titik tersebut.

Gaya Medan dan Fluks Medan

Bidang memiliki dua ukuran:bidang gaya dan bidang fluks . Bidang paksa adalah jumlah "dorongan" yang diberikan medan pada jarak tertentu . bidang fluks adalah jumlah total, atau efek, bidang melalui ruang . Gaya medan dan fluks kira-kira analog dengan tegangan ("dorongan") dan arus (aliran) melalui konduktor, masing-masing, meskipun fluks medan dapat ada di ruang yang benar-benar kosong (tanpa gerakan partikel seperti elektron) sedangkan arus hanya dapat terjadi di mana ada elektron bebas untuk bergerak. Fluks medan dapat ditentang di ruang angkasa, sama seperti aliran elektron dapat ditentang oleh resistansi. Jumlah fluks medan yang akan berkembang dalam ruang sebanding dengan jumlah gaya medan yang diterapkan, dibagi dengan jumlah perlawanan terhadap fluks. Sama seperti jenis bahan konduktor yang menentukan resistansi spesifik konduktor terhadap arus listrik, jenis bahan isolasi yang memisahkan dua konduktor menentukan oposisi spesifik terhadap fluks medan.

Biasanya, elektron tidak dapat memasuki konduktor kecuali ada jalur untuk jumlah elektron yang sama untuk keluar (ingat analogi tabung marmer?). Inilah sebabnya mengapa konduktor harus dihubungkan bersama dalam jalur melingkar (sirkuit) agar arus kontinu terjadi. Anehnya, bagaimanapun, elektron ekstra dapat "diperas" ke dalam konduktor tanpa jalan keluar jika medan listrik dibiarkan berkembang di ruang relatif terhadap konduktor lain. Jumlah elektron bebas tambahan yang ditambahkan ke konduktor (atau elektron bebas yang diambil) berbanding lurus dengan jumlah fluks medan di antara kedua konduktor.

Medan Listrik Kapasitor

Kapasitor adalah komponen yang dirancang untuk memanfaatkan fenomena ini dengan menempatkan dua pelat konduktif (biasanya logam) di dekat satu sama lain. Ada banyak gaya konstruksi kapasitor yang berbeda, masing-masing cocok untuk peringkat dan tujuan tertentu. Untuk kapasitor yang sangat kecil, dua pelat melingkar yang mengapit bahan isolasi sudah cukup. Untuk nilai kapasitor yang lebih besar, "pelat" dapat berupa strip foil logam, diapit di sekitar media isolasi yang fleksibel dan digulung untuk kekompakan. Nilai kapasitansi tertinggi diperoleh dengan menggunakan lapisan oksida isolasi dengan ketebalan mikroskopis yang memisahkan dua permukaan konduktif. Bagaimanapun, ide umumnya sama:dua konduktor, dipisahkan oleh isolator.

Simbol skema untuk kapasitor cukup sederhana, karena sedikit lebih dari dua garis paralel pendek (mewakili pelat) yang dipisahkan oleh celah. Kabel menempel pada pelat masing-masing untuk koneksi ke komponen lain. Simbol skematis yang lebih tua dan usang untuk kapasitor menunjukkan pelat yang disisipkan, yang sebenarnya merupakan cara yang lebih akurat untuk merepresentasikan konstruksi sebenarnya dari sebagian besar kapasitor:

Ketika tegangan diterapkan di dua pelat kapasitor, fluks medan terkonsentrasi dibuat di antara mereka, memungkinkan perbedaan yang signifikan dari elektron bebas (muatan) untuk berkembang di antara kedua pelat:

Karena medan listrik dibentuk oleh tegangan yang diberikan, elektron bebas ekstra dipaksa untuk dikumpulkan pada konduktor negatif, sementara elektron bebas "dirampok" dari konduktor positif. Muatan diferensial ini setara dengan penyimpanan energi dalam kapasitor, yang mewakili muatan potensial elektron di antara dua pelat. Semakin besar perbedaan elektron pada pelat kapasitor yang berlawanan, semakin besar fluks medan, dan semakin besar “muatan” energi yang akan disimpan kapasitor.

Karena kapasitor menyimpan energi potensial dari akumulasi elektron dalam bentuk medan listrik, kapasitor berperilaku sangat berbeda dari resistor (yang hanya membuang energi dalam bentuk panas) dalam suatu rangkaian. Penyimpanan energi dalam kapasitor adalah fungsi dari tegangan antara pelat, serta faktor lain yang akan kita bahas nanti dalam bab ini. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi sebagai fungsi tegangan (perbedaan potensial antara dua sadapan) menghasilkan kecenderungan untuk mencoba mempertahankan tegangan pada tingkat yang konstan. Dengan kata lain, kapasitor cenderung menolak perubahan dalam tegangan. Ketika tegangan melintasi kapasitor dinaikkan atau diturunkan, kapasitor “menolak” perubahan dengan menarik arus dari atau mensuplai arus ke sumber perubahan tegangan, berlawanan dengan perubahan tersebut.

Untuk menyimpan lebih banyak energi dalam kapasitor, tegangan yang melewatinya harus ditingkatkan. Ini berarti bahwa lebih banyak elektron harus ditambahkan ke pelat (-) dan lebih banyak yang diambil dari pelat (+), yang memerlukan arus ke arah itu. Sebaliknya, untuk melepaskan energi dari kapasitor, tegangan yang melewatinya harus diturunkan. Ini berarti sebagian elektron berlebih pada pelat (-) harus dikembalikan ke pelat (+), sehingga memerlukan arus ke arah lain.

Sama seperti Hukum Pertama Gerak Isaac Newton ("benda yang bergerak cenderung untuk tetap bergerak; benda yang diam cenderung untuk tetap diam") menggambarkan kecenderungan massa untuk melawan perubahan kecepatan, kita dapat menyatakan kecenderungan kapasitor untuk menentang perubahan tegangan seperti:“Kapasitor bermuatan cenderung tetap terisi; kapasitor yang kosong cenderung tetap kosong.” Secara hipotetis, sebuah kapasitor yang tidak disentuh akan selamanya mempertahankan status muatan tegangan apa pun yang ditinggalkannya. Hanya sumber luar (atau pengurasan) arus yang dapat mengubah muatan tegangan yang disimpan oleh kapasitor yang sempurna:

Secara praktis, bagaimanapun, kapasitor pada akhirnya akan kehilangan muatan tegangan yang tersimpan karena jalur kebocoran internal untuk elektron mengalir dari satu pelat ke pelat lainnya. Bergantung pada jenis kapasitor tertentu, waktu yang diperlukan agar muatan tegangan yang tersimpan dapat menghilang sendiri dapat lama waktu (beberapa tahun dengan kapasitor duduk di rak!).

Ketika tegangan kapasitor meningkat, ia menarik arus dari sisa rangkaian, bertindak sebagai beban daya. Dalam kondisi ini, kapasitor dikatakan mengisi , karena ada peningkatan jumlah energi yang disimpan dalam medan listriknya. Perhatikan arah arus elektron sehubungan dengan polaritas tegangan:

Sebaliknya, ketika tegangan melintasi kapasitor diturunkan, kapasitor memasok arus ke seluruh rangkaian, bertindak sebagai sumber daya. Dalam kondisi ini kapasitor dikatakan mengosongkan . Penyimpanan energinya—ditahan dalam medan listrik—sekarang berkurang karena energi dilepaskan ke seluruh rangkaian. Perhatikan arah arus sehubungan dengan polaritas tegangan:

Jika sumber tegangan tiba-tiba diterapkan ke kapasitor yang tidak bermuatan (peningkatan tegangan secara tiba-tiba), kapasitor akan menarik arus dari sumber itu, menyerap energi darinya, hingga tegangan kapasitor sama dengan sumbernya. Setelah tegangan kapasitor mencapai keadaan akhir (berisi) ini, arusnya meluruh menjadi nol. Sebaliknya, jika resistansi beban dihubungkan ke kapasitor bermuatan, kapasitor akan memasok arus ke beban, sampai ia melepaskan semua energi yang tersimpan dan tegangannya meluruh ke nol. Setelah tegangan kapasitor mencapai keadaan akhir (habis) ini, arusnya meluruh menjadi nol. Dalam kemampuannya untuk diisi dan dikosongkan, kapasitor dapat dianggap bertindak seperti baterai sel sekunder.

Pilihan bahan isolasi antara pelat, seperti yang disebutkan sebelumnya, memiliki dampak besar pada berapa banyak fluks medan (dan oleh karena itu berapa banyak muatan) yang akan berkembang dengan jumlah tegangan tertentu yang diterapkan di pelat. Karena peran bahan isolasi ini dalam mempengaruhi fluks medan, ia memiliki nama khusus:dielektrik . Tidak semua bahan dielektrik adalah sama:sejauh mana bahan menghambat atau mendorong pembentukan fluks medan listrik disebut permitivitas dielektrik.

Ukuran kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi untuk sejumlah penurunan tegangan disebut kapasitansi . Tidak mengherankan, kapasitansi juga merupakan ukuran intensitas oposisi terhadap perubahan tegangan (tepatnya berapa banyak arus yang akan dihasilkan untuk tingkat perubahan tegangan tertentu). Kapasitansi secara simbolis dilambangkan dengan huruf kapital “C”, dan diukur dalam satuan Farad, disingkat “F.”

Konvensi, untuk beberapa alasan aneh, telah menyukai awalan metrik "mikro" dalam pengukuran kapasitansi besar, dan begitu banyak kapasitor dinilai dalam hal nilai mikroFarad besar yang membingungkan:misalnya, satu kapasitor besar yang pernah saya lihat diberi peringkat 330.000 mikroFarad! ! Mengapa tidak menyatakannya sebagai 330 miliFarad? Saya tidak tahu.

Nama Usang Kapasitor

Nama usang untuk kapasitor adalah kondensor atau kondensor . Istilah-istilah ini tidak digunakan dalam buku baru atau diagram skematik (sepengetahuan saya), tetapi istilah tersebut mungkin ditemui dalam literatur elektronik lama. Mungkin penggunaan yang paling terkenal untuk istilah "kondensor" adalah dalam teknik otomotif, di mana kapasitor kecil yang disebut dengan nama itu digunakan untuk mengurangi percikan berlebihan di seluruh kontak sakelar (disebut "titik") dalam sistem pengapian elektromekanis.

TINJAUAN:

• Kapasitor bereaksi terhadap perubahan tegangan dengan memasok atau menarik arus ke arah yang diperlukan untuk melawan perubahan tersebut.
• Ketika sebuah kapasitor dihadapkan dengan tegangan yang meningkat, ia bertindak sebagai beban :menarik arus karena menyimpan energi (arus mengalir di sisi positif dan keluar dari sisi negatif, seperti resistor).
• Ketika kapasitor dihadapkan pada penurunan tegangan, ia bertindak sebagai sumber :mensuplai arus saat melepaskan energi yang tersimpan (arus keluar dari sisi positif dan sisi negatif, seperti baterai).
• Kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi dalam bentuk medan listrik (dan akibatnya untuk melawan perubahan tegangan) disebut kapasitansi . Itu diukur dalam satuan Farad (P).
• Dulu kapasitor biasa dikenal dengan istilah lain:kondensor (sebagai alternatif dieja “kondensor”).