Medan Listrik dan Kapasitor: Dasar, Fungsi, dan Desain

Pendahuluan

Ketika tegangan diterapkan di antara dua konduktor yang terpisah, medan listrik terbentuk di ruang di antaranya. Dalam elektronika dasar kita menganalisis bagaimana tegangan, arus, dan hambatan berinteraksi dalam jalur konduktif, tetapi medan melampaui materi dan menggambarkan gaya yang bertindak di ruang kosong.

Meskipun konsep “medan” dapat terasa abstrak—medan tidak memiliki massa atau zat—mereka ada di mana-mana. Magnet sehari-hari exerts medan magnet tak terlihat yang menarik atau menolak satu sama lain, dan listrik statis adalah contoh yang akrab dari medan listrik yang dihasilkan oleh muatan tidak seimbang.

Dalam bab ini kita fokus pada medan listrik dan kapasitor yang memanfaatkannya, mengeksplorasi bagaimana perbedaan tegangan menciptakan medan, bagaimana medan tersebut menyimpan energi, dan bagaimana kapasitor menahan perubahan tegangan.

Medan Listrik

Setiap kali ada tegangan di antara dua titik, medan listrik muncul di ruang di antaranya. Medan ini memberikan gaya pada partikel bermuatan dan dapat diukur oleh gaya medan (dorongan yang diberikan medan melalui jarak) dan fluks medan (efek total medan melalui ruang). Konsep ini analog dengan tegangan (dorong) dan arus (aliran) dalam konduktor, kecuali bahwa fluks medan dapat ada di ruang kosong, sedangkan arus memerlukan elektron bebas.

Sama seperti hambatan konduktor membatasi arus, materi dielektrik yang memisahkan dua konduktor membatasi fluks medan. Jumlah fluks yang dihasilkan berbanding lurus dengan gaya medan yang diterapkan dan berbanding terbalik dengan perlawanan dielektrik.

Karena elektron tidak dapat mengumpulkan diri pada konduktor tanpa jalur kembali, sirkuit tertutup diperlukan untuk arus berkelanjutan. Namun, dalam kapasitor, elektron tambahan dapat “ditekan” ke satu plat sambil dikeluarkan dari yang lain, menciptakan ketidakseimbangan muatan yang berbanding lurus dengan fluks medan di antara plat.

Kapasitor dan Medan Listriknya

Kapasitor adalah perangkat yang sengaja menciptakan fluks medan yang tinggi di antara dua plat konduktif yang dipisahkan oleh dielektrik. Konstruksinya bervariasi—dari plat paralel sederhana untuk kapasitansi kecil hingga tumpukan foil gulungan untuk aplikasi kapasitansi tinggi, dan bahkan lapisan oksida mikroskopik untuk penyimpanan maksimum per satuan luas.

Simbol skematis adalah dua garis pendek, paralel (plat) yang dipisahkan oleh celah. Simbol lama menunjukkan plat bergandengan, yang mencerminkan konstruksi aktual banyak kapasitor.

Ketika tegangan diterapkan, medan di antara plat mengisi kapasitor: elektron menumpuk di plat negatif, sementara plat positif kehilangan elektron. Pemisahan muatan ini menyimpan energi dalam medan listrik. Semakin besar perbedaan tegangan, semakin besar fluks medan, dan semakin banyak energi yang dapat ditahan kapasitor.

Berbeda dengan resistor, yang membuang energi sebagai panas, kapasitor menyimpan energi sebagai perbedaan potensial. Mereka cenderung mempertahankan tegangannya: jika tegangan naik, kapasitor menarik arus untuk menolak perubahan; jika tegangan turun, ia menyediakan arus untuk menolak penurunan. Properti ini analog dengan Hukum Pertama Newton untuk muatan listrik.

Dalam praktiknya, kapasitor nyata bocor perlahan, sehingga muatan yang tersimpan meredap seiring waktu—seringkali selama tahun untuk jenis berkualitas tinggi.

Selama pengisian, arus mengalir dari sumber ke dalam kapasitor; selama pengosongan, arus mengalir dari kapasitor ke beban. Arah aliran elektron relatif terhadap polaritas tegangan diilustrasikan di bawah.

Pengisian:

Pengosongan:

Ketika langkah tegangan diterapkan pada kapasitor yang tidak terisi, awalnya ia menarik arus hingga tegangannya cocok dengan sumber. Ketika kapasitor yang terisi dihubungkan ke beban, ia menyediakan arus hingga tegangannya turun ke nol. Dengan cara ini, kapasitor dapat dilihat sebagai penyimpan energi yang dapat diisi ulang, mirip dengan baterai tetapi beroperasi pada medan listrik.

Materi Dielektrik dan Kapasitansi

Dielektrik—materi isolasi di antara plat—sangat mempengaruhi berapa banyak fluks medan, dan oleh karena itu muatan, yang dapat berkembang untuk tegangan tertentu. Kemampuan dielektrik untuk mengizinkan garis medan diukur oleh permitivitasnya. Materi dengan permitivitas yang lebih tinggi memungkinkan kapasitansi yang lebih besar.

Kapasitansi (simbol C) adalah ukuran kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan untuk tegangan tertentu. Ini juga menunjukkan berapa banyak arus akan mengalir untuk laju perubahan tegangan tertentu. Kapasitansi diukur dalam Farad (F). Karena nilai biasanya sangat kecil, awalan metrik mikro (µ) sering digunakan, menghasilkan satuan seperti mikrofarad (µF). Kapasitor besar mungkin diberi rating 330.000 µF (0,33 F). Penggunaan mikro adalah historis dan bertahan dalam sebagian besar spesifikasi modern.

Terminologi Lama

Kapasitor secara historis disebut kondensator (atau kondensor). Istilah ini muncul terutama dalam literatur lama dan dalam konteks otomotif di mana kondensator kecil menekan percikan di titik perakitan.

Poin Kunci

• Kapasitor menahan perubahan tegangan dengan menarik atau menyediakan arus dalam arah yang diperlukan untuk menolak perubahan.
• Ketika tegangan naik, kapasitor bertindak sebagai beban, menarik arus; ketika tegangan turun, ia bertindak sebagai sumber, menyediakan arus.
• Kapasitansi, diukur dalam Farad, mengukur jumlah muatan yang dapat ditahan kapasitor per volt dan perlawanan terhadap perubahan tegangan.
• Permitivitas dielektrik menentukan berapa banyak fluks medan yang dapat ditahan kapasitor untuk tegangan tertentu.
• Kapasitor dulu biasanya disebut kondensator, meskipun terminologi ini sekarang hampir usang.