aulia fitriani 1206262582 lr01 charge discharge

LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR

Nama : Aulia Fitriani

NPM : 1206262582

Fakultas : Teknik

Jurusan : Teknik Metalurgi dan Material

Nomor Praktikum : LR01

Nama Praktikum : Charge Discharge

Tanggal Praktikum : 14 Oktober 2013

Nama Asisten : Miranda Rizka Anggraini

Laboratorium Fisika Dasar

UPP IPD

Universitas Indonesia

LR01 – CHARGE DISCHARGE

TUJUAN

• Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan

muatan

PERALATAN

• Kapasitor

• Resistor

• Amperemeter

• Voltmeter

• Variable power supply

• Camcorder

• Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

TEORI DASAR

Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan

dengan huruf "C"adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di

dalam medan listrik, dengancara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari

muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan

kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011cm2 yang artinya luas permukaan

kepingan tersebut.

Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh

suatu bahandielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara

vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan

listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda)

metalnya dan pada saat yang sama muatan muatan negatif terkumpul pada ujung

metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif

dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub positif, karena

terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan

selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.

Gbr 1. Prinsip Kerja Kapasitor

Kapasitor adalah komponen listrik yang digunakan untuk menyimpan muatan

listrik dan secara sederhana terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan

penyekat (bahan dielektrik). Atau dengan kata lain, kapasitor terbentuk dari dua

konduktor sembarang yang dipisahkan oleh sebuah isolator (atau ruang hampa). Suatu

kapasitor memiliki lambang berikut ini:

Gbr.2 Lambang Kapasitor

Dalam rangkaian listrik, kapasitor dapat digunakan sebagai :

1. Pencari gelombang radio (tuning)

2. Salah satu komponen pengapian

3. Penyimpan energi dalam rangkaian penyala elektronik

4. Filter dalam catu daya

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron. Kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan

listrik dinyatakan oleh besaran kapasitas atau kapasitansi (yang dinotasikan dengan

“C”), dan didefinisikan sebagai perbandingan antara muatan listrik Q yang tersimpan

dalam kapasitor dan beda potensial V antara kedua keping.

Dimana:

Q = muatan elektron, satuan C (coulomb)

C = nilai kapasitansi, satuan F (farad)

V = besar tegangan, satuan V (volt)

Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.3, kapasitor akan menjadi

hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutp, arus akan mengalir.

Saat rangkaian tertutup, arus akan mengakibatkan kapasitor dimuati hingga saa

dengan tegangan yang diberikan sebesar V0. Sebaliknya, kapasitor akan melepaskan

muatan melalui resistor saat rangkaian dibuka. Karakteristik tegangan pada kapasitor

dapat diterangkan dengan fungsi eksponensial.

Gbr.3. Rangkaian kapaitor dan resisitor arus searah

Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah

𝑉 𝑡 = 𝑉!𝑒!! ! (1)

Dengan τ adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah

waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi !!𝑉! yang ditentukan dari besar

hambatan dan kapasitans

𝜏 = 𝑅 𝐶 (2)

Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah

𝑉 𝑡 = 𝑉! 1− 𝑒!! ! (3)

Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan kapasitor

Vc(t) turun secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat pada

Gbr. 4.

Konstanta waktu dapat dihitung berdasarkan kurva pengisian kapasitor. Tarik

garis tangensial dari kurva pengisian pada titik t = 0 s dan tarik garis asimtot dari

kurva pengisian. Buat garis yang tegak lurus dari titik perpotongan antara tangensial

V(t)

Vc

dengan garis asimtot ke sumbu x . Titik yang diperoleh pada sumbu adalah konstanta

waktu.

Gbr.4. Kurva pengisian dan pengosongan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktu

Pada percobaan di R-Lab akan digunakan 4 buah model rangkaian, yaitu

Model 1, 2, 3 dan 4. Untuk Model 1 dan 3 mengunakan kapasitor dengan kapasitas

yang sama, Untuk Model 2 dan 4 menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang

sama.

PROSEDUR PERCOBAAN

Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian

bawah halaman ini.

1. Mengaktifkan Web cam (mengeklik icon video pada halaman web r-Lab).

2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan.

3. Mengatur model rangkaian yang akan digunakan, yaitu model 1.

4. Menghidupkan Power Supply yang digunakan.

5. Mengukur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian atau

pelepasan kapasitor.

6. Mengulangi langkah 4 dan 6 untuk model rangkaian 2, 3 dan 4.

TUGAS DAN EVALUASI

1. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor

untuk tiap model rangkaian yang digunakan.

2. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan

kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan.

3. Menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva

yang dibuat dan besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai kompenen R

dan C serta membandingkan hasilnya.

DATA HASIL PERCOBAAN

Tabel Model 1

Waktu IC VC 1 3.98 1.02 2 3.18 1.82 3 2.55 2.45 4 2.04 2.96 5 1.64 3.36 6 1.31 3.69 7 1.05 3.95 8 0.84 4.16 9 0.66 4.34 10 0.53 4.47 11 0.42 4.58 12 0.32 4.68 13 0.25 4.75 14 0.19 4.81 15 0.14 4.86 16 3.88 3.88 17 3.12 3.12 18 2.51 2.51 19 2.02 2.02 20 1.63 1.63 21 1.32 1.32 22 1.07 1.07 23 0.87 0.87 24 0.7 0.7 25 0.57 0.57 26 0.46 0.46 27 0.38 0.38

28 0.31 0.31 29 0.25 0.25 30 0.21 0.21

• Pada saat pengisian kapasitor (charge), data praktikum yang diambil yaitu

pada saat t waktu 1 hingga 15 sekon.

Dari grafik charge diatas, kita mendapatkan persamaan eksponensial, yaitu

y = 4.674 e-0.20x

Dari persamaan yang kita ketahui, V (t) = V0 . e –t/τ

Maka, kita dapat menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian model 1, sebagai

berikut.

V (t) = V0 . e –t/τ

y = 1,783 e-0,083x

−𝑡/𝜏 = - 0, 083 ( x menunjukkan variabel waktu t)

1/𝜏 = 0,083

𝜏 = 1/0,083

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (V)

Waktu (s)

Gra1ik Charge Model 1 V vs t

𝜏 = 12,048 ( s )

Pada Discharge kapasitor berlaku :

V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ

)

Dari literatur didapat hubungan :

𝜏 = (1 – 0,632 ). 12,048 sekon

𝜏 = 4, 434 sekon

• Pada saat pengosongan kapasitor (discharge), data praktikum yang diambil

yaitu pada saat t waktu 16 hingga 30 sekon.

V (t) = V0 . e –t/τ

y = 107,8 e-0,20x


Untuk mendapatkan nilai tetapan waktu R-C, maka x bisa dimisalkan sebagai t,

sehingga:

0 0.5 1

1.5 2

2.5 3

3.5 4

4.5

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Tegangan (V)

Waktu (s)

Gra1ik Discharge Model 1 V vs t

1/𝜏 = 0,20

𝜏 = 1/0,20

𝜏 = 5 s

Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka diperoleh perbedaan waktu yang

tidak terlalu signifikan karena pada dasarnya konstanta waktu charge = konstanta

waktu discharge :

𝜏2 - 𝜏1 = 5 – 4,434 s

𝜏2 - 𝜏1 = 0,566 s

Tabel Model 2

Waktu IC VC

1 11.17 1.43

2 8.03 2.43

3 5.79 3.15

4 4.17 3.67

5 2.99 4.04

6 2.14 4.32

7 1.51 4.52

8 1.05 4.66

9 0.72 4.77

10 0.47 4.85

11 0.29 4.91

12 0.15 4.95

13 0.05 4.99

14 0 5

15 0 5

16 11.32 3.62

17 8.22 2.63

18 5.99 1.92

19 4.38 1.4

20 3.21 1.03

21 2.37 0.76

22 1.74 0.56

23 1.3 0.42

24 0.96 0.31

25 0.72 0.23

26 0.53 0.17

27 0.4 0.13

28 0.29 0.09

29 0.23 0.07

30 0.17 0.05




y = 2, 419 e 0,062x



0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (V)

Waktu (s)


berikut.

V (t) = V0 . e –t/τ

y = 2, 419 e

0,062x


1/𝜏 = 0,062

� = 1/0,062

𝜏 = 16,129 ( s )


V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ

)


𝜏 = (1 – 0,632 ). 16,129 sekon

𝜏 = 5,935 sekon



V (t) = V0 . e –t/τ

y = 446,1 e-0,30x



sehingga:

1/� = 0,30

𝜏 = 1/0,30

𝜏 = 3,334 s

Apabila tetapan waktu tersebut dibandingkan maka terdapat perbedaan waktu yang

signifikan karena walaupun seharusnya besarnya konstanta waktu charge = konstanta

waktu discharge. Hal ini dapat dijelaskan karena nilai korelasi charge R2 = 0,634

yang berarti relasi data tersebut tidak terlalu akurat.

𝜏2 - 𝜏1 = 5,935 – 3,334s

𝜏2 - 𝜏1 = 2,601 s

Tabel Model 3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Tegangan (V)

Waktu (s)


Waktu IC VC

1 2.72 2.28

2 1.61 3.39

3 0.96 4.04

4 0.57 4.43

5 0.34 4.66

6 0.19 4.81

7 0.1 4.9

8 0.04 4.96

9 0 5

10 0 5

11 0 5

12 0 5

13 0 5

14 0 5

15 0 5

16 2.88 2.88

17 1.73 1.73

18 1.06 1.06

19 0.66 0.66

20 0.42 0.42

21 0.27 0.27

22 0.18 0.18

23 0.12 0.12

24 0.08 0.08

25 0.05 0.05

26 0.04 0.04

27 0.03 0.03

28 0.02 0.02

29 0.01 0.01

30 0.01 0.01




y = 3, 362 e 0,035x



berikut.

V (t) = V0 . e –t/τ

y = 3, 362 e

0,035x


1/𝜏 = 0,035

� = 1/0,035

𝜏 = 28,57 ( s )


0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (V)

Waktu (s)


V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ

)


𝜏 = (1 – 0,632 ). 28,57 sekon

𝜏 = 10,514 sekon



V (t) = V0 . e –t/τ

y = 2425 e-0,43x

−𝑡/𝜏 = - 0,43 ( x menunjukkan variabel waktu t)


sehingga:

1/𝜏 = 0,43

𝜏 = 1/0,43

𝜏 = 2,326 s

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Tegangan (V)

Waktu (s)






𝜏2 - 𝜏1 = 10,514 – 2,326 s

𝜏2 - 𝜏1 = 8,19 s

Tabel Model 4

Waktu IC VC

1 6.61 2.88

2 3.07 4.02

3 1.44 4.54

4 0.64 4.79

5 0.24 4.92

6 0.03 4.99

7 0 5

8 0 5

9 0 5

10 0 5

11 0 5

12 0 5

13 0 5

14 0 5

15 0 5

16 7 2.24

17 3.39 1.09

18 1.71 0.55

19 0.9 0.29

20 0.5 0.16

21 0.29 0.09

22 0.18 0.06

23 0.11 0.03

24 0.08 0.02

25 0.05 0.01

26 0.03 0.01

27 0.02 0

28 0.02 0

29 0 0

30 0 0




y = 3, 95 e0,021x



berikut.

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tegangan (V)

Waktu (s)


V (t) = V0 . e –t/τ

y = 3, 95 e0,021x


1/𝜏 = 0,021

� = 1/0,021

𝜏 = 47,619 ( s )


V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ

)


𝜏 = (1 – 0,632 ). 47,619 sekon

𝜏 = 17,52 sekon



0

0.5

1

1.5

2

2.5

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Tegangan (V)

Waktu (s)


V (t) = V0 . e –t/τ

y = 23984 e-0,59x

−𝑡/𝜏 = - 0,59 ( x menunjukkan variabel waktu t)


sehingga:

1/𝜏 = 0,59

𝜏 = 1/0,59

𝜏 = 1,695 s





𝜏2 - 𝜏1 = 17,52 – 1,695s

𝜏2 - 𝜏1 = 15,825 s

ANALISIS

Praktikum Charge Discharge merupakan percobaan yang dilakukan dengan

menggunakan remote laboratory (Rlab) sehingga praktikan dapat melakukan

praktikum melalui situs yang sudah disediakan oleh sitrampil. Meskipun praktikan

tidak melakukan percobaan di laboratorium (dilakukan secara online), praktikum ini

pada dasarnya dapat memvisualisasikan keadaan yang sebenarnya dalam lab sehingga

praktikan tetap merasakan keadaan praktikum melalui fasilitas yang sudah disediakan

(web cam).

Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik tegangan kapasitor

pada saat pengisian dan pelepasan muatan. Dalam praktikum rlab, praktikan hanya

tinggal mengklik tombol power suppy untuk mengalirkan energi dan menekan tombol

setting untuk mempersiapkan prosedur percobaan serta tombol ukur yang

menghasilkan data pengamatan. Adapun spesifikasi data percobaan yang sudah

disediakan (setelan awal yang tertera pada peralatan) saat melakukan percobaan rlab

berupa tegangan dan kuat arus rangkaian. Pada percobaan ini, tegangan yang tertera

pada voltmeter adalah 1,78 V dan kuat arus pada amperemeter sebesar 1,14 mA.

Dari data pengamatan yang dihasilkan dengan mengikuti prosedur, didapat

empat buah model data yang terdiri dari data waktu, tegangan, dan kuat arus. Dari

data yang dihasilkan dan disajikan dalam bentuk grafik, praktikan dapat melihat untuk

15 detik awal merupakan waktu pengisian kapasitor, sedangkan detik berikutnya

(sampai detik ke 30), mengalami pelepasan kapasitor. Dari data yang diperoleh

praktikan dapat mendapatkan tetapan waktu rangkaian RC dengan pada saat pengisian

kapasitor dengan hubungan:

V (t) = V0 . ( 1- e –t/τ

)

Sedangkan untuk pelepasan kapasitor tetapan waktu rangkaian R-C dapat

dicari dengan hubungan:

V (t) = V0 . e –t/τ

Lebih lanjut lagi dari pengolahan menggunakan grafik didapat data yang

berbentuk eksponensial sehingga praktikan dapat mensubstitusikan persamaan grafik

eksponensial dengan rumus di atas dan mendapatkan nilai tetapan waktu rangkaian R-

C.

Faktor-faktor yang menyebabkan keberhasilan praktikum ini adalah

pengambilan data dilakukan secara otomatis (dari rlab) sehingga kesalahan

pengambilan data oleh praktikan dapat diminimalisir semaksimal mungkin,

pengambilan pengamatan data yang banyak menyebabkan peningkatan akurasi dalam

pengolahan data, perhitungan dibantu dengan peralatan dan software seperti

kalkulator dan Ms. Word maupun excel, meskipun terdapat banyak data, data grafik

terdistribusi membentuk suatu pola eksponensial sehingga tetap mudah dibaca, jenis

data dan rumus yang dipakai tidak terlalu banyak sehingga kesalahan memasukkan

variabel ke dalam rumus dapat diminimalisir.

Adapun kesulitan yang dialami selama pengolahan data adalah cara

menentukan tetapan waktu rangkaian R-C model 4 pada saat kondisi discharge. Pada

awalnya membuat grafik dengan fungsi eksponensial tidak keluar persamaan , pada

akhirnya menggunakan cara lain yang ada di Ms Excel ,tidak lama kemudian keluar

nilai eksponensialnya. Disamping itu, kendala yang dihadapi dalam percobaan

pengisian dan pelepasan muatan di kapasitor seperti banyaknya pengamatan data yang

diperoleh dapat diatasi dengan perhitungan dengan software seperti Ms word dan

excel. Sedangkan kesulitan pembacaan data pada grafik dapat diatasi dengan

memperhatikan pola eksponensial yang ada.

Pada akhirnya, apabila praktikan membandingkan data tetapan waktu

rangkaian R-C pada saat pengisian maupun pelepasan muatan di kapasitor dari hasil

percobaan, maka didapat hasil yang hampir sama pada korelasi R2 yang tinggi.

Adapun perbedaan yang terjadi mungkin akibat adanya faktor-faktor kesalahan

pembuatan grafik sehingga menghasilkan perbedaan dengan hasil teoritis yang

seharusnya terjadi. Akan tetapi, secara umum pengisian dan pelepasan muatan di

kapasitor tetap dapat menggambarkan bagaimana pola pengisian dan pelepasan

(Charge Discharge) kapasitor terjadi. Oleh karena itu, percobaan yang dilakukan oleh

praktikan dapat dikatakan berhasil karena tujuan untuk mempelajari pengisian dan

pelepasan muatan di kapasitor dapat dicapai.

KESIMPULAN

Setelah melakukan praktikum R-Lab maka praktikan dapat menyimpulkan bahwa:

1. Karateristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan

dapat dipelajari melaui praktikum Charge Discharge.

2. Grafik tegangan pada saat pengisian dan pengeluaran kapasitor berbentuk

eksponensial.

3. Nilai konstanta waktu rangkaian R-C untuk pengisian dan pengeluaran

kapasitor relatif sama (secara teori harusnya sama).

4. Konstanta waktu dapat dicari dengan mensubtitusikan persamaan tengangan

pada rangkaian R-C.

REFERENSI

• Giancoli, D.C.2000, Physics for Scientists & Engeeners, Third Edition,

Prentice Hall, NJ.

• Halliday, Resnick,2005. Walker; Fundamentals of Physics, 7th Edition,

Extended Edition, JohnWiley & Sons, Inc., NJ.

• Tipler. 1996. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid II. Jakarta: Erlangga.

Link RLab

• http://sitrampil6.ui.ac.id/lr01

aulia fitriani 1206262582 lr01 charge discharge

Documents