laporan r-lab lr01

LAPORAN PRAKTIKUM R LAB Fisika Dasar 2

Nama/NPM Fak/Prog.Studi Group No & Nama Percobaan Tanggal percobaan

: Putri Larassati/1006660794 : Teknik/Teknik Industri : B 12 : LR01 Charge Discharge : 10 Oktober 2011

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar UPP IPD Laboratorium Fisika Dasar Universitas Indonesia

LR 01 CHARGE DISCHARGEI. TUJUAN PERCOBAAN Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan. II. PRINSIP DASAR Pada rangkaian arus searah seperti pada Gbr.1, kapasitor akan menjadi

hambatan tak hingga. Hanya saat rangkaian dibuka dan ditutp, arus akan mengalir. Saat rangkaian tertutup, arus akan mengakibatkan kapasitor dimuati hingga sama 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.

V(t)

Vc

Gbr.1. Rangkaian kapasitor dan resisitor arus searah

Pada saat kapasitor sudah terisi oleh sebagian atau penuh muatan listrik, maka kapasitor tersebut dapat dikosongkan dengan cara menghubungkan saklar (S) pada ground. Akibatnya, tegangan kapasitor dan arus akan berkurang secara eksponensial sampai nol. Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah :

(1)

Pengosongan kapasitor memiliki rumus umum sebagai berikut:

Vs adalah tegangan kapasitor sebelum dikosongkan. Vs akan bernilai sama dengan tegangan input pengisi kapasitor apabila kapasitor diisi sampai penuh (fully charged) Apabila digambarkan ke dalam grafik eksponensial, maka bentuk kurva pengosongan kapasitor seperti berikut:

Sedangkan, grafik pengisian kapasitor adalah sebagai berikut :

Dengan adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi dari besar hambatan dan kapasitas (2) Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah (3) Penurunan tegangan akan melambat sebanding dengan waktu. Tegangan kapasitor Vc(t) turun secara asimtotik menjadi nol. Kurva karakteristik ini dapat dilihat pada Gbr. 2 yang ditentukan

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

Gbr. 2 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.

III.

PERALATAN a. Kapasitor b. Resistor c. Amperemeter d. Voltmeter e. Variable Power Supply f. Camcorder g. Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

IV.

PROSEDUR PERCOBAAN Eksperimen rLab dapat dilakukan dengan meng-klik tombol rLab di bagian bawah halaman jendela rLab, lalu: 1. Mengaktifkan Web cam dengan meng-klik icon video pada halaman web r-Lab 2. Memerhatikan 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/ pelepasan kapasitor. 6. Mengulangi langkah 4 dan 6 untuk model rangkaian 2 , 3 dan 4

DATA PENGAMATAN1. Data Pengamatan untuk Rangkaian Model 1

Waktu (s)

IC

VC (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

3.98 3.18 2.55 2.04 1.64 1.31 1.05 0.84 0.67 0.53 0.42 0.33 0.25 0.2 0.15 3.87 3.11 2.5 2.02 1.63 1.32 1.07 0.87 0.7 0.57 0.46 0.38 0.31 0.25 0.21

1.02 1.82 2.45 2.96 3.36 3.69 3.95 4.16 4.33 4.47 4.58 4.67 4.75 4.8 4.85 3.87 3.11 2.5 2.02 1.63 1.32 1.07 0.87 0.7 0.57 0.46 0.38 0.31 0.25 0.21

Grafik untuk Rangkaian Model 1 :

Model 1 Charge8 7

tegangan kapasitor

6 5 4 3 2 1 0 0.00

y = 1.7075e 0.0912x R2 = 0.731

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

Model 1 Charge Expon. (Model 1 Charge)

waktu

Model 1 Discharge4.5 4

tegangan kapasitor

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

y = 107.43e -0.2091x R2 = 0.9998

Model 1 Discharge Expon. (Model 1 Discharge)

waktu

2. Data Pengamatan untuk Rangkaian Model 2

Waktu (s)

IC

VC (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

11.15 8.03 5.79 4.17 2.99 2.15 1.53 1.07 0.73 0.47 0.29 0.17 0.06 0 0 11.29 8.2 5.97 4.37 3.21 2.35 1.74 1.28 0.96 0.72 0.53 0.4 0.31 0.18 0.17

1.43 2.43 3.15 3.67 4.04 4.31 4.51 4.66 4.77 4.85 4.91 4.95 4.98 5 5 3.61 2.62 1.91 1.4 1.03 0.75 0.56 0.41 0.31 0.23 0.17 0.13 0.1 0.06 0.05


Model 2 Charg e7 6

tegangan kapasitor

5 4 3 2 1 0 0.00 y = 2.4223e 0.0623x R2 = 0.6337

5.00

10.00

15.00

20.00


waktu

Mod el 2 Discharg e4 3.5

tegangan kapasitor

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00

y = 459.51e-0.3044x R2 = 0.999

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00


waktu


Waktu (s)

IC

VC (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

2.78 1.65 0.99 0.59 0.35 0.2 0.1 0.04 0 0 0 0 0 0 0 2.92 1.76 1.09 0.67 0.43 0.27 0.18 0.12 0.08 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01

2.22 3.35 4.01 4.41 4.65 4.8 4.9 4.96 5 5 5 5 5 5 5 2.92 1.76 1.09 0.67 0.43 0.27 0.18 0.12 0.08 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01


Mod el 3 Charg e7 6y = 3.3536e 0.0358x R2 = 0.5123

tegangan kapasitor

5 4 3 2 1 0 0.00

5.00

10.00

15.00

20.00


waktu

Model 3 Discharge3.5

tegangan kapasitor

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 y = 2435.9e-0.4301x R2 = 0.9913


waktu


Waktu (s)

IC

VC (V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2930

6.77 3.18 1.48 0.66 0.24 0.03 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7.12 3.47 1.76 0.92 0.5 0.27 0.15 0.09 0.06 0.03 0.02 0.02 0 00

2.83 3.98 4.53 4.79 4.92 4.99 5 5 5 5 5 5 5 5 5 2.28 1.11 0.56 0.29 0.16 0.09 0.05 0.03 0.02 0.01 0 0 0 00


Model 4 Charge6

tegangan kapasitor

5 4 3 2 1 0 0.00 y = 3.944e 0.0217x R2 = 0.4028

5.00

10.00

15.00

20.00


waktu


tegangan kapasitor

2 1.5 1 0.5 0 0.00 y =395e -0.65x R2 = 0.4861

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

Model 4 Discharge Linear (Model 4 Discharge)

waktu

V. PENGOLAHAN DATA

a. Menghitung besar konstanta waktu dan hambatan dari rangkaian Model 1 (C=10000F) Seperti yang telah dijelaskan pada bagian data pengamatan, proses pengisian kapasitor berlangsung pada waktu 1 - 15 sekon, sedangkan proses pengosongan berlangsung pada waktu 16-30 sekon.Model 1 Discharge4.5 4

tegangan kapasitor

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

y = 107.43e -0.2091x R2 = 0.9998


waktu

Dari grafik discharge rangkaian model 1, diketahui persamaan eksponensial, yaitu:

y 107 . 43 e 0 .2091 x Dengan diketahui sebelumnya, V t V o e t /

(1)

(2)

Maka, dapat kita hitung konstanta waktu dari rangkaian model 1, yaitu: t / 0.2091 1 / 0.2091

4.78( s)

Dari persamaan (1), dapat dicari besar tegangan kapasitor pada saat t=0, yaitu

y 107 . 43 e 0 .2091 ( 0 ) y 107 . 43 (1) V ( 0 ) 107 . 43 VUntuk menghitung besar hambatan (R) pada rangkaian model 1 dapat digunakan rumus:

RCDengan diketahui sebelumnya, kapasitor rangkaian model 1&3 adalah sama, yaitu 10000F

R

4.73s 0.01F

R 473

b. Menghitung besar konstanta waktu dan hambatan dari rangkaian Model 2 (C=4700F) Seperti yang telah dijelaskan pada bagian data pengamatan, proses pengisian kapasitor berlangsung pada waktu 1 - 15 sekon, sedangkan proses pengosongan berlangsung pada waktu 16-30 sekon.

Model 2 Discharge4 3.5

tegangan kapasitor

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00

y = 459.51e -0.3044x R2 = 0.999

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00


waktu


y 459 . 51 e 0 . 3044Dengan diketahui sebelumnya,

x

(1)

V t V o e

t /

(2)

Maka, dapat kita hitung konstanta waktu dari rangkaian model 2, yaitu:

t / 0.3044 1 / 0.3044

3.29(s )


y 459 . 51 e 0 . 3044

x

y 459 . 51 (1 ) V ( t ) 459 . 51 VUntuk menghitung besar hambatan (R) pada rangkaian model 2 dapat digunakan rumus:


R

3.29 s 0.0047 F

R 700

c. Menghitung besar konstanta waktu dan hambatan dari rangkaian Model 3 (C= 10000F) Seperti yang telah dijelaskan pada bagian data pengamatan, proses pengisian kapasitor berlangsung pada waktu 1 - 15 sekon, sedangkan proses pengosongan berlangsung pada waktu 16-30 sekon.


tegangan kapasitor

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 y = 2435.9e-0.4301x R2 = 0.9913


waktu


y 2435 . 9 e 0 . 4301 xDengan diketahui sebelumnya, V t V o e t /

(1)

(2)


t / 0.4301 1 / 0.4301

2.33( s)


y 2435 . 9 e 0 . 4301

x

y 2435 . 9 (1 )V (t ) 2435.9V

Untuk menghitung besar hambatan (R) pada rangkaian model 3 dapat digunakan rumus:


R

2.33s 0.01F

R 233

d. Menghitung besar konstanta waktu dan hambatan dari rangkaian Model 4 (C=4700F) Seperti yang telah dijelaskan pada bagian data pengamatan, proses pengisian kapasitor berlangsung pada waktu 1 - 15 sekon, sedangkan proses pengosongan berlangsung pada waktu 16-30 sekon.


tegangan kapasitor

2 1.5 1 0.5 0 0.00 y =395e -0.65x R2 = 0.4861

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

Model 4 Discharge Linear (Model 4 Discharge)

waktu


y 3 . 95 e 0 .65 xDengan diketahui sebelumnya,

(1)

V t V o e

t /

(2)


t / 0.65 1 / 0.65

1.54( s )


y 395 e 0 . 65 x y 395 (1 ) V (t ) 395 VUntuk menghitung besar hambatan (R) pada rangkaian model 4 dapat digunakan rumus:


R

1.54 s 0.0047 F

R 327.66

VI. ANALISIS HASIL PERCOBAAN

a. Analisis Percobaan Percobaan r-lab kali ini bernomor LR 01 dan berjudul Charge-Discharge. Percobaan ini bertujuan untuk melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat dilakukan pengisian dan pelepasan muatan. Untuk melihat karakteristik tersebut, disusun empat rangkaian percobaan dan dilakukan percobaan terhadap 4 buah rangkaian model RC (rangkaian resistorkapasitor) tersebut yang tentunya berbeda susunan dan besar kapasitornya sebagai perbandingan. Sebelumnya, telah diketahui pula bahwa besar kapasitor pada model pertama, sama dengan kapasitor model 3, yaitu sebesar 10.000F, sedangkan besar kapasitor rangkaian model 2 sama dengan 4, yaitu sebesar 4700F.

Percobaan rLab adalah percobaan menggunakan media interaktif internet, sehingga praktikan tidak perlu datang ke lab FMIPA. Saat memulai percobaan rLab, praktikan harus memastikan web cam sudah aktif untuk memantau besar tegangan kapasitor awal. Selanjutnya, praktikan hanya perlu menekan tombol perintah untuk memilih model rangkaian yang akan diamati, kemudian tekan tombol mulai untuk mulai menyalakan dan menghitung besar arus dan tegangan dari masing-masing model. Tiap model rangkaian dihitung selama 30 detik, dengan 15 detik pertama merupakan saat pengisian kapasitor/charge, dan 15 menit terakhir merupakan saat pengosongan kapasitor/discharge.

Perlu untuk praktikan perhatikan, selama melakukan percobaan rLab, praktikan menemukan beberapa kendala. Kendala pertama adalah web cam yang kerap mati dan melakukan loading dalam waktu yang cukup lama, sehingga praktikan pun melakukan percobaan tanpa menyalakan video yang berakibat pada kurangnya akurasi perhitungan. Kendala kedua adalah karena praktikum rLab tergantung pada koneksi internet, proses loading yang lama, berakibat pada habisnya waktu praktikan dalam melakukan praktikum.

Selain itu, sistem internet juga tidak memungkinkan praktikan untuk melakukan praktik dalam waktu yang bersamaan dengan orang lain yang juga sedang menggunakannya. Sehingga apabila ada seseorang yang sedang melakukan percobaan dengan judul yang sama, praktikan harus menunggu terlebih dahulu selama beberapa menit.

Selanjutnya, setelah melakukan praktikum, praktikan dapat menghitung besar konstanta waktu dari masing-masing hambatan dengan

mensubstitusikan persamaa eksponensial yang didapat dari grafik discharge masing-masing model rangkaian ke dalam persamaan:

V t V o erangkaian ( R ) dengan menggunakan rumus

t /

Kemudian dapat dihitung pula besar dari hambatan masing-masing model

RC

b. Analisis Hasil Berikut ini adalah tabel ringkasan yang menunjukkan perbandingan dari tiap rangkaian model rangkaian RCRangkaian Kapasitor (F) Konstanta Waktu (s) Hambatan ()

Model 1 Model 2 Model 3 Model 4

10000 4700 10000 4700

4.78 3.29 2.33 1.54

473 700 233 327.66

Dapat dilihat dari tabel diatas, bahwa besar konstanta waktu tidak bergantung pada besar kapasitor dari rangkaian, hal ini sesuai dengan proses mencari besar konstanta waktu yang tidak bergantung pada besaran lainnya, seperti kapasitor maupun jenis rangkaian melainkan hanya bergantung dari eksponen persamaan grafik antara waktu dan tegangan kapasitor, serta dengan memasukkan t = 1. Berbeda halnya dengan komponen R dan C. Dapat diamati pula dari tabel bahwa kedua komponen

tersebut memiliki hubungan yang NEGATIF, maksudnya bahwa semakin besar kapasitor, maka hambatan yang dimilikinya lebih kecil.

c. Analisis Grafik Dari 8 grafik yang telah dibuat, dapat dianalisis hal-hal sebagai berikut: Pada setiap Grafik Charge (pengisisan), baik itu pada rangkaian

model 1, 2, 3, maupun 4, dapat terlihat bahwa besar tegangan kapasitor akan terus naik pada awal masa pengisiannya dan akan cenderung konstan pada waktu-waktu pengisian berikutnya Pada setiap Grafik Discharge (pengosongan), baik itu pada rangkaian model 1, 2, 3, maupun 4, dapat terlihat bahwa besar tegangan kapasitor akan terus menurun pada awal masa pengosongan dan akan cenderung konstan pada waktu-waktu berikutnya masa pengosongan.

VII.

KESIMPULAN a. Besar konstanta waktu pada masing-masing model rangkaian dapat dicari dengan menggunakan persamaan eksponensial dari grafik discharge pada masing-masing model rangkaian, serta tidak bergantung pada komponen R dan C di rangkaian tersebut. b. Pada setiap model rangkaian, komponen R dan C memiliki hubungan yang negatif. Artinya, keduanya berbanding terbalik.

VIII. REFERENSI http://www.sitrampil.ui.ac.id http://www.upscale.utoronto.ca/IYearLab/capacitor.pdf

laporan r-lab lr01

Documents