LAPORAN R-LABCharge Discharge

Nama :Agil Ramadhan PrimastoNPM:1206223940Fakultas:TeknikDepartemen:Teknik Kimia

Nomor:LR-01Minggu Percobaan: Minggu Ketiga Tanggal Praktikum:30 September 2013

Laboratorium Fisika DasarUPP IPDUniversitas IndonesiaDepok, 2013Charge Discharge

I. Tujuan PraktikumTujuan dari dilakukannya praktikum ini adalah untuk melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan.

II. Peralatan1. Kapasitor 2. Resistror3. Amperemeter4. Voltmeter5. Variable Power Supply6. Camcorder7. Unit PC beserta DAQ dan Perangkat Pengendali Otomatis

III. Landasan Teoria. Listrik Arus Searah Listrik arus searah atau DC (Direct Current) adalah suatu aliran arus listrik yang konstan dan mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Pada umumnya aliran listrik ini terjadi dalam sebuah konduktor seperti kabel, namun bisa juga terjadi dalam semikonduktor, isolator, atau juga vakum seperti halnya pancaran elektron atau pancaran ion. Dalam arus listrik searah, muatan listrik mengalir ke satu arah, berbeda dengan listrik arus bolak-balik (AC).

b. Kapasitor Kapasitor adalah perangkat yang dapat menyimpan energi dalam medan listrik. Secara umum, kapasitor terbentuk dari dua buah konduktor. Suatu kapasitor dinamakan bermuatan Q jika kedua konduktornya diberi muatan Q yang sama namun berbeda jenis (yaitu +Q dan -Q). Proses pengisian kapasitor dilakukan dengan menghubungkan kapasitor tersebut dengan beda potensial. Muatan yang tersimpan dalam kapasitor berbanding lurus dengan beda potensial yang diberikan.

Konstanta kesebandingannya menyatakan kapasitas (kapasitansi) kapasitor untuk menyimpan muatan.

......... (1)

Berarti kapasitansi suatu kapasitor merupakan perbandingan antara muatan yang disimpannya dengan beda potensial antara konduktor-konduktornya.

Proses Pengisian Kapasitor

Pada proses pengisian ini kapasitor membutuhkan tegangan masuk (Vin) yang digunakan untuk menyuplai sekaligus mengisi muatan ke kapasitor dan sebuah resistor yang digunakan untuk mengatur konstanta waktu pengisian (t) serta membatasi arus pengisian.

Pada rangkaian kapasitor di atas, saat saklar S ditutup maka akan ada arus yang mengalir dan sumber tegangan Vin menuju kapasitor. Besarnya arus ini tidak tetap karena adanya bahan dielektrik pada kapasitor. Arus pengisian akan menurun seiring dengan meningkatnya jumlah muatan pada kapasitor, dimana

saat i = 0

Adapun rumus umum pengisian kapasitor untuk tegangan dan arus dapat dinyatakan seperti berikut : Tegangan kapasitor saat t detik

Apabila sebelum pengisian tidak terdapat tegangan awal pada kapasitor, , maka persamaan diatas menjadi :

Konstanta waktu atau waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi yang ditentukan dari besar hambatan dan kapasitansi:

Arus pengisian setelah t detik

Apabila digambarkan dalam grafik maka tegangan dan arus pada pengisian kapasitor akan membentuk grafik eksponensial seperti berikut:

Proses Pengosongan Kapasitor

Akibat dari penggunaan seluruh atau sebagian muatan listrik terhadap kapasitor, maka tegangan kapasitor akan berkurang atau secara eksponensial menjadi nol. Hal ini disebabkan karena harga Q sebanding dengan harga V seperti rumus yang tercantum pada persamaan (1).

Tegangan kapasitor saat dikosongkan selama t detik (Vc)

Keterangan : Vs adalah tegangan kapasitor sebelum dikosongkan. Vs akas bernilai sama dengan tegangan input pengisi kapasitor apabila kapasitor diisi sampai penuh.

Arus pengosongan setelah t detik

Apabila digambarkan dalam grafik maka tegangan dan arus pengosongan akan membentuk grafik eksponensial sebagai berikut :

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.

IV. Prosedur PercobaanPercobaan Rlab ini dilakukan dengan meng-klik tombol Rlab pada bagian bawah halaman percobaan pada www.sitrampil.ui.ac.id/elaboratory.1. Mengaktifkan webcam2. Memperhatikan tampilan video dari peralatan yang digunakan3. Mengatur model rangkaian yang akan digunakan, yaitu model 14. Menghidupkan power supply5. Mengukur beda potensial di kaki-kaki kapasitor dan arus pengisian-pelepasan kapasitor6. Mengulangi langkah 4 hingga 6 untuk model rangkaian 2, 3, dan 4

V. Hasil Percobaan dan Pengolahan DataDari percobaan yang telah dilakukan, praktikan mendapatkan hasil sebagai berikut:WaktuICVC

13.981.02

23.181.82

32.552.45

42.042.96

51.643.36

61.313.69

71.053.95

80.844.16

90.664.34

100.534.47

110.424.58

120.324.68

130.254.75

140.194.81

150.144.86

163.883.88

173.113.11

182.512.51

192.022.02

201.631.63

211.321.32

221.071.07

230.870.87

240.70.7

250.570.57

260.460.46

270.380.38

280.310.31

290.250.25

300.210.21

111.171.43

28.032.43

35.793.15

44.183.66

52.994.04

62.154.31

71.534.51

81.074.66

90.724.77

100.474.85

110.294.91

120.154.95

130.054.99

1405

1505

1611.33.62

178.22.62

185.971.91

194.371.4

203.211.03

212.350.75

221.740.56

231.280.41

240.960.31

250.720.23

260.530.17

270.40.13

280.290.09

290.230.07

300.170.05

12.732.27

21.613.39

30.964.04

40.574.43

50.344.66

60.194.81

70.14.9

80.044.96

905

1005

1105

1205

1305

1405

1505

162.882.88

171.731.73

181.061.06

190.660.66

200.420.42

210.270.27

220.180.18

230.120.12

240.080.08

250.060.06

260.040.04

270.030.03

280.020.02

290.010.01

300.010.01

16.62.89

23.074.02

31.444.54

40.644.79

50.244.92

60.034.99

705

805

905

1005

1105

1205

1305

1405

1505

1672.24

173.381.08

181.710.55

190.920.29

200.50.16

210.290.09

220.180.06

230.110.03

240.080.02

250.050.01

260.030.01

270.020

280.020

2900

3000

Dari tabel data hasil percobaan di atas, dapat kita lihat bahwa: Untuk waktu (t) = 1 sampai 15, kapasitor mengalami pengisian daya sehingga tegangannya meningkat dari waktu ke waktu. Untuk waktu (t) = 16 sampai 30, kapasitor mengalami pengosongan daya sehingga tegangannya menurun/berkurang dari waktu ke waktu.Untuk memperjelas gambaran keadaan pengisian dan pengosongan kapasitor, berikut ini adalah grafik V vs t untuk pengisian dan pengosongan kapasitor tiap model rangkaian: Grafik V vs t untuk Pengisian Kapasitor

Grafik V vs t untuk Pengosongan Kapasitor

Kemudian, kita dapat menentukan nilai konstanta waktu dari tiap model rangkaian kapasitor. Berikut ini adalah pengolahan data dan penghitungan untuk menentukan nilai konstanta waktu () dari tiap model rangkaian kapasitor:

A. Pengisian Kapasitor

Rangkaian Kapasitor Model 1

Dari persamaan eksponen yang telah didapatkan pada grafik pengisian kapasitor di atas, maka kita dapat mencari konstanta waktu dari rangkaian kapasitor model 1 ini dengan cara sebagai berikut:

karena , maka:

Rangkaian Kapasitor Model 2

karena , maka:

Rangkaian Kapasitor Model 3

karena , maka:

Rangkaian Kapasitor Model 4

karena , maka:

B. Pengosongan Kapasitor

Rangkaian Kapasitor Model 1

karena , maka:

Rangkaian Kapasitor Model 2

karena , maka:

Rangkaian Kapasitor Model 3

karena , maka:

Rangkaian Kapasitor Model 4

Untuk rangkaian kapasitor model 4 ini, grafiknya tidak memiliki trendline eksponensial sehingga konstanta waktunya tidak dapat dicari dengan cara regresi kurva eksponensial.

VI. Analisis1. Analisis PercobaanPada percobaan nomor LR01 yang berjudul Charge Discharge ini, praktikan mencoba untuk melihat dan memahami karakteristik dari tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan. Hal yang pertama kali praktikan lakukan dalam menjalankan percobaan ini adalah mengatur model rangkaian kapasitor yang akan digunakan. Terdapat empat jenis model rangkaian kapasitor yang tersedia untuk percobaan ini. Variasi model rangkaian kapasitor tersebut ditujukan untuk mendapatkan data yang variatif terkait karakteristik pengisian dan pengosongan muatan kapasitor serta untuk melihat apakah ada perbedaan yang signifikan antara satu model rangkaian dengan model lainnya. Selanjutnya, praktikan menyalakan power supply yang digunakan dalam percobaan ini. Apabila power supply terganggu atau tak dapat dinyalakan maka percobaan tidak akan dapat dilakukan karena aliran arus listrik pasti akan terganggu sehingga pengisian kapasitor tidak dapat dilakukan. Selanjutnya setelah menyalakan power supply, percobaan pun dilangsungkan. Pada percobaan ini juga, praktikan dilengkapi oleh sebuah kamera rekorder dan komputer beserta DAQ dan pengendali otomatis sehingga praktikan dapat melakukan dan memantau jalannya percobaan ini dari jarak jauh (remote), tanpa harus berada di Laboratorium Fisika Dasar UPP IPD.

Pada percobaan ini, selain mengamati karakteristik proses pengisian dan pengosongan dari rangkaian kapasitor, praktikan juga ditugaskan untuk menghitung konstanta waktu yang mana merupakan faktor yang menentukan tegangan akhir kapasitor. Konstanta waktu dapat dihitung dengan menggunakan dua cara yaitu, dengan menggunakan rumus dan dengan menggunakan persamaan eksponensial dari kurva eksponensial V vs t. Praktikan memilih untuk menggunakan cara yang kedua, yaitu menggunakan persamaan eksponensial karena praktikan tidak mengetahui nilai konduktansi (C) dari kapasitor yang digunakan sehingga praktikan tidak dapat menggunakan cara pertama untuk mencari konstanta waktu.

2. Analisis Hasil dan GrafikDari pengolahan data yang dilakukan oleh praktikan, praktikan dapat membuat total delapan buah grafik V vs t dengan rincian empat buah grafik pengisian kapasitor dan empat buah grafik pengosongan kapasitor. Kedelapan grafik tersebut dapat dilihat pada subbab V. Hasil Percobaan dan Pengolahan Data.Dari grafik-grafik tersebut didapatkan informasi bahwa pengisian kapasitor berlangung pada detik pertama hingga detik kelima belas, yang ditandai dengan nilai tegangan yang meningkat dari waktu ke waktu serta grafik yang bergerak ke arah kanan atas menandakan nilainya positif dan terus meningkat. Sedangkan pengosongan kapasitor berlangsung pada detik keenam belas hingga detik ketiga puluh, yang ditandai dengan tegangan yang terus menurun serta arah pergerakan grafik ke arah kanan bawah menandakan nilainya semakin berkurang atau negatif. Berdasarkan grafik juga dapat diketahui bahwa nilai tegangan maksimum yang dapat disimpan oleh kapasitor dalam percobaan ini adalah sebesar 5V. Hal tersebut dapat diamati pada setiap grafik pengisian kapasitor dari tiap model rangkaian kapasitor yang selalu menunjukkan garis konstan setelah mencapai angka 5V.Berdasarkan grafik pula, dapat diamati bahwa model rangkaian kapasitor berpengaruh terhadap efektifitas pengisian dan pengosongan kapasitor. Dari keempat jenis model rangkaian kapasitor, model keempatlah yang paling efektif dalam pengisian dan pengosongan kapasitor. Hal tersebut dapat terlihat dari seberapa cepat rangkaian kapasitor model keempat tersebut terisi penuh dan habis tegangannya.Dari hasil penghitungan dengan memanfaatkan persamaan eksponensial dari tiap grafik V vs t, didapatkan data berupa konstanta waktu dari tiap model rangkaian sebagai berikut:Konstanta Waktu padaPengisian Kapasitor (s)Konstanta Waktu padaPengosongan Kapasitor (s)

IIIIIIIVIIIIIIIV

-12.019-16.026-28.818-47,8474.7843.3002.463Tidak dapat Ditentukan

Dari tabel tersebut, dapat diamati bahwa nilai konstanta baik untuk pengisian maupun pengosongan kapasitor dimiliki oleh rangkaian kapasitor model 1. Dari data tersebut, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa konstanta waktu berpengaruh terhadap efektifitas pengisian dan pengosongan kapasitor. Semakin kecil konstanta waktunya, semakin efektif kapasitor tersebut dalam pengisian dan pengosongannya.

3. Analisis KesalahanTerdapat beberapa kendala dalam pelaksanaan percobaan ini, seperti misalnya fasilitas webcam yang tidak menyala sehingga praktikan tidak dapat mengamati jalannya percobaan secara aktual yang mana hal tersebut dapat mempengaruhi ketepatan analisis praktikan akan percobaan yang telah dilakukan ini. Selain itu, kesalahan juga tak terhindarkan pada pengolahan data yang telah dilakukan oleh praktikan. Pembulatan yang tidak tepat seringkali menyebabkan hasil yang berbeda dari hasil yang sesungguhnya.

VII. KesimpulanDari percobaan yang telah praktikan lakukan ini, dapat disimpulkan bahwa:1. Grafik yang dihasilkan pada percobaan ini adalah grafik eksponensial hubungan tegangan dengan waktu (V vs t). Untuk pengisian kapasitor, grafik yang dihasilkan adalah grafik eksponensial positif (menaik), sedangkan untuk pengosongan kapasitor, grafik yang dihasilkan adalah grafik eksponensial negatif (menurun).2. Besar nilai konstanta waktu memiliki pengaruh terhadap efektifitas pengisian dan pengosongan kapasitor. Semakin kecil nilai konstanta waktunya maka efektifitas kapasitor saat pengisian dan pengosongan semakin tinggi.3. Besar nilai konstanta waktu dari proses pengosongan kapasitor lebih besar dibandingkan dengan nilai konstanta waktu dari proses pengisian kapasitor.4. Untuk proses pengisian kapasitor, waktu memiliki hubungan berbanding lurus dengan besar tegangan yang ditandai dengan besar tegangan yang semakin meningkat seiring berjalannya waktu. Sedangkan untuk proses pengosongan kapasitor, waktu memiliki hubungan berbanding terbalik dengan besar tegangan yang ditandai dengan besar tegangan semakin menurun seiring berjalannya waktu.VIII. Referensi Tipler, Paul A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik (Jilid 2). Jakarta: Erlangga.Giancoli, D.C. 2000. Physics for Scientists & Engineers, Third Edition. NJ: Prentice Hall.Halliday, Resnick, Walker. 2005. Fundamentals of Physics, 7th Edition, Extended Edition. NJ: John Wiley & Sons, Inc.http://sitrampil.ui.ac.id/elaboratory/kuliah/view_experiment.php?id=9343&exp=51, diakses pada tanggal 6 Oktober 2013.