lr01 farha kamilah 1106002476 revisi

LAPORAN PRAKTIKUM CHARGE DISCHARGE

Nama : Farha Kamilah NPM : 1106002476 Fakultas : Teknik Program Studi : Teknologi Bioproses Group : A-2

Nomor Percobaan : LR01 Minggu Percobaan : Minggu ke-4 Tanggal Percobaan : 15 Oktober 2012

LABORATORIUM FISIKA DASAR

Unit Pelaksana Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP-IPD)

UNIVERSITAS INDONESIA Depok

LR01 – Charge Discharge

Farha Kamila-1106002476

Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor

1. Tujuan

- Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan

2. 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,

dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan

oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011

cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut. Satuan kapasintasi adalah farad (‘F’). dalam

nilai yang sering digunakan untuk praktikum nilai yang sering digunakan microfarad ( µF) atau

10-6F.NanoFarad (Nf) atau 10-9F dan pikoFarad (pF) atau 10-12F.

Kapasitor memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt dapat

memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis :

Q = C . V

Q = muatan elektron dalam C (coulombs)

C = nilai kapasitansi dalam F (farad)

V = besar tegangan dalam V (volt)

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area

plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta (k) bahan

dielektrik. Dengan rumus dapat di tulis sebagai berikut :

C = (8.85 x 10-12) (k A/t)

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

dielektrik. 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. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini

terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan

Pada rangkaian kapasitor seri, nilai kapasintasi adalah

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

Pada rangkaian kapasitor paralel, nilai kapasintasi total adalah

Ctotal = C1 + C2 + C3

Apabila saklar S1 ditutup, maka akan mengalir arus dari tegangan sumber melaului

hambatan R ke kapasitor C.tegangan pada C, tegangan pada C akan naik secara eksponensial

sesuai dengan persamaan berikut:

Vc = Vs (1-e – t / RC )

http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/9.jpg

http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/11.jpg



Dimana :

Vc = tegangan pada kapasitor (V)

Vs = tegangan sumber (V)

t = waktu pengisian kapasiitor (s)

R = Resistansi dari resistor

C = kapasintasi (F)

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 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.1. Rangkaian kapaitor dan resisitor arus searah

Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah

𝑉(𝑡) = 𝑉0𝑒−𝑡 𝜏⁄ (1)

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

dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi 1𝑒𝑉0 yang ditentukan dari besar hambatan dan

kapasitansi

𝜏 = 𝑅 𝐶 (2)

Hal yang sama, besar tegangan saat rangkaian tertutup adalah

V(t)

Vc



𝑉(𝑡) = 𝑉0�1 − 𝑒−𝑡 𝜏⁄ � (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

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. 1 Kurva pengisian dan pengosongan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktu

3. Peralatan

- Kapasitor

- Resistor

- Amperemeter

- Voltmeter

- Variable power supply

- Camcorder

- Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis



4. Prosedur Kerja

Eksperimen rLab ini dapat dilakukan dengan masuk dalam sitrampil.ui.ac.id/elaboratory

kemudian meng-klik tombol rLab di bagian bawah.

1. Mengaktifkan Web cam ! (mengklik 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 / pelepasan

kapasitor

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

5. PENGOLAHAN DATA DAN EVALUASI

1. Buatlah grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor untuk tiap model

rangkaian yang digunakan !

Jawab :

A. Model 1

Metode 1

Waktu (s) Tegangan(v) 1 1.02 2 1.81 3 2.44 4 2.95 5 3.35 6 3.68 7 3.94 8 4.15 9 4.33 10 4.46 11 4.57 12 4.67 13 4.74 14 4.8 15 4.85



Grafik tegangan V terhadap waktu saat pengisian kapasitor untuk Model Rangkaian 1 :

B. Model 2

Metode 2

Waktu (s) Tegangan(v) 1 1.43 2 2.42 3 3.14 4 3.66 5 4.03 6 4.31 7 4.51 8 4.65 9 4.76 10 4.84 11 4.9 12 4.94 13 4.98 14 5 15 5

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Grafik tegangan terhadap Waktu (Pengisian Kapasitor Model 1)

Tega

ngan

(v)

Waktu (sekon)




C. Model 3

Metode 3

Waktu (s) Tegangan(v) 1 2.17 2 3.31 3 3.99 4 4.39 5 4.65 6 4.8 7 4.9 8 4.96 9 5 10 5 11 5 12 5 13 5 14 5 15 5

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Tega

ngan

(v)

Waktu (sekon)




Grafik tegangan V terhadap waktu saat pengisian kapasitor untuk Model Rangkaian 3:

\

D. Model 4

Metode 4

Waktu (s) Tegangan(v) 1 2.8 2 3.96 3 4.52 4 4.78 5 4.92 6 4.99 7 5 8 5 9 5 10 5 11 5 12 5 13 5 14 5 15 5

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20


Tega

ngan

(v)




2. Buatlah grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan kapasitor untuk tiap

model rangkaian yang digunakan!

Jawab :

A. Model Rangkaian 1

Metode 1

Waktu (s) Tegangan(v)

16 3.88 17 3.11 18 2.51 19 2.02 20 1.63 21 1.32 22 1.07 23 0.87 24 0.7 25 0.57 26 0.46 27 0.38 28 0.3 29 0.25 30 0.21

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20


Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)



Grafik tegangan V terhadap waktu saat pengosongan kapasitor untuk Model Rangkaian 1 :

B. Model Rangkaian 2

Metode 2

Waktu (s) Tegangan(v) 16 3.62 17 2.63 18 1.92 19 1.4 20 1.03 21 0.76 22 0.56 23 0.42 24 0.31 25 0.23 26 0.17 27 0.13 28 0.09 29 0.07 30 0.05

0

1

2

3

4

5

15 20 25 30 35

Grafik tegangan terhadap Waktu (Pengosongan Kapasitor Model 1)

Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)




C. Model Rangkaian 3

Metode 3

Waktu (s) Tegangan(v) 16 2.95 17 1.78 18 1.09 19 0.68 20 0.43 21 0.27 22 0.18 23 0.11 24 0.07 25 0.05 26 0.03 27 0.02 28 0.01 29 0.01 30 0


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

15 17 19 21 23 25 27 29 31


Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)



D. Model Rangkaian 4

Metode 4

Waktu (s) Tegangan(v) 16 2.31 17 1.12 18 0.57 19 0.29 20 0.16 21 0.08 22 0.05 23 0.03 24 0.01 25 0.01 26 0 27 0 28 0 29 0 30 0


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

15 17 19 21 23 25 27 29 31

Grafik tegangan terhadap Waktu (Pengosongan Kapasitor Model 3

Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)



3. Hitung besar konstanta waktu dari tiap rangkaian kapasitor berdasarkan kurva yang

diperoleh?

Jawab :

Konstanta waktu dapat dihitung berdasarkan kurva pengisian kapasitor dengan

menarik garis tangensial dari kurva pengisian pada titik t = 0 sekon dan kemudian

menarik garis asimtot dari kurva pengisian. Setelah itu, membuat garis yang tegak lurus

dari titik perpotongan antara tangensial dengan garis asimtot ke sumbu x. Titik yang

diperoleh pada sumbu merupakan nilai konstanta waktu (dalam sekon).

Model Rangkaian 1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

15 17 19 21 23 25 27 29 31


Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)



Konstanta waktu ( τ ) yang diperoleh pada model 1 ± 4.8 sekon

Model Rangkaian 2


Model Rangkaian 3

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16


Tega

ngan

(v)

Waktu (sekon)

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tega

ngan

(v)

Waktu (sekon)





Model Rangkaian 4

Konstanta waktu ( τ ) yang diperoleh pada model 3 ± 2 sekon

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16


Te

gang

an(v

)

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16


Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)

Waktu (sekon)

Tega

ngan

(v)



4. Berdasarkan data yang saudara peroleh pada saat pengosongan kapasitor di tiap

rangkaian , berapakah besarnya tegangan kapasitor pada saat t = 0.

Jawab :

Besar tegangan kapasitor dapat dirumuskan :

V(t) = V0e−tτ

Model Rangkaian 1 (𝑡 = 4.8 sekon)

Tegangan pada detik ke-16 yaitu 3.8 volt, maka :

V(1) = V0e−14.8

3.88 = V0 x 0.811

𝐕𝟎 = 𝟒.𝟕𝟖 𝐕𝐨𝐥𝐭

Model Rangkaian 2 (𝜏 = 3.5 sekon)


V(1) = V0e−13.5

3.62 = V0 x 0.751

𝐕𝟎 = 4.81 Volt


Tegangan pada detik ke-16 yaitu 5 volt, maka :

V(1) = V0e−12.5

2.95 = V0 x 0.670

𝐕𝟎 = 4.40 Volt



V(1) = V0e−12.0

2.31 = V0 x 0.606

𝐕𝟎 = 𝟑.𝟖𝟎 𝐕𝐨𝐥𝐭



5. Berdasarkan konsanta waktu yang saudara peroleh. Hitung nilai R yang digunakan untuk

tiap-tiap rangkaian yang digunakan. Catatan : C1 = 10000 mikroFarad dan C2 = 4700

mikroFarad )

Jawab :

Karena besar nilai konstanta waktu dapat ditentukan dari rumus τ = R. C, maka hambatan

yang ada pada rangkaian dapat dicari dengan persamaan :

R =τC

Model Rangkaian 1

R = τC1

= 4.8 sekon10000 µF

= 480 𝛀

Model Rangkaian 2

R = τC2

= 3.5 sekon4700 µF

= 744,68 𝛀

Model Rangkaian 3

Karena besar kapasitas dari kapasitor yang digunakan pada rangkaian 3 sama dengan

kapasitor yang digunakan pada rangkaian 1, maka besar kapasitas yang digunakan

adalah C1.

R = τC1

= 2.5 sekon10000 µF

= 250 𝛀

Model Rangkaian 4

Karena besar kapasitas dari kapasitor yang digunakan pada rangkaian 4 sama dengan

kapasitor yang digunakan pada rangkaian 2, maka besar kapasitas yang digunakan

adalah C2

R = τC2

= 2 sekon4700 µF

= 425,532 Ω



5. Analisis a. Analisis percobaan

Percobaan charge discharge merupakan percobaan pengisian dan pengosongan muatan

kapasitor. Percobaan ini bertujuan untuk melihat karakteristik tegangan kapasitro pada saat

pengisian dan pelepasan muatan. Percobaan ini dilakukan dalam 4 model rangkaian. Perbedaan

model ini bertujuan agar praktikan mendapatkan range data yang bermacam-macam dan

mendapatkan hasil perbandingan yang lebih baik. Percobaan dimulai dengan menghidupkan atau

mengaktifkan web cam terlebih dahulu. Hal ini dilakukan agar praktikan dapat mengamati

jalannya proses praktikum. Selanjutnya memilih tombol (button) model untuk menentukan

model rangkaian pertama yang digunakan. Setelah itu, praktikan menghidupkan power supply

untuk menghubungkan rangkaian pada sumber tegangan, dan memilih tombol ukur untuk

mencatatt hasil percobaan.

Gambar 1. Rangkaian Percobaan Charge-Discharge

Saat saklar ditutup dan rangkaian dihubungkan dengan kapasitor dalam satu rangkaian

seri, aliran listrik dari sumber tegangan akan memulai mengisi kapasitor hingga kapasitor penuh.

Kemudian saat rangkaian dibuka/saklar dibuka, kapasitor akan mulai melepaskan muatan yang

dikandungnya. Model 1 dan 2 pada percobaan menggunakan jenis kapasitor yang sama.

Sedangkan model 3 menggunakan kapasitor yang sama dengan percobaan model 4.

Pengisian dan pengurangan kapasitor tentu membutuhkan waktu yang dapat dihitug

dengan menggunakan 2 metode, yaitu metode grafik dan metode manual. Metode grafik

dilakukan dengan membuat grafik perbandingan tegangan terhadap waktu, setelah itu mencari



nilai gradient dari grafik tersebut. Sedangkan dengan metode manual dilakukan dengan cara

mencari nilai resistor (hambatan) dengan rumus :

R = V / I

Setelah menemukan nilai resistor, waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor dapat juga

dicari dengan rumus :

t = R . C

sehingga kita dapat membandingkan nilai kapasitansi dari kedua metode di atas tersebut.

Percobaan ini dilakukan secara online, sehingga praktikan tidak dapat memegang alatnya

secara langsung dan pengamatan dilakukan melalui button video yang ada dalam situs. Oleh

karena itu, hasil percobaan sangat bergantung pada koneksi internet dan kestabilan server itu

sendiri. Namun pada saat percobaan, video web cam tidak dapat ditampilkan sehingga praktikan

sulit menganalisa secara lebih lanjut.

b. Analisis hasil percobaan dan grafik

Dalam percobaan ini praktikan mendapatkan data sebanyak 120 buah, dimana masing-

masing rangkaian diambil data sebanyak 30 kali. Pada percobaan ini pula, data yang didapatkan

untuk pengukuran tegangan dan arus tidak tetap, tetapi bervariasi terhadap waktu, karena adanya

pengisian dan pengosongan pada kapasitor di dalam rangkaian tersebut. Secara umum data yang

diperoleh dapat dibedakan menjadi 3 variabel yang bebeda, yaitu waktu, arus kapasitor dan

tegangan. Tujuan pengambilan data sebanyak 30 kali untuk setiap model rangkaian yakni untuk

memperoleh gambaran rinci akan kenaikan atau penurunan yang terjadi, baik pada arus maupun

tegangan kapasitor. Selain itu, bertujuan juga untuk memperkecil error yang mungkin timbul

pada saat percobaan maupun perhitungan data.

Pada percobaan ini, terdapat 5 soal yang harus praktikan jawab. Soal pertama, kedua, dan

ketiga berupa bentuk soal pembuatan grafik. Grafik yang praktikan dapatkan saat percobaan

berupa grafik naik turun. Grafik naik menunjukkan bahwa kapasitor sedang melakukan pengisian

dan grafik turun menandakan kapasitor sedang melakukan pengosongan. Pada saat grafik naik,

tegangan akan naik terhadap waktu dan sampai pada suatu titk hingga grafik tersebut mencapai



titik pusatnya dan kemudian turun untuk melakukan pengosongan. Grafik ini telah sesuai dengan

teori dasar secara umum.

Pada saat saklar dihubungkan dengan kapasotor, saat itulah pengisian mulai terjadi.

Saklar tidak boleh dihubungkan pada kabel paralel di sebelah kapasitor, karena hai itu akan

mengakibatkan arus listrik tidak melewati dan tidak mengisi kapasitor, justru akan masuk

melewati kabel penghubung. Hal ini karena sifat dari arus listrik tersebut yang melewati

konduktor tanpa penghambat.

6. Kesimpulan

• Nilai konstanta waktu dari proses charge-discharge kapasitor dapat ditentukan

berdasarkan kurva pengisian tegangan kapasitor.

• Besarnya nilai konstanta waktu (𝜏) mempengaruhi tegangan kapasitor.

• Nilai hambatan (R) dan kapasitas (C) merupakan faktor penentu nilai konstanta waktu (𝜏)

dari suatu rangkaian RC.

• Kurva pengisian tegangan kapasitor bersifat eksponesial.

• Jika waktu yang diperlukan untuk pengisian kapasitor semakin sempit maka nilai

tegangan akan semakin kecil.



Daftar Pustaka

David Halliday, Robert Resnick. 1994. Fisika Jilid II . Surabaya: PT Erlangga

Tipler, P.A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid II (terjemahan). Jakarta: PenebitErlangga

lr01 farha kamilah 1106002476 revisi

Documents