pengisian dan pelepasan muatan di kapasitor

LAPORAN PRAKTIKUM R-LAB

Pengisian dan Pelepasan Muatan di Kapasitor

Nama NPM Fakultas Departemen

: Hestia Hartini Novitasari : 1006704644 : Teknik : Teknik Metalurgi dan Material

Kode Praktikum Tanggal Praktikum

: LR 01 : 26 September 2011

Unit Pelaksana Pendidikan Ilmu Pengetahuan Dasar (UPP-IPD)

Universitas IndonesiaDepok

LR 01

PENGISIAN DAN PELEPASAN MUATAN DI KAPASITOR

Pengisian dan Pelepasan Muatan di KapasitorI. Tujuan Melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan

II. Alat Kapasitor Resistor Amperemeter Voltmeter Variable power supply Camcorder Unit PC beserta DAQ dan perangkat pengendali otomatis

III. Prinsip Dasar Pada dasarnya sebuah kapasitor merupakan dua keping konduktor yang dipisahkan oleh suatu insulator (udara vakum, keramik, gelas, dan lain-lain). Karena kedua keping tersebut dipisahkan oleh suatu insulator, maka tidak ada elektron yang dapat menyeberangi celah di antara kedua keping. Pada saat baterai belum terhubung, kedua keping akan bersifat netral (belum temuati). Saat baterai terhubung, muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) konduktor dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung konduktor 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 insulator. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.

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.

LR 01


V(t)

Vc

Gbr.1. Rangkaian kapaitor dan resistor arus searah Besar tegangan saat rangkaian terbuka adalah ( )

(1)

Dengan adalah konstanta waktu [s]. Konstanta waktu atau waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan hingga tegangan jatuh menjadi kapasitans (2) yang ditentukan dari besar hambatan dan

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.

Gbr. 2. Kurva pengisian dan pengosongan dari kapasitor serta penentuan konstanta waktu

LR 01


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.

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.

IV. Prosedur Percobaan 1. Mengaktifkan web cam dengan cara 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.

Gbr. 3. Skema Percobaan Charge Discharge dengan R-Lab

LR 01


V. Data Percobaan

Model 1 Waktu1 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

Model 2 IC3.96 3.17 2.54 2.04 1.63 1.31 1.05 0.84 0.67 0.53 0.42 0.33 0.26 0.20 0.15 3.85 3.09 2.49 2.01 1.63 1.32 1.07 0.87 0.70 0.57 0.46 0.38 0.31 0.25 0.21

VC1.04 1.83 2.46 2.96 3.37 3.69 3.95 4.16 4.33 4.47 4.58 4.67 4.74 4.80 4.85 3.85 3.09 2.49 2.01 1.63 1.32 1.07 0.87 0.70 0.57 0.46 0.38 0.31 0.25 0.21

Waktu1 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

IC11.13 8.02 5.77 4.17 2.99 2.15 1.53 1.07 0.73 0.47 0.29 0.17 0.06 0.00 0.00 11.23 8.16 5.96 4.37 3.21 2.35 1.74 1.30 0.96 0.72 0.53 0.40 0.31 0.23 0.17

VC1.44 2.43 3.15 3.67 4.04 4.31 4.51 4.66 4.77 4.85 4.91 4.95 4.98 5.00 5.00 3.59 2.61 1.91 1.40 1.03 0.75 0.56 0.42 0.31 0.23 0.17 0.13 0.10 0.07 0.05

LR 01


Model 3Waktu 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 IC 2.77 1.64 0.99 0.59 0.35 0.20 0.10 0.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.90 1.75 1.08 0.67 0.43 0.27 0.18 0.12 0.08 0.05 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 VC 2.23 3.36 4.01 4.41 4.65 4.80 4.90 4.96 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 2.90 1.75 1.08 0.67 0.43 0.27 0.18 0.12 0.08 0.05 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01

Model 4Waktu 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 IC 6.69 3.13 1.48 0.67 0.24 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 7.07 3.44 1.76 0.93 0.50 0.29 0.17 0.11 0.06 0.05 0.03 0.02 0.00 0.00 0.00 VC 2.86 4.00 4.53 4.78 4.92 4.99 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 2.26 1.10 0.56 0.30 0.16 0.09 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00

LR 01


VI. Tugas dan Evaluasi 1. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengisian kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan

Model 1 Grafik VC vs waktu untuk pengisian pada Model 16 5 4 VC 3 2 1 0 0 2 4 6 8 Waktu 10 12 14 16


LR 01




2. Membuat grafik tegangan V terhadap waktu (V vs t) saat pengosongan kapasitor untuk tiap model rangkaian yang digunakan

LR 01


Model 1 Grafik VC vs waktu untuk pengosongan pada Model 14.5 4 3.5 3 VC 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 Waktu 20 25 30 35

Model 2 Grafik VC vs waktu untuk pengosongan pada Model 24 3.5 3 2.5 VC 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 Waktu 20 25 30 35

LR 01


Model 3 Grafik VC vs waktu untuk pengosongan pada Model 34 3.5 3 2.5 VC 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 Waktu 20 25 30 35

Model 4 Grafik VC vs waktu untuk pengosongan pada Model 43.5 3 2.5 2 VC 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 Waktu 20 25 30 35

3. Menghitung besar konstanta waktu dari rangkaian kapasitor berdasarkan kurva yang dibuat dan besar konstanta waktu yang dihitung dari nilai komponen R dan C. Bandingkan hasilnya !

LR 01


Berdasarkan modul percobaan LR 01, 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. Pada percobaan ini, ada dua kapasitor yang digunakan, yaitu kapasitor yang digunakan pada percobaan model 1 dan 3 (sebut saja kapasitor I); dan kapasitor yang digunakan pada percobaan model 2 dan 4 (sebut saja kapasitor II). Oleh karena itu, konstanta waktu dapat dihitung dengan mencari nilai rata-rata dari penghitungan dua percobaan tersebut.

Model 16

5

Tegangan (V) dalam Volt

4

3 Tegangan Vs Waktu 2

1

0 0 5 10 Waktu (t) dalam sekon 15 20

Tan = =

=

x=

= 4.73

LR 01


Model 36

5

Tegangan (V) dalam Volt

4

3 Tegangan Vs Waktu 2

1

0 0 5 10 Waktu (t) dalam sekon 15 20

Tan = =

= x=

= 2.32

Untuk kapasitor I, konstanta waktu dapat dihitung dengan mencari nilai rata-rata antara konstanta waktu untuk model 1 dan konstanta waktu untuk model 3, yaitu: = = 3.525 s

LR 01


Model 26

5

Tegangan (v) dalam Volt

4

3

2

1

0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Waktu (t) dalam sekon

=

x=

= 3.51

Model 46 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Waktu (t) dalam sekon

Tegangan (v) dalam Volt

Tan = =

= x=

= 1.80

LR 01


Untuk kapasitor II, konstanta waktu dapat dihitung dengan mencari nilai rata-rata antara konstanta waktu untuk model 2 dan konstanta waktu untuk model 4, yaitu: = = 2.655 s

VII. Analisis Analisis Percobaan Percobaan Charge-Discharge atau Pengisian dan Pengosongan muatan pada kapasitor ini bertujuan untuk melihat karakteristik tegangan kapasitor pada saat pengisian dan pelepasan muatan. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan sistem R-Lab (Remote Laboratory). Untuk memulai percobaan ini dilakukan dengan cara dengan mengaktifkan Web cam, yaitu dengan mengklik icon video yang ada pada halam RLab. Namun karena kesalahan dari sistem, maka video tidak bisa ditampilkan. Meskipun tidak ada video percobaan ini dapat dilakukan karena data hasil percobaan tetap muncul.

Tahap awal percobaan adalah pertama-tama adalah memilih model rangkaian yang akan diukur tegangan dan arus pada kapasitor. Terdapat 4 model rangkaian yang diuji. Setelah dipilih model rangkaiannya, maka langkah kedua adalah mengaktifkan power supply. Setelah power supply dinyalakan maka rangkaian bekerja dan terdapat perubahan arus dan tegangan seiring pertambahan waktu. Pembacaan data ini dilakukan secara otomatis oleh sistem R-Lab, sehingga praktikan dapat langsung melihat data percobaan.

Percobaan dilakukan sebanyak 4 kali dimana untuk setiap satu model diambil masingmasing datanya yaitu arus dan tegangan pada kapasitor. Pada saat percobaan berlangsung, praktikan tidak mengetahui kondisi lingkungan di sekitar percobaan, sehingga dianggap percobaan ini berada pada kondisi ideal dengan suhu lingkungan adalah suhu kamar. Namun, meskipun berada pada kondisi ideal, data yang didapat berbeda (saya melakukan percobaan ini sebanyak 5 kali untuk masing-masing model). Hal ini mungkin disebabkan oleh faktor pembacaan alat ukur yang kurang teliti sehingga data percobaan yang didapat sedikit berbeda.

LR 01


Analisis Data Pada percobaan ini terdapat empat model rangkaian yang diuji, dimana data yang di ambil masing-masing berjumlah tiga puluh data. Setiap sampel data mewakili pembacaan besarnya tegangan dan arus pada kapasitor untuk waktu 1 sampai 30 sekon. Pembacaan tegangan dan arus pada 1 sekon dimulai pada saat rangkaian dihubungkan dengan power supply.

Pada kondisi diberi tegangan, maka kapasitor akan terisi muatan atau dinamakan dengan istilah charging. Kondisi kapasitor penuh dengan muatan dicapai rata-rata dalam waktu 15 detik. Pada kondisi ini terjadi peristiwa sebaliknya untuk arus yang mengalir pada kapasitor. Arus pada kapasitor makin menurun hingga menjadi nol. Karena pada kondisi kapasitor penuh muatan, rangkaian menjadi open loop circuit yaitu dimana rangkaian seolah-olah putus dan tidak ada arus yang mengalir didalamnya.

Masing-masing data direpresentasikan melalui grafik terhadap waktu. Konstanta waktu pun dapat dicari dengan menggunakan grafik yang diperoleh. Absis dari titik pertemuan antara garis tangensial dengan garis asimtot merupakan konstanta waktu kapasitor. Berdasarkan grafik, konstanta waktu yang didapat pada C1 dan C2 adalah masingmasing 3.525 s dan 2.655 s.

Analisis Grafik Dari percobaan ini diperoleh delapan grafik, dimana tiap satu model rangkaian terdapat dua grafik. Untuk grafik pertama adalah grafik yang menghubungkan besarnya tegangan tiap satuan waktu pada saat pengisian muatan kapasitor, sedangkan untuk grafik kedua adalah besarnya tegangan tiap satuan waktu pada saat pengosongan muatan kapasitor.

Pada pengisian muatan kapasitor, besarnya tegangan naik secara perlahan hingga pada waktu tertentu dan mencapai tegangan maksimum. Untuk terisi muatan secara maksimum, kapasitor dari tiap model rata-rata memerlukan waktu 15 detik. Persamaan untuk tegangan pada kapasitor dirumuskan dengan ( ) (

)

LR 01


Sebaliknya, untuk arus kebalikannya dengan tegangan. Pada saat tegangan naik secara perlahan secara eksponensial, arus yang mengalir pada kapasitor turun. Dirumuskan dengan ( )

VIII. Kesimpulan 1. Untuk mencari konstanta waktu, dapat digunakan analisis grafik dengan menggunakan absis dari titik pertemuan antara garis tangensial dengan garis asimtot. 2. Grafik pada saat charging berbentuk logaritmik sesuai dengan persamaan

dan grafik pada saat discharging berbentuk eksponensial sesuai dengan persamaan ( )

3. Dalam rangkaian kapasitor, besarnya arus merupakan turunan dari tegangan dikalikan dengan kapasitansi dari kapasitor. Setelah diturunkan diperoleh persamaan, yaitu ( )

IX. Referensi 1. Giancoli, D.C. Physics for Scientists & Engineers. 4th ed. Prentice Hall.2. Link R-Lab, http://sitrampil1.ui.ac.id/lr01

3. Tipler, Paul A. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga. 1998.

pengisian dan pelepasan muatan di kapasitor

Documents