Kapasitor listrik adalah perangkat pasif yang mampu mengakumulasi dan menyimpan energi listrik. Ini terdiri dari dua pelat konduktif yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. Penerapan potensial listrik dari tanda yang berbeda pada pelat konduktif mengarah pada perolehan muatan olehnya, yang positif pada satu pelat dan negatif pada pelat lainnya. Dalam hal ini, total biaya adalah nol.
Artikel ini membahas masalah sejarah dan definisi kapasitansi kapasitor.
Kisah Penemuan
Pada bulan Oktober 1745, ilmuwan Jerman Ewald Georg von Kleist memperhatikan bahwa muatan listrik dapat disimpan jika generator elektrostatik dan sejumlah air dalam wadah kaca dihubungkan dengan kabel. Dalam percobaan ini, tangan von Kleist dan air adalah konduktor, dan bejana kaca adalah isolator listrik. Setelah ilmuwan menyentuh kawat logam dengan tangannya, pelepasan yang kuat terjadi, yaitujauh lebih kuat daripada pelepasan generator elektrostatik. Hasilnya, von Kleist menyimpulkan bahwa ada energi listrik yang tersimpan.
Pada tahun 1746, fisikawan Belanda Pieter van Muschenbroek menemukan kapasitor, yang disebutnya botol Leiden untuk menghormati Universitas Leiden tempat ilmuwan itu bekerja. Daniel Gralat kemudian meningkatkan kapasitansi kapasitor dengan menghubungkan beberapa botol Leiden.
Pada tahun 1749, Benjamin Franklin menyelidiki kapasitor Leyden dan sampai pada kesimpulan bahwa muatan listrik tidak disimpan dalam air, seperti yang diyakini sebelumnya, tetapi di perbatasan air dan kaca. Berkat penemuan Franklin, botol Leyden dibuat dengan menutupi bagian dalam dan luar wadah kaca dengan pelat logam.
Pengembangan Industri
Istilah "kapasitor" diciptakan oleh Alessandro Volta pada tahun 1782. Awalnya, bahan seperti kaca, porselen, mika dan kertas biasa digunakan untuk membuat isolator kapasitor listrik. Jadi, insinyur radio Guglielmo Marconi menggunakan kapasitor porselen untuk pemancarnya, dan untuk penerima - kapasitor kecil dengan isolator mika, yang ditemukan pada tahun 1909 - sebelum Perang Dunia II, mereka adalah yang paling umum di AS.
Kapasitor elektrolit pertama ditemukan pada tahun 1896 dan merupakan elektrolit dengan elektroda aluminium. Perkembangan pesat elektronik dimulai hanya setelah penemuan pada tahun 1950 kapasitor tantalum mini denganelektrolit padat.
Selama Perang Dunia Kedua, sebagai hasil dari perkembangan kimia plastik, kapasitor mulai muncul, di mana peran isolator ditugaskan untuk film polimer tipis.
Akhirnya, pada tahun 50-60an, industri superkapasitor berkembang, yang memiliki beberapa permukaan konduktif yang berfungsi, sehingga kapasitas listrik kapasitor meningkat 3 kali lipat dibandingkan nilainya untuk kapasitor konvensional.
Konsep kapasitansi kapasitor
Muatan listrik yang tersimpan di pelat kapasitor sebanding dengan tegangan medan listrik yang ada di antara pelat perangkat. Dalam hal ini, koefisien proporsionalitas disebut kapasitansi listrik kapasitor datar. Dalam SI (Sistem Satuan Internasional), kapasitas listrik, sebagai besaran fisis, diukur dalam farad. Satu farad adalah kapasitansi listrik sebuah kapasitor, tegangan antara pelat adalah 1 volt dengan muatan yang tersimpan 1 coulomb.
Kapasitas listrik 1 farad sangat besar, dan dalam praktiknya di bidang teknik elektro dan elektronik, kapasitor dengan kapasitansi orde picofarad, nanofarad, dan mikrofarad biasa digunakan. Satu-satunya pengecualian adalah superkapasitor, yang terdiri dari karbon aktif, yang meningkatkan area kerja perangkat. Mereka dapat mencapai ribuan farad dan digunakan untuk menggerakkan prototipe kendaraan listrik.
Jadi, kapasitansi kapasitor adalah: C=Q1/(V1-V2). Di sini C-kapasitas listrik, Q1 - muatan listrik yang tersimpan dalam satu pelat kapasitor, V1-V2- perbedaan antara potensial listrik pelat.
Rumus kapasitansi kapasitor datar adalah: C=e0eS/d. Di sini e0dan e adalah konstanta dielektrik universal dan konstanta dielektrik bahan isolator S adalah luas pelat, d adalah jarak antar pelat. Rumus ini memungkinkan Anda untuk memahami bagaimana kapasitansi kapasitor akan berubah jika Anda mengubah bahan isolator, jarak antara pelat atau luasnya.
Jenis dielektrik bekas
Untuk pembuatan kapasitor, berbagai jenis dielektrik digunakan. Yang paling populer adalah sebagai berikut:
- Udara. Kapasitor ini adalah dua pelat bahan konduktif, yang dipisahkan oleh lapisan udara dan ditempatkan dalam wadah kaca. Kapasitas listrik kapasitor udara kecil. Mereka biasanya digunakan dalam teknik radio.
- Mika. Sifat mika (kemampuan untuk memisahkan menjadi lembaran tipis dan menahan suhu tinggi) cocok digunakan sebagai isolator pada kapasitor.
- Kertas. Kertas yang dililin atau dipernis digunakan untuk melindungi agar tidak basah.
Energi Tersimpan
Saat beda potensial antara pelat kapasitor meningkat, perangkat menyimpan energi listrik karenaadanya medan listrik di dalamnya. Jika beda potensial antara pelat berkurang, maka kapasitor dilepaskan, memberikan energi ke rangkaian listrik.
Secara matematis, energi listrik yang tersimpan dalam kapasitor jenis sembarang dapat dinyatakan dengan rumus berikut: E=C(V2-V 1)2, di mana V2 dan V1 adalah final dan inisial tegangan antara pelat.
Pengisian dan pengosongan
Jika kapasitor dihubungkan ke rangkaian listrik dengan resistor dan beberapa sumber arus listrik, maka arus akan mengalir melalui rangkaian dan kapasitor akan mulai diisi. Begitu terisi penuh, arus listrik pada rangkaian akan berhenti.
Jika kapasitor bermuatan dihubungkan secara paralel dengan resistor, maka arus akan mengalir dari satu pelat ke pelat lain melalui resistor, yang akan berlanjut hingga perangkat benar-benar habis. Dalam hal ini, arah arus pelepasan akan berlawanan dengan arah aliran arus listrik saat perangkat sedang diisi daya.
Pengisian dan pengosongan kapasitor mengikuti ketergantungan waktu eksponensial. Misalnya, tegangan antara pelat kapasitor selama pelepasannya berubah sesuai dengan rumus berikut: V(t)=Vie-t/(RC), di mana V i - tegangan awal kapasitor, R - hambatan listrik dalam rangkaian, t - waktu pengosongan.
Menggabungkan dalam rangkaian listrik
Untuk menentukan kapasitansi kapasitor yang tersedia dirangkaian listrik, harus diingat bahwa mereka dapat digabungkan dengan dua cara berbeda:
- Koneksi serial: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Koneksi paralel: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - kapasitansi total n kapasitor. Kapasitansi listrik total kapasitor ditentukan oleh rumus yang mirip dengan ekspresi matematika untuk hambatan listrik total, hanya rumus untuk sambungan seri perangkat yang berlaku untuk sambungan paralel resistor dan sebaliknya.
