Kita telah mengetahui bahwa tugas kapasitor adalah menyimpan muatan listrik ke pelatnya. Jumlah muatan listrik yang dapat disimpan kapasitor pada pelatnya dikenal sebagai nilai kapasitansi dan nilainya tergantung pada tiga faktor utama (Storr, 2020c).
Luas Permukaan - luas permukaan, A dari dua pelat konduktif yang membentuk kapasitor, semakin besar luas semakin besar kapasitansi.
Jarak - jarak, d antara dua pelat, semakin kecil jarak semakin besar kapasitansi.
Bahan Dielektrik - jenis bahan yang memisahkan dua pelat yang disebut "dielektrik", semakin tinggi permitivitas dielektrik semakin besar kapasitansi.
Gambar 4.1 Skema kapasitor
Gambar 4.1 menampilkan kapasitor dengan muatan positif Q+ dan Q- terdistribusi secara merata pada masing-masing pelat, dimana |Q+| = |Q–|. Menurut hukum Gauss, medan listrik di luar permukaan konduktif planar dapat dinyatakan sebagai (Yu et al., 2013).
E= Q+
ε0A Pers. (4.1) Perbedaan potensial antara elektroda dapat diperlakukan sebagai pekerjaan yang dilakukan untuk memindahkan muatan dari elektroda positif ke elektroda negatif. Perbedaan kerja atau listrik antara dua elektroda (ΔV) dapat dinyatakan sebagai (Yu et al., 2013).
∆V = Ed Pers. (4.2) Menggabungkan Persamaan (4.1) dan (4.2), ungkapan berikut dapat diperoleh:
∆V = Q+d
ε0A Pers. (4.3) Perbedaan listrik antara dua elektroda kapasitor dapat dinyatakan sebagai V daripada ΔV:
V = Q+d
ε0A Pers. (4.4) Kita dapat mendefinisikan satu Farad sebagai “kapasitansi kapasitor yang membutuhkan muatan satu coulomb untuk menentukan perbedaan potensial satu volt di antara pelatnya”
sebagai yang pertama dijelaskan oleh Michael Faraday. Jadi semakin besar kapasitansi, semakin tinggi jumlah muatan yang disimpan pada kapasitor untuk jumlah tegangan yang sama (Yu et al., 2013).
Q = CV Pers. (4.5)
Menggabungkan Persamaan (4.5) dan (4.4), serta |Q+| = |Q–| = Q, maka nilai kapasitansi dapat dinyatakan sebagai
C = Q V= ε0A
d Pers. (4.6) ε0 ini adalah konstanta dielektrik dalam ruang vakum. Namun, untuk dielektrik non-vakum, permitivitas relatif material atau konstanta dielektrik relatif didefinisikan sebagai konstanta dielektrik relatif (εr = ε/ε0) dimana ε adalah konstanta dielektrik material. Setiap bahan dielektrik memiliki konstanta dielektrik yang berbeda sehingga menghasilkan kapasitansi yang berbeda. Tabel 4.1 mencantumkan konstanta dielektrik dari bahan umum yang digunakan dalam kapasitor. Semuanya memiliki konstanta dielektrik yang lebih besar dibandingkan dengan udara atau ruang hampa udara. Dalam hal ini, Persamaan (4.6) dapat ditulis ulang sebagai (Yu et al., 2013).
C = Q V= εA
d = ε0εrA
d Pers. (4.7) 4.3 Material Dielektrik
4.3.1 Tinjauan Umum Dielekrik
Selain ukuran pelat konduktif dan jarak atau jaraknya satu sama lain, faktor lain yang mempengaruhi kapasitansi keseluruhan perangkat adalah jenis bahan dielektrik yang digunakan. Dengan kata lain "Permitivitas" (ε) dielektrik. Pelat konduktif kapasitor umumnya terbuat dari lembaran logam atau film logam yang memungkinkan aliran elektron dan muatan, tetapi bahan dielektrik yang digunakan selalu merupakan isolator. Berbagai bahan isolasi yang digunakan sebagai dielektrik dalam kapasitor berbeda dalam kemampuannya untuk memblokir atau melewatkan muatan listrik. Bahan dielektrik ini dapat dibuat dari sejumlah bahan isolasi atau kombinasi dari bahan-bahan ini dengan jenis yang paling umum digunakan adalah: udara, kertas, poliester, polypropylene, Mylar, keramik, kaca, minyak, atau berbagai bahan lainnya (Storr, 2020c).
Material dielektrik pada dasarnya adalah isolator, yang berarti bahwa tidak ada arus yang akan mengalir melalui material ketika tegangan diberikan. Namun, perubahan tertentu memang terjadi pada skala atom. Ketika tegangan diterapkan di objek dielektrik, itu menjadi terpolarisasi. Karena atom terbuat dari inti bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif,
polarisasi adalah efek yang sedikit menggeser elektron ke arah tegangan positif. Mereka tidak melakukan perjalanan yang cukup jauh untuk menciptakan aliran arus melalui materi - pergeseran itu mikroskopis, tetapi memiliki efek yang sangat penting, terutama ketika berhadapan dengan kapasitor. Setelah sumber tegangan dikeluarkan dari material, ia akan kembali ke keadaan semula tidak terpolarisasi, atau tetap terpolarisasi jika ikatan molekul dalam material lemah (Capacitor Guide, 2019a).
Perbedaan antara istilah dielektrik dan isolator tidak didefinisikan dengan sangat baik.
Semua bahan dielektrik adalah isolator, tetapi dielektrik yang baik adalah yang mudah dipolarisasi. Jumlah polarisasi yang terjadi ketika tegangan tertentu diterapkan pada suatu benda mempengaruhi jumlah energi listrik yang disimpan dalam medan listrik. Ini dijelaskan oleh konstanta dielektrik material. Konstanta dielektrik bukan satu-satunya properti bahan dielektrik. Properti lain seperti kekuatan dielektrik dan kehilangan dielektrik sama pentingnya dalam pemilihan bahan kapasitor dalam aplikasi yang diberikan (Capacitor Guide, 2019a).
4.3.2 Konstanta Dielektrik
Konstanta dielektrik, juga dikenal sebagai permitifitas relatif. Jika dua muatan q1 dan q2 dipisahkan satu sama lain oleh jarak kecil dalam vakum, gaya elektrostatik dalam vakum (F0) dapat dinyatakan sebagai (Yu et al., 2013).
F0 = |q1||q2|
4πε0r2 Pers. (4.8) Dalam persamaan di atas, ε0 adalah permitivitas listrik atau konstanta dielektrik vakum dengan nilai 8.84 x 10-12 F/m. Jika media pemisahan antara muatan diganti dengan bahan lain, Persamaan (1,17) akan menjadi (Yu et al., 2013).
Fm = |q1||q2|
4πεr2 Pers. (4.9) Konstanta dielektrik relatif dari materi tersebut (εr) ditemukan dengan membagi Persamaan (1,17) dengan Persamaan (1,18) (Yu et al., 2013).
εr = F0 Fm = ε
ε0 Pers. (4.10) Konstanta dielektrik dapat dijelaskan sebagai seberapa efektif dielektrik memungkinkan kapasitor untuk menyimpan lebih banyak muatan. Setiap bahan yang digunakan dalam
kapasitor memiliki konstanta dielektriknya sendiri, tergantung pada bahan dielektriknya. Dalam praktiknya, konstanta dielektrik ini dapat diukur. Sebagai contoh, jika kapasitor dengan vakum sebagai dielektrik terisi penuh, perbedaan tegangan di kedua elektroda dapat diukur sebagai V0; jika suatu bahan digunakan sebagai dielektrik dan terisi penuh, perbedaan tegangan antara dua elektroda akan diukur sebagai V. Konstanta dielektrik dari bahan ini dapat dihitung sebagai rasio dari tegangan sel terhadap bahan yang masuk dan keluar dari ruang vakum (Yu et al., 2013):
εr= V0
V Pers. (4.11) Karena V selalu kurang dari atau sama dengan V0, konstanta dielektrik lebih besar dari atau sama dengan 1. Tabel 4.1 mencantumkan beberapa nilai konstanta dielektrik bahan tertentu untuk referensi (Yu et al., 2013).
Tabel 4.1 Konstanta dielektrik material kapasitor (Yu et al., 2013).
Dielektrik Konstanta dielektrik Dielektrik Konstanta dielektrik
Udara 1.00054 Glikol 37 menghantarkan listrik. Semua bahan memiliki batas tegangan atas, yang disebut tegangan rusak (Breakdown Volltage). Contoh yang baik dari ini adalah udara. Ini dianggap sebagai isolator, tetapi dalam kondisi tertentu dapat mengalirkan arus. Inilah yang terjadi selama
sambaran petir. Setelah kekuatan bidang uraian terlampaui, udara terionisasi (elektron disingkirkan dari inti atom) dan mereka mulai bergerak di bawah pengaruh medan listrik, menghasilkan arus listrik. Sangat penting untuk tidak melebihi tegangan pengenal kapasitor maksimum untuk mencegah kerusakan atau bahkan kehancuran total. Kekuatan dielektrik untuk udara adalah sekitar 3 MV/m. Sebagai perbandingan, kekuatan dielektrik untuk mika adalah sekitar 120 MV/m. Pilihan bahan dielektrik sangat penting dalam beberapa aplikasi di mana tegangan tinggi diharapkan, atau ketika ketebalan dielektrik sangat kecil (Capacitor Guide, 2019a).
4.3.4 Kerugian Dielektrik
Istilah kehilangan/kerugian dielektrik mengacu pada energi yang hilang akibat pemanasan dari suatu benda yang terbuat dari bahan dielektrik jika tegangan variabel diterapkan padanya. Kerugian ini terjadi karena saat material mengubah polarisasi, pergeseran elektron kecil dapat dianggap sebagai aliran arus bolak-balik kecil. Bahan yang berbeda memiliki kerugian yang berbeda pada frekuensi yang berbeda, dan karakteristik ini harus diperhitungkan dalam beberapa aplikasi frekuensi tinggi (Capacitor Guide, 2019a).
4.3.5 Klasifikasi Material Dielektrik
Bahan dielektrik terbagi dalam dua kelas: Kelas I digunakan untuk kapasitor linier dan Kelas II digunakan untuk kapasitor non-linear. Secara umum, bahan Kelas I adalah dielektrik alami seperti kaca dan mika dan memiliki kapasitansi dalam kisaran beberapa hingga beberapa ratus picofarad. Ketika kapasitor menggunakan bahan Kelas I, kapasitansi tidak akan berubah dengan tegangan dan frekuensi operasi yang dinamis. Bahan dielektrik Kelas I lebih mahal.
Bahan Kelas II yang khas adalah keramik ferrodielektrik dan elektrolit polimer dengan konstanta dielektrik yang tinggi. Mereka digunakan untuk mengembangkan kapasitor kapasitansi tinggi.
Sebagai contoh, metalized polymer foils dapat mencapai beberapa ribu picofarad ke beberapa mikrofarad; kapasitor elektrolitik dapat menawarkan kapasitansi dalam kisaran beberapa hingga beberapa ribu mikrofarad; beberapa polimer dielektrik seperti polistirena, polietilen tereftalat, dan politetrafluoroetilena dapat digunakan untuk memperoleh ratusan pikofarad ke beberapa mikrofarad. Namun, kapasitor yang menggunakan bahan Kelas II sebagai dielektrik
akan mengalami perubahan kapasitansi dengan mengubah tegangan dan frekuensi pengoperasian (Yu et al., 2013).