LAPAK M-6 Konstanta Dielektrik Ijo

LAPORAN AKHIRFISIKA EKSPERIMEN I B

KONSTANTA DIELEKTRIK BERBAGAI BAHAN(M-6)

Nama : FaizalNPM : 140310100056Partner : Anisa FitrianNPM : 140310100087Fakultas / Jurusan : FMIPA / FisikaTanggal : 19 April 2012Hari / Jam : Kamis , Pkl 12.00-15.00 WIBNama Asisten : Fegintia

Laboratorium Fisika MenengahJurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Padjadjaran

2011

I. PENDAHULUAN

I.1 LATAR BELAKANG

Pada kehidupan kita sehari-hari terdapat bahan yang tidak dapat

mengantarkan listrik (materi non konduktor). Selain itu kapasitor adalah

merupakan komponen yang penting bagi hidup kita dan memiliki hubungan

dengan material. 2 pelat kapasitor diisi dengan material non konduktor, maka

kapasitansi dari kapasitor akan naik sebesar atau sebanding dengan konstatnta

dielektrik dari bahan non konduktor tersebut. Oleh sebab itu kita perlu

mengetahui konstanta dielektrik dari suatu bahan tertentu

I.2 IDENTIFIKASI MASALAH

Pada praktikum kali ini kita akan mencoba menentukan konstanta

dielektrik serta mencari muatan kapasitor dengan menggunakan hubungan

antara muatan Q dan tegangan V, diukur dengan menggunakan pelat kapasitor

dan bola dielektrik

I.3 TUJUAN PERCOBAAN

o Menentukan konstanta listrik ε0.

o Menentukan konstanta dielektrik pelat plastik

o Menentukan konstanta dielektrik pelat gelas

II. TEORI DASAR

Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif, adalah sebuah

konstanta dalam ilmu fisika. Konstanta ini melambangkan rapatnya fluks

elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta

dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan

tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa).

Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani εr atau

kadang-kadang κ, K, atau Dk. Secara matematis konstanta dielektrik suatu

bahan didefinisikan sebagai

Dimana εs merupakan permitivitas statis dari bahan tersebut, dan ε0

adalah permitivitas vakum/. Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan

Maxwell dengan menghubungkan intensitas medan listrik E dengan kerapatan

fluks listrik D. Di vakum (ruang hampa), permitivitas ε sama dengan ε0, jadi

konstanta dielektriknya adalah 1.

Permitivitas relatif dari sebuah medium berhubungan dengan

susceptibility (kerentanan) listriknya, χe melalui persamaan

Proses listrik statis di dalam vakum (aproksimasi yang cukup baik : di

udara) dinyatakan dalam bentuk persamaan hukum Gauss

∯ E .dA=Qencε0

Dua penghantar berdekatan yang dimaksudkan untuk diberi muatan

sama tetapi berlawanan jenis disebut kapasitor atau dapat di artikan sebagai

suatu alat yang digunakan untuk menyimpan muatan sementara. Kapasitas

suatu kapasitor (C) adalah perbandingan antara besar muatan Q dari salah satu

penghantarnya dengan beda potensial V antara kedua pengahntar itu.Jadi

kapasitas kapasitor untuk ruang hampa adalah :

∁=QV

Kegunaan Kapasitor

Untuk menghindari terjadinya loncatan listrik pada rangkaian2 yang

mengandung kumparan bila tiba2 diputuskan arusnya.

Rangkaian yang dipakai untuk menghidupkan mesin mobil

Untuk memilih panjang gelombang yang ditangkap oleh pesawat

penerima radio.

Bentuk kapasitor

Kapasitor bentuk keping sejajar

Kapasitor bentuk bola sepusat

Kapasitor bentuk silinder

Tetapi kapasitor yang sering digunakan adalah kapasitor keping

sejajar.Suatu kapasitor terdiri dari dua keping konduktor sejajar yang

terpisah.Ketika konduktor-konduktor dihubungkan pada ujung-ujung suatu

sumber tegangan, sumber tegangan tersebut memindahkan muatan dari satu

konduktor ke konduktor yang lainnya sampai perbedaan potensial antara

ujung-ujung sumber tegangan. Adanya perbedaan potensial antara ujung-

ujung sumber tegangan tersebut maka akan terjadi aliran listrik dan alirang

listrik ini akan mengakibatkan timbul medan listrik di sekitar kapasitor keping

sejajar tersebut.

Pada kapasitor keping sejajar tanpa dielektrikε=ε 0

Karena pada kondisi vakum ε r=1 jadi ε=ε r ε0=ε0

Jika muatan diberikan diantara dua pelat kapasitor,akan terjadi medan listrik E antar pelat yang dinyatakan oleh :

∯ E .dA=Qencε

E0 . A=Qε

E0=QA ε0

Untuk suatu kapasitor keping sejajar dengan jarak pemisah d, perbedaan potensial antara keping adalah :

V 0=E0d

V 0=QAε 0

d

Muatan kapasitor Q sebanding dengan tegangan V yang diberikan pada kapasitor, konstanta kesebandingan C dinamakan kapasitansi dari kapasitor ;

Q=C V

Kapasitansi dari suatu kapasitor keping sejajar tanpa dielektrik adalah :

C= QV 0

C=ε 0 A1d

Sehingga besar konstanta listrik ε 0

ε 0=dAQV 0

Dimana ;ε 0= konstanta listrik (pAs/Vm)

d = jarak antar kedua keping (m)A = Luas keping sejajar (m2)Q = muatan kapasitor (nAs)Vo = perbedaan potensial tanpa dielektrik (V)

Apabila diantara keping sejajar kapasitor ditempatkan dielektrik, maka akan terjadi polarisasi antara dielektrik dengan momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik. Ini akan memperlemah medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor. Karena dengan hadirnya medan listrik, molekul-molekul dalam dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar dan ini juga akan mengakibatkan kapasitansi kapasitor menjadi naik.

Pada kapasitor keping sejajar dengan dielektrikε=ε r ε0=k ε0

Sehingga besar medan listrik kapasitor keping sejajar apabila telah ditempatkan dielektrik diantara kepingnya adalah :

E= QA ε0 k

Kapasitansi dari suatu kapasitor keping sejajar yang berisi dielektrik dengan konstanta k adalah :

C=k ε0 A

dSeandainya V sebanding dengan Q, maka kapasitansi tidak bergantung

pada muatan maupun tegangan kapasitor tetapi hanya bergantung pada faktor-faktor geometri. Untuk suatu kapasitor keping sejajr,kapasitansi sebanding dengan luas penampang dan berbanding terbalik dengan jarak pemisah.

Sehingga besar konstanta dielektrik dapat dinyatakan dengan persamaan :

k= dε0 A

QV 0

III. PERCOBAAN

III.1 ALAT DAN BAHAN

1. Pelat kapasitor, d=260 mm

2. Pelat plastik

3. Pelat gelas f current konduktor

4. Resistor 10 Mohm

5. Universal measuring amplifier

6. Power supply, 0-10 kV

7. Voltmeter, 0.3-300 VDC, 10-300 VAC

8. Kabel koneksi hijau-kuning, 100 mm

9. Kabel koneksi merah 500 mm

10. Kabel koneksi biru 500 mm

11. Kabel screened, BNC, 750 mm

12. Adapter, BNC soket 4 mm

13. Konektor tipe T, BNC

14. PEK kapasitor 0.22 μF, 160 volt

III.2 PROSEDUR PERCOBAAN

A. Menentukan konstanta listrik ε 0

1. Menentukan luas penampang kapasitor (A), diketahui d=260 mm.

2. Mengatur tegangan Uc pada 1.5 Kv.

3. Mengatur jarak pelat kapasitor sekecil mungkin (1 mm), dan mengukur

tegangan U dan Q.

4. Memvariasikan jarak d (d=1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 ; dan 3.5 mm) dan melakukan

pengukuran seperti point 2.

5. Dengan menggunakan data yang diperoleh, menghitung ε 0 dengan

menggunakan persamaan 4.

Catatan : selama melakukan pengukuran tidak berada di dekat kapasitor.

B. Kebergantungan muatan induksi pada tegangan

1. Mengatur jarak antar pelat d = 2 mm.

2. Mengukur tegangan U (Volt) dengan pemberian Uc sebesar 0.5 ; 1.0 ; 1.5 ;

2.0 ; 2.5 ; 3.0 dan 3.5 Kv.

3. Menentukan nilai Q.

4. Dengan menggunakan data yang diperoleh, menghitung ε 0 dengan

menggunakan persamaan 4.

C. Menentukan konstanta dielektrik pelat plastik

1. Memasang pelat plastik (d=9.8 mm) diantara pelat kapasitor.

2. Mengukur tegangan U (Volt) dengan memberikan tegangan Uc sebesar 0.5 ;

1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 ; 3.5 dan 4.0 Kv.

3. Menentukan harga Q (nAs) dan QdA ε0

1U c

4. Melepaskan pelat plastik.

5. Pada jarak yang sama antar pelat dengan tebal pelat plastik (d=9.8 mm),

mengukur tegangan Uvac(Volt) dengan memberikan tegangan Uc sebesar

0.5 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 2.5 ; 3.0 ; 3.5 dan 4.0 Kv.

6. Menentukan harga Qvac (nAs) dan membandingkan harga Q dengan Qvac

( QQvac )

D. Menentukan konstanta dielektrik pelat gelas

1. Memasang pelat kaca antara pelat kapasitor dan mengukur ketebalan pelat

kaca.

2. Melakukan pengukuran dan perhitungan seperti pada langkah C.

IV. TABEL DATA

1. Menentukan konstanta listrik εo

2. Kebergantungan muatan induksi pada muatan

B. Kebergantungan muatan Induksi terhadap tegangan

d(m) Uc(kV) U0,004 0,5 0,030,004 1,0 0,10,004 1,5 0,40,004 2,0 0,70,004 2,5 3,20,004 3,0 3,30,004 3,5 7

A. Menentukan konstanta listrik

d(m) Uc(kV) U

0,0030 1,5 1,4

0,0035 1,5 1,3

0,0040 1,5 1,3

0,0045 1,5 0,7

0,0050 1,5 0,3

0,0055 1,5 0,2

3. Pengukuran konstanta dielektrik bahan plastic

C. Menentukan konstanta dielektrik Pelat Plastik

tanpa pelat

d(m) Uc(kV) U

0,0098 0,5 0,05

0,0098 1,0 0,12

0,0098 1,5 0,17

0,0098 2,0 0,27

0,0098 2,5 0,41

0,0098 3,0 0,55

0,0098 3,5 0,97

0,0098 4,0 1,64

dengan pelat plastik

d(m) Uc(kV) U

0,0098 0,5 11,4

0,0098 1,0 20

0,0098 1,5 20,3

0,0098 2,0 20,5

0,0098 2,5 20,8

0,0098 3,0 21,3

0,0098 3,5 21,7

0,0098 4,0 22,1

4. Pengukuran konstanta dielektrik bahan gelas

D. Menentukan konstanta dielektrik Pelat Gelas

Dengan pelat kaca

d(m) Uc(kV) U

0,005 0,5 21,9

0,005 1,0 25,2

0,005 1,5 28,1

0,005 2,0 31,6

0,005 2,5 34,3

0,005 3,0 37,9

0,005 3,5 40,5

0,005 4,0 43,4

tanpa pelat kaca

d(m) Uc(kV) U

0,005 0,5 1,4

0,005 1 4,3

0,005 1,5 4,9

0,005 2 4,1

0,005 2,5 8,5

0,005 3 12,2

0,005 3,5 18,7

0,005 4 19,9

V. PERHITUNGAN DAN ANALISA

A. Pengukuran konstanta listrik

Menghitung nilai Q menggunakan persamaan :

Q=C U

Contoh perhitungan :

A=0,21226m2 ; C=220 nF ; Uc=1.5 kV ; d=2 mm ; U=1,5 V

Q=220nF×1,5V=1880nAs

Menghitung konstanta listrik ε 0menggunakan persamaan :

ε 0=dAQUc


A=0,21226m2 ; C=220 nF ; Uc=1.5 kV ; d=0,26 mm ; U=1,4 V ; Q=1880

nAs

ε 0=0,0026m

0,21226m2×

1880nAs1.5kv

=1,897 pAs/Vm

Dengan cara yang sama, maka di dapat hasil sebagai berikut :

d(m) Uc(kV) U Q(coulomb) εo

0,0030 1,5 1,4 1,88E-06 1,89733E-08

0,0035 1,5 1,3 8,05454E-07 1,02164E-08

0,0040 1,5 1,3 7,04772E-07 1,02164E-08

0,0045 1,5 0,7 6,26464E-07 1,89733E-08

0,0050 1,5 0,3 5,63818E-07 4,4271E-08

0,0055 1,5 0,2 5,12562E-07 6,64065E-08

Grafik Q terhadap Vc (kV)

0.0030 0.0035 0.0040 0.0045 0.0050 0.00550.00E+002.00E-074.00E-076.00E-078.00E-071.00E-061.20E-061.40E-061.60E-061.80E-062.00E-06

Grafik hubungan Q terhadap Uc prosedur A

Uc(kV)

Q(c

oulo

mb)

B. Kebergantungan muatan induksi pada tegangan

Menghitung konstanta listrik ε 0menggunakan persamaan :

ε 0=dAQUc


A=0,21226m2 ; C=220 nF ; Uc=1.5 kV ; d=0,26 mm ; U=1,4 V ; Q=1880

nAs

ε 0=0,0026m

0,21226m2×

1880nAs0.5kv

=1,4757 pAs/Vm


B. Kebergantungan muatan Induksi terhadap tegangan


0,004 0,5 0,03 2,34924E-07 1,4757E-07

0,004 1,0 0,1 4,69848E-07 8,8542E-08

0,004 1,5 0,4 7,04772E-07 3,32033E-08

0,004 2,0 0,7 9,39696E-07 2,52977E-08

0,004 2,5 3,2 1,17462E-06 6,91734E-09

0,004 3,0 3,3 1,40954E-06 8,04927E-09

0,004 3,5 7 1,64447E-06 4,4271E-09

Grafik Q terhadap Uc(kV)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50

0.00000020.00000040.00000060.00000080.000001

0.00000120.00000140.00000160.0000018

Grafik hubungan Q terhadap Uc prosedur B

Uc(kV)

Q(c

oulo

mb)

C. Menghitung konstanta dielektrik pelat plastik

a.Dengan menggunakan bahan dielektrik


Q=C U

Menghitung konstanta dielektrik

k=QdA ε0

1Uc ; ε 0=8,85 As/Vm


dengan pelat plastik


0,0098 0,5 11,4 9,58874E-08 3,88342E-10

0,0098 1,0 20 1,91775E-07 4,4271E-10

0,0098 1,5 20,3 2,87662E-07 6,54251E-10

0,0098 2,0 20,5 3,83549E-07 8,63824E-10

0,0098 2,5 20,8 4,79437E-07 1,06421E-09

0,0098 3,0 21,3 5,75324E-07 1,24707E-09

0,0098 3,5 21,7 6,71212E-07 1,4281E-09

0,0098 4,0 22,1 7,67099E-07 1,60257E-09

Grafik

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

0.00000010.00000020.00000030.00000040.00000050.00000060.00000070.00000080.0000009

Grafik hubungan Q terhadap Uc dengan pelat plastikProsedur C

Uc(kV)

Q(c

oulo

mb)

tanpa pelat


0,0098 0,5 0,05 9,58874E-08 8,8542E-08

0,0098 1,0 0,12 1,91775E-07 7,3785E-08

0,0098 1,5 0,17 2,87662E-07 7,81253E-080,0098 2,0 0,27 3,83549E-07 6,55867E-08

0,0098 2,5 0,41 4,79437E-07 5,3989E-08

0,0098 3,0 0,55 5,75324E-07 4,82956E-08

0,0098 3,5 0,97 6,71212E-07 3,19481E-08

0,0098 4,0 1,64 7,67099E-07 2,15956E-08

Grafik

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

0.00000010.00000020.00000030.00000040.00000050.00000060.00000070.00000080.0000009

Grafik hubungan Q terhadap Uc tanpa pelat plastikProsedur C

Uc(kV)

Q(c

oulo

mb)

D.Menghitung konstanta dielektrik pelat gelas

a.Dengan menggunakan bahan dielektrik


Q=C U

Menghitung konstnta dielektrik

k=QdA ε0

1Uc ; ε 0=8,85 As/Vm


D. Menentukan konstanta dielektrik Pelat Gelas

Dengan pelat kaca


0,005 0,5 21,9 1,87939E-07 2,02151E-10

0,005 1,0 25,2 3,75878E-07 3,51357E-10

0,005 1,5 28,1 5,63818E-07 4,72644E-10

0,005 2,0 31,6 7,51757E-07 5,60392E-10

0,005 2,5 34,3 9,39696E-07 6,4535E-10

0,005 3,0 37,9 1,12764E-06 7,0086E-10

0,005 3,5 40,5 1,31557E-06 7,65178E-10

0,005 4,0 43,4 1,50351E-06 8,16055E-10

Grafik

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

0

0.0000002

0.0000004

0.0000006

0.0000008

0.000001

0.0000012

0.0000014

0.0000016

Grafik hubungan Q terhadap Uc prosuder D dengan pelat kaca

Uc(kV)

Q(c

ou

lom

b)

tanpa pelat kaca


0,005 0,5 1,4 1,30E-09 1,02E-11

0,005 1 4,3 2,59E-09 2,04E-11

0,005 1,5 4,9 3,89E-09 3,06E-11

0,005 2 4,1 5,19E-09 4,08E-11

0,005 2,5 8,5 6,49E-09 5,10E-11

0,005 3 12,2 7,78E-09 6,12E-11

0,005 3,5 18,7 9,08E-09 7,14E-11

0,005 4 19,9 1,04E-08 8,16E-11

Grafik

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50.00E+002.00E-094.00E-096.00E-098.00E-091.00E-081.20E-08

Grafik hubungan Q dan UC tanpa gelas prosedur D

Q(coulomb)

uC (kv)

Qol

oum

b

ANALISA PERCOBAAN

Analisa percobaan 1:

Pada percobaan kali ini praktikan menggunakan variasi pada jarak dari 2 buah

pelat tersebut dengan tegangan input yang sama yakni sebesar 1,5 kV dan terlihat

pada data di atas tegangan yang terbaca pada voltmeter menunjukan angka yang

berubah-ubah. Pada data percobaan terlihat bahwa semakin besar dari jarak antara 2

buah pelat maka tegangan yang terbaca pada kapasitor akan semakin kecil. Pada

grafik hubungan antara Q dengan tegangan terlihat bahwa bila muatanya turun maka

teganganya akan ikut turun


Pada prosedur kedua kali ini praktikan menggunakan variasi dengan

mengubah-ubah tegangan awal dari 0,5 sampai 3,5 secara bertahap. Pada data hasil

percobaan dapat terlihat bahwa ketika tegangan masukan dinaikan maka tegangan

yang terbaca pada voltmeter pada kapasitor juga akan naik, hal tersebut berarti

tegangan masukan akan sebanding dengan tegangan kapasitor dan dapat terlihat pada

Q-nya akan naik. Hal tersebut sesuai dengan teori dimana tegangan akan berbanding

lurus dengan muatan pada kapasitornya atau berbanding lurus dan nampak juga pada

data hasil percobaan bahwa ketika tegangan pada kapasitor naik maka muatan akan

naik, hal tersebut sesuai dengan teori dimana tegangan pada kapasitor selalu

berbanding lurus dengan muatan atau ketika tegangan naik maka jumlah muatan

yang ada pada kapasitor akan naik juga.


Pada percobaan yang ketiga ini yang kita tempatkan diantara dua keeping

kapasitor yaitu pelat plastik.Ketebalan dari pelat plastic ini adalah 9.8mm serta

teganagn awal nya yaitu 0.5kV yang dinaikkan setiap 0.5kV. Dengan ditempatkan

dielektrik plastik diantara keping sejajar kapasitor, maka akan terjadi polarisasi antara

dielektrik dengan momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik. Ini akan

memperlemah medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor. Karena dengan

hadirnya medan listrik, molekul-molekul dalam dielektrik akan menghasilkan medan

listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar dan ini juga

akan mengakibatkan kapasitansi kapasitor menjadi naik. Data yang didapat

menunjukkan perubahan yang signifikan dari percobaan-percobaan sebelumnya. Nilai

tegangan yang keluar (U) ketika kita menempatkan pelat bahan dielektrik plastik

lebih tinggi dari pada tidak mengunakan bahan dielektrik. (lihat tabel).Hal ini terlihat

dari data percobaan yang kita peroleh. Dan jika kita plotkan ke dalam grafik U(V)

terhadap Uc(kV) didapatkan kurva kenaikan.


Pada percobaan yang keempat ini kita menempatkan dielektrik diantara kedua keping

kapasitor yaitu pelat gelas. ini tebal kaca yaitu 5mm dan tegangan sumber nya diawali

dengan 0.5kV yang dinaikkan sebesar 0.5kV sampai menuju 3.5 kV.Dengan

dinaikkannya besar tegangan Uc maka tegangan yang terukur juga akan naik dan

setiap kenaikan Uc akan memberikan nilai U yang bervariasi.jadi antara tegangan Uc

dengan U adalaha berbanding lurus. Dengan ditempatkan dielektrik plastik diantara

keping sejajar kapasitor, maka akan terjadi polarisasi antara dielektrik dengan

momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik. Ini akan memperlemah

medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor. Karena dengan hadirnya medan

listrik, molekul-molekul dalam dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan

yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar dan ini juga akan mengakibatkan

kapasitansi kapasitor menjadi naik. Data yang di peroleh dari percobaan

menunjukkan bahwa percobaan ini sudah berdasarkan teori. Semakin besar nilai

tegangan Uc yang dimasukkan maka nilai U juga semakin bertambah.

Pertambahannya lebih besar jika dibandingkan dengan menempatkan pelat plastik

dalam pelat kapasitor tersebut. Ini membuktikan bahwa bahan dielektrik gelas

memiliki kosntanta dielektrik yang lebih besar daripada konstanta dielektrik

plastik.Dan jika kita plotkan ke dalam grafik U(V) terhadap Uc(kV) didapatkan kurva

kenaikkan.

IV. KESIMPULAN

Besarnya tegangan masukan yang dipakai akan mempengaruhi tegangan pada

kapasitor bila diukur dengan voltmeter dan pengaruh berubahnya suatu tegangan

dipangurhi juga oleh jarak antara 2 buah pelat konduktor yang dipakai semakin jauh

jarak pelat maka tegangan akan semakin kecil. Akibat dari medan listrik, muatan

listrik statis yang berlawanan tanda tertarik kearah permukaan kapasitor. Jika sumber

tegangan tidak membangkitkan muatan, tetapi hanya dapat memisahkan muatan, nilai

absolute dari muatan listrik statis induktif kedua sisi pelat kapasitor pasti setara.

Bila dibandingkan pelat kaca dengan plastik maka kapasitor yang diselipkan

bahan kaca diantara 2 buah pelatnya akan menghasilkan tegangan yang lebih besar

daripada jika memakai pelat kaca bila diukur oleh voltmeter

DAFTAR PUSTAKA

Tipler.2001. Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga.Erlangga : Jakarta

Sutrisno.1986 .Listrik Magnet .ITB : Bandung

LAPAK M-6 Konstanta Dielektrik Ijo

Documents