Apa itu kapasitor dan induktor? Banyak pelajar yang hanya mengerti cara menjawab soal tapi tidak tahu kegunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Semua itu akan dijelaskan di sini.
Halo, ketemu lagi sama gue Johan Wibowo, alumni Zenius yang sekarang sedang menjalani studi Teknik Tenaga Listrik di ITB. Khusus yang kelas 12 SMA yang belajar Fisika, pada awal bulan semester genap kemungkinan besar kalian lagi belajar tentang Listrik Statis, Magnet, dan Listrik Bolak-Balik kan?! Kali ini, gue mau ngomongin soal dua komponen elektronik yang kalian pelajari pada bab-bab tersebut, yaitu kapasitor dan induktor. Kalian mungkin udah tau dari video teori di zenius.net dua benda ini apa. Tapi pernah kebayang gak, untuk apa sih kapasitor dan induktor digunakan?
Jadi dulu waktu SMA, gue merasa ga tertarik banget mempelajari bab-bab listrik dan magnet. Salah satu penyebabnya adalah karena gue ngga tau komponen-komponen ini tuh apa dan dipake buat apa. Emangnya dengan mempelajari mereka, hidup gue bisa tambah kece? Nah, tujuan gue nulis artikel ini adalah supaya hal yang sama ngga terjadi lagi. Jadi, di tulisan ini gue bakal ngebahas sedikit tentang pemodelan dan ngebahas gimana sih aplikasi komponen-komponen tersebut di kehidupan sehari-hari.
Kapasitor dan Kapasitansi
Oke, ini adalah dua kata benda dengan dua makna berbeda. Kalo lo inget bab Listrik Statis, di sana dijelasin bahwa
Kalian juga pasti udah tau representasi benda berkapasitansi dalam rangkaian listrik itu kayak gini:
Simbol itu merepresentasikan bentuk kapasitor yang paling sederhana: dua plat konduktor sejajar dipisahkan oleh material dielektrik. Apa itu material dielektrik? Singkatnya, material dielektrik adalah isolator. Masing-masing material dielektrik mempunyai konstanta dielektrik yang menentukan seberapa besar energi yang bisa disimpan dalam bentuk medan listrik.
Sebenarnya, kapasitor nggak harus berbentuk plat sejajar kayak gitu loh. Coba aja kalian googling “kapasitor”, pasti nemu banyak yang berbentuk tabung kayak gini:
Jadi, kapasitor itu gak harus berbentuk plat. Benda apapun yang terdiri dari konfigurasi konduktor-dielektrik-konduktor akan memiliki nilai kapasitansi (bisa menyimpan energi dalam bentuk medan listrik) sehingga dalam rangkaian listrik bisa direpresentasikan oleh lambang kapasitor seperti gambar di atas. Termasuk dua buah tabung konduktor yang berbeda jari-jarinya, tapi diletakkan pada sumbu yang sama. Terus, di mana aja kita bisa temukan kapasitor?
1. Lampu flash pada kamera dan mobil
Kalian pasti tau kan ya kalo di kamera dan HP itu ada flash yang ngebantu banget untuk motret di keadaan gelap gulita gegap gempita. Untuk bisa menghasilkan kilatan cahaya cetar membahana dalam tempo yang sesingkat-singkatnya itu, perlu ada kapasitor. Jadi, rangkaian lampu flash itu bentuknya kayak gini:
Nah, yang ada tanda panahnya itu saklar. Lampu dilambangkan oleh R2. Trus R1 itu resistansi intrinsik batere dan konduktor (kabel). Jadi waktu flashnya mati (kamera ngga digunakan), si saklar bakal nempel di terminal nomor 1. Rangkaiannya bakal jadi kayak di gambar kedua (tengah). Pada keadaan ini, batere yang dilambangkan sumber tegangan vs alias voltage source akan mengisi kapasitor. Sedangkan lampu (R2) gak terhubung ke sistem. Ingat karena sumbernya listrik searah, setelah kapasitor penuh gak akan ada listrik yang mengalir di rangkaian.
Ketika kalian motret, “cekrekk!!”, saklar akan pindah dari terminal 1 ke terminal nomor 2 sesuai arah tanda panah. Rangkaian akan berubah jadi seperti gambar ketiga (kanan). Pada kondisi ini, batere menjadi tidak tersambung ke rangkaian. Rangkaiannya jadi kapasitor dan lampu doang. Muatan negatif (elektron) yang tersimpan di salah satu kutub kapasitor akan mengalir ke kutub lainnya sampai jumlahnya sama (tegangan sama). Aliran elektron alias arus listrik ini menyalakan lampu flash (R2). Ketika tegangan udah sama, artinya energi potensial kapasitor udah 0 kan jadi ga ada elektron yang ngalir lagi, jadi flashnya mati. Nah, proses ini terjadinya cepet banget. Waktu pelepasan energi (discharge) di kapasitor itu tergantung sama nilai kapasitansinya. Setelah selesai, saklar akan balik ke nomor 1 lagi, dan kapasitor akan diisi lagi oleh batere. Begitu seterusnya.
Pertanyaan besarnya yang nongol di kepala kalian sekarang pasti ini: kenapa harus pake kapasitor? Kenapa sumber energi lampu flash (R2) nggak langsung dari batere aja?
Nah, inilah gunanya kapasitor. Batere dan kapasitor memang sama-sama bisa menyimpan energi listrik, tetapi karakteristik mereka beda banget. Batere punya kerapatan energi yang lebih besar daripada kapasitor. Artinya, untuk volume/massa yang sama, batere bisa menyimpan energi yang lebih banyak daripada kapasitor. Tapiiii.. batere gak bisa melepaskan energinya dalam waktu yang cepat secara berulang-ulang. Kalo ini dilakukan ke batere, dia bakalan cepet rusak alias aus. Kapasitor, di lain sisi, punya kerapatan daya yang lebih besar daripada batere. Artinya, untuk volume yang sama, kapasitor bisa ngelepasin energinya dalam waktu lebih singkat daripada batere. Ingat, daya adalah energi per satuan waktu. Makanya, kapasitor bisa diisi dan dikosongkan dengan cepat secara berulang-ulang tanpa mengalami kerusakan.
Inilah yang menjadi masalah energi terbarukan kayak pembangkit listrik tenaga surya dan tenaga angin. Matahari dan angin gak bisa menghasilkan energi setiap saat. Kadang matahari tak bersinar, kadang angin tak bertiup. Di Indonesia, dalam satu hari, konsumsi energi listrik itu justru mencapai puncaknya jam 17.00-22.00 WIB. Ingat kan PLN pernah kampanye hemat listrik di waktu-waktu tersebut? Nah, pada jam itu justru matahari udah ga bersinar lagi! Makanya energi yang dihasilkan matahari pada siang hari harus disimpan dulu di batere. Masalahnya, batere itu mahal dan umurnya pendek kalo sering dipake, jadi harus sering diganti. Sama kayak batere HP/laptop lo kalo udah dipake lama, kerasa kan kapasitasnya ngga se-prima waktu pertama pake?
2. Touchscreen
Hal ini secara umum disebut capacitive sensing. Contoh lain adalah dengan mencelupkan dua konduktor ke dalam air, lo akan mendapatkan kapasitor dengan dielektrik berupa campuran udara dan air dengan komposisi tertentu sesuai ketinggian air kan. Nah, dari sini lo bisa mengukur kedalaman/ketinggian air dengan melihat perubahan kapasitansi akibat perubahan tinggi air. Sensor ini disebut dengan water level sensor.
Misalnya kita mau bikin pengisi air sawah otomatis. Katakanlah suatu sawah ketinggian airnya harus 30 cm. Karena terjadi penguapan saat siang hari, ketinggian air sawah bakal berkurang. Ini akan menyebabkan perubahan nilai kapasitansi pada sensor. Kalo udah melewati batas tertentu, nanti akan ada sistem pengisi air otomatis yang akan mengisi air ke sawah dan berhenti mengisi kalo kapasitansi sensor udah sesuai dengan nilai awal saat ketinggian air sawah 30 cm.
3. Di saluran transmisi tenaga listrik
Listrik yang kita pake ini kebanyakan nggak dibangkitkan di deket kota besar Bro/Bri. Ada yang tau nggak, berapa kapasitas listrik di Indonesia? Di Jawa-Bali aja, demand listrik per hari itu sekitar 23000 MW. Dua pemasok energi listrik terbesar di Pulau Jawa adalah PLTU Suralaya (4025 MW) yang terletak di Cilegon, Banten dan PLTU Paiton (4055 MW) di Situbondo, Jawa Timur. Kedua pembangkit ini dibangun di deket pantai karena butuh pasokan air dalam jumlah besar sebagai pendingin.
Nah, listrik dari pantai itu dialirkan ke kota-kota lewat saluran transmisi tegangan tinggi 500 kV. Tegangan saluran memang dibikin tinggi banget supaya arusnya bisa dibuat sekecil mungkin. Ingat, daya yang disalurkan adalah perkalian dari tegangan dan arus (P = VI). Untuk menghantarkan daya yang sama, lo bisa bikin tegangannya tinggi arusnya kecil, atau sebaliknya. Semakin besar arus, semakin besar energi yang hilang di saluran transmisi karena semakin besar gesekan antara elektron dan inti atom konduktor (ingat, arus listrik itu muatan/elektron yang bergerak).
Nah, coba kalian liat kabel-kabel tegangan tinggi di atas. Tadi kan di awal gue udah bilang bahwa benda apa pun kalo membentuk konfigurasi konduktor-dielektrik-konduktor, akan ada nilai kapasitansinya. Nah, kabel transmisi listrik juga gitu. Kabel-udara-kabel bisa dianggap sebagai konfigurasi benda berkapasitansi. Jadi, ketika menganalisa saluran transmisi, insinyur kelistrikan akan menganggap ada kapasitor di antara kabel-kabel itu.
4. Tempat kita berpijak
Setiap isolator (termasuk udara) punya tegangan kerja maksimum. Yang dimaksud tegangan kerja maksimum adalah tegangan paling besar yang bisa dia tahan. Di atas batas tegangan ini, isolator akan kehilangan daya isolasinya dan menjadi bisa menghantarkan listrik. Nilai tegangan ini disebut tegangan tembus atau breakdown voltage. Contohnya, ketika awan mengakumulasi muatan terus menerus, tegangannya jadi semakin tinggi. Ketika tegangan awan udah gede banget, melebihi tegangan tembus udara, udara akan menghantarkan listrik dari awan ke tanah atau air laut. Ini yang kita sebut petir.
Induktor dan Induktansi
Kalau kapasitor menyimpan energi dalam bentuk medan listrik,
Induktor –> menyimpan energi dalam bentuk medan magnet
Induktansi adalah ukuran seberapa besar energi yang bisa disimpan oleh induktor. Induktor sendiri merujuk ke benda yang dengan sengaja dibuat untuk dimanfaatkan sifat induktifnya.
Nah sama seperti kapasitor, induktor ini juga ada di mana-mana walaupun lebih jarang dipake secara sengaja dibandingkan kapasitor. Kegunaan induktor yang paling utama adalah untuk menaik-turunkan tegangan bolak-balik (trafo). Ini dipake di mana-mana, mulai dari saluran transmisi (tegangan generator di pembangkit listrik 10-20 kV dinaikkan ke 125-500 kV), di rumah-rumah (tegangan ribuan kV diturunkan jadi 220V yang masuk ke rumah kita), sampai di alat-alat elektronik (charger HP misalnya, nurunin tegangan 220V dari colokan rumah jadi 5V).
Selain itu, saluran transmisi juga memiliki induktansi diri sehingga harus dimodelkan oleh sebuah induktansi. Kalian udah tau juga kan lambang induktansi dalam rangkaian:
Nah, benda berinduktansi atau induktor memiliki sifat yang bisa dieksploitasi untuk kemaslahatan umat manusia seluas-luasnya, yaitu arus listrik yang mengalir di induktor ga bisa berubah secara cepat (rapidly). Kenapa begitu? Ingat Hukum Lenz kan, kalo ada perubahan fluks magnet yang menembus kumparan, maka kumparan (dalam hal ini induktor) akan menghasilkan arus/tegangan yang melawan perubahan tersebut. Semakin cepat arus pada induktor berubah, semakin cepat juga medan magnet pada induktor berubah. Semakin cepat perubahan medan/fluks magnet, tegangan yang dihasilkan semakin besar juga. Secara matematis fenomena ini bisa dirumuskan sebagai berikut:
Persamaan di atas menunjukkan bahwa tegangan yang dihasilkan di ujung-ujung induktor sama dengan besarnya induktansi dikalikan dengan besarnya perubahan arus per satuan waktu. Atau, kalau dinyatakan dalam fluks magnet, tegangan di ujung-ujung induktor sama dengan jumlah belitan dikalikan seberapa cepat perubahan fluks magnet. Jadi kalo arus listrik di induktor berkurang secara tiba-tiba (saklarnya dimatiin, misalnya), nilai $$di/dt$$ akan besar banget kan karena $$dt$$ mendekati 0 (perubahannya cepet banget). Akibatnya, akan muncul tegangan yang nilainya juga besar banget. Kalo tegangannya udah terlalu besar sekali banget, melebihi tegangan breakdown isolator, maka isolator tadi untuk sesaat akan “bocor” sehingga mengalirkan energi dalam bentuk percikan api. Percikan api ini sebenarnya elektron yang “melompat”.
Nah, tadi kan gue udah bilang bahwa saluran listrik di rumah kita itu sifatnya pasti induktif karena banyak banget induktansinya mulai dari trafo-trafo sampai kabel transmisi itu sendiri punya induktansi diri. Ini sebabnya, kenapa kalo lo nyabut kabel dari colokan suka ada percikan api. Percikan api itu sebenernya arus listrik yang masih mengalir dari colokan ke kabel elo sesaat setelah lo cabut. Atau lo coba buka penutup saklar lampu rumah lo deh, terus lo coba matiin lampu. Biasanya ada percikan api juga tuh. Kalo mau liat yang ekstrim, ini ada video saklar 500 kV di jaringan transmisi listrik dibuka.
Keliatan kan pas saklarnya dibuka, tetep ada arus yang mengalir di antara terminal yang dibuka dalam bentuk percikan api. Nah, salah satu teknologi yang memanfaatkan fenomena ini adalah: busi kendaraan bermotor.
Awalnya, saklar di atas ditutup sehingga rangkaian kayak gambar kedua (tengah). Karena sumber arus yang digunakan adalah arus searah, gak akan ada efek apa-apa di induktor karena ga ada perubahan arus, thus ga ada perubahan medan magnet. Kalo ga ada perubahan medan magnet, ga bakal ada tegangan dan arus induksi. Begitu saklarnya dibuka, artinya batere ga menyuplai listrik lagi, arus listrik akan jatuh secara tiba-tiba. Akibatnya, akan muncul tegangan yang gede banget di induktor. Nilai tegangan ini diatur supaya melebihi tegangan breakdown udara. Akibatnya, muncul percikan api di celah udara pada busi.
Hukum Lenz juga bisa menjelaskan kenapa ga dianjurkan untuk pake HP di pom bensin. HP lo itu memancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tinggi banget. Frekuensi tinggi berarti perubahan medan magnetnya cepet banget. Medan magnet yang berubah dengan sangat cepet ini kalo melewati loop konduktor (misalnya mulut selang atau mulut tangki) akan menginduksi tegangan yang cukup tinggi. Ini ga masalah kalo konduktornya “mulus”. Tapi, bakal jadi masalah kalo ada karat, retakan atau patahan pada loop konduktor karena tegangan tinggi tadi bisa menimbulkan arus listrik dalam bentuk spark (percikan api) seperti di busi.
Berbeda dengan kapasitor, induktor tuh jarang dipake sebagai sensor atau komponen elektronika lain. Ini disebabkan oleh ukuran induktor yang umumnya bulky banget karena berbentuk kumparan kan. Sebaliknya, kapasitor sangat disukai oleh anak elektro karena bisa dikemas dalam ukuran yang kecil-kecil banget.
Gabungan Antara Kapasitor Induktor
Nah, sebenernya kapasitor dan induktor ini kayak yin dan yang. Kapasitor sering dipake untuk mengkompensasi efek induktansi rangkaian. Inget kan di teori Listrik Bolak-Balik, pada rangkaian RLC, komponen yang mendisipasi daya tuh cuman R alias resistor doang. Induktor dan kapasitor gak mengonsumsi daya sama sekali. Mereka cuman menyimpan daya untuk sementara dalam bentuk medan, terus nanti akan dikembaliin lagi ke sistem/rangkaian. Proses penyimpanan-pelepasan energi ini terjadi secara kontinu di kapasitor dan induktor.
Ingat kan, di atas gua pernah bilang, semakin besar arus yang mengalir di sistem, semakin besar daya yang hilang. Kenapa? Karena definisi arus adalah jumlah elektron yang mengalir per satuan waktu. Semakin banyak elektron yang mengalir per satuan waktu, semakin banyak juga tumbukan dan gesekan antar elektron-elektron dan elektron-inti atom konduktor. Artinya, semakin banyak energi yang terbuang dalam bentuk panas, cahaya, atau bunyi. Ingat juga gua pernah bilang bahwa jaringan kelistrikan rumah kita itu umumnya induktif karena banyak kumparan-kumparan sepanjang jaringan.
Akibatnya, kumparan-kumparan itu akan menyimpan energi dan mengirim balik ke jaringan secara terus menerus. Ini menyebabkan daya yang hilang pada sistem jadi gede karena elektronnya “dioper-oper” mulu nih sama induktor-induktor di sistem. Supaya lebih efisien, pada jaringan dipasang kapasitor untuk melawan efek induktansi sistem. Dengan adanya kapasitor, efek induktansi tadi bisa diminimumkan sehingga sistem kelistrikan jadi lebih efisien. Secara matematis, fenomena ini dimodelkan sebagai berikut:
Kedua gambar di atas merupakan screen capture dari video teori Listrik Bolak-Balik di zenius.net. Perhatikan di gambar kiri, semakin besar XL atau XC, maka Z alias impedansi akan semakin besar. Sekarang liat gambar kanan. Semakin besar Z, faktor daya alias cos ф akan semakin kecil. Nah, efisiensi rumah lo dalam mengonsumsi daya dilambangkan oleh faktor daya atau cos ф. Semakin resistif rumah lo, artinya semakin seimbang XL dan XC, semakin efisien dalam memanfaatkan energi karena cos ф semakin tinggi. Jadi, efek induktansi (XL) dilawan oleh efek kapasitansi (XC) supaya faktor daya semakin mendekati 1. PLN punya batasan loh faktor daya minimal rumah lo yaitu 0,85. Kalo faktor daya rumah lebih jelek dari 0,85 bakal dikenakan penalti alias denda men!
Kenapa ngga boleh ngatur faktor daya rumah seenak jidat? Selain karena jadi banyak energi yang kebuang, juga karena bisa ngerusak generator. Generator di pembangkit-pembangkit listrik itu cuman bisa beroperasi kalo faktor daya sistemnya tertentu aja. Ini ada hubungannya dengan medan magnet di generatornya. Kalo faktor daya terlalu rendah, kerja generator jadi berat dan kumparannya jadi cepet rusak. Sekalinya rusak, berabe deh benerinnye. Karena harus dililit ulang atau bahkan diganti yang baru 🙁
Challenge: Menyambung Kabel Putus
Nah, di segmen terakhir ini gue mau sedikit ngenalin tentang pemodelan dan mau ngasih teka-teki. Problemnya gini:
“Mungkin gak sih kita nyambung kabel rumah yang putus tanpa alat bantu sama sekali (tangan kosong)? Kalo mungkin, gimana caranya?”
Coba lo pikir sejenak…
Oke, secara intuitif mungkin kebanyakan dari lo menjawab ga bisa dan takut untuk nyambung kabel dengan tangan kosong.
Tapii.. jawabannya: BISA! Hah? Masa sih? Yakin lo? Aman nih? Gimana caranya?
Let me show you..
Gue bakal nunjukin ke lo semua bahwa ini tuh sebenernya ngga berbahaya dan ketakutan lo tuh sebenernya ngga beralasan. Misalnya kabel rumah lo yang masih tersambung ke PLN terputus jadi 2 bagian seperti ini:
Nah, hal pertama yang perlu lo lakukan adalah menyambung ujung-ujung kabel yang terkupas itu sehingga mereka bersentuhan. Jadinya, seperti gambar di bawah ini. Konfigurasi seperti ini bisa dimodelkan dengan rangkaian seperti gambar bawah kanan:
Kabel tembaga itu kan bukan konduktor sempurna. Tembaga punya nilai hambatan juga walaupun keciiiiillll banget. Dalam hal ini gue anggap 1 ohm. Kemudian, dengan tangan telanjang lo, sentuh bagian ujung-ujung kabel itu dan lo pelintir sehingga mereka terkait. Sekarang kondisinya seperti di gambar bawah ini:
Berdasarkan pencarian sekilas dari google, resistansi tubuh manusia itu kalo kering sekitar 100 kilo ohm, jauh lebih gede daripada resistansi kabel. Diketahui tegangan colokan dari PLN 220V. Dari situ kita bisa hitung bahwa arus total yang mengalir di rangkaian adalah 220,0022 A. Arus yang mengalir lewat pelintiran kabel kurang lebih 219,9978 A dan arus yang melewati tangan lo cuman 0,0022 A alias nyaris 0 A. Ha! Artinya, lo gak akan kesetrum dengan melakukan ini karena arus yang lewat ke badan lo keciiiiillll banget. Nyaris 100% arus yang disuplai sumber mengalir lewat kabel dan gak melewati tangan/badan lo sama sekali.
[Disclaimer: Bukan berarti hal ini nggak berbahaya, ya. Karena kalau sambungan 1 ohmnya nggak bener, yang ada elu yang kesetrum. Jadi kalaupun mau coba-coba, nggak perlu pakai tangan. Coba aja pakai amperemeter, set hambatannya jadi 100 kiloohm. Terus lihat deh berapa arus yang melalui amperemeter itu. Di situ bisa kelihatan kalau arusnya memang kecil]
Nah, sebagai penutup, gue kasih teka-teki ya:
Lebih aman mendemonstrasikan atraksi di atas kalo kabelnya bagus mulus atau kalo kabelnya sedikit karatan? Diketahui kabel yang agak karatan resistansinya lebih tinggi dari kabel mulus.
Gimana menurut lo? Terus alesannya kenapa?
****
Nah, jadi kerasa kan pentingnya kita belajar fenomena Magnet, Listrik Statis, dan Listrik Dinamis? Ternyata banyak banget gunanya kan di kehidupan sehari-hari. Semoga dengan bahasan gue kali ini lo makin semangat deh belajar Fisika kelas 12-nya. Harapan gue sih, semoga tulisan ini bisa bikin lo mampu menerjang ujian-ujian dengan kece dan jadi aware terhadap fenomena-fenomena kelistrikan di sekitar lo. Kalo selama ini lo cuman memandang Fisika sebagai rumus-rumus membosankan di atas kertas doang, dengan mengeksplorasi aplikasinya di kehidupan sehari-hari, belajar Fisika jadi bakal seru banget. Oke deh, happy learning guys..
Referensi:Sumber gambar simbol kapasitor: //macao.communications.museum/
Sumber gambar kapasitor: //komponenelektronika.biz/
Sumber gambar rangkaian flash: Fundamentals of Electric Circuits 5th Edition (Alexander and Sadiku)Sumber gambar touchscreen: //www.lorextechnology.com/images/articles/support/touch-screen-principles.png
Sumber gambar saluran transmisi listrik: panoramio.com
Sumber gambar lambang induktansi: zazzle.es Sumber gambar rangkaian busi: Fundamentals of Electric Circuits 5th Edition (Alexander and Sadiku)
Sumber gambar pom bensin: Skepticalreadycheck
—————————CATATAN EDITOR—————————
Tulis jawaban lo atas teka-teki di atas di bagian komen ya. Dan kalo ada di antara lo yang mau ngobrol lebih lanjut sama Johann tentang kapasitor dan induktor, langsung aja tinggalin komen di bawah artikel ini juga ya.