PENGEMBANGAN ALAT PRAKTIKUM KAPASITOR PLAT SEJAJAR UNTUK MENENTUKAN KONSTANTA DIELEKTRIK SUATU BAHAN Oleh Kurniasari1, Budijanto Untung2, Herwinarso3 1-3 Prodi Pendidikan Fisika Fkip Unika Widya Mandala Surabaya Jl. Kalijudan 37, Surabaya
[email protected] Abstrak. Eksperimen dan teori merupakan dua bagian yang tidak dapat dipisahkan dalam mempelajari Fisika. Banyak teori yang dibangun berdasarkan data eksperimen dan banyak pula teori yang gugur karena bertentangan dengan data eksperimen. Selain itu, peran eksperimen dapat pula digunakan untuk membantu pemahaman suatu materi fisika yang diperoleh di kelas. Telah dilakukan penelitian pengembangan untuk menentukan konstanta dielektrik suatu bahan melalui percobaan kapasitor plat sejajar, dan petunjuk percobaannya. Penelitian dilakukan melalui tahapan: studi pustaka, menguji coba alat, melakukan eksperimen: mengambil dan menganalisis data, mengembangkan modul petunjuk praktikum dan mengujikan modul ke mahasiswa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa melalui praktikum kapasitor plat sejajar dapat diperoleh konstanta dielektrik suatu bahan. Dari hasil percobaan diperoleh nilai konstanta dielektrik (8,60 0,01 ) x 10 -1 untuk udara; (2,1 0,2) untuk plastik; dan ) untuk kaca. Berdasarkan hasil ujicoba modul petunjuk praktikum pada mahasiswa Program Studi Pendidikan Fisika diperoleh fakta bahwa mahasiwa menyatakan bahwa modul petunjuk praktikum yang dikembangkan baik dan dapat membantu dalam melaksanakan praktikum kapasitor plat sejajar. Kata Kunci: Kapasitor plat sejajar, konstanta dielektrik, alat praktikum, petunjuk praktikum.
Abstract. Experiment and theory are inseparable main ingredients in learning physics. Many theories were built based on experimental data and many theories fell because they contradicted with experimental data. Moreover, experiment can be used to strengthen the students’ comprehension on certain physics topic they acquired in the classroom. Research activity applying research and development (R&D) method have been conducted to produce experimental manual to determine the dielectric constant of material by parallel plate capacitor. The research steps include review literature, device calibration, conducting experiment: data taking and analysis, experiment manual development and tryout. Experimental data showed that the dielectric constants are (8,60 0,01 ) x 10 -1 for air, (2,1 0,2) for plastics, and ) for glass. Based on the tryout of the experiment manual to students of the Physics Education Study Program, it was found out that 96.09% of the students stated that the developed experiment manual was appropriate and helped them to carry out the parallel plate capacitor experiment.
Keywords : parallel plate capacitor, dielectric constant, instrumental experiment, experiment manual.
PENDAHULUAN Materi fisika khususnya listrik merupakan salah satu pokok bahasan yang memerlukan tingkat pemahaman yang cukup tinggi. Pembelajaran listrik tidak cukup hanya dilakukan secara teoritis, tetapi juga perlu praktikum atau eksperimen untuk membuktikan teori yang diajarkan di kelas. Eksperimen dapat dilakukan melalui suatu media pembelajaran atau alat peraga. Alat peraga fisika yang baik adalah alat peraga fisika yang dapat dipraktikumkan oleh siswa dan membuat siswa mengerti materi. Pada penelitian ini penulis membahas materi listrik yaitu kapasitor secara khusus kapasitor plat sejajar. Kapasitor adalah salah satu komponen listrik yang sering digunakan dalam pembuatan rangkaian listrik. Kapasitor adalah alat yang berfungsi untuk menyimpan energi potensial listrik maupun muatan listrik. kapasitor plat sejajar adalah kapasitor yang terdiri dari dua konduktor dengan luas masingmasing A yang berdekatan namun terisolasi satu sama lain, terpisah dengan jarak d dan membawa muatan yang sama besar namun berlawanan yaitu +q dan –q. Penelitian ini dilakukan untuk mengembangkan alat praktikum kapasitor plat sejajar dalam Menentukan Konstanta Dielektrik Suatu Bahan serta penyusunan modul petunjuk praktikum yang dapat digunakan untuk menunjang praktikum. KAJIAN PUSTAKA Kapasitor adalah komponen pasif yang dapat menyimpan muatan listrik.Kemampuan untuk menyimpan muatan disebut kapasitansi atau kapasitans (C), dengan satuan farad (F). Kapasitor terdiri atas dua keping konduktor yang terpisah pada jarak tertentu. Bila pada kapasitor diberi beda potensial maka pada kedua keping kapasitor masing-masing akan bermuatan listrik yang besarnya sama tetapi tandanya berbeda.Untuk menyimpan energi dalam
alat ini dengan cara memindahkan muatan dari satu konduktor ke konduktor lainnya, sehingga satu konduktor mempunyai muatan negatif dan konduktor yang lain bermuatan positif. Dalam diagram rangkaian, kapasitor dinyatakan oleh salah satu dari simbol – simbol ini:
Gbr 1. Simbol Kapasitor Kapasitansi Kapasitor Kapasitansi adalah suatu ukuran dari “kapasitas” penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu.Untuk menuliskan simbol kapasitansi biasanya dilambangkan dengan huruf C yang dicetak miring (C), hal ini untu membedakan dengan C yang merupakan satuan dari muatan yaitu Coulomb. Pada medan listrik disebarang titik di dalam daerah diantara konduktor – konduktor, sebanding dengan besar muatan q pada tiap konduktor. Didapatkan bahwa selisih potensial Vab diantara konduktor sebanding dengan q. Jika besar muatan dilipat gandakan pada tiap konduktor maka kerapatan muatan, medan listrik pada titik tersebut menjadi dua kali lipat, dan selisih potensial diantara konduktor – konduktor itu juga menjadi dua kali lipat. Akan tetapi rasio muatan terhadap selisih potensial tidak berubah. Rasio muatan terhadap selisih potensial disebut kapasitansi C dari kapasitor, yang dirumuskan sebagai berikut: (1) Nilai kapasitansi hanya bergantung pada bentuk dan ukuran konduktor– konduktor serta sifat alami dari material pengisolasi diantara konduktor – konduktor.
Kapasitor Plat Sejajar Bentuk paling sederhana dari kapasitor terdiri dari dua plat konduksi sejajar, dengan luas masing – masing A terpisah dengan jarak d yang kecil jika dibandingkan dengan dimensi – dimensi plat itu.
+ q d
(2) Potensial Listrik pada Kapasitor Plat Sejajar Pada kapasitor plat sejajar medan listrik yang dihasilkan adalah homogen. Sehingga perbedaan potensial antara keping positif dan negatif dalam medan homogen ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
q
(3)
A Gbr 2. Sebuah kapasitor plat sejajar yang bermuatan Medan Listrik pada Kapasitor Plat Sejajar
E= 0
E= 0
Kapasitansi Sejajar
pada
Kapasitor
Plat
Kapasitor keping sejajar terdiri dari dua keping yang sama luasnya A dan terpisah dengan jarak d. Harga d lebih kecil dibanding panjang dan lebar keping. Pada salah satu keping diberikan muatan +q dan keping lainnya diberikan muatan – q. Medan listrik pada suatu titik diantara keping (tidak termasuk titik – titik didekat ujung keping) mendekati besar medan yang diakibatkan oleh dua bidang tak berhingga yang sejajar tetapi muatannnya berlawanan.Rumus kapasitansi pada kapasitor :
d a
b
Gbr.3 Medan listrik diluar kapasitor plat sejajar Medan listrik pada kapasitor hanya terdapat di ruang antara kedua keping. Medan listrik diantara kedua keping tersebut bersifat homogen. Besarnya kuat medan listrik di luar keping adalah nol (E=0). Sedangkan besarnya medan listrik diantara dua keping tersebut dapat dihitung melalui persamaan berikut ini: dengan maka :
(4) Kapasitansi tidak bergantung pada muatan maupun tegangan kapasitor tetapi hanya bergantung pada faktor–faktor geometri. Dielektrik Dielektrik adalah suatu material non konduktor seperti kaca, kertas, atau kayu. Michael Faraday secara eksperimental menemukan ketika diantara dua konduktor pada suatu kapasitor diisi dengan dielektrik, kapasitansi naik
sebanding dengan faktor k. Faktor k merupakan karakterisitik dielektrik yang disebut konstanta dielektrik. Permitivitas Dielektrik Definisi dari dielektrik adalah:
permitivitas (5)
Kuat medan listrik di dalam dielektrik bentuk rumusnya dapat serupa dengan kuat medan listrik di dalam vakum. Pada ruang hampa / vakum digunakan permitivitas ruang hampa/vakum yaitu , dan pada dielektrik digunakan permitivitas dielektik yaitu . Pada kapasitor yang memiliki rapat muatan keping konduktor sebesar maka kuat medan listrik di dalam vakum sebesar dan kuat medan di dalam dielektrik sebesar (2.33) diperoleh:
Masing – masing kapasitor pada susunan seri akan mempunyai muatan yang sama(Q1=Q2).
, dengan Q = Q1 = Q2
(8)
Untuk rumus konstanta dielektrik pada udara diperoleh dengan rumus sebagai berikut: , dengan Q = C V
(9)
. Dari persamaan (6)
Untuk permitivitas dielektrik terhadap vakum adalah :
relatif
(7) tidak memiliki satuan. Suatu kapasitor plat sejajar dengan luas penampang A dan berjarak d, disisipi oleh bahan dielektrik dengan luas penampang yang sama A dan mempunyai ketebalan t. Kapasitor tersebut identik dengan kapasitor yang tesusun seri.
METODE Penelitian ini menggunakan metode penelitian pengembangan yang berorientasi pada dihasilkannya produk berupa penyempurnaan alat kapasitor plat sejajar dan modul petunjuk praktikum. Prosedur penelitian ditempuh melalui langkahlangkah kajian pustaka, menelaah dan menyusun alat praktikum, pembuatan alat bantu, eksperimen, analisis data, perbaikan, pembuatan modul petunjuk praktikum, uji coba modul petunjuk praktikum, dan diakhiri dengan analisis modul. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada saat pertama kali melakukan eksperimen, peneliti mengalami kesulitan dalam meletakkan bahan dielektrik. Peneliti membuat batang statip kayu (gambar 4.1) untuk menahan posisi bahan dielektrik diantara plat kapasitor. Statip terbuat dari kayu yang merupakan bahan isolator agar statip tidak teraliri muatan. Batang statip kayu yang telah dibuat :
Gbr 4. Kapasitor yang disisipi bahan dielektrik
Dari hasil penelitian diperoleh nilai konstanta dielektrik sebagai berikut: 1.
Setelah dibuat alat bantu dilaksanakan praktikum. Dari hasil praktikum diperoleh grafik :
Udara Pada percobaan kapasitor plat sejajar dengan bahan dielektrik udara diperoleh nilai konstanta dielektrik sebesar (8,60 0,01 ) x 10 -1 dengan kesalahan relatif . Hasil percobaan ini tidak sama dengan nilai konstanta dielektrik udara yang terdapat pada buku manual alat kapasitor plat sejajar sebesar 0,98. Perbedaan ini muncul karena berbagai faktor. Salah satunya adalah perbedaan iklim. Iklim di negara pembuatan alat kapasitor plat sejajar (Jerman) berbeda dengan tempat peneliti melakukan eksperimen (Indonesia) sehingga hasil konstanta bahan dielektrik yang didapat juga berbeda.
700000
2.
Kuat Medan Listrik (Volt/m)
600000 500000 udara
400000
plastik kaca
300000
Linear (udara) 200000
Linear (plastik) Linear (kaca)
100000 0 300
400
500
600
700
800
900
1000
Tegangan (Volt)
Pada grafik di atas dapat dilihat bahwa pertambahan tegangan berbanding lurus dengan pertambahan kuat medan listrik baik pada bahan kaca, plastik, dan udara. Semakin besar tegangan, kuat medan listrik juga semakin besar. Berdasarkan grafik dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan antara udara, plastik dan kaca. Perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan nilai konstanta dielektrik. Dari ketiga bahan dielektrik nilai konstanta dielektrik terbesar adalah kaca dan yang terkecil adalah udara. Berdasarkan kenaikan grafik dapat disimpulkan bahwa nilai konstanta dielektrik berpengaruh pada kuat medan listrik pada kapasitor plat sejajar, yaitu semakin besar nilai konstanta dielektrik semakin besar kuat medan listriknya.
Plastik Berdasarkan praktikum yang sudah dilaksanakan diperoleh nilai konstanta dielektrik sebesar (2,1 0,2) dengan kesalahan relatif . Terdapat perbedaan antara nilai konstanta dielektrik plastik hasil percobaan dengan buku petunjuk penggunaan alat kapasitror plat sejajar. Faktor yang dapat mempengaruhi perbedaan ini antara lain adalah kesalahan sistematis. Kesalahan sistematis disini yaitu sulitnya membuat kedua plat tepat sejajar sehingga mempengaruhi kuat medan listrik dalam plat tersebut. Dalam perhitungan faktor ketidaksejajaran ini diabaikan, dan pada percobaan faktor ketidaksejajaran ini diminimalkan. Faktor yang kedua peneliti tidak dapat memastikan bahwa bahan dielektrik plastik yang digunakan percobaan benar – benar plastik jenis polystyrene, hal ini sebabkan karena keterbatasan alat ukur untuk menyelidiki struktur bahan. 3.
Kaca Berdasarkan buku penggunaan alat kapasitor plat sejajar hasil konstanta dielektrik kaca adaah 6,5. Pada percobaan diperoleh nilai konstanta dielektrik kaca
sebesar ) dengan kesalahan relatif . Terdapat perbedaan antara nilai konstanta dielektrik hasil praktikum peneliti dengan buku petunjuk penggunaan alat kapasitor plat sejajar yang disebabkan oleh beberapa faktor. Faktor yang pertama belum dapat dipastikan jenis kaca yang digunakan. Faktor yang kedua yaitu sulit untuk membuat kedua plat tepat sejajar, sehingga mempengaruhi medan listrik yang keluar. Faktor yang ketiga, bahan dielektrik kaca ini cukup licin sehingga susah untuk menempatkannya tepat berada ditengah – tengah antara kedua plat. Selain data percobaan produk yang dihasilkan dari penelitian ini adalah modul praktikum. Modul praktikum ini diujikan pada 16 mahasiswa untuk mengetahui apakah modul praktikum dapat digunakan untuk menunjang praktikum kapasitor plat sejajar. Hasil angket menunjukkan mahasiswa menyatakan bahwa modul yang dibuat dapat digunakan untuk menunjang jalannya praktikum kapasitor plat sejajar. KESIMPULAN Alat kapasitor plat sejajar yang disusun peneliti dapat digunakan untuk menentukan nilai konstanta dielektrik suatu bahan. Berdasarkan hasil penelitian diperoleh nilai konstanta dielektrik yang berbeda dengan buku petunjuk penggunaan alat kapasitor plat sejajar LD Didactic Gmbh. Hasil dari konstanta dielektrik untuk udara menurut percobaan adalah (8,60 0,01 ) x 10 -1 dan menurut buku petunjuk penggunaan alat kapasitor plat sejajar LD Didactic Gmbh adalah 0,98. Hasil konstanta dielektrik untuk bahan plastik menurut percobaan adalah (2,2 0,2) sedangkan menurut buku petunjuk penggunaan alat kapasitor plat sejajar LD Didactic Gmbh sebesar 2,1. Hasil konstanta dielektrik untuk bahan kaca menurut percobaan adalah
) sedangkan menurut buku petunjuk penggunaan alat kapasitor plat sejajar LD Didactic Gmbh adalah 6,5. Perbedaan ini terjadi karena kesalahan sistematis yaitu kondisi plat yang tidak tepat sejajar serta struktur bahan dielektrik plastik dan kaca belum diketahui. Selain itu dihasilkan modul petunjuk praktikum yang diujikan kepada mahasiswa. Berdasarkan hasil angket, diperoleh hasil bahwa 96,09 % modul petunjuk praktikum dapat digunakan mahasiswa untuk melakukan praktikum kapasitor plat sejajar.
PUSTAKA
Skripsi.
[1] Giancoli, Douglas C. 1999. Fisika Edisi Kelima Jilid 2. Jakarta: Erlangga [2] Halliday, David. et al. 1978. Fisika untuk mahasiswa (jilid 2). (Pantur Silaban, penerjemah). Jakarta: Penerbit Erlangga. [3] Halliday, D. dkk. 2010.Fisika Dasar
Mandala Surabaya.
Edisi 7 Jilid 2.Jakarta : Erlangga. [4] Herminegari. Manfaat
2013.
Fungsi
Media
dan
Pembelajaran.
(Diakses pada 6 Februari 2014 dari http://herminegari.wordpress.com) [5] Pattiiha, Hendra. 2009. Menentukan Diameter
Kawat
Menggunakan Cahaya.
Tipis
Metode
Skripsi
S1.
dengan Difraksi
Universitas
Katolik Widya Mandala Surabaya. [6] Purnamawati&Eldarni.
2001.
Pengertian Media. (Diakses pada 23 Januari
2014
dari
http://www.ialf.edu/kipbipa/papers/O udaTedaEna.doc ) [7] Sears, Francis W. & Zemansky, Mark W. 1962. Fisika untuk Universitas 2 Listrik,
Magnet
(Nabris
Chatib,
penerjemah). Jakarta: Yayasan Dana Buku Indonesia [8] Suyoso. 2003. Common Textbook Listrik Magnet (Edisi Revisi). Jica: Yogyakarta. [9] Tipler, Paul. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik. (Bambang Soegijono, penerjemah). Jakarta: Penerbit Erlangga. [10] Universitas Katolik Widya Mandala. 1998. Pedoman Umum Penulisan
Surabaya:
Unika
Widya
[11] Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2006. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid II. (Pantur Silaban, penerjemah). Jakarta: Erlangga
