SMA · 8 menit · Elektrostatika & Rangkaian Listrik
Kapasitor dan energi medan listrik
Kapasitor memisahkan muatan pada dua penghantar. Energinya terkait medan listrik di antara penghantar, bukan penciptaan muatan baru.
Yang akan kamu pelajari
- Kapasitansi
- Energi medan
Pahami konsepnya
Kapasitansi C=Q/ΔV dengan Q besar muatan pada salah satu konduktor. Kapasitor pelat ideal C≈εA/d ketika pengaruh tepi diabaikan. Dielektrik dapat memperbesar C melalui polarisasi.
Energi U=Q²/(2C)=C(ΔV)²/2=QΔV/2. Kapasitor paralel menjumlah C, sedangkan seri menjumlah 1/C. Jarak pelat, geometri, medium dan kondisi sumber harus disebutkan sebelum menyimpulkan perubahan energi.
Analisis lanjut
Rapat energi medan di vakum u_E=ε₀E²/2. Jika baterai tetap terhubung, V tetap dan perubahan C disertai transfer muatan/energi ke baterai. Jika kapasitor terisolasi, Q tetap.
Dielectric breakdown membatasi medan nyata. Sirkuit RC memberi pengisian Q(t)=CV₀(1−e^(−t/RC)) pada model ideal; energi sumber dibagi menjadi energi medan dan kalor resistor.
Pendalaman: Ke mana energi sumber pergi?
Kapasitor mula-mula kosong dihubungkan ke sumber ideal V melalui resistor. Sumber memindahkan muatan CV dan melakukan kerja W_source=∫Vdq=CV². Energi akhir medan hanya CV²/2.
Separuh sisanya terdisipasi di resistor pada model RC, tidak bergantung besar R selama model berlaku. Mengambil R→0 membuat transien sangat singkat dan memerlukan induktansi/radiasi nyata; tidak berarti energi hilang. Ini contoh penting bahwa mempertahankan asumsi ketika mengambil limit harus diperiksa.
Contoh terurai
Kapasitor 100 μF pada 10 V menyimpan Q=0,001 C dan U=0,005 J. Bila terisolasi lalu C digandakan, Q tetap dan V menjadi 5 V; energi menjadi 0,0025 J. Bila baterai mempertahankan 10 V, Q dan energi justru menjadi dua kali.
Coba, amati, jelaskan
Gunakan perhitungan atau simulator saja untuk membandingkan Q tetap versus V tetap. Jangan membongkar alat elektronik; kapasitor nyata dapat tetap bermuatan setelah alat dimatikan.
Cek pemahaman
Pada kapasitor terisolasi, besaran mana tetap ketika kapasitansi berubah?
- Energi U selalu
- Muatan Q
- Tegangan V selalu
Jawab dan baca pembahasannya di aplikasi.
Sumber & bacaan lanjutan
openstax.org · Rujukan Kapasitor dan energi medan listrik