Pemuat

Pemuat atau kapasitor (juga kondenser atau kondensator) merupakan alat elektrik atau elektronik yang mampu menyimpan tenaga di medan elektrik antara sepasang pengalir (plat). Proses menyimpan tenaga dalam kapasitor dikenali sebagai "mengecas", dan melibatkan cas elektrik yang mempunyai magnitud yang sama, tetapi kekutuban yang berlawan yang berkumpul di kedua-dua plat masing-masing.

Berjenis-jenis kapasitor.

Kapasitor biasanya digunakan dalam litar elektrik dan litar elektronik sebagai alat storan tenaga. Selain itu, kapasitor dapat digunakan untuk meghalang arus terus, dan pada masa sama membenarkan arus ulang-alik melaluinya. Kapasitor juga digunakan untuk memisahkan antara isyarat frekuensi tinggi dan rendah. Oleh itu, kapasitor biasanya digunakan sebagai penapis elektronik.

Bentuk-bentuk pemuat terawal dicipta pada abad ke-18 melalui reka cipta balang Leyden oleh ahli-ahli sains Eropah yang mendapati bahawa cas elektrik dapat disimpan dalam balang-balang kaca berisi air.^[1][2]

Konsep

Sebuah pemuat terdiri daripada dua kepingan konduktor yang diletakkan bertentangan dalam suatu jarak hampir bersentuhan, plat-plat ini boleh dibuat daripada bahan mengalir seperti aluminum, manakala ruang di antara konduktor boleh diisi dengan bahan penebat atau dibiarkan kosong (ruang vakum), yakni dielektrik.^[3]

Perbezaan sifat bahan kedua-dua hujung ini menghalang pemindahan cas yang lazim pada wayar biasa. Sebaliknya pemuat yang dilalukan arus akan mengalirkan elektron-elektron sama kutub bertumpu pada satu hujung litar berpemuat; lama-kelamaan beza keupayaan dikenakan menyebabkan satu hujung akan bercas negatif penuh manakala satu hujung lagi bercas positif penuh kerana elektron berlawanan di kepingan bertentangan ditarik keluar menyeimbangkan.^[3] Kewujudan cas elektrik bertentangan di kedua-dua kepingan akan membentuk medan elektrik di ruang di antara kedua-dua kepingan yang terbit dari kepingan bercas positif ke kepingan yang lagi satu. Apabila sumber voltan dihilangkan, beza keupayaan merentasi pemuat dapat dikekalkan sementara medan elektrik terhasil mengekalkan zarah-zarah bercas di pemuat. Dielektrik berupaya dalam membantu dalam perambatan medan elektrik lalu menguatkan lagi keupayaan pemuat.

Kapasitans

Rencana utama: Kapasitans

Kapasitans, (secara harafiah, kebolehmuatan; C) merujuk kepada keupayaan pemuat untuk menyimpan cas, dan dinilai dengan unit farad (F, dinamakan sempena Michael Faraday). Secara rumus, kapasitans merujuk kepada nisbah cas elektrik, q yang disimpan dalam pemuat dengan beza keupayaan elektrik, V terjana apabila merentasi pemuat.

${\displaystyle C={\frac {q}{V}}.}$

Dengan itu, nilai kapasitans sebanyak satu farad bererti satu coulomb cas elektrik dapat dimuat di setiap konduktor bagi setiap satu volt beza keupayaan.^[4]

Jenis struktur pemuat

Pemuat dwikepingan

Pemuat teringkas ialah pemuat berkeping selari; pemuat yang terdiri daripada dua kepingan berkeluasan A yang diletakkan pada jarak yang dekat, d. Ruang di antara kepingan diisi oleh dielektrik dengan nilai ketelusan, ɛ. Dalam pemuat sejenis ini, d adalah sangat kecil berbanding dimensi saiz kepingan. Dalam pemuat sejenis ini, medan elektrik, E terhasil secara sekata di ruang di antara kepingan. Dengan itu, apabila satu kepingan diisi oleh sejumlah cas positif, +Q dan kepingan yang lagi satu diisi oleh sejumlah cas negatif, -Q, ketumpatan cas yang terhasil, σ = Q per A adalah sekata di serata kepingan. Berdasarkan hukum Gauss, magnitud medan elektrik yang terhasil ialah E = σ per ɛ. Berdasarkan takrifan voltan sebagai kamiran garisan medan elektrik di antara kepingan:

${\displaystyle V=\int _{0}^{d}E(z)\,\mathrm {d} z=Ed={\sigma \over \varepsilon }d={Qd \over \varepsilon A},}$

boleh diketahui nilai kapasitans berdasarkan formula asal di atas, ${\displaystyle C=Q/V}$, iaitu:

${\displaystyle C={\varepsilon A \over d}.}$

Gabungan pemuat dalam litar

Gambaran gabungan dua pemuat yang disambung secara selari.

Gambaran gabungan dua pemuat yang disambung secara bersiri.

Dalam litar selari, boleh dibayangkan bahawa menggabungkan semua pemuat dalam litar akan menghasilkan sebuah pemuat yang memiliki luas kepingan bersamaan dengan jumlah luas permukaan kepingan pada setiap kapasitor, lalu meningkatkan jumlah kapasitans yang diperoleh. Oleh itu, jumlah kapasitans dalam litar selari ialah:

${\displaystyle C_{\mathrm {eq} }=\sum _{i}C_{i}=C_{1}+C_{2}+\cdots +C_{n}}$

Bagi sekumpulan pemuat yang dipasang dalam litar bersiri, boleh dibayangkan bahawa penggabungan semua pemuat akan menghasilkan semua pemuat yang memiliki jarak pemisahan yang lebih besar berbanding pemuat-pemuat asal. Dengan itu, nilai jumlah kapasitans yang diperoleh adalah lebih kecil daripada kapasitans setiap pemuat. Jumlah kapasitans yang diperoleh adalah seperti yang berikut:

${\displaystyle {\frac {1}{C_{\mathrm {eq} }}}=\sum _{i}{\frac {1}{C_{i}}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{C_{n}}}}$

Penandaan

Sebilangan besar pemuat mempunyai penandaan kapasitans yang dicetak pada badan pemuat. Pemuat yang lebih besar seperti jenis elektrolit biasanya menunjukkan nilai kapasitans secara terus seperti "220 μF". Selain itu, sebilangan pengeluar pemuat mencetak unit "MF" pada pemuat untuk mewakili unit mikrofarad (μF).^[5]

Pemuat yang lebih kecil seperti jenis seramik menggunakan notasi ringkas yang terdiri daripada tiga digit dan sebuah huruf, dengan tiga digit (XYZ) menunjukkan nilai kapasitans dalam pikofarad (pF) dengan perwakilan XY × 10^Z, dan huruf tersebut menunjukkan julat toleransi. Toleransi biasa ialah ±5%, ±10%, dan ±20%, masing-masing diwakili oleh J, K, dan M. Sebagai contoh, pemuat yang dilabel atau ditetapkan dengan "473K 330V" mempunyai nilai kapasitans 47 × 10³ pF = 47 nF (±10%) dengan voltan kerja maksimum 330 V. Nilai voltan ini ialah nilai voltan tertinggi yang dapat ditampung oleh pemuat tanpa ada risiko lapisan dielektrik rosak.

Kegunaan

Pemuat dapat menyimpan sejumlah cas elektrik apabila sumber voltan dipasang pada sistem/litar, dan boleh melepaskan cas elektrik ketika sumber voltan ditanggalkan. Oleh itu, pemuat dapat dijadikan sebagai bateri sementara dalam situasi ini. Dalam hal ini, pemuat sering digunakan sebagai pembekal bekalan elektrik sementara bateri ditanggalkan bagi tujuan cas semula.

Keselamatan

Ancaman bahaya daripada kapasitor biasanya ditentukan oleh jumlah cas yang tersimpan, yang menjadi punca kecederaan seperti kelecuran atau fibrilasi jantung. Faktor seperti voltan dan bahan lazimnya dikemudiankan, dan yang lebih berkait dengan betapa mudah kejutan dapat diperoleh dan bukannya magnitud kecederaan terhasil.^[6] Dalam keadaan tertentu seperti kekonduksian permukaan, keadaan kesihatan, kelembapan udara, atau laluan aliran cas dalam badan (yakni kejutan yang memasuki bahagian dalam badan, terutamanya jantung), kejutan serendah satu joule telah dilaporkan membawa maut, walaupun dalam kebanyakan keadaan, tidak akan memberi sebarang kesan lecur. Kejutan lebih daripada 10 joule secara amnya akan merosakkan kulit, dan lazimnya dianggap berbahaya. Mana-mana kapasitor yang dapat menyimpan 50 joule atau lebih perlu dianggap membawa ancaman maut.^[6][7]

Rujukan

1. Williams, Henry Smith. "A History of Science Volume II, Part VI: The Leyden Jar Discovered". Dicapai pada 2013-03-17.
2. Keithley, Joseph F. (1999). The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 BC to the 1940s. John Wiley & Sons. m/s. 23. ISBN 978-0780311930. |access-date= requires |url= (bantuan)
3. Khairul Ikhwan Khamis (16 September 2021). "Apakah itu kapasitor dan bagaimana ia berfungsi". PakcikEngineer. Dicapai pada 1 November 2021.
4. Ulaby, Fawwaz Tayssir (1999). Fundamentals of Applied Electromagnetics. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0130115546.
5. Kaplan, Daniel M.; White, Christopher G. (2003). Hands-On Electronics: A Practical Introduction to Analog and Digital Circuits. Cambridge University Press. m/s. 19. ISBN 978-0521893510.
6. Winburn (1989). Practical Laser Safety, Second Edition. CRC Press. m/s. 189. ISBN 978-0824782405.
7. "Some Xenon Strobe and Flash Safety Hints".