MATERIAL DIELEKTRIK
A.
Pengertian Material Dielektrik
Material dielektrik adalah suatu bahan sejenis isolator yang dapat dikutubkan (polarized) dengan cara menempatkannya dalam medan listrik. Jadi saat material ini dalam medan listrik, muatan listriknya tidak akan mengalir, tetapi hanya bergeser sedikit dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Dikarenakan pengutubannya itu maka muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, begitu juga muatan negatif yang bergerak berlawanan arah, yang menyebabkan adanya medan listrik internal dalam bahan dielektrik, sehingga jumlah keseluruhan medan listrik dalam bahan dielektrik menurun.
Syarat agar material dielektrik bisa diaplikasikan adalah : -
Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi.
-
Rugi-rugi dielektrik yang rendah.
-
Memiliki kekuatan kerak tinggi.
-
Memiliki konstansta dielektrik yang tepat dan cocok.
-
Daya tahan terhadap panas yang tinggi.
-
Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
-
Konduktivitas panas yang tinggi.
-
Koefisien muai panas yang rendah.
-
Tidak mudah terbakar.
Istilah dielektrik biasa digunakan untuk bahan-bahan isolator yang tingkat pengutubannya tinggi, yang diimplementasikan dalam konstanta dielektrik yang juga merupakan salah satu syarat dari yang dijelaskan di atas tadi. Contoh alat yang sering memakai bahan dielektrik adalah sekat isolator diantara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Dan kegunaan lainnya adalah untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi, serta mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Dalam bab ini, yang akan dibahas adalah polarisasi dan konstanta dielektrik, macammacam polarisasi, polarisasi pada zat padat dan peersamaan Clausius-Mossoti, pengaruh frekuensi, rugi-rugi dielektrik, rangkaian ekivalen dielektrik, kekuatan dielektrik dan tembus dielektrik, serta piezoelektrik dan ferroelektrik.
B.
Polarisasi dan Konstanta Dielektrik Polarisasi terjadi karena adanya pergerakan dari elektron, ion, dan molekul-molekul
polar di dalam dielektrik yang diakibatkan oleh adanya medan elektrik.
Bisa dilihat dalam gambar di atas bagaimana bisa terjadinya polarisasi. Peristiwa tersebut dapat diilustrasikan melalui gambar di atas jadi ada material yang ditempatkan antara 2 pelat kapasitor yang diberi medan listrik. Pada gambar a bisa dilihat kalau material terpolarisasi, dan pada pelat mulai terinduksi muatan yang berlawanan tanda. Pada gambar b menunjukkan bagian material saja yang terdapat muatan positif dan negatif secara berantai. 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). Dikarenakan konstanta dielektrik adalah perbandingan antara rapat fluks elektrostatik dengan permitivitas ruang hampa udara, maka secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai
Bila kita hubungkan dengan polarisasi dalam material dan kerapatan fluks listrik kita bisa mendapat hubungan berupa P = ( )
C.
Macam-Macam Polarisasi Seperti yang dijelaskan tadi kalau polarisasi diakibatkan oleh adanya pergerakan dari
elektron, ion, dan molekul-molekul dalam suatu bahan yang diakibatkan oleh adanya medan listrik. Jenis-jenis polarisasi bisa adalah sebagai berikut :
C.1
Polarisasi Elektronik Polarisasi ini terjadi pada semua jenis dielektrik. Prosesnya adalah karena adanya
pergeseran awan elektron pada atom atau molekul karena pengaruh medan listrik, sehingga pusat muatan listrik positif dan negatif yang awalnya berhimpit menjadi terpisah dan membentuk dipol-dipol. Pemisahan ini tetap dilakukan sampai terjadinya keseimbangan dengan medan listrik yang mempengaruhinya. Dipol yang terbentuk merupakan dipol nonpermanen artinya hanya terjadi apabila adanya pengaruh medan listrik saja, jadi apabila medan listrik hilang atau tidak ada sama sekali maka titik-titik pusat muatan akan berhimpit kembali. Apabila medan yang diberikan adalah medan searah maka dipol terbentuk hampir seketika dengan hadirnya medan listrik. Jadi polarisasi elektronik bisa terjadi pada medan listrik bolak-bolik berfrekuensi tinggi.
Kejadiannya diilustrasikan pada gambar berikut :
Konstanta polarisasi elektronik dapat dinyatan sebagai berikut :
C.2
Polarisasi ionik Polarisasi jenis ini hanya teramati pada material dengan ikatan ion. Polarisasi terjadi
karena pergeseran ion-ion yang berlawanan tanda karena pengaruh medan listrik. Sebagaimana halnya dengan polarisasi elektronik, dipole yang terbentuk dalam polarisasi
ionik juga merupakan dipole tidak permanen. Namun polarisasi ionik terjadi lebih lambat dari polarisasi elektronik. Apabila di berikan medan searah, diperlukan waktu lebih lama untuk mencapai keadaan seimbang; demikian pula jika medan dihilangkan posisi ion akan kembali pada posisi semula dalam waktu lebih lama dari polarisasi elektronik. Oleh karena itu pada medan bolak-balik polarisasi masih bisa berlangsung namun pada frekuensi yang lebih rendah. Diilustrasikan pada gambar di bawah ini
Dengan konstanta polarisasi ionik/atomik
C.3
Polarisasi orientasi (dipolar) Polarisasi ini terjadi pada material yang memiliki molekul asimetris yang membentuk
momen dipole permanen. Dipole-dipole permanen ini akan cenderung mengarahkan diri sejajar dengan medan listrik; namun tidak semua dipole akan sejajar dengan arah medan. Kebanyakan dipole permanen ini membentuk sudut dengan arah medan. Waktu yang diperlukan untuk mencapai keseimbangan juga cukup lama. Seperti halnya polarisasi muatan ruang, terjadinya polarisasi orientasi juga dapat dipermudah pada temperatur tinggi. Pembentukan elektret juga dapat terjadi jika dengan tetap mempertahankan medan polarisasi, temperatur diturunkan sampai temperatur kamar. Posisi dipole dapat dapat kembali hampir pada posisi semula jika dilakukan.
Diilustrasikan dalam gambar di bawah ini :
Dengan konstanta polarisasi oreintasi tergantung dari temperatur dan dapat dihitung dengan konstanta Boltzman seperti berikut :
C.4
Polarisasi muatan ruang
Polarisasi ini terjadi karena pemisahan muatan-muatan ruang, yang merupakan muatan-muatan bebas dalam ruang dielektrik. Dengan proses ini terjadi pengumpulan muatan sejenis di dua sisi dielektrik. Polarisasi ini berlangsung lebih lambat lagi dan pada waktu medan listrik dihilangkan muatan ruang dapat menempati posisi yang baru, tidak seluruhnya kembali pada posisi awal. Polarisasi akan lebih mudah terjadi jika dilakukan pada temperatur yang agak tinggi. Pada polyimide misalnya, polarisasi dapat dilakukan pada temperatur 200oC dan kesimbangan sudah bisa tercapai dalam waktu satu jam. Jika temperatur diturunkan lagi ke temperatur kamar dalam keadaan medan tidak dihilangkan, maka ion-ion akan terjebak pada posisi yang baru; dielektrik akan menjadi elektret .
D.
Polarisasi zat padat dan persamaan Clausius-Mossoti Pada zat padat antar atom berinteraksi sehingga antar dipol juga berinteraksi. Dalam
mengevaluasi koefisien polarisasi maka pengaruh dipol disekitarnya perlu dipertimbangkan. Bila Medan E diberikan kedalam dielektrik maka suatu titik didalam dielektrik akan mengalami medan tambahan akibat interaksi dipol. Dan persamaan Clausisus Mossoti adalah sebagai berikut:
E.
( )( )
Pengaruh Frekuensi Jadi apabila ada signal/medan yang diberikan oleh gelombang sinusoidal maka
konstanta dielektrik dalam keadaan sinusoidal akan berbeda dengan keadaan DC; yang mana keadaan DC berpengaruh dalam konstanta dielektrik. Dengan adanya gelombang sinusoidal maka akan membuat arah polarisasi berubah secara periodik mengikuti perubahan medan, dan membuat nilainya menjadi lebih besar. Sebenarnya adanya dipol akan membawa kondisi dimana tidak semua dipol dapat mengikuti perubahan medan, yang disebabkan oleh 2 faktor yaitu : 1. Agitasi termal yang cenderung membuat orientasi dipol menajdi random. 2. Friksi dengan atom/dipol/kisi disekitarnya yang cenderung untuk menghambat terjadinya orientasi untuk mengikuti medan.
F.
Rugi-rugi Dielektrik Rugi-rugi dielektrik untuk isolasi tegangan tinggi merupakan salah satu ukuran penting
terhadap kualitas material isolasi. Suatu bahan dielektrik tersusun atas molekul-molekul dan elektron-elektron di dalamnya terikat kuat dengan inti atomnya. Ketika bahan tersebut belum dikenai medan listrik, maka susunan molekul dielektrik tersebut masih belum beraturan (tidak tersusun rapi).
Ketika molekul-molekul tersebut dikenai medan listrik, maka muatan inti positif mengalami gaya yang searah dengan medan listrik dan elektron-elektron dalam molekul tersebut akan mengalami gaya listrik yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik tadi. Gaya listrik ini akan mengubah posisi elektron dan proton dari posisi semula, akibatnya molekul-molekul dielektrik akan terpolarisasi dan berubah arahnya sejajar dengan arah medan listrik. Karena mendapat terpaan elektrik yang selalu berubah-ubah arahnya, maka arah dipol juga berubah-ubah setiap saat (1800) terhadap posisi semula. Perubahan arah molekul akan menimbulkan gesekan antar molekul. Karena medan listrik yang berubah setiap saat, maka gesekan antar molekul juga terjadi berulang-ulang. Gesekan ini akan menimbulkan panas yang disebut dengan rugi-rugi dielektrik.
G.
Rangkaian Ekivalen Dielektrik Arus yang timbul pada suatu dielektrik ada tiga komponen yaitu arus pengisian, arus
absorpsi dan arus konduksi. Sehingga rangkaian ekivalen suatu dielektrik harus dapat menampilkan adanya ketiga kompanen arus diatas. Rangkaian ekivalen mendekati gambar berikut.
Sehingga menimbulkan persamaan-persamaan sebagai berikut :
H.
Kekuatan Dielektrik dan Tembus Dielektrik
Semua bahan dielektrik memiliki tingkat ketahanan yang disebut dengan “kekuatan dielektrik”, diartikan sebagai tekanan listrik tertinggi yang dapat ditahan oleh dielektrik tersebut tanpa merubah sifatnya menjadi konduktif. Apabila suatu dielektrik berubah sifatnya menjadi konduktif, maka dielekrik tersebut telah tembus listrik (breakdown). Kekuatan dielektrik juga dapat diartikan sebagai tekanan listrik terendah yang mengakibatkan dielektrik tersebut tembus listrik. Kekuatan dielektrik ini disebut juga dengan kuat medan kritis. Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan minimum yang dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut. Kekuatan dielektrik dari suatu bahan isolasi dinyatakan dengan tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh suatu medium tanpa merusaknya. Dengan kata lain, kekuatan dielektrik dinyatakan dengan gradien tegangan yang diperlukan supaya dielektrik itu mengalami tembus listrik.
Tembus dielektrik dibedakan menjadi 3 bagian yaitu : 1. Tembus pada dielektrik gas Dielektrik gas mempunyai susunan molekul/atom yang relatif jarang dibandingkan dengan dielektrik cair/padat. Untuk terjadinya tembus perlu ada elektron awal. Elektron awal dapat muncul dalam gas melaluio berbagai cara seperti akibat radiasi kosmik, eksitasi termal atau elektron dari permukaan katoda akibat berbagai proses seperti radiasi atau emisi medan.
2. Tembus pada dielektrik cair Kejadian tembus pada dielektrik cair masih menyimpan misteri dan tidak sejelas dielektrik gas. Terjadinya tembus dielektrik cair karena adanya gelembung gas (buble)dan partikel kondusif. Gelembung gas akan tembus walaupun dielektrik cair masih sehat karena kekuatan tembus dielektrik cair lebih tinggi dari gas.
3. Tembus pada dielektrik padat Secara umum kekuatan dielektrik padat lebih besar dari dielektrik gas dan cair. Tembus dielektrik padat dibagi atas :
I.
-
Tembus intrinsik (intrinsic breakdown).
-
Tembus thermal (thermal breakdown).
-
Tembus elektromekanik (electromechanical breakdown).
-
Tembus peluahan (discharge breakdown).
Piezoelectric dan Ferroelectric
Ferroelectric adalah terpolarisasinya dipole listrik akibat adanya medan listrik pada bahan dielektrik.
Piezoelectric adalah terpolarisasinya dipole listrik pada dielektrik akibat adanya perubahan dimensi yang dapat menghasilkan tegangan listrik pada material dielektrik
Elektrostriksi merupakan peristiwa terpolarisasinya dipole listrik pada dielektrik akibat adanya medan listrik yang dilanjutkan dengan adanya perubahan dimensi material
Jadi hubungan antara piezzoelectric, elektrostriksi, ferroelektrik, dan dielektrik digambarkan sebagai berikut :
