dielektrik material

I. Pengantar

Bahan dielektrik disebut juga bahan nonkonduktor seperti kaca, kertas atau kayu. Secara mikro, molekul-molekul bahan dielektrik bergerak acak tetapi jika diberi medan listrik luar maka timbul medan listrik yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar.
Karakteristik yang dimiliki oleh semua bahan dielektrik, baik yang berupa cairan, padatan atau gas, berbentuk kristal atau bukan ialah kemampuan untuk menyimpan energi listrik. Penyimpanan ini terjadi dengan pergeseran relatif kedudukan muatan positif internal dan muatan negatif internal terhadap gaya atomik dan molekular yang normal.
Mekanisme yang sesungguhnya dari perpindahan muatan ini berbeda pada setiap bahan dielektrik. Beberapa jenis molekul yang disebut molekul berkutub (molekul polar) mempunyai pergeseran yang permanen antara pusat muatan positif dan “pusat” muatan negatif dan tiap pasang muatan berlaku sebagai dipol. Biasanya dipol ini terorientasi random dalam bahan dielektrik dan suatu medan eksternal yang bekerja padanya akan mengarahkan molekul-molekul tersebut pada suatu arah tertentu. Medan yang cukup kuat dapat menimbulkan pergeseran tambahan antara muatan positif dan negatif.
Molekul takberkutub (molekul nonpolar) tidak mempunyai susunan dipol sebelum medan eksternal dikerjakan padanya. Muatan positif dan negatif bergeser dalam arah yang berlawanan menentang gaya tarik-menariknya, sehingga menimbulkan dipol yang mempunyai arah yang sama dengan medan listriknya.
Konsep penting dalam permasalahan dielektrik adalah momen dipole listrik yang merupakan ukuran pengaruh medan listrik pada sepasang muatan listrik yang yang besarnya sama tapi berlawanan tanda. Ketika medan listrik diberikan pada material dielektrik maka fenomena polarisasi muncul. Bahan dielektrik dipergunakan terutama terkait dengan kemampuananya menyimpan muatan atau energi elektrostatik. Dalam kaiatan ini diperkanalkan beberapa konstanta material dielektrik berkaitan dengan interaksinya dengan medan listrik diantaranya adalah permitivitas dan susceptibilitas untuk besan makro dan konstanta polarisasi untuk skala mikro. Dipihak lain bahan dielektrik juga sangat luas dipakai sebagai isolasi tegangan tinggi.

Baik fungsinya sebagai dielektrik maupun sebagai isolasi material dielektrik memegang peranan sangat penting dalam elektroteknik. Komponen – komponen seperti kapasitor, hingga isolasi pada peralatan listrik seperti motor listrik, generator dan peralatan listrik rumah tangga.
I.1. Pendekatan Makroskopik
Di dalam teori elektromagnetik ini adalah peroalan yang sesungguhnya, yang mana sebagian dari kita perlu untuk mengetahui, dan saya akan membuat rangkuman secara ringkas tentang hasil –hasilnya.
Sebuah dielektrik dilambangkan dengan konstanta ε, yang mana berkaitan oleh hubungan kerapatan flux elektrik dan medan elektrik,

Fakta mendasar dari percobaan berasal dari eksperimen condenser yang mana dalam penambahan kapasistansi oleh factor ε, ketika sebuah dielektrik disispkan diantara plat condenser. Alasannya adalah muatan pada permukaan dielektrik seharusnya mendapat muatan yang baru dari baterei untuk menjaga tegangan supaya konstan
Didalam vacum, kerapatan muatan di permukaan plat condenser adalah :

dimana D adalah jarak antara plat, dengan adanya dielektrik kerapatan muatan dipermukaan menjadi :

Ingat sekarang dari teori elektromagnetik bahwa perpindahan dielektrik D, adalah sama ke permukaan muatan di plat metal. Berarti dalam penambahan kerapatan muatan permukaan oleh P, dan kelemahan dielektrik didefenisikan oleh :






I.2. Pendekatan Microscopic
Sekarang kita akan mencoba untuk mejelaskan efek dari sifat atom. Dengan melihat bagaimana reaksi atom – atom tersebut terhadap medan elektrik Atau kejadian sebelum terjadinya reaksi. Atom memiliki sebuah inti yang positif dan dikelelingi oleh awan electron. Ketika suatu medan elektrik diterapkan, ada suatu pergeseran dalam pusat muatan, terutama sekali dari elektron itu. Jika separasi adalah d, muatan total adalah q, molekul mempunyai suatu induksi momen dipole :

Sekarang mari kita kembali ke uraian mikroskopik dan mengkalkulasi jumlah muatan yang muncul ke permuakaan dari dielektris.. Jika pusat dari muatan elektron bergerak pindah dengan suatu nilai δ, kemudian volume total yang ditempati oleh elektron ini adalah Aδ, di mana A adalah luas. Nm menandakan banyaknya molekul per unit volume dan memperhatikan fakta bahwa molekul masing-masing mempunyai suatu muatan q, total muatan yang muncul di Aδ adalah AδNmq, atau singkatnya Nmqd per luas – inilah yang dimaksud dengan kerapatan muatan permukaan.
Adalah sangat penting untuk dicatat bahwa polarisasi kerapatan muatan permukaan ini adalah persis sama dengan jumlah dipole momen tiap unit volume, yang mana dari persamaan ( 10.6) adalah juga Nmqd sehingga kita telah memperoleh hubungan pertama antara nilai mikroskopik dan makroskopik. :

Karena medan elektrik rendah kita boleh berasumsi bahwa momen dipole adalah sebanding denga lokal elektris , :

Sebagai catatan bahwa adanya penambahan dipole di medan lokal ( fig 10.2) yang akan selalu menjadi lebih besar dari medan elektrik yang diterapkan






II.1. Macam – macam Polarisasi

a. Elektronika
Suatu material tersusun atas inti atom yang dikelilingi oleh electron, electron – electron tersebut dipengaruhi oleh medan listrik yang diberikan, dan cenderung mengikuti medan frekuensi.
b. Molekul
Ikatan antara atom dikuatkan denganmenhadirkan medan listrik, polarisasi ini terjadi pada ikatan atom gol VII pada system periodic. Contol Ikatan NaCl
Sepeti terlihat pada gambar dibawah ini





c. Orientasi
Yaitu polarisasi akibat dipole – dipole didalam bahan dielektrik mengalami perubahan orientasi akibat medan listrik. Polarisasi ini terjadi didalam material dielektrik yang mempunyai dipole permanent (dipolar) seperti HCl pada saat tidak ada medan luar maka dipole – dipole berorientasi secara acak dan tidak ada polarisasi netto.
II.2. Konstanta dielektrik kompleks dan indeks refraktif
Konstanta dielektrik kompleks merupakan konstanta material, dalam aplikasi kerekayasaan kita meminimasi komponen imaginer untuk suatu komponen real, yang didefinisikan sebagai konstanta rugi – rugi dielektrik. Ini dapat diturunkan dari persamaan maxwel dengan penulisan kembali dalam bentuk langsung seperti dibawah ini




Dimana bentuk ini dalam kurung ditunjukan sebagai konstanta dielektrik kompleks. Dan notasi yang digunakan adalah :

Indeks refraksi di dedinisikan sebagai rasio dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa kedalam material tersebut.


Ketika m r = 1 untuk semua material itu mentransmisikan cahaya
Kita membahas konstanta dielektrik ( permitivitas ) untuk frekuensi rendah dalam spectrum elektromagnetic dan index refraksi untuk cahaya, persamaan 10.16 menunjukkan bahwa ada persamaan untuk tekanan dari polarisabilitas dari sebuah material didalam medan elektrik searah.
Suatu aplikasi penting dari dielektrik ke optic telah ……. Dengan mempertimbangkan struktur lapisan yang digambarkan dalam gambar 10.5


dengan kesimpulan koefisien refleksi pada (b) akan menghasilkan persamaan berikut ini:

Beberapa aplikasi dari prinsip ini dapat ditampilkan dengan bentuk setengah gelombang. Bentuk dari ‘blooming’ digunakan pada lapisan tengah dari sebuah gelas

Lapisan material ditampilkan dalam indeks n1 pada gelombang keempat yang dapat dilihat pada gambar 10.17



Xerox Process

Pengembangan besar dari masa lampau selama dua dekade membuka peluang produksi dengan mutu yang tinggi dari dokumen yang ada dengan cepat dan mudah. Pengambilan keputusan yang lebih demokratis, birokrat yang kuat, menyebabkan hutan yang luas akan habis dikonsumsi untuk menyediakan kertas. Secara ilmiah, prinsipnya sederhana. Jantungnya mesin Xerox adalah plat yang dibuat dari suatu lapisan yang tipis dari semikonduktor amorf di suatu plat metal. Semikonduktor adalah suatu campuran dari As, Se, dan Te, yang merupakan bahan isolasi, seperti suatu dielektrik, tetapi juga merupakan suatu photo-conductive yang akan memancarkan cahaya. Plat dielektrik dibebankan secara elektrostatik oleh elektroda kawat sekitar 30 KV. Dokumen yang dicopy akan tergambar ke plat. Keseluruhan plat akan terkena debu dari suatu serbuk yang terdiri dari butiran karbon, tanah kerikil, dan suatu thermosetting polymer. Bedak surplus dilepaskan, dan melekat pada daerah yang gelap pada selembar kertas kemudian ditekan ke plat oleh alat penggulung. serta mengambil butiran debu dan dilewatkan dibawah sinar infra-red.

Liquid Crystals (Cairan Kristal)

Ada tiga jenis struktur cairan kristal yaitu, nematic,cholesteric, dan smectic. Nematic adalah jenis cairan kristal yang paling sering digunakan sebagai display.

Kristal cair dipegang antara dua plat kaca. Jika plat kaca yang sesuai diperlakukan, kemudian permukaan molekul akan membariskan di manapun arah yang diinginkan sehingga dengan demikian dapat mencapai molekul pada kedua permukaan terbalik akan tegak lurus satu sama lainnya10.21(a) itu bukanlah hal yang sulit untuk membayangkan cahaya peristiwa dengan suatu polarisasi yang tegak lurus ke arah molekul akan mampu mengikuti ganda dan akan muncul dengan polarisasi terbelit 900. Seperti itu, dapat dilihat dari Fig.10.21(a), dengan polarisasi keduanya pada tempatnya, cahaya akan mudah dipancarkan. Ketika suatu tegangan diterapkan, molekul berbaris paralel dengan medan elektrik (Fig. 10.21(b)), cahaya masuk tidak lagi ganda polarisasi, dan sebagai konsekwensi tidak ada penerusan cahaya berlangsung.

Anda boleh bertanya langkah ini, mengapa ini suatu peralatan pajangan (display) ? Jawabannya adalah ini hanya merupakan suatu klep, tetapi dapat diubah menjadi suatu alat pajangan dengan penempatan suatu cermin di belakang. Dengan tegangan awal display adalah terang sebab akan memantulkan cahaya yang berkenaan dengan lingkungan

Jenis pajangan kristal cair juga ada. Suatu tanggapan warna dapat diperoleh yang disebut efek tuan rumah-tamu, yang bersandar pada suatu celupan anisotrop membariskan dengan molekul kristal cair.

Keuntungan yang paling besar dari pajangan kristal cair adalah menggunakan tegangan yang kecil dan bentuk fisik yang ramping disbanding dengan menggunakan tabung sinar katode.

KEKUATAN DIELEKTRIK DAN TEMBUS DIELEKTRIK

Material dielektrik banyak dipakai sebagai isolasi tegangan tinggi. Sebagai isolasi maka kekuatan menahan medan listrik yang besar merupakan syarat. Suatu bahan dielektrik mempunyai kekuatan menahan medan listrik tertentu.. Kekuatan menahan medan listrik disebut dengan kekuatan isolasi (satuan kV/cm). Setiap bahan isolasi mempunyai harga kekuatan isolasi masing-masing. Banyak factor yang berpengaruh terhadap kekuatan isolasi seperti struktur molekul, temperature dan kelembaban. Secara umum material isolasi padat mempunyai kekuatan isolasi paling tinggi dan isolasi gas mempunyai harga yang paling rendah.
Biala kepada bahan dielektrik tersebut diberikan medan listrik melebihi kemampuannya maka isolasi akan mengalami kegagalan berupa tembus (break down).
Tembus pada zat padat bersifat permanent sedangkan tembus pada isolasi cair dan terutama gas pada umumnya bersifat sementara. Kejadian tembus isolasi didikuti oleh kenaikan arus yang sangat tinggi, dapat dilihat pada diagram karakteristik arus tegangan dibawah ini

Tembus pada dilektrik gas
Dilektrik gas mempunyai susunan molekul/atom yang relative jarang dibandingkan dengan dielektrik cair atau padat. Untuk terjadinya tembus perlu ada electron awal. Elektron awal dapat muncul dalam gas melalui berbagai cara seperti akibat radiasi kosmik, eksitasi thermal atau electron dari permukaan katoda akibat berbagai proses radiasi atau emisi medan.
Bila suatu electron awal tersedia didalam gas maka bila medan listrik dalam gas cukup besar maka electron akan bergerak dipercepat dan akan memperoleh energi kinetic yang besar pula. Energi kinetik yag besar yang dimiliki electron memungkinkan mengionisasi molekul/electron gas bila bertumbukan.. Dengan adanya ionisasi gas ini maka muncul electron kedua. Kedua electron akan memulai proses serupa untuk menghasilkan dua electron baru dan seterusnya. Sehingga didalam gas akan terjadi multiplikasi electron secara eksponensial. Peristiwa ini disebut dengan avalanche.Bila kenakikan electron berjalan terus maka suatu ketika kedua elektroda akan dijembatani oleh avalanche electron dan terjadilah temus.
Tembus gas dipengaruhi oleh tekanan gas. Makin tinggi tekanan gas maka kerapatan juga makin tinggi. Hal ini mengakibatkan jarak rata-rata antar molekul atuau atom semakin kecil dan sebagai akibatnya energi kinetic electron lebih kecil dan ionisasi molekul/atom gas semakin sulit. Dengan demikian semakin tinggi secara umum makin tinggi tekanan gas maka tinggi pula kakuatan tembus.
Tembus gas juga dipengaruhi oleh tingkat kemurnian gas tersebut. Kandungan zat pengotor dan kelembaban dapat menurunkan kekuatan dielektrik. Temperatur juga dapat mempengaruhi kekuatan dielektrik cair namun biasanya terkait dengan parameter phisik yang lainnya.

Tembus pada dielektrk cair
Kejadian tembus pada dielektrik cair masih menjadi misteri dan tidak sejelas dilektrik gas. Kehadiran gelembung gas dan partikel konduktif didalam dilektrik cair dianggap sebagai terjadnya tembus pada dielektrik cair. Gelembung gas akan tembus walaupun dilektrik cair masih sehat karena kekuatan tembus dielektrik cair lebih tingi dari gas. Tembus didalam gelembun gas akan menghasilkan gas baru yang akan memperbanyak jumlah gelembung atau memperbesar ukuran elembung gas, juga dapat tembus parrikel konduktif akibat oksidaisinselama tembus gas dalam elembung berlangsung. Emisi lektron dari permukaan elektrodajuga mungkin terjadi. Bila kejadian ini berlangsung terus menerus maka suatu saat dapat menjembatani kedua lelektroda dan terjadilah tembus dielektrik cair.

Tembus pada dilelektrik padat
Secara umum kekuatan dielektrik padat lebih besar dari dielektrik gas dan cair. Tembus dielektrik padat dibagi atas :
• Tembus Intrinsik (Intrinsik Break down)
• Tembus Themal (Thermal Break down)
• Tembus Elektro Mekanik (Elektronicmenhanic Break Down)
• Tembus Peluanan (discharge break down)

a. Tembus intrinsic

Bila kedlam dielektrik diberikan tegangan tinggi maka munculah medan tinggi. Bila didalam bahan dielektrik terdapat electron konduksi maka electron akan dipercepat. Percepatan electron berbanding lurus dengan kuat medan listrik. Elektron yang dipercepat akan mendapatkan energi kinetic dalam perjalanannya karena kecepatan makin bertambah. Elektron ini bergerak diantara atom-atom dielektrik. Bila selama tumbukan dengan atom semua energi electron tidak dapat diserap oleh atom maka electron akan mengionisasi atom dan muncullahelektron baru yang siap mengalami proses yang sama. Dengan demikian sepanjang perjalanan makin banyak muncul electron. Terjadilah konduksi electron yang sangat besar yang diebut dengan avalanche. Tembus intrinsic sering disebut juga tembus elektronik. Kekuatan tembus intrinsic bahan iolasi berharga sangat tinggi dan biasanya diperoleh dengan pemberian tegangan yang sangat cepat (impuls). Polyethylene mempunyai harga mencapai 500 Mega Volt per meter.
b. Tembus Thermal

Tembus jenis ini muncul bila isolasi beroperasi pada kondisi yang memanaskan kisi-kisi bahan. Pemanasan bias terjadi karena dielektrik losses. Sebagian panas dapat disalurkan kelingkungan, ebagian lagi akan memanakan isolasi. Persamaan keseimabngan kalor/panas memenuhi hubungan :

Kalor yang dihasilkan = Laju penambahan kalor + Laju disipasi kalor kelin
Oleh pemanasan listrik dalam bahan berupa ke ngkungan
Naikan temperature bahan

an
Dimana K adalah konduktivitas panas dan Cv adalah kapasitas kalor bahan

Bila kalor yang dihasilkan oleh pemanasan listrik sedikit dan dapat diatasi dengan disipasi kelingkungan maka temperature material akan tetap stabil. Akan tetapi bila pemansan listrik membesar maka suatu saat kalor tidak lagi dapat dibuang kelingkungan dan sebagai akibatnya temperature kisi-kisi material akan naik dan mencapai harga kritis Tc.
Bila pemanasan lbih lebar lagi maka temaperaur akan lebih tinggi lagi. Akibat pemanasan ini maka atom akan lebih muda terionisai oleh tumbukan electron. Dengan demikian dapat diperkirakan tegangan tembus jenis ini akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan tegangan tembus intrinsic. Sebagai contoh untuk polyethylene tegangan tembus dapat turun mnjadi 5 Mega Volt permeter pada daerah frekuensi relaksasi (losses tinggi).






c. Tembus elektromekanik

Ketika dielektrik padat dikenai medan listrik tinggi maka akan muncul gaya kompresi yang menekan dielektrik tersebut. Bila tebal specimen adalah do dan dikompressi menjadi d akibat medan oleh suatu tegangan V maka berlaku hubungan


Dimana Y adalah modulus young dari dielektrik
Penyelesaian dari persamaan diatas untuk V menghasilkan


Dari eksperimen mekanik didapatkan bahwa secara empiric instabilitas mekanik akan terjadi bila kompresi telah menyebabkan d/do = 0.6. Dengan memasukkan criteria instabilitas ini sebagai awal terjadinya tembus elektromekanik maka diperoleh besarnya medan kritis untuk terjadinya tembus elektromekanik sebagai :



d. Discharge Breakown
Bahan-bahan seperti mika atau keramik atau bahan padat lainnya seringkali ditemukan gas yang terperangkap didalamnya. Gas mempunyai kekuatan isolasi yang lebih kecil dari isolasi padat. Secara umum gas mmpunai konstanta dielektrik kecil (mendekati 1) sedangkan isolasi padat mempunyai konstanta dielektrik 2-6. Dengan demikian gas yang berada didalam isolasi padat akan mendapatkan kuat medan yang lebih besar dari isolasi padat. Padahal kekuatannya lebih rendah. Dengan demikian gas akan tembus pada saat iolasi jauh dari tembus. Tembus ini sering disebut tembus sebagian (partial discharge).
Pada isolasi polimer seringkali ditemukan tembus sebagian. Dari tembus sebagian didalam void dapat tumbuh kanal bercabang-cabang membentuk suatu struktur menyerupai pohon yang disebut dengan pepohonan listrik (electrical treeing). Pepohonan listrik makin lama akan makin panjang dan jumlah cabang yang semakin banyak. Bila pepohonan listrik ini telah menjembatani kedua elektroda maka biasanya isolasi padat sudah tidak dapat lagi berfungsi untuk menahan medan normal. Terjadilah kegagalan isolasi.