material dielectric versi II

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, padat 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 tak berkutub (molekul nonpolar) tidak mempunyai susunan dipol sebelum medan eksternal bekerja 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 dipol listrik yang merupakan ukuran pengaruh medan listrik pada sepasang muatan listrik yang besarnya sama tapi berlawanan tanda. Ketika medan listrik diberikan pada material dielektrik maka fenomena polarisasi muncul. Bahan dielektrik dipergunakan terutama terkait dengan kemampuannya menyimpan muatan atau energy elektro static. Dalam kaitan ini diperkenalkan beberapa konstanta material dielektrik berkaitan dengan interaksinya dengan medan listrik diantaranya yaitu permitivitas dan susceptibilitas untuk skala makro dan konstanta polarisasi untuk skala mikro. Dipihak lain material dielektrik juga sangat luas dipakai sebagai isolasi tegangan medan tinggi. Dalam keadaan demikian maka fungsi utama material adalah untuk menahan medan listrik. Sebagai isolasi dikenal kekuatan dielektrik dan rugi-rugi dielektrik.
Material dielektrik memegang peranan yang sangat penting dalam elektro tekhnik baik fungsinya sebagai dielektrik maupun sebagai isolasi. Komponen-komponen seperti kapasitor, hingga isolasi pada peralatan listrik seperti motor-motor listrik, generator, peralatan listrik rumah tangga merupakan contoh penerapan material dielektrik dalam kehidupan sehari-hari.
Pembahasan berikut ini bertitik tolak dari polarisasi dan macam-macamnya, konstanta dielektrik serta pengaruh frekuensi hingga kekuatan dielektrik serta macam-macam breakdown isolasi tentang material dielektrik sebagai dielektrik dan sebagai isolasi.


10.1 POLARISASI (P) DAN KONSTANTA DIELEKTRIK (Ԑr)
Bila suatu material ditempatkan pada medan listrik maka terjadilah momen dipol didalam material. Peristiwa ini dapat diillustrasikan dengan penempatan material diantara dua pelat kapasitor yang diberi medan listrik E seperti pada gambar 10.1 berikut . Pada gambar a material terpolarisasi dan pada pelat terinduksi muatan yang berlawanan tanda. Gambar b menunjukkan bagian material saja dimana dalam material terdapat untaian muatan positif negative secara berantai. Dengan demikian jika dilihat secara Bulk maka tidak ada muatan netto. Namun demikian pada permukaan perbatasan dengan pelat terdapat muatan terikat masing-masing –Qp dan +Qp. Dua muatan inilah yang mewakili peristiwa polarisasi secara Bulk yang dialami oleh material akibat kehadiran medan listrik yang diekspresikan dengan gambar c.







Gbr 10.1 illustrasi polarisasi bahan dielektrik .

Polarisasi dalam material direpresentasikan dengan besaran polarisasi P yang menyatakan momen dipol per satuan volume. Bila momen dipol per dipol p = q.d dan kerapatan dipol N permeter kubik maka polarisasi dapat dikatakan sebagai :
P = N p 6.1
P = N.q.d
Polarisasi tergantung dari besarnya medan listrik yang diberikan. Untuk material yang bersifat homogen dan isotropic maka
6.2
Dimana :
= permitivitas ruang hampa.
= kuat medan listrik
= Susceptibilitas material listrik .

Dengan demikian maka
10.3
Dimana
disebut sebagai konstanta polarisasi.
Bila dibandingkan dengan sebelum ditempatkannya material dielektrik diantara dua pelat maka pada saat tidak ada dielektrik ( ruangan diisi ruang hampa ) berlaku hubungan
D = ɛo E 10.4
Dimana
D = kerapatan fluks listrik.
Pada saat ruang hampa diganti dengan bahan dielektrik maka hubungan menjadi
D = ɛ. E = ɛr ɛo E 10.5
Dimana :
ɛ = permitivitas dielektrik
ɛr = permitivitas relative = ɛ/ɛo
Perubahan pada D dengan kehadiran dielektrik disebabkan oleh munculnya polarisasi didalam dielektrik.
D = ɛ. E = ɛo E + P 10.6

Dengan demikian polarisasi (P)
10.7

























10.2 MACAM-MACAM POLARISASI
Polarisasi dibedakan atas polarisasi elektronik, polarisasi atomic/ionic, polarisasi dipolar dan polarisasi interfacial. Deskripsi dari masing-masing polarisasi adalah sebagai berikut

10.2.1 POLARISASI ELEKTRONIK
Teori atom menyatakan bahwa suatu atom tersusun atas inti atom bermuatan positif dan elektron yang mengitari inti bermuatan negative. Muatan neto dalam atom adalah netral. Dalam keadaan tidak ada pengaruh medan luar maka pusat muatan positif inti atom berimpit dengan pusat muatan negative leketron. Dengan demikian tidak ada momen dipol dalam atom. Namun bila atom berada pada daerah dengan medan listrik maka muatan akan berinteraksi dengan medan dan terjadilah pergeseran pusat muatan baik positif maupun negatif. Muncullah polarisasi. Polarisasi demikian disebut dengan polarisasi elektronik seperti diilustrasikan pada gambar berikut.






Gbr.10.2 : Polarisasi elektronik
Pergeseran pusat muatan sejauh x akan oleh medan E menimbulkan gaya atraksi antar pusat muatan yang cenderung untuk mendekat. Bila atom mempunyai nomor Z yang berarti mempunyai z elektron maka gaya yang mendorong elektron menjauh dari inti atom akibat medan listrik adalah ZeE. Di lain pihak gaya yang mendorong elektron untuk mendekati inti adalah sebanding dengan pergeseran x yaitu Fr = -βx. Disini β adalah konstanta dan tanda negative menunjukkan bahwa gaya berarah ke inti atom. Dalam keadaan seimbang maka berlaku
ZeE = βx

Dengan demikian besar momen dipol induksi elektronik adalah

Momen dipol ini akan tetap bila medan yang diberikan adalah DC dan konstan. Bila tiba-tiba medan hilang gaya atraksi berperan. Pergerakan pusat muatan negative dapat dinyatakan dengan persamaan
6.8
Penyelesaian dari persamaan differensial ini akan menghasilkan persamaan posisi yaitu
X(t) = xo cos (ot) 6.9
Dimana


Adalah frekuensi osilasi awan elektron disekitar inti atom dan xo merupakan jarak sebelum medan dihilangkan. Konstanta polarisasi elektronik dapat dinyatakan sebagai
6.10
10.2.2 POLARISASI IONIK
Yaitu polarisasi pada molekul/ion yang disusun beberapa atom dengan kehadiran medan listrik. Kristal ionic seperti NaCl,KCl dan sebagainya mempunyai susunan rantai ion positif dan negative. Sebagai contoh kita lihat untuk NaCl. Pada saat tidak ada medan luar maka NaCl tidak terjadi polarisasi karena rantai tersusun oleh momen dipol yang sama besar dan berlawanan arah seperti pada gambar a. Namun dengan kehadiran medan luar maka posisi ion positif dan negative sedikit bergeser dan terjadilah polarisasi neto seperti ditunjukkan oleh gambar b.







Gbr.10.3. Illustrasi polarisasi ionik pada NaCl
a. Tidak ada medan
b. Ada medan
Sebagaimana pada polarisasi elektronik maka dikenal adanya konstanta polarisasi ionik/atomi

Besar konstanta polarisasi ionik dapat dicari dengan persamaan Clausium Mossotti yang akan dibicarakan kemudian.

10.2.3 POLARISASI ORIENTASI (DIPOLAR)
Yaitu polarisasi akibat dipol-dipol di dalam bahan dielektrik mengalami perubahan orientasi akibat medan listrik polarisasi ini terjadi di dalam material dielektrik yang mempunyai dipol permanen (dipolar) seperti HCl. Pada saat tidak ada medan luar maka dipol-dipol terorientasi secara acak dan tidak ada polarisasi netto. Gambar a dan b menunjukkan momen dipol permanen HCl dan orientasi random dari dipol pada saat tidak ada medan.
Kehadiran medan akan membuat orientasi dipol-dipol mengarah pada medan dan muncullah polarisasi netto seperti ditujukkan gambar c dan d.




Gbr.10.4: Illustrasi polarisasi orientasi (dipolar)
Konstanta polarisasi orientasi tergantung dari temperature dan dapat dihitung dengan menggunakan statistik Boltzmann dan diperoleh
10.11
Dimana µ adalah dipol permanen, k adalah konstanta Blotzmann dan T adalah temperatur.

10.2.4 POLARISASI INTERFACIAL
Yaitu polarisasi akibat terjadi penumpukan muatan pada perbatasan bahan dielektrik yang tidak homogeny.
Dengan mempertimbangkan tiga macam polarisasi yaitu elektronik, ionic dan orientasi maka polarisasi dapat diuraikan menjadi:
10.12
Dengan





Dengan demikian

Yaitu total koifisien polarisasi merupakan penjumlahan dari komponen koefisien polarisasi. Koefisien polarisasi total menjadi:


Dan