Material Dielektrik

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, macam-

macam 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 = ( εr−1 ) ε0E=ε 0 xeE

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 non-

permanen 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 :

α e=pE

=Ze2

meωe2

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

α i=pElokal

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 :

α o=13μ2

kT

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:

N αe3 εo

=(εℜ−1 ) (εℜ+2 )

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 :

- Tembus intrinsik (intrinsic breakdown).

- Tembus thermal (thermal breakdown).

- Tembus elektromekanik (electromechanical breakdown).

- Tembus peluahan (discharge breakdown).

I. 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 :