Mtl Ext 08 Polarisasi Dielektrik

POLARISASI DIELEKTRIK

Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Material Teknik Listrik

Disusun oleh :

KELOMPOK VIII

1. Adi Wijayanto 2. Anggita Andriani 3. Dona Andika Sukma 4. Moch Arief Albachrony 5. Reny Anggraeny 6. Robi Alamsyah 7. Syarif Jamaluddin

PROGRAM S1-EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

2009

POLARISASI DILEKTRIK

1. PENDAHULUAN

Dalam konteks kita, bahan dipandang sebagai kumpulan muatan positif dan negatif yang

berasal dan komponen-komponen pembentuk atom, yaitu inti atom dan elektron. Andai

kata muatan didalam bahan bebas bergerak ke setiap bagian bahan, maka bahan tersebut

disebut sebagai bahan konduktor. Biasanya yang bebas bergerak didalam konduktor

adalah elektron-elektron, jadi ada sebagian elektron dalam konduktor yang tidak terkait

dengan inti tetentu. Konduktor (ideal) dapat memberikan muatan (bebas) dalam jumlah

yang terbatas. Satu atau dua elektron per atom tidak berasosiasi dengan inti tertentu.

Sebaliknya bila semua elektron terkait pada suatu inti, sehingga tidak dapat bergerak jauh

dari inti tersebut, maka bahan itu disebut isolator atau dilektrik.

Dalam sebuah konduktor, elektron terluar dari sebuah atom sangat mudah untuk terpisah

dan berpindah dari satu atom ke atom lainnya bila diletakkan dalam medan listrik.

Sedangkan pada suatu dielektrik, elektron lebih mudah meloncat atau diam pada posisi

setimbang sehingga mereka tidak bisa terpisah jika diletakkan dalam suatu medan

listrik.. Jadi, medan listrik tidak memproduksi perpindahan muatan dalam suatu

dielektrik. Hal ini yang menyebabkan bahan dielektrik merupakan bahan insulator yang

baik. Contoh dari bahan dielektrik adalah parafin, kaca, dan mika. Jadi Dielektrik adalah

semua muatan terikat pada atom atau molekul, hanya bergerak sedikit dalam molekul.

Pergeseran di dalam skala mikroskopik.

Walaupun dielektrik bukan tergolong konduktor dan oleh sebab itu merupakan isolator,

dielektrik bias saja lebih dari sekedar isolator semata. Polarisasi dielektrik dapat

digunakan untuk tujuan-tujuan fungsional pada suatu rangkaian listrik. Polarisasi

berhubungan erat dengan stuktur atomik dan struktur molekuler dan dengan perpindahan

yang terjadi guna memproduksi dipol listrik. Apabila suatu bahan dielektrik berada dalam

pengaruh medan listrik maka hal utama yang terjadi adalah polarisasi. Fenomena

polarisasi dielektrik dapat dinilai melalui parameter permitivitas dan konstanta dielektrik

serta faktor disipasi sudut kerugian dielektrik (loss angle atau loss tangent).

2. KONSTANTA DIELEKTRIK DAN PERMITIVITAS

2.1 Konstanta Dielektrik

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).

Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani r atau kadang-kadang , K,

atau Dk. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai

dimana s merupakan permitivitas statis dari bahan tersebut, dan 0 adalah permitivitas

vakum/. Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan Maxwell dengan

menghubungkan intensitas medan listrik E dengan kerapatan fluks listrik D. Di vakum

(ruang hampa), permitivitas sama dengan 0, jadi konstanta dielektriknya adalah 1.

Permitivitas relatif dari sebuah medium berhubungan dengan susceptibility (kerentanan)

listriknya, e melalui persamaan

2.2 Konstanta Dielektrik dalam Ilmu Kimia

Dalam ilmu kimia, konstanta dielektrik dapat dijadikan pengukur relatif dari kepolaran

suatu pelarut. Misalnya air yang merupakan pelarut polar memiliki konstanta dielektrik

80,10 pada 20C sedangkan n-heksana (sangat non-polar) memiliki nilai 1,89 pada 20C.

2.3 Nilai konstanta dielektrik beberapa bahan

Tabel 1 berikut ini berisi daftar konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.

Bahan Konstanta dielektrik

Vakum 1 (sesuai definisi)

Udara 1,00054

Polietilena 2,25

Kertas 3,5

PTFE (Teflon(TM)) 2,1

Polistirena 2,4-2,7

Kaca pyrex 4,7

Karet 7

Silikon 11,68

Metanol 30

Beton 4,5

Air (20C) 80,10

Barium titanat 1200 2.4 Permittivitas Permittivitas adalah suatu kuantitas fisik yang mengambarkan bagaimana medan listrik

mempengaruhi dan dipengaruhi oleh suatu medium dielektrik, dan nilainya ditentukan

oleh kemampuan bahan dari medium untuk terpolarisasi sebagai respons dari medan

tersebut, yang pada akhirnya juga mengurangi medan listrik dalam bahan. Jadi,

permittivitas berkaitan dengan kemampuan suatu material untuk menyampaikan atau

memperbolehkan (atau permit dalam bahasa Inggris) suatu medan listrik.

Dalam ruang hampa atau tanpa adanya medium, permittivitas dilambangkan dengan

sedangkan dalam bahan atau medium, dilambangkan dengan , yang merupakan hasil

perkalian nilai permittivitas dalam vakum dengan nilai permittivitas relatif.

3. SIFAT-SIFAT LISTRIK DIELEKTRIK

Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi, dibutuhkan pengetahuan yang pasti

mengnai jenis, besaran dan durasi tekanan elektrik yang akan dialami bahan isolasi

tersebut, dan disamping itu juga perlu untuk mempertimbangkan kondisi sekitar dimana

isolasi akan ditempatkan. selain itu, perlu juga untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan

isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk suatu sistem isolasi, dengan

demikian akan dihasilkan suatu rancangan yang paling ekonomis.

Fungsi yang penting dari suatu bahan isolasi adalah:

1. Untuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya. Misalnya

antara konduktor fasa dengan konduktor fasa lainnya, atau konduktor fasa dengan

tanah.

2. Untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi,

3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.

Tekanan yang diakibatkan oleh medan listrik, gaya mekanik, thermal dan reaksi kimia

dapat saja terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama dari semua parameter

tersebut, dengan kata lain suatu bahan isolasi dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut

dapat menahan semua tekanan tersebut dalam jangka waktu yang lama.

1. Sifat listrik yang dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi adalah sebagai berikut:

Mempunyai kekuatan dielektrik (KD) yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi

menjadi kecil dan penggunaan bahan semakin sedikit, sehingga harganya pun

akan semakin murah.

2. Rugi-rugi dielektriknya rendah, agar suhu bahan isolasi tidak melebihi batas yang

ditentukan.

3. Memiliki kekuatan kerak (tracking strength) yang tinggi, agar tidak terjadi erosi

karena tekanan listrik permukaan.

4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus

pemuatan (charging current) tidak melebihi batas ayang diijinkan.

Bahan isolasi juga sekaligus merupakan bahan konstruksi peralatan, oleh karena itu juga

memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus memenuhi persyaratan mekanis

yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang dibutuhkan tergantung pada pemakaian, seperti

diberikan dibawah ini:

Isolator hantaran udara, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan regangan (tensile strength).

Isolator pendukung pada gardu, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekuk (bending strength)

Isolator antenna, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekan (pressure strength) Pemutus daya (circuit breaker), sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekanan

dadakan (bursting pressure withstand) karakteristik mekanis, seperti elastisitas,

kekenyalan dan lain-lain, mempunyai hubungan yang nyata dengan tekanan dan

ketepatan rancangan.

Peralatan-peralatan listrik akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi, baik pada

tegangan kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan isolasi harus

memiliki sifat themal sebagai berikut:

- kemampuan untuk menahan panas tinggi (daya tahan panas)

- kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.

- konduktivitas panas tinggi

- koefisien muai panas rendah.

- tidak mudah terbakar dan tahan terhadap busur api, dan lain-lain.

Bahan isolasi harus dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan dimana bahan itu

digunakan. oleh karena itu bahan isolasi harus memiliki kemampuan sebagai berikut:

- memiliki daya tahan terhadap minyak dan ozon.

- memiliki kekedapan dan kekenyalan higroskopis yang tinggi.

- daya serap air rendah.

- stabil ketika mengalami radiasi.

Bahan isolasi untuk sistem tegangan tinggi sering menetapkan beberapa persyaratan, dan

diantaranya ada yang saling bertentangan. Oleh karena itu dalam pemilihan bahan isolasi

untuk suatu keperluan khusus sering dilakukan dengan mencari kompromi antara

penyimpangan kebutuhan dengan sifat yang diinginkan, sehingga pemilihan yang benar-

benar memuaskan tidak terpenuhi. ada enam sifat listrik dielektrik, yaitu:

1. Kekuatan dielektrik

2. Konduktansi

3. Rugi-rugi dielektrik

4. Tahanan isolasi

5. Peluahan parsial (partial discharge)

6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)

4. POLARISASI

Material-material dielektrik tidak menghantar arus listrik. Namun demikian, material-

material dielektrik tidak sepenuhnya inert terhadap medan listrik. Tanpa adanya medan

luar, ada kemungkinan muatan negatif terdistribusi merata disekitar muatan positif

didalam molekul bahan, sehingga pusat muatan negatif dan positif akan berimpit. Dalam

hal ini molekul tersebut tidak mempunyai momen dipol, seperti dapat terlihat dari

persamaan momen dipol untuk dua buah muatan titik yang berlawanan. Dengan adanya

medan listrik dari luar, muatan positif akan terdorong dalam arah medan, sehingga

terjadi pemisahan pusat muatan seperti pada gambar berikut. Pergeseran ini disebut

sebagai polarisasi.

+ -+ -

+ - + - + -

+ - + -

+ - + -

E

Gambar 1. Polarisasi bahan akibat medan listrik luar E

Sehubungan dengan polarisasi bahan, struktur molekul atau atom yang membangun suatu

bahan dapat dikelompokkan menjadi :

a. Molekul polar, yaitu molekul yang mempunyai resultan momen dipole permanent

tidak sama dengan nol. Contoh : H2O

b.Molekul Non Polar, yaitu molekul yang mempunyai resultan momen dipole

permanent sama dengan nol. Contoh : CO2.

c. Molekul Ionik, yaitu molekul yang berikatan ionik. Contoh : NaCl

d. Atom kristal kovalen bersifat nonpolar dan nonionik. Contoh :Si dan Ge

Berdasarkan jenis molekul atau atom di atas dan perilakunya saat dikenakan medan,

maka polarisabilitas bahan dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis berikut:

1. Polarisari Elektronik

Polarisasi ionik dapat dibagi menjadi beberapa jenis ditinjau dari unit-unit yang

dipindahkan. Masing ion atau atom dalam molekul terdiri dari inti (nukleus)dan elektron.

Bila dikenakan medan, maka ion atau atom individual tersebut menjadi terpolarisasi

karena elektron mengalami perpindahan relative terhadap inti kearah yang berlawanan

dengan arah medan. Hal yang sama juga terjadi pada atom netral. Polarisasi ini juga

terdiri polarisasi elektronik statis dan polarisasi elektronik bolak-balik.

Karena berukuran kecil, elektron-elektron memiliki frekuensi alami yang sangat tinggi (~

1016 Hz) pada saat elektron-elektron tersebut membentuk gelombang tegaknya di

sekeliling atom-atom itu. Dengan demikian, polarisasi ini dapat terjadi tidak saja dalam

rangkaian 60 Hz dan pada frekuensi radio, tetapi juga sebagai tanggapan terhadap

frekuensi cahaya (~ 1015 Hz)

2. Polarisasi Ionik

Perpindahan ion negatif dan positif, masing-masing kearah elektroda positif dan negatif

disebut polarisasi ionic. Seperti polarisasi elektronik, polarisasi ionik diimbas karena

perindahan netto terjadi hanya ketika terdapat medan eksternal.

Karena lebih masif daripada elektron, ion-ion itu akan terpolarisasi lebih lambat.

Polarisasi ionik hanya terjadi pada yang maksimumya sekitar 1013 Hz. Nilai ini berada

dibawah frekuensi cahaya tampak. Oleh sebab itu, cahaya dating tidak akan

menghasilkan polarisasi ionik.

3. Polarisasi Molekuler

Polarisasi molekuler terjadi apabila molekul-molekul polar berada dalam suatu medan

listrik. Pada molekul polar, pusat gravitasi untuk muatan negatif tidak berimpit. Terdapat

suatu dipole molekuler kecil. Salah satu contohnya adalah metil klorida (CH3Cl). Atom

klorin memiliki komplemen 17 elektron, sementara masing-masing atom hidrogen adalah

proton yang terkespos yang terletak pada ujung yang terjauh dari suatu ikatan kovalen.

Polarisasi molekuler adalah polarisasi yang permanen karena polarisasi ini sejak awal

memang sudah ada dalam struktur molekuler. Semua dipole ini dapat dibuat searah

dengan arah medannya. Disamping itu molekulnya berputar setiap setengah siklus dari

suatu medan ac. Karena massa-massa yang terlihat tergantung pada ukuran molekulnya,

frekuensi tanggapan maksimumnya akan sangat beragam untuk material yang satu

dengan material yang lainnya. Akan tetapi frekuensi tanggapan ini selalu lebih rendah

daripada frekuensi tanggapan untuk polarisasi elektronik maupun polarisasi ionik.

Disamping itu, frekuensi ini sangat peka terhadap suhu.

Gambar 2. Polarisasi akibat adanya medan listrik dengan mekanisme (a) elektrik (b) ionic

(c) molekuler

Gambar 3. Polarisasi molekuler (Skematik dengan CH3Cl). Molekul asimetris memiliki

ujung-ujung positif dan negatif dan mengorientasi dalam suatu medan listrik. (a) Daerah

elektron diarsir. Atom-atom hidrogen adalah proton-proton diujung ikatan kovalen. (b)

Dipol listrik.

Terdapat ciri khusus yang membedakan satu sama lain dari ketiga polarisasi diatas, yaitu:

a. Polarisasi polar menunjukkan kebergantungan kuat terhadap suhu, sedangkan dua

polarisasi yang lain tidak. Konstanta dielektrik bahan polar mengalami penurunan seiring

dengan kenaikan suhu.

b. Perilaku polarisabilitas bolak-balok yaitu saat bahan dikenakan medan listrik bolak-

balik.

5. KONDUKSI LISTRIK

Bahan mempunyai sifat menghantarkan arus listrik, karena atom-atom terikat secara

ionik atau kovalen. Dengan adanya ikatan ini maka aliran arus listrik dalam

bahan/mineral dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu konduksi secara elektronik,

konduksi secara elektrolitik dan konduksi secara dielektrik.

1. Konduksi Elektronik;

Konduksi ini adalah tipe normal dan aliran arus listrik dalam bahan/mineral. Hal ini

terjadi jika bahan atau mineral tersebut. mempunyai banyak elektron bebas, akibatnya

arus mudah mengalir pada bahan ini. Sebagai contoh, bahan yang banyak mengandung

logam.

2. Konduksi Elektrolitik;

Konduksi jenis ini banyak terjadi pada bahan atau mineral yang bersifat porus dan pori-

porinya tersebut terisi oleh larutan- elektrolit. Dalam hal mi arus listrik mengalir akibat

dibawa oleb ion-ion larutan elektrolit. Konduksi dengan cara ini lebih lambat daripada

konduksi elektronik.

3. Konduksi Dielektrik;

Konduksi ini terjadi pada bahan yang lebih bersifat dielektrik, artinya bahan tersebut

mempunyai elektron bebas sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali. Tetapi karena

adanya pengaruh medan listrik dari luar, maka elektron-elektron dalam, atom bahan

dipaksa berpindah dan berkumpul terpisah dan intinya sehingga terjadi polarisasi.

Peristiwa ini sangat bergantung pada konstanta dielektrik bahan yang bersangkutan.

Konduktivitas bahan berpori bervariasi tergantung pada volume, susunan pori dan

kandungan air di dalamnya. Padahal konduktivitas air itu sendiri bervariasi yaitu

tergantung pada banyaknya ion yang terdapat di dalamnya.

Pemanasan dielektrik dapat merupakan akibat dari adanya sejumlah muatan bebas dalam

bahan dielekrtik tersebut, hal ini akan mengakibatkan aliran arus bocor (arus konduksi)

dalam jumlah kecil pada tegangan yang diterapkan, jika pada fenomena polarisasi terjadi

disipasi energi listrik maka akan terasa dalam bentuk panas yang menyebabkan

pemanasan pada dielektrik. Keberadaan arus ini di dalam dan pada permukaan dielektrik

menunjukkan terjadinya konduksi listrik pada dielektrik tersebut. Dengan kata lain Arus

yang mengalir melalui suatu material disebut dengan konduksi listrik

6. TEGANGAN GAGAL

Pada insulator tegangan gagal merupakan salah satu karakteristik yang dapat diartikan

tegangan pembeda maksimum yang mungkin lewat pada material sebelum material itu

collapse dan konduksi. Dalam material insulasi solid biasanya terbentuk bagian yang

lemah didalam material dengan pembentukan molekul permanen atau perubahan secara

fiisi oleh arus tiba-tiba.

Didalam gas hampa ditemukan pada tipe lampu, tegangan gagal juga disebut striking

voltage. Tegangan gagal pada material tidak merupakan nilai terbatas karena tegangan ini

adalah sebuah bagian kegagalan dan ada sebuah kemungkinan statistic dimana material

akal gagal saat diberi tegangan.

Dua perbedaan peengukuran tegangan material AC dan tegangan gagal impuls. Tegangan

AC menggunakan frekuensi 50 atau 60 Hz. Sedangkan tegangan impuls biasanya

menggunakan 1.2 mikrodetik gelombang untuk menghasilkan 90% penguatan lalu turun

ke 50% setelah 50 mikrodetik.

Dua teknik ini menggunakan standar tes ASTM D1816 dan ASTM D3300.

Dalam kondisi standard tekanan atmosfer, breakdown voltage dalam vacuum

direpresentasikan.

dimana Vb adalah tegangan breakdown dalam volts DC, A dan B konstan bergantung

udara sekitar, p yang diartikan sebagai tekanan gas sekitar, d adalah jarak dalam

centimetres antar elektroda, and se dalam Secondary Electron Emission Coefficient

Tegangan yang dapat diterapkan pada semua bahan dielektrik tidak boleh melebihi nilai

batas tegangan yang umum pada keadaan terbatas. Apabila nilai tegangan yang

diterapkan melebihi harga tadi, kegagalan dielektrik akan terjadi, yaitu kehilangan

seluruh kemampuan isolasi bahan tersebut. Nilai tegangan dimana suatu bahan dielektrik

mulai gagal disebut tegangan gagal (Breakdown Voltage)

7. SIFAT KAPASITANSI

Jika bahan dielektrik apapun dengan elektroda-elektroda diletakkan padanya kemudian

dihubungkan ke rangkaian listrik dapat dianggap sebagai kapasitor dengan nilai

kapasitansi tertentu. Pemisahan muatan dalam sebuah kondensator lempeng-sejajar

menciptakan medan elektrik internal. Sebuah peruang dielektrik terpolarisasi (oranye)

mengurangi medan elektrik serta meningkatkan kapasitansi.

Kapasitor berfungsi menyimpan muatan atau menyimpan medan listrik. jadi medan listrik

inilah yang dikatakan sebagai energi. pada gambar di atas adalah kapasitor dalam

keadaan vakum arah medan listrik dari positif ke negatif (kiri ke kanan). semakin besar

jumlah muatan terakumulasi ke dua sisi plat maka semakin besar medan listrik yang

tersimpan. sekarang lihat gambar (4b) jika kita tambahkan bahan dielektrik diantara

kedua plat, saat ada akumulasi muatan ke dua sisi plat maka dalam bahan dielektrik akan

terjadi polarisasi muatan. muatan bahan yang positif akan tertarik ke sisi plat negatif dan

yang sebaliknya juga. karena ada tambahan akumulasi muatan pada sisi-sisi plat yang

berasal dari bahan dielektrik, maka besar medan listrik akan semakin besar. bahan yang

dapat dijadikan bahan dielektrik adalah bahan yang polar, semakin besar polaritasnya

maka semakin besar nilai permitivitasnya. maksudnya semakin besar atau semakin

banyak jumlah partikel yang dapat terpolarisasi.

Gambar 4. Sifat Kapasitansi

Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas,

elektrolit, dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka

muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya

dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang

satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan

sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah

oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama

tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor

ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.

Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat

menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb

= 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah

kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt

dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis : Q

= CV, dimana:

Q = muatan elektron dalam C (coulombs) C = nilai kapasitansi dalam F (farads) V = besar tegangan dalam V (volt)

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas

area plat metal (A), jarak (d) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta

(k) bahan dielektrik. Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut : C = (8.85 x 10 )-

12 (k A/t) atau satuan C ditulis sebagai Quolomb (Ampere/detik).

Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang

disederhanakan.

Udara vakum k = 1 Aluminium oksida k = 8 Keramik k = 100 - 1000 Gelas k = 8 Polyethylene k = 3

Untuk rangkain elektronik praktis, satuan farads adalah sangat besar sekali.

Umumnya kapasitor yang ada di pasar memiliki satuan:

mikro Farad (10 F)-6, nano Farad (10 F)-9 pF (10 F) -12

Konversi satuan penting diketahui untuk memudahkan membaca besaran sebuah

kapasitor. Misalnya 0.047 uF (mikro farad) dapat juga dibaca sebagai 47nF, atau

contoh lain 0.1nF sama dengan 100pF.

1. Toleransi

Seperti komponen lainnya, besar kapasitansi nominal ada toleransinya. Tabel berikut

menyajikan nilai toleransi dengan kode-kode angka atau huruf tertentu. Dengan table

di atas pemakai dapat dengan mudah mengetahui toleransi kapasitor yang biasanya

tertera menyertai nilai nominal kapasitor. Misalnya jika tertulis 104 X7R, maka

kapasitasinya adalah 100nF dengan toleransi +/-15%. Sekaligus dikethaui juga

bahwa suhu kerja yang direkomendasikan adalah antara -55oC sampai +125oC (lihat

tabel kode karakteristik) Dissipation Factor (DF) dan Impedansi (Z).

Dissipation Factor adalah besar persentasi rugi-rugi (losses) kapasitansi jika

kapasitor bekerja pada aplikasi frekuensi. Besaran ini menjadi faktor yang

diperhitungkan misalnya pada aplikasi motor phasa, rangkaian ballast, tuner dan lain-

lain. Dari model rangkaian kapasitor digambarkan adanya resistansi seri (ESR) dan

induktansi (L). Pabrik pembuat biasanya meyertakan data DF dalam persen. Rugi-

rugi (losses) itu didefenisikan sebagai ESR yang besarnya adalah persentasi dari

impedansi kapasitor Xc.

2. Jenis Kapasitor

Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih

sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic

dan electrochemical.

3. Kapasitor Electrostatic

Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan

dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular

serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari

besaran pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang

berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah

bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal

dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper

dan lainnya.

Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor

dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-

polar (tidak memiliki polaritas).

4.Kapasitor Electrolytic

Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan

dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk

kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan - di badannya. Mengapa

kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya

menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif

katoda.

Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium,

titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi

sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini

terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda

metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan

positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada

larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika

digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada

permukaannya.

Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan

electrolyte(katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai

dielektrik. Dari rumus (2) diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan

tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian

dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.

Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan

adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah

Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini

biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang

kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang

sering juga disebut kapasitor elco (electrolyte condensator)

Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat.

Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi

elektroda negatif-nya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan

demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi

lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya

(lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus bocor yang

sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal.

5.Kapasitor Electrochemical

Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis

ini adalah batere (rechargerable) dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah

kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor

(leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam

pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan,

misalnya untuk applikasi mobil elektrik dan telepon selular.

6.Membaca Kapasitansi

Pada kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dengan

angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan polaritasnya.

Misalnya pada kapasitor elco dengan jelas tertulis kapasitansinya sebesar 22uF/25v.

Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil biasanya hanya bertuliskan 2 (dua)

atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka satuannya adalah pF (pico farads).

Sebagai contoh, kapasitor yang bertuliskan dua angka 47, maka kapasitansi kapasitor

tersebut adalah 47 pF.

Jika ada 3 digit, angka pertama dan kedua menunjukkan nilai nominal, sedangkan

angka ke-3 adalah faktor pengali. Faktor pengali sesuai dengan angka nominalnya,

berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4 = 10.000 dan seterusnya. Misalnya pada

kapasitor keramik tertulis 104, maka kapasitansinya adalah 10 x 10.000 = 100.000pF

atau = 100nF. Contoh lain misalnya tertulis 222, artinya kapasitansi kapasitor

tersebut adalah 22 x 100 = 2200 pF = 2.2 nF.

Selain dari kapasitansi ada beberapa karakteristik penting lainnya yang perlu

diperhatikan. Biasanya spesifikasi karakteristik ini disajikan oleh pabrik pembuat

didalam datasheet. Berikut ini adalah beberapa spesifikasi penting tersebut.

7.Tegangan Kerja (working voltage)

Tegangan kerja adalah tegangan maksimum yang diijinkan sehingga kapasitor masih

dapat bekerja dengan baik. Para elektro- mania barangkali pernah mengalami

kapasitor yang meledak karena kelebihan tegangan. Misalnya kapasitor 10uF 25V,

maka tegangan yang bisa diberikan tidak boleh melebihi 25 volt dc. Umumnya

kapasitor-kapasitor polar bekerja pada tegangan DC dan kapasitor non-polar bekerja

pada tegangan AC.

8.Temperatur Kerja

Kapasitor masih memenuhi spesifikasinya jika bekerja pada suhu yang sesuai.

Pabrikan pembuat kapasitor umumnya membuat kapasitor yang mengacu pada

standar popular. Ada 4 standar popular yang biasanya tertera di badan kapasitor

seperti C0G (ultra stable), X7R (stable) serta Z5U dan Y5V (general purpose).

Secara lengkap kode-kode tersebut disajikan pada table berikut.

Kode Karakteristik Kapasitor Kelas I

Koefisien

Suhu

Faktor Pengali

Koefisien Suhu

Toleransi

Koefisien

Suhu

Simbol

PPM

per

Co Simbol Pengali Simbol

PPM

per

Co

C 0.0 0 -1 G +/-

30

B 0.3 1 -10 H +/-

60

A 0.9 2 -100 J +/-

120

M 1.0 3 -1000 K +/-

250

P 1.5 4 -10000 L +/-

500

ppm = part per million

Kode karakteristik kapasitor kelas II dan III

Suhu kerja

minimum

Suhu kerja

maksimum

Toleransi

kapasitansi

Simbol Co Simbol Co Simbol Persen

Z +10 2 +45 A +/-

1.0%

Y -30 4 +65 B +/-

1.5%

X -55 5 +85 C +/-

2.2%

6 +105 D +/-

3.3%

7 +125 E +/-

4.7%

8 +150 F +/-

7.5%

9 +200 P +/-

10.0%

R +/-

15.0%

S +/-

22.0%

T +22% /

-33%

U +22% /

-56%

V +22% /

-82%

Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai dielektrik ditentukan oleh

permitivitasnya, disamping jarak dan permukaannya. Apabila bahan isolasi diberi

tegangan bolak-balik maka akan terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut.

Besarnya kerugian energi yang diserap bahan isolasi berbanding lurus dengan tegangan,

frekuensi, kapasitansi dan sudut kerugian dielektrik

8. SUDUT KERUGIAN DIELEKTRIK Pada saat bahan isolasi diberi tegangan bolak balik, maka terdapat energi yang diserap oleh

bahan tersebut. Akibatnya terdapat faktor kapasitif. Hubungan vektoris antara tegangan dan

arus pada bahan isolasi adalah seperti ditunjukkan pada Gb.5. Besarnya kerugian yang

diserap bahan isolasi adalah berbanding lurus dengan tegangan V volt, frekuensi f hertz,

kapasitansi C farad, dan sudut kerugian dielektrik tan , seperti ditunjukkan pada persamaan berikut.

Gambar 5 Grafik Hubungan IC = f (Ir)

Dari persamaan di atas terlihat bahwa makin besar tegangan, frekuensi dan kapasitansi untuk

kerugian yang sama, maka makin kecil harga tan atau makin kecil sudut antara arus kapasitif IC dengan arus total I dan makin besar sudut antara arus resistif Ir dengan

arus total I.

Gambar 6 Sudut Kerugian Dielektrik

Dalam kapasitor yang sempurna = 900 sehingga = 0. Akan tetapi karena adanya sifat material, maka akan muncul arus resitif yang menyebabkan kehilangan daya dielektrik

dinyatakan : PD = I V cos = I V sin tan C V 2=

9. KESIMPULAN

y Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa).

y Permittivitas adalah suatu kuantitas fisik yang mengambarkan bagaimana medan listrik mempengaruhi dan dipengaruhi oleh suatu medium dielektrik, dan nilainya

ditentukan oleh kemampuan bahan dari medium untuk terpolarisasi sebagai

respons dari medan tersebut, yang pada akhirnya juga mengurangi medan listrik

dalam bahan. Jadi, permittivitas berkaitan dengan kemampuan suatu material

untuk menyampaikan atau memperbolehkan (atau permit dalam bahasa Inggris)

suatu medan listrik.

y Peralatan-peralatan listrik akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi, baik

pada tegangan kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan

isolasi harus memiliki sifat themal sebagai berikut:

- kemampuan untuk menahan panas tinggi (daya tahan panas)

- kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.

- konduktivitas panas tinggi

- koefisien muai panas rendah.

- tidak mudah terbakar dan tahan terhadap busur api, dan lain-lain.

y Ada enam sifat listrik dielektrik, yaitu: 1. Kekuatan dielektrik

2. Konduktansi

3. Rugi-rugi dielektrik

4. Tahanan isolasi

5. Peluahan parsial (partial discharge)

6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)

y Berdasarkan jenis molekul atau atom, maka polarisabilitas bahan dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis berikut:

1. Polarisari Elektronik

2. Polarisasi Ionik

3. Polarisasi Molekuler

y Dengan adanya ikatan atom-atom terikat secara ionik atau kovalen maka aliran arus listrik dalam bahan/mineral dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu

1. konduksi secara elektronik,

2. konduksi secara elektrolitik dan

3. konduksi secara dielektrik.

Dalam kapasitor yang sempurna = 900 sehingga = 0. Akan tetapi karena adanya sifat material, maka akan muncul arus resitif yang menyebabkan kehilangan daya

dielektrik dinyatakan : PD = I V cos = I V sin

DAFTAR PUSTAKA

Bonggas L. Tobing, Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Penerbit PT. Gramedia, Jakarta:2003

D.R. Lide, Ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Ed. CRC Press. Boca Raton. 2004. halaman 8-141

Dielectrics and Waves edited by A. von Hippel, Arthur R., ISBN 0-89006-803-8 Elemen-Elemen Ilmu dan Rekayasa Material. 2004. Erlangga Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material. 2003. Erlangga Theory of Electric Polarization: Dielectric Polarization, C.J.F. Bttcher, ISBN 0-

444-41579-3

www.blog.unila.ac.id/distrik/files/2009/07/bab-iv10.doc

Jika bahan dielektrik apapun dengan elektroda-elektroda diletakkan padanya kemudian dihubungkan ke rangkaian listrik dapat dianggap sebagai kapasitor dengan nilai kapasitansi tertentu. Pemisahan muatan dalam sebuah kondensator lempeng-sejajar menciptakan medan elektrik internal. Sebuah peruang dielektrik terpolarisasi (oranye) mengurangi medan elektrik serta meningkatkan kapasitansi. Kapasitor berfungsi menyimpan muatan atau menyimpan medan listrik. jadi medan listrik inilah yang dikatakan sebagai energi. pada gambar di atas adalah kapasitor dalam keadaan vakum arah medan listrik dari positif ke negatif (kiri ke kanan). semakin besar jumlah muatan terakumulasi ke dua sisi plat maka semakin besar medan listrik yang tersimpan. sekarang lihat gambar (4b) jika kita tambahkan bahan dielektrik diantara kedua plat, saat ada akumulasi muatan ke dua sisi plat maka dalam bahan dielektrik akan terjadi polarisasi muatan. muatan bahan yang positif akan tertarik ke sisi plat negatif dan yang sebaliknya juga. karena ada tambahan akumulasi muatan pada sisi-sisi plat yang berasal dari bahan dielektrik, maka besar medan listrik akan semakin besar. bahan yang dapat dijadikan bahan dielektrik adalah bahan yang polar, semakin besar polaritasnya maka semakin besar nilai permitivitasnya. maksudnya semakin besar atau semakin banyak jumlah partikel yang dapat terpolarisasi. Gambar 4. Sifat Kapasitansi