DIELEKTRIK

Pembimbing : Ir. Makmur Saini, MT

Teknik Konversi EnergiPoliteknik Negeri Ujung Pandang

Bahan Dielektrik dan konstruksinya.

Pengertiaan Dielektrik dan Bahan yang digunakan atau dipakai untuk mengisolasi suatu benda tertentu dari suatu nilai besaran listrik.Bahan Insulasi atau sering disebut dielektrik berfungsi sebagai pelindung konduktor, yang mempunyai beberapa fungsi seperti: menghalau sinyal radio frekuensi, mengurangi problem skin efek, isolasi tegangan.

Dieletrik adalah bahan non-konduktor, seperti : karet, gelas, waxed paper. Dielektrik yang sempurna adalah dielektik hampa udara, kemudian adalah dielektrik udara dan kemudian bahan dielekrik lain seperti: PVC, Plastic, FPE, PP, Teflon. Konstruksi dielektrik juga beragam – ragam mulai dari kabel memakai kombinasi teflon dan gelembung udara, tiap lembar konduktor yang diisolasikan kemudian di pelintir baru kemudian di beri jaket dielektrik dan masih banyak lagi.

1. PENDAHULUAN

Bahan dielektrik pada suatu kapasitor menghambat aliran arus antar plat nya. Berbagai bahan digunakan untuk dielektrik seperti ditunjukkan di pada tabel di bawah.

Bahan dielektrik dinilai berdasarkan kemampuan mereka untuk mempengaruhi gaya elektrostatis pada suhu tertentu yang disebut dielektrik konstan. Kemampuan dari dielektrik untuk mendukung gaya elektrostatis berbanding lurus dengan dielektrik konstan.

Saat tidak ada dielektrik, muatan = Qo, kapasitas + Co --> beda potensial :

Vo = Qo /CoRangkaian kapasitor : terbuka : palt kapasitor dihubungkan dengan battery dan muatan tidak melalui voltmeter ( yang ideal) ---> tidak ada muatan yang mengalir dan juga tidak dapat mengubah besar muatan dalam kapsitor. Dalam gambar (b) jika dielektrik di antara plat-plat, tenryata pembacaan voltmeter berkurang, V sekarang :

V < Vo --> K > 1Qo tidak bisa berubah, sedang Vo berubah --> ==> ada perubahankapasitas C.

Co : Kapasitansi tanpa dielektrik

Untuk plat paralel : Co = (ε. A)/d), jika ada dielektrik : Co = K.(ε.A/d). Kapasitansi dapat diperbesar dengan memperkecil d, jarak antar plat TTP, nilai d yang terendah dibatasi oleh adanya kemampuan muatan “emloncat” melalui dielektrik. Untuk tertentu, tegangan maksimal yang diijinkan tanpa menyebabkan pelucutan/discharge muatan tegrantung pada : kekuatan dielektrik (medan listrik masimal), untuk uadar : 3.106 V/m. jika kuat medan dalam medium mulai mengkonduksi kebanyakan isolator mempunyai konstanta dielektrik dan kekuatan dielektrik > udara.

Keuntuangan Dielektrik• Meningkatkan kapasitansi kapasitor• Meningkatkan tegangan operasi max kapasitor• Memberi suprot mekanik di antara plat-plat

Pengertian KapasitorDua penghantar berdekatan yang dimaksudkan untuk diberi muatan sama tetapi berlawanan jenis disebut kapasitor. Sifat menyimpan energi listrik / muatan listrik. Kapasitas suatu kapasitor (C) adalah perbandingan antara besar muatan Q dari salah satu penghantarnya dengan beda potensial V antara kedua pengahntar itu.

Jenis Kapasitor• Metal foil yang disisipi lembaran kertas bercampur parafin (atau mylar) sebagai bahan dielektrik. Gabungan ini digulung menjadi bentuk silinder.• Kapasitor tegangan tinggi biasanya : plat-plat logam dalam minyak silikon• Kapasitor yang kecil biasanya terbuat dari keramik• Kapasitor variabel (10-500 pF) : dielektrik : udara 1 palt tetap, palt lain bergerak• Kapasitor elektrolit : menyimpan sejumlah besar muatan pada tegangan rendah. Terdiri dari metak foil yang berhubungan dengan elektrolit. Saat tegangan diberikan di antara logam & elektrolit terbentuk 1 lapisan metal oxide yang tipis (sebagai isolator) pada logam --> lapisan ini = dielektrik. Karena lapisan ini sangat tipis, didapat kapasitansi yang besar. Jika kapasitor ini dipakai dalam suatu rangkain, polaritas (tanda +/-) harus diperhatikan dan dipasang dengan benar. Jika polaritas terbalik, lapisan oksidan tidak akan terbentuk dan kapasitor tidak dapat menyimpan muatan.

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas 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 diawan. http://www.electroniclab.com/image/elkadasar/basiccap.gif

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas area plat metal (A), jarak (t) 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)

Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang disederhanakan.Udara vakum k = 1Aluminium oksida k = 8Keramik k = 100 - 1000Gelas k = 8Polyethylene k = 3

Tipe KapasitorKapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic dan electrochemical.

• Kapasitor ElectrostaticKapasitor 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.

• Kapasitor ElectrolyticKelompok 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.

• Kapasitor ElectrochemicalSatu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis ini adalah batere 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.

2. Diskripsi Atomik Dielektrik

Beda potensial di antara plat kapasitor berkurang dengan faktor K saat ada dielektrik. Karena V = E.d, maka :

Gambar (a) Dielektrik yang tidak dipengaruhi medan listrik. (b) Dielektrik didalam suatu medan listrik, muatan positif dan muatan negatif akan tersusun. (c) akibatnya akan timbul muatan induksi pada

permukaan kanan yang menimbulkan medan listrik induksi.

Dielektrik adalah bahan yang tidak mempunyai elektron bebas. Jika dielektrik tidak dipengaruhi medan listrik, kondisinya seperti gbr (a) di dalam suatu medan lsitrik, muatan positif dan negatif akan tersusun seperti pada gbr. B ---> medan listrik mempunyai polarisasi dielektrik. Hal ini menyebabkan timbulnya muatan induksi pada permukaan kanan (gb.c) muatan induksi ini menimbulkan medan listrik induksi, Ei, yang arahnya berlawanan dengan Eo. Maka, medan listrik netto dalam dielektrik : E=Eo-Ei mengingat : E = Eo/k, Eo = a/ε, Ei=/εo.

3. Rugi Daya Dalam Dielektrik

Dielektrik ideal adalah dieletrik tanpa rugi daya. Dalam dielektrik yang nyata selalu terdapat rugi daya, kapasitor sempurna empunyai sifat listrik yang ditentukan oleh konstanta dielektriknya ( disebut juga “specific induktif capacity”). Dalam kapasitor yang tidak sempurna, yaitu yang terdapat dalam praktek, arusnya ic tidak berhenti mengalir dalam waktu singkat, tetapi turun perlahan-lahan,dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Ini berarti bahwa bahan dielektrik mempunyai sifat-sifat lain juga. Arus konduksi (conduction current) akan mengalir dalam kapasitor praktis oleh karena meskipun tahanan dielektrik itu besar sekali ia bukan tak terhingga besarnya.

Namun, hal ini belum dapat menerangkan satu fenomena (gejala) yang dapat dilihat pada kebanyakan dielektrika yaitu bahwa arus konduksi itu pada mulanya lebih besar dari pada arus yang timbul karena konduksi saja. Arusnya tidak konstan, tetapi makin lama makin turun sebagai di uraikan diatas. Gejala kedua disebut absorpsi (penyerapan), dan bahan dielektrik yang mempunyai sifat demikian disebut absorptive. Hampir semua bahan dielektrik mempunyai sifat ini, apabila sebuah kapasitor absortif yang diberi muatan (gambar(a), posisi 1) dibuang muatannya (posisi 2) llau sesudah itu dilepaskan hubungannya (posisi 3), maka perbedaan potensial antara plat-plat kapasitor naik lagi, artinya kapasitor ini memberi dirinya muatan lagi. Hal ini dikenal sebagai efek (residual efect), yang dinyatakab dalam gbr (b). absorsi dapat diterangkan dengan mengganggap bahwa ada gerakan-gerakan yang lamban (viscous) dari molekul-molekul dielektrik apabila plat-plat kapasitor itu diberi muatan. Pada waktu itu pergerakan molekul mula-mula cepat (berakibat adanya arus pemuat), lalu makin lama makin lambat dan lamban. Pergerakan yang terakhir ini yang dihasilkan. oleh pemindahan muatan yang melekat pada molekul menghasilkan arus konduksi.

Dari keterangan diatas dapat disimpulkan bahwa kapasitas sebuah kapasitor dapat dibagi menjadi dua komponen, masing-masing kapasitansi geometris (fungsi dari diemsinya) dan kapasitansi absoptive (lihat gambar), disini C1 menyatakan kapaistansi gemotris, RI menyatakan efek konduksinya, sedangkan C2 dan R2 bersama-sama menyatakan efek absorsinya.Apabila dipakai arus bolak-balik absorsinya sangat erat hubungannya dengan kehilangan daya (dielektrik losses, disebut juga rugi daya) dalam bahan dielektrik tersebut. Bila bahan yang dipakai adalah udara atau gas, maka kehilangan daya ini kecil sekali hingga demikian itu dapat dianggap sempurna.

4. Pengukuran Kehilangan daya dan Faktor Dielektrik• Prinsip jembatan ScheringCara jembatan schering adalah cara yang paling banyak dipergunakan untuk mengukur kehilangan daya dan faktor daya dielektrik. Semua cara yang memakai prinsip jembatan terdiri dari rangkaian jembatan wheatstone dimana batere diganti oleh sumber Ac pada prekwensi rendah atau frekwensi lain yang lebih tinggi.Detektornya tergantung pada frekwensi rendah yang dipakai galvanometer vibrasi dipakai untuk frekwensi rendah dan telpon untuk frekwensi yang lebih tinggi (800 -1000 Hz). Gambar di bawah menunjukkan rangkaian jembatan schering yang dapat dipakai untuk tegangan rendah dan tinggi

C1 adalah kapasitor yang faktor dayanyan hendak diukur dan R1 adalah tahanan ekivalen yang menyatakan komponen kehilangan daya dielektriknya.C2 adalah kapasitor standar yang tidak mempunyai kehilangan daya R3 dan R4 adalah tahanan yang non induktif, yang terdahului variabel. C4 adalah kapasitor variabel. Pada gambar diatas pembumian diadakan untuk menghindarkan kesalahan yang disebabkan karena kapasitansi antara bagian-bagian tegangan tinggi dan rendah dari jembatan tersebut. G adalah galvonometer khusus untuk ini, yang harus mempunyai kepekaan yang tinggi karena impedansi cabang 3 dan 4 biasanya jauh lebih kecil dibadingkan dengan cabang 1 dan 2 galvanometer dan tahanannya mempunyai potensial rendah sekali (beberapa volt lebih tinggi dari pada potensial tanah), meskipun tegangan yang dipakai tingi sekali (kira-kira 100 kV), kecuali kalau terjadi kegagalan pada kapasitor pada cabang 1 dan 2. jembatan menajdi seimbang dengan cara merubah R3 dan C4 sehingag galvanometer menunjuk angka Nol.

• Jembatan Schering berperisai (shielded)Dalam pemakaian jembatan schering pada tegangan tingi atau untuk pengukuran berkelilitas yang pada tegangan rendah efek kapasitansi sasaran antara elemen-elemen jembatan perlu sekali ditiadakan. Hal ini dapat dilakukan dengan menutupi bagianbagian yang mungkin terkena dengan tameng (persai shield) elektrostatik pada potensial yang sesuai. Jembatan yang bertameng itu cocok untuk pemakaian denga tegangan tinggi seperti tertera pada gambar kapasitor standar C2 dan kapasitor yang diuji (C1) digambarkan sebagai kapasitor berelektroda tiga. Elektroda pelindungnya masing-masing dihubungkan dengan sistem tamengnya yang menutupi cabang detector dan penghantar (kawat) antara elektroda C1 dan C2 dan tahanan R3 dab R4. tameng ini diatur supaya potensialnya sama dengan potensial detector dengan bantuan cabang R5-L5-C5. dalam hal ini detector terpasang antara tameng dan sebuah titik pertemuan pada jembatan utama.

Pada gambar diatas saklar A dipakai untuk memasang detector pada jembatan utama untuk mencapai keseimbangan pokok, atau untuk memasang detector diantara tameng dan titik potong B untuk keperlian keseimbangan bantuan (auxiliary balance) cabang tegangan rendah R3 dan R4-C4 terutup oleh tameng yang dibumikan secara langsung. Oleh karena tameng tersbeut, kapasitansi langsung antara akwat tegangan tinggi dengan cabang detector atau dengan kawat dari cabang tegangan rendah tidak ada. Oleh karena tameng yang dibumikan, maka kapasitansi langsung antara elemen-elemen tegangan rendah juga tidak ada. Dari tegangan diatas dapat disimpulkan bahwa kapaistansi langsung antara elektroda C1 dan C2 dan elektroda tegangan tinggi yang bersangkutan yang ikut dalam pengukuran, bila jembatan utama dan cabang keduanya dalam keadaan seimbang.

5. Dielektrik berlapisPada teknik tegangan tinggi berupa dielektrik berlapis seperti isolasipenghantar pada bushing, maka perlulah kita meninjau jalannya kuat medan dan kerapatan fluksi pada bidang batas dua lapis isolasi.• Sifat medan-medan listrik pada bidang-bidang batasSecara umum kita akan meninjau dua keadaan mengenai sifat medanpada bidang batas uda elektrik yang berbeda konstannya yaitu bidang batas yang tegak lurus dan paralel pada garus-garis medan.• Bidang batas tegak lurus pada garus-garis medanKita tinjau sebuah elemen ruang kecil pada bidang batas dua lapis elektrik yang kosntanta dielektriknya ε1 dan ε2, dengan tinggi = h dan bidangnya A1 dan A2 sejajar dengan bidang batas.

Gambar di atas adalah dielektrik berlapis, bidang batas tegak lurus pada garis-garis medan apabila kita menganggap muatan pada bidang batas tidak ada sehingga untuk elemen ruang tersebut berlaku :

Dari gambar di atas dapat ditentukan bahwa :

Karena A1 = A2 maka D1 = D2 ; Karena itu dapat dilihat bahwa :

atau

besaran kuat medan listrik akan berubah pada bidang perbatasan sedangkan kerapatan fluksi akan tetap.

• Bidang batas paralel dengan garus-garis medanDiambil elemen garus 1 pada bidang batas berbentuk segi empat sehingga sisi I1 dan I2 dari elemen bidang sejajar dengan elemen garus 1

Gambar diatas adalah Dielektrik berlapis, bidang batas sejajar dengan garisgaris Medan. Dalam medan listrik statis, kerja oleh medan dalam lintasan terututp = 0, maka :Diperoleh

Tinggi h ≈ o sehingga

Karena 11 = 12 maka E1 = E2

Jadi berlaku : komponen tangensial (E1 dan E2) dari kuat medan listrik adalah sama pada kedua pihak pada bidang batas dan bahan dielektrik.Jika bahan ke 2 adalah konduktor, E2 = o dan E1pun = o Jadi pada perbatasan dielektrik konduktor komponen tangesial dari kuat medan adalah nol.Pada bidang batas yang sejajar dengan garis-garis medan dapat dinyatakab pergesaran berubah sedangkan kuat medan tetap besarnya.

• Bidang Batas miring terhadap garis-garis medanDengan bantuan poin 1 dan 2 sifat kuta medan dan kerapatan fluksi pada bidang batas akan dapat diterangkan. Setiap besaran tersebut dapat diuraikan pada komponen-komponen normal tangensial dari bidang batas

Gambar diatas adalah dielektrik berlapis, bidang batas miring terhadap garis medan (ε1 > ε2) Untuk kerapatan fluksi berlaku persamaan (4) dan (8) sehingga :

Dari gambar diperoleh :