Dokumen tersebut membahas tentang bahan dielektrik dan kapasitor. Dielektrik adalah bahan isolator yang digunakan untuk memisahkan dua plat pada kapasitor. Berbagai jenis bahan dielektrik dijelaskan beserta pengaruhnya terhadap kapasitansi kapasitor. Jenis dan cara kerja kapasitor juga diuraikan secara singkat."

1. DIELEKTRIK
Pembimbing : Ir. Makmur Saini, MT
Teknik Konversi Energi
Politeknik Negeri Ujung Pandang

2. 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

3. 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.

4. Saat tidak ada dielektrik, muatan = Qo, kapasitas + Co --> beda
potensial :
Vo = Qo /Co
Rangkaian 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 > 1
Qo tidak bisa berubah, sedang Vo berubah --> ==> ada perubahan
kapasitas C.
Co : Kapasitansi tanpa dielektrik

5. 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.

6. Keuntuangan Dielektrik
• Meningkatkan kapasitansi kapasitor
• Meningkatkan tegangan operasi max kapasitor
• Memberi suprot mekanik di antara plat-plat
Pengertian Kapasitor
Dua 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.

7. 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

8. 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 = 1
Aluminium oksida k = 8
Keramik k = 100 - 1000
Gelas k = 8
Polyethylene k = 3
Tipe Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari
bahan dielektriknya. Untuk lebih sederhana dapat dibagi
menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic,
electrolytic dan electrochemical.

9. • 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.
•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.

10. •Kapasitor Electrochemical
Satu 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 4. Pengukuran Kehilangan daya dan Faktor Dielektrik
• Prinsip jembatan Schering
Cara 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

17. 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.

18. • 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.

19. 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.

20. 5. Dielektrik berlapis
Pada teknik tegangan tinggi berupa dielektrik berlapis seperti isolasi
penghantar 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 batas
Secara umum kita akan meninjau dua keadaan mengenai sifat medan
pada 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 medan
Kita 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 :

21. 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.

22. •Bidang batas paralel dengan garus-garis medan
Diambil 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

23. 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.

24. • Bidang Batas miring terhadap garis-garis medan
Dengan 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 :