Your SlideShare is downloading. ×
Teori bahan isolasi-Syamsir Abduh
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×
Saving this for later? Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime – even offline.
Text the download link to your phone
Standard text messaging rates apply

Teori bahan isolasi-Syamsir Abduh

94

Published on

Bab ini menjelaskan tentang teori bahan isolasi

Bab ini menjelaskan tentang teori bahan isolasi

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
94
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
8
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. TEORI BAHAN ISOLASI 1. 1 Medan Listrik Apabila pada suat titik diletakkan muatan listrik, maka muatan listrik lain di sekitar muatan tersebut akan mengalami gaya listrik. Hal ini menunjukkan bahwa di sekitar muatan tersebut terdapat medan listrik. Jadi yang dimaksud dengan muatan listri adalah ruang di sekitar benda bermuatan listrik dimana pengaruh gaya listrik masih dapat dirasakan oleh benda-benda bermuatan listrik lainnya di sekitar ruang tersebut. Seperti pada medan gravitasi, medan listrik merupakan medan gaya sehingga kuat medan listrik merupakan suatu besaran vector. Untuk menentukan kuat medan listrik pada suatu titik, ditempatkan pada titik itu muatan titik uji (test charge) q’. Jika F adalah gaya yang dialami oleh muatan q’, maka kuat medan listrik pada titik tersebut adalah : ( 1.1 ) = kuat medan listrik dalam Newton/Coulomb 1. 2. Kuat Medan Listrik oleh Muatan Titik Misalkan muatan titik q sebagai sumber medan listrik berjarak r dari titik P, maka gaya listrik pada muatan uji q’ yang ditempatkan pada titik P adalah : 1
  • 2. Dengan menggunakan persamaaan ( 1.1 ), maka kuat medan listrik di titik P : (1.2) = Vektor satuan yang arahnya dari q ke titik P. Gambar 1.1 2
  • 3. (a) Kuat medan di titik P bila q muatan positif (b) Kuat medan di titik P bila q muatan negativf Sedangkam untuk kuat medan listrik, di titik P yang jaraknya dari muatan q1,q2,q3,…,qn berturut-turut r1,r2, r3,….,rn , dapat dihitung dengan menjumlahkan secara vekor kuat medan di titik P oleh masing-masing muatan. ( 1.3 ) = vector satuan yang arahnya dari qi ke titik P. 1.3 Garis Gaya Listrik 3
  • 4. Untuk mempermudah pengertian tentang medan listrik, maka dibuat suatu konsep garis gaya listrik yang digunakan sebagai alat bantu untuk mengetahui sifat dan arah medan listrik. Medan listrik digambarkan dengan garis-garis khayal yang dinamakan garis-garis medan. 4
  • 5. Gambar 1.2 Garis Gaya Muatan Positif Gambar 1.3 Garis Gaya Muatan Negatif Gambar 1.4 Gambar 1.5 Garis Gaya Listrik Garis Gaya Listrik Dua Muatan Titik Sejenis Dua Muatan Titik Berlawanan Jumlah garis gaya yang menembus suatu permukaan secara tegak lurus pada setiap titik sebanding dengan kuat medan di titik itu. 5
  • 6. { } ( 1.4 ) N = banyaknya garis gaya = Permitivitas ruang hampa E = Kuat medan yang tegak lurus bidang A. A = luas permukaan yang ditembus garis gaya Menurut kaidah hukum gauss : Jumlah netto garis-garis gaya yang memotong suatu permukaan tertutup dalam arah keluar sama dengan jumlah netto muatas positif yang terdapat didalam permukaan tersebut. Kalimat tersebut jika ditulis dalam persamaan matematik dibawah ini. N=q ( 1.5 ) 6
  • 7. ( 1.6 ) Persamaan diatas dapat dibuktikan denagan menganalisa suatu muatan sebesar q yang ditempatkan di udara. Besar medan listrik pada titik L yang berjarak r dari muatan q tersebut, adalah : Jika kita buat bola berpusat di q dengan jari-jari r, maka banyaknya garis gaya yang menembus luas permukaan bola yang melalui titik L adalah : = Karena E= , maka : 7
  • 8. N = q …………………………………( terbukti ) 1. 4 Konduktor dan Isolator 1.4.1 Konduktor dan Isolator Menurut Teori Atom Suatu bahan dikatakan memiliki sifat konduktor atau isolator berdasarkan banyaknya electron bebas yang terdapat di dalam bahan tersebut. Karena pergerakan arus listrik adalah pergerakan electron-elektron bebas yang membawa muatan, maka bahan yang memiliki electron bebas akan sangat mudah menghantarkan arus listrik, dan ini dinamakan konduktor. Sedangkan bahan yang tidak memiliki electron bebas, dinamakan isolator karena tidak dapat menghantarkan arus listrik. Pengertian electron bebas ini dapat ditinjau dari banyaknya electron bebas pada suatu pita konduksi. Dan pita konduksi ini, dapat dipelajari dengan melihat cara pembentukan pita-pita energy. 8
  • 9. Gambar 1.6 Tingkat-tingkat energi elektron dalam medan listrik Yang timbul oleh inti atom dalam zat padat Tingkat energy yang berkelompok dalam setiap satuan yang masing-masing jumlahnya 2N, dimana N adalah banyaknya atom dalam zat padat. Untuk memahami tingkat-tingkat energy lebih lanjut, maka dibawah ini diuraikan bahwa : Pita Energi : daerah/selang energi yang diperkenankan untuk electron dalam Kristal Celah energi : daerah/selang yang tidak diperkenankan untuk electron dalam Kristal 9
  • 10. Pita valensi : pita energi terakhir yang terisi penuh electron Pita konduksi : pita energi berikutnya setelah pita valensi Sebagai contoj konduktor, kita tinjau logam natrium (Na). satu atom Na mengandung 11 elektron, maka dikatakan logam natrium mengandung 11 N electron, dimana N adalah banyaknya atom dalam zat padat. Berarti logam natrium tersebut akan mengisi pita-pita energy sebanyak 11N electron. Menurut azas pauli, setiap pita energy hanya boleh diisi palng banyak 2N electron pada setiap tingkatan. Electron-elektron akan mengisi mulai dari tingkat terendah, pada saat suhu mutlak T= 0o K. Pengisian 11N electron ke dalam pita energy dapat kita lihat pada tabel 1.1 : Tabel 1.1 Pengisian pita energy oleh electron-elektron pada logam Na Pita Energi Banyaknya elektron Pertama (terendah) Diisi 2N elektron Kedua Diisi 2N elektron Ketiga Diisi 2N elektron Keempat Diisi 2N elektron Kelima Diisi 2N elektron Keenam (terakhir) Diisi 1N elektron 10
  • 11. Dari tabel 2.1 di atas jelas terlihat pada pita keenam, pita konduksi hanya terisi oleh 1N electron yang berarti hanya ½ nya. Pada pita keenam ini electron dapat bergerak dengan lincah karena pita energy hanya terisi separuhnya. Pergerakan electron-elektron inilah yang menyebabkan logam natrium dapat menghantarkan arus listrik dengan mudah, sehingga logam tersebut tergolong dalam konduktor. Untuk lebih jelas lagi dapat kita lihat pada gambar dibawah ini : 11
  • 12. Gambar 1.7 Pengisian Pita Energi pada Logam Natrium Sebagai contoh untuk isolator, kita tinjau intan yang disusun oleh atom-atom Karbon ( C ). Masing-masing atom Karbon memilik 6 elektron, sehingga intan mengandung 6N electron. Pengisian pita-pita energy pada intan dapat kita lihat pada tabel 1.2 : Tabel 1.2 pengisian pita energy oleh electron-elektron pada intan Pita Energy Pertama Kedua Ketiga Banyaknya electron Diisi 2N electron Diisi 2N elektron Diisi 2N elektron Pada tabel 1.2 jelas terlihat, pada pita energy ketiga ( terakhir ) terisi penuh sehingga electronelektron tersebut tidak lincah ( sukar bergerak ). Oleh sebab itu, intan sukar menghantarkan arus listrik dan tergolong dalam jenis isolator. Untuk lebih jelas lagi dapat kita lihat pada gambar di bawah ini. 12
  • 13. Gambar 1.8 Pengisian Pita Energi pada Intan 1.5 Penghantar Terisolasi Bila sebuah muatan berlebih ditempatkan sembarangan pada sebuah penghantar terisolasi, maka muatan tersebut akan menimbulkan medan listrik di dalam penghantar. Medan ini bekerja pada pembawa muatan dari penghantar (electron) dan menyebabkan electron bergerak, yakni electron menghasilkan arus internal. Arus ini mendistribusikan kembali muatan berlebih tersebut sedemikian rupa sehingga medan listrik internal akan berkurang besarnya secara otomatis. Akhirnya medan listrik di dalam penghantar menjadi nol dimana-mana, dan arus secara otomatis akan berhenti, dan kondisi elektrostastik pun berlaku. Hal ini sesuai dengan hukum gauss, yakni : Sebuah muatan berlebih ( excess charge ), yang di tempatkan pada sebuah penghantar terisolasi, seluruhnya akan tinggal berada pada permukaan sebelah luar. 13
  • 14. Gambar 1.9 Sebuah penghantar logam yang terisolasi Gambar 1.9 adalah penampang dari sebuah penghantar terisolasi yang bentuknya sembarang dan yang menyangkut sebuah muatan berlebih q. Garis-garis yang terputus-putus memperlihatkan sebuah permukaan gauss yang terletak pada jarak kecil dibawah permukaan penghantar yang sesungguhnya. Walaupun permukaan gauss tersebut dapat dibuat sedekat mungkin kepada permukaan yang sebenernya seperti yang kita inginkan, namun kita perlu mengingat bahwa permukaan gauss berada di dalam permukaan tersebut. 1.6 Bahan-Bahan Isolasi Bahan isolasi yang berbentuk padat ada bermacam-macam dan sering digunakan adalah bahan isolasi padat yang dibuat secara sintetis mempunyai berat jenis yang rendah dimana merupakan campuran dari bermacam-macam bahan,guna memenuhi syarat dan karakteristik yang lebih baik.Dalam perkembangannya bahan isolasi sintesis inilah yang sering digunakan. Untuk isolasi kabael banyak digunakan bahan sintesis yang merupakan campuran dari bahan dammar(resin). Dammar mempunyai sifat menjadi lunak atau cair jika dipanaskan. Kebanyakan 14
  • 15. bahan dammar ini tidak larut dalam air, tetapi larut dalam bahan organic tertentu. Bahan isolasi sintesis yang berdasarkan dama dapat dibagi menjadi 2 golongan : 1.Thermo plastic Bahan ini apabila dipanaskan akan menjadi lunak dan mudah dibentuk. Proses ini dapat dilakukan berulang-ulang karena pemanasan tidak akan menimbulkan unsure kimia yang baru atau dengan kata lain tidak menimbulkan unsure reaksi kimia.dapat larut dalam larutan tertentu. Yang termasuk dalam golongan ini adalah : a.Polyvinyl chloride, disingkat PVC b.Polyethylene, disingkat PE 2. Thermo setting Bahan ini mempunyai sifati yang lebih keras disbanding bahan thermoplastic Karena bahan ini memerlukan vulkanisasi yang akan menyebabkan reaksi kimia yang permanen. Jika dipanaskan tidak dapat meleleh lagi sehingga dapat digunakan pada temperature yang tinggi.yang termasuk dalam golongan ini adalah : a. Karet ( Butyl dan Ethylene Propylene rubber/ EPR) b. Cross linked polyethene, disingkat XLPE 15
  • 16. Bahan isolasi padat yang merupakan hasil campuran dammar ini yang paling sering digunakan pada bahan isolasi kabel. 1.6.1 Kertas Diresapi Minyak ( Impregnated Paper ) Pada umumnya bahan dasar kertas adalah kayu yang diolah melalui proses kimia, dimana kertas terdiri dari serat-serat panjang yang berbentuk pipa-pipa halus. Sifat-sifat yang dimiliki kertas sebagai bahan isolasi : c. Factor rugi dielektrik antara 0,0009 sampai 0,004 d. Temperature kerja 650C e. Ketahanan dielektrik 80kv/mm f. Mengisap uap/cairan Untuk memperbaiki sifat-sifat isolasi, kertas harus diresapi dengan minyak isolasi atau kompon khusus ( non draining compound ). Fungsi minyak isolasi/kompon sebagai bahan isolasi yang menggantikan udara yang terdapat pada pori-pori kertas diantara lapisan-lapisan kertas. Minyak yang digunakan adalah minyak mineral, askarel ( chlorinated hydrocarbon ) atau campuran resin. Minyak isolasi / kompon harus bebas asam dan mempunyai sifat kimia yang stabil dan mempunyai kekentalan rendah pada waktu peresapan dan kekentalan yang tinggi pada waktu kerja, guna mencegah pengeringan. Walaupun tidak dikembangkan lagi, sampai sekarang isolasi kertas masih banyak dipergunakan pada kabel tegangan menengah. 16
  • 17. 1.6.2 Polyvinyl Chloride Merupakan suatu campuran antara dammar ( resin ) sebagai bahan dasar dengan plastic, filter serta bahan-bahan pembantu lain untuk memperbaiki sifat listrik dan mutu hasil produksi. Campuran chlor yang terkandung dalam bahan ini membuat PVC mempunyai ketahanan terhadap api, jadi bila terbakar dapat dipadamkan sendiri. Polyvinyl chloride cukup tahan juga terhadap asam, alkali dan air namun dapat larut dalam beberapa larutan tertentu. Selain itu PVC juga mempunyai karakteristik yang baik. Bila diberi warna hitam akan tahan terhadap cuaca, karena itu PVC juga bisa dipergunakan sebagai bahan selubung. Tetapi sifat listriknya tidak sebaik bahan plastic lainnya, sehingga sering dipergunakan sebagai isolasi pada kabel transmisi tegangan dan frekuensi rendah. Gambar 1.10 Struktur Kimia PVC 1.6.3. Bahan Karet Bahan karet yang digunakan merupakan campuran antara karet dengan bahanbahan lainyang meningkatkan dan memperbaiki sifat isolasinya. Ketahanan terhadap air,gesekan.kuat tarik dapat diperoleh dengan pemilihan bahan yang tepat. 17
  • 18. Jenis-jenis isolasi dari bahan karet, antara lain: 1. Butyl Rubber(butyl) Merupakan bahan yang tahan air,ozon dan cuaca serta mempunyai sifat listrik yang baik. Kelemahanya adalah tidak tahan terhadap minyak dan tidak memadamkan api bila terbakar 2. Neoprene Pada umunya dipakai sebagai bahan selubung luar. Mempunyai ketahanan terhadap minyak, sinar matahari dan cuaca. Dapat memadamkan nyala api bila terbakar walaupun kemampuanya belum memadai. 3. Ethylene Propylene Rubber (EPR) Kemampuanya tidak berbeda dengan bahan karet lainya, hanya mempunyai kelebihan dalam hal ketahanan thermal. 1.6.4 Polyethylene (PE) Merupakan bahan isolasi dengan sifat listrik, ketahanan terhadap air dan fleksibilitas pada suhu rendah yang baik. Mempunyai sifat mekanis yang keras. Tidak dapat memadamkan api sendiri, bila terbakar. Isolasi polyethylene pada umumnya digunakan untuk tegangan tinggi karena factor daya dielektrik (tangen&) relative rendah dan tegangan kegagalan ( breakdown ) cukup tinggi. 1. Low Density Polyyethylene 2. Medium Density Polyethylene 18
  • 19. 3. High Density Polyethylene Struktur kimia polyethylene jika dibandingkan dengan PVC hanya berbeda sedikit, Dimana beberapa atom hydrogen dalam polyethylene diganti dengan atom chlor. Struktur kimia polyethylene. Gambar 1.11 Struktur kimia polyethylene Namun demikian PE dan PVC mempunyai sifat dan karakterristik yang berbeda. PE memiliki permitivitas dan faktor daya yang lebih baik disbanding PVC . PE tidak dapat menahan jalanya nyala api jika terbakar, sedangkan PVC dapat memadamkan nyala api. 1.6.5 Cross linked polyethylene ( XLPE ) Cross linked polyethylene diperoleh dengan merubah bahan thermoplastic dari “ low density polyethylene “ menjadi bahan thermosetting dengan proses “ cross linking “. Pada polyethylene molekul-molekul karbon dan hydrogen mempunyai bentuk seperi rantai yang 19
  • 20. fleksibel, rantai-rantai ini saling berdiri sendiri. Pada temperature tinggi, molekul-molekul ini mudah berubah bentuk, sedangkan molekul-molekul XLPE terikat dalam jaringan dan lebih tahan terhadap perubahan suhu dan bentuk. Gambar 1.12 Struktur Kimia ‘Cross Linked Polyethylene (XLPE) 1.7 Dielektrik Dielektrik adalah bahan yang tidak memiliki electron bebas. Pada kebanyakan kapasitor, ruang di antara kedua plat diisi dengan bahan dielektrik agar dengan ukuran yang kecil di peroleh kapasitansi yang besar. Hal ini disebabkan harga kapasitansi akan bertambah dengan factor K jika seluruh ruang di antara kedua plat diiisi dengan bahan dielektrik. K merupakan suatu besaran tak berdimensi yang menggambarkan kemampuan dielektrik untuk mengurangi atau memperkecil medan listrik luar di dalam dielektrik, dan besaran ini disebut tetapan dielektrik. 1.7.1 Gambaran Atomik Bahan Dielektrik Pada bagian ini akan di tinjau sifat-sifat bahan dielekrik bila bahan tersebut diletakkan dalam medan listrik. Perhatikan suatu kapasitor plat sejajar yang bermuatan q ( gambar 1.13a), 20
  • 21. andaikan rapat muatan permukaan pada plat, maka kuat medan listrik di antara kedua plat kapasitor adalah : Eo = (2.7) Jika ruang di antara kedua plat diisi dielektrik, timbullah muatan induksi qi pada permukaan dielektrik seperti terlihat pada gambar 1.13 b. Gambar 1.13 (a) Kapasitor Pita Sejajar Tanpa Dielektrik (b) Muatan Induksi pada Permukaan Dielektrik Muatan induksi ini menghasilkan medan listrik induksi Ei didalam dielektrik yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik Eo. Akibatnya, kuat medan listrik total di dalam dielektrik dilemahkan. Timbulnya muatan induksi pada permukaan dielektrik dapat di jelaskan sebagai berikut. Molekul-molekul dalam bahan dielektrik mempunyai muatan positif dan muatan negative yang dapat terorientasi oleh medan listirk luar. Molekul bahan dielektrik dapat berupa molekul non polar atau molekul polar. Pada molekul nonpolar pusat-pusat muatan negative dan positif 21
  • 22. berhimpit, sedangkan pada molekul polar tidak berhimpit, sehingga molekul-molekul polar merupakan dipole-dipol listrik yang sangat kecil. Dalan pengaruh medan listrik luar, matan molekul-molekul nonpolar bergeser sedikit seperti pada gambar 1.14 b. Gambar 1.14 Perilaku Molekul Non-Polar (a) Bila Tidak Ada Medan Listrik Luar (b) Bila ada Medan Listrik Luar Molekul-molekul tersebut dikatakan terpolarisasi oleh medan listrik luar, dan mengasilkan dipole listrik yang disebut dipol terinduksi. Bahan dielektrik yang terdiri atas molekul-molekul polar dikatakan mempunyai dipoledipol ini acak bila tidak ada medan listrik luar, sperti terlihat pada gambar 1.15 a. bila bajan tersebut berada dalm medan listrik luar, gaya listrik terhadap masing-masing dipole akan menimbulkan suatu kopel ( momen gaya ) yang cenderung mengatur arah dipole menjadi sama dengan arah medan listrik luar , makin bear kuat medan listrik luar, makin besar keraturan arah dipole dan dikatakan bahwa dielektrik yang bersangjutan ( secara keseluruhan ) terpolarisasi. 22
  • 23. Gambar 1.15 Prilaku molekul polar (a) Bila tidak ada medan listrik luar (b) Bila ada medan listrik luar Bila suatu bahan dielektrik berada dalam medan listrik, baik bahan tersebut molekul – molekulnya, polar maupun nonpolar, pengaruh total yang dihasilkan medan listrik luar terhadap bahan tersebut pada hakikatnya sama, seperti terlihat pada gambar 1.16. Gambar 1.16 Polarisasi bahan dielektrik dalam medan listrik menghasilkan muatan induksi pada permukaan dielektrik Dalam daerah yang tipis di permukaan – permukaan (pada gambar 1.16 ditunjukkan dengan garis titik – titik), terdapat muatan lebih, negatif pada lapisan 23
  • 24. permukaan kiri dan positif pada lapisan permukaan kanan. Muatan pada lapisan – lapisan ini merupakan muatan induksi pada permukaan dielektrik. Muatan tersebut bukan muatan bebas, tetapi masing – masing terikat pada molekulnya. Di bagian lain dari dielektrik (di bawah permukaan) muatan netto per satuan volume rata – rata nol. Kuat medan listrik total di dalam dielektrik adalah super posisi kedua medan listrik E0 dan Ei, sehingga diperoleh: E = E0 – Ei = (1.8) Besarnya rapat muatan induksi permukaan berbanding lurus dengan besar kuat medan listrik di dalam dielektrik E, asalkan E tersebut tidak terlalu besar. Secara matematis dirumuskan: Tetapan perbandingan Xe menggambarkan besar kecilnya induksi pada bahan dielektrik dan dinamakan suseptibilitas listrik. Dari persamaan 1.8 dan persamaan 1.9 diperoleh: E= = E 24
  • 25. E+ E= Didefinisikan tetapan dielektrik K : ( 1.10 ) Sehingga : ( 1.11 ) Didefinisikan permitivitas dielektrik : ( 1.12 ) Sehingga persamaan 2.11 menjadi : 25
  • 26. ( 1.13 ) 1.7.2 Dielektrik dalam Keadaan Seri Dalam keadaan seri medan listrik pada dielektrik dianggap seragam ( lihat gambar 1.24), arus bocor fluks dapat diabaikan dan konsentrasi fluks pada pinggiran juga dapat diabaikan. Oleh karena perpindahan (displacement) netral sama, maka : Gambar 1.17 Dielektrik dalam keadaan seri Dn1 = Dn2 En1 = 1 ( 1.14 ) En2 2 ( 1.15 ) Dimana : D = Kerapatan fluks listrik (C/m2) 26
  • 27. = Permitivitas dielektrik En1,En2 = Kuat medan = Oleh sebab itu, tegangan pada masing-masing dielektrik V1,V2 sebagai fungsi dari seluruh tegangan V adalah : ( 1.16 ) ( 1.17 ) Bila terdapat n dielektrik dalam keadaan seri, maka gradient atau kuat medannya pada suatu titik x adalah : ( 1.18 ) 27
  • 28. = Konstanta dielektrik pada jarak x dari pusat penghantar 28

×