Dielektrik

1,608 views

Published on

Published in: Education
1 Comment
4 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
1,608
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
1
Likes
4
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Dielektrik

  1. 1. DielektrikDielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan (polarized) dengan caramenempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik,muatan listrik yang terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus sepertibahan konduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkanterciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menujukutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menujukutub positif medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang [1]menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun. Jikabahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidakhanya menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti [2]arah medan listrik.Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknya rendah, seperti "dielektrik",namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkatkemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umumtentang dielektrik adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor.Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya merubah muatan listrik [2]pada kutub-kutub kapasitor.Penelitian tentang sifat-sifat bahan dielektrik berhubungan erat dengan kemampuannya menyimpan [3]dan melepaskan energi listrik dan magnetik. Sifat-sifat dielektrik sangat penting untuk menjelaskanberbagai fenomena dalam bidan elektronika, optika, dan fisika zat padat.Istilah "dielektrik" pertama kali dipergunakan oleh William Whewell (dari kata "dia" dari yunani yangberarti "lewat" dan "elektrik") sebagai jawaban atas permintaan dari Michael FaradayKerentanan kelistrikan (Susceptibility)Kerentanan kelistrikan Xe pada bahan dielektrik adalah ukuran seberapa mudah bahan inidikutubkan dalam medan listrik, yang pada akhirnya menentukan permitivitas listrik sehinggamempengaruhi sifat-sifat lain dalam bahan dielektrik tersebut, misalnya nilai kapasitansi jikadipergunakan dalam kapasitor.nilai kerentanan listrik ini didefinisikan melalui sebuah konstanta perbandingan antara medanlistrik E dan pengkutuban bahan dielektrik P sedemikian rupa sehingga: dimana adalah Permitivitas ruang hampa. Kerentanan sebuah bahan memiliki hubungan dengan permitivitas relatifnya yaitu:
  2. 2. Sehingga dalam ruang hampa, Perpindahan medan listrik D berhubungan dengan kerapatan pengkutuban P melalui: [sunting]Penyebaran (dispersi) dan hukum sebab-akibat Secara umum, sebuah bahan tidak dapat langsung terkutub (polarized) secara mendadak pada saat berada dalam medan listrik. Bentuk umum rumus sebagai fungsi waktu pengutuban ini adalah: Artinya pengkutuban terjadi sebagai bentuk pembelokan (konvolusi) terhadap medan listrik pada masa lampau (waktu sebelumnya) dengan nilai kerentanan listrik saat ini yang bernilai . Batas atas dari integral ini dapat terus diperpanjang sampai tak terhingga karena untuk . Respon pengutuban mendadak dapat terjadi karena Fungsi delta dirac dengan kerentanan . Namun perhitungan menjadi lebih mudah dalam sistem linear jika menggunakan rumus Transformasi Fourier dan menulis persamaan ini sebagai fungsi frekuensi. Karena adanya teorema konvolusi, bentuk integral berubah menjadi perkalian sederhana, Perlu diperhatikan bahwa frekuensi sederhada ini bergantung pada nilai kerentanan, atau nilai permitivitas. Bentuk grafik kerentanan berdasar frekuensi ini memberi sifat dispersi pada bahan dielektrik. Lebih jauh, bahwa pengutuban hanya bergantung pada medan listrik pada waktu lampau (yaitu untuk ), sebagai konsekuensi atas hukum sebab-akibat, pengutuban memiliki hubungan Kramers–Kronig pada kerentanan .
  3. 3. [sunting]Pengutuban dielektrik[sunting]Permodelan atom sederhanaInteraksi medan listrik dengan permodelan atom dielektrik klasik.Dalam pendekatan teori klasik tentang permodelan dielektrik, sebuahbahan terbuat dari atom-atom. Tiap atom terdiri dari awan bermuatannegatif (elektron) terikat dan meliputi titik bermuatan positif di tengahnya.Dengan keberadaan medan listrik disekeliling atom ini maka awanbermuatan negatif tersebut berubah bentuk, seperti yang terlihat padagambar yang atas-kanan .Hal ini dapat dipandang secara sederhana sebagai dwikutub (dipole)dengan menggunakan prinsip-prinsip superposisi. Dwikutub ini dicirikanoleh momen dwikutubnya, yaitu besaran vektor yang ditampilkan padagambar sebagai panah biru dengan tanda M. Yang berperan membentukperilaku dielektrik adalah Hubungan antara medan listrik dan momendwikutubnya. (Catatan bahwa pada gambar momen dwikutub digambarkanmengarah pada arah yang sama dengan medan listrik, hal ini tidak selalubenar-benar terjadi, dan ini hanya merupakan penyederhanaan saja,namun penggambaran seperti ini biasanya masih sesuai untuk berbagaibahan.)Ketika medan listrik hilang, atom-atom pada bahan tersebut kembali padakeadaan sebelumnya. Waktu yang diperlukan untuk berubah-ubah keadaanini disebut waktu Relaksasi; grafiknya berbentuk penurunan secaraekponensial.
  4. 4. Permodelan di atas merupakan penggambaran sederhana saja, pada prakteknya perilaku dielektrik sangat bergantung pada situasinya. Makin rumit situasinya (membutuhkan akurasi lebih) makin rumit pula permodelan yang harus dibuat untuk menjelaskan perilaku bahan dielektrik secara akrat. Permasalahan paling mendasar adalah:  Apakah medan listrik dalam bahan tersebut konstan ataukah berubah sejalan waktu?  Jika berubah sejalan waktu, seberapa besar perubahannya?  Bagaimana ciri-ciri bahan tersebut?  Apakah arah medan listrik merupakan isotropi yang penting?  Apakah bahan tersebut homogen?  Adakah batasan-batasan yang harus diperhatikan?  Apakah harus diperhatikan bila sistemnya linear atau nonlinear? Hubungan antara medan listrik E dan momen dwikutub M mempengaruhi perilaku bahan dielektrik, yang mana pada bahan tertentu, dapat dicirikan melalui fungsi F dengan persamaan:. Ketika medan listrik dan jenis bahan telah ditentukan, lalu ditentukan fungsi F paling sederhana untuk mendapatkan hasil paling mendekati dari sifat yang diinginkan. [sunting]Pengutuban dwikutub Pengutuban dwikutub (dipole polarization) adalah pengutuban pada kutub-kutub molekulnya. Pengutuban jenis ini berakibat pengutuban secara permanen, contohnya ikatan asimetris antara atom oksigen dan hidrogen pada air, yang akan mempertahankan sifat- sifat pengutuban walaupun medan listrik sudah hilang. Pengutuban jenis ini membentuk pengutuban makroskopis. Jika medan listrik dari luar dipaparkan pada bahan tertentu, jarak antara muatan dalam atom, yang terkait dengan ikatan kimianya, tidak berubah selama terkutub; namun, kutub-kutubnya akan berputar. Putarannya tergantung pada torsi dan viskositas molekul yang bersangkutan. Karena perputaran ini tidak dapat terjadi secara mendadak, pengutuban dwikutub belum terjadi ketika frekuensi pengutuban masih rendah. Jarak waktu respon muatan listrik karena adanya medan listrik ini menimbulkan gesekan dan panas.
  5. 5. [sunting]Pengutuban ionPengutuban ion adalah pengutuban yang terjadi karena adanyaperpindahan relatif antara ion negatif dan positif dalam molekul yangbersangkutan, misalnya pada NaCl).Sering kristal atau molekul tidak terdiri hanya satu jenis atom saja,distribusi muatan listrik disekitar atom kristal atau molekul cenderungpositif atau negatif. Akibatnya, ketika getaran molekul menginduksiperpindahan muatan dalam atom, titik setimbang muatan positif dannegatif mungkin tidak berada pada lokasi yang sama. Titik setimbangini mempengaruhi simetri sebaran muatan listrik. Ketika titik setimbangini tidak setimbang, pengkutuban terjadi dalam kristal atau molekultersebut. Inilah pengutuban ion.Pengutuban ion menyebabkan transisi feroelektrik dan jugapengutuban dwipolar. Transisi yang disebabkan berubahnya urutanarah kutub permanen sepanjang garis tertentu, disebut transisifase order-disorder. Sedang transisi yang disebabkan olehpengutuban ion dalam kristal disebut transisi fase pergeseran.[sunting]Dispersi dielektrikDalam ilmu fisika, dispersi dielektrik adalah ketergantungan bahandielektrik pada nilai permitivitasnya pada frekuensi tertentu ketikaadanya medan listrik. Karena adanya jeda waktu antara pengutubandan perubahan medan listrik, permitivitas bahan dielektrik menjadisangat rumit, diperlukan fungsi dengan bilangan kompleks darifrekuensi medan listrik. Hal ini sangat penting dalam penggunaanbahan dielektrik dan analisis sistem pengutuban.Kejadian umum atas fenomena ini disebut sebagai dispersi bahan:yaitu respon yang tergantung pada frekuensi dari suatu bahan untukmenghantarkan gelombang (wave propagation).Ketika frekuensi meningkat: 1. Pengutuban dwikutub tidak mungkin mengejar perubahan medan listrik ketika memasuki daeran gelombang 10 mikro sekitar 10 Hz; 2. Ketika memasuki daerah infra-merah atau infra-merah-jauh 13 sekitar 10 Hz, pengutuban ion tidak lagi merespon terhadap medan listrik;
  6. 6. 3. Pengutuban listrik benar-benar tidak mungkin terjadi ketika 15 frekuensi memasuki daerah ultraungu sekitar 10 Hz.Dalam frekuensi di atas ultraungu, permitivitas mendekati nilaikonstanta ε0 untuk semua bahan, dimana ε0 adalah permitivitas ruanghampa. Karena permitivitas merupakan kekuatan hubungan antaramedan listrik dan pengutuban, jika pengutuban tidak lagi meresponmedan listrik, maka permitivitas menurun.[sunting]Relaksasi dielektrikRelaksasi dielektrik adalah komponen jeda waktu dalam konstantadielektrik suatu bahan. Jeda ini biasanya disebabkan oleh jeda waktuyang diperlukan molekul bahan sampai terkutub (polarized) ketikamengalami perubahan medan listrik disekitar bahan dielektrik(misalnya, kapasitor yang dialiri arus listrik). Relaksasi dielektrik ketikaterjadi perubahan medan listrik dapat dipersamakan denganadanya histerisis ketika terjadi perubahan medanmagnet (dalam induktor atau transformer). Dalam sistem linier,relaksasi secara umum berarti jeda waktu sebelum respon yangdiinginkan muncul, oleh karena itu relaksasi diukur sebagai nilai relatifterhadap keadaan dielektrik stabil yang diharapkan (equilibrium). Jedawaktu antara munculnya medan listrik dan terjadinya pengutubanberakibat berkurangnya energi bebas (G) tanpa dapat dikembalikan.Dalam ilmu fisika, relaksasi dielektrik mengacu pada waktu responrelaksasi bahan dielektrik atas medan listrik dari luar pada frekuensigelombang mikro. Relaksasi ini sering diterangkan dalam permitivitassebagai fungsi terhadap frekuensi, yang mana, dalam sistem ideal,dapat dinyatakan dalam persamaan Debye. Namun di lain pihak,pergeseran pengutuban ion dan pengutuban elektron menunjukkanperilaku sejenis resonansi atau osilasi. Ciri proses pergeseran sangatbergantung pada struktur, komposisi, dan lingkungan sekitar daribahan.Jumlah panjang gelombang yang bisa dipancarkan sebagai radiasiketika terjadinya relaksasi dielektrik dapat ditemukan menggunakanHukum Hemmings yang pertama dimana
  7. 7. n adalah jumlah panjang gelombang yang bisa dipancarkan sebagai radiasi adalah jumlah tingkat energi. [sunting]Relaksasi Debye Relaksasi Debye adalah respon relaksasi dari sekumpulan dwikutub yang tak berinteraksi satu sama lain, secara ideal, atas berubahnya medan listrik dari luar. Biasanya nilainya dinyatakan sebagai permitivitas kompleks dari bahan sebagai fungsi terhadap frekuensi medan listrik : dimana adalah permitivitas pada batas frekuensi tertinggi, dimana merupakan permitivitas statis berfrekuensi rendah, dan adalah ciri waktu relaksasi dari bahan yang bersangkutan. Model relaksasi seperti ini pertama kali diperkenalkan (dan dinamai sesuai yang memperkenalkan) [5] oleh Peter Debye pada tahun 1913. [sunting]Variasi persamaan Debye  Persamaan Cole–Cole  Persamaan Cole–Davidson  Relaksasi Havriliak–Negami  Fungsi Kohlrausch–Williams–Watts (Transformasi Fourier atas fungsi ekponensial diregangkan) [sunting]Penerapan [sunting]Kapasitor Artikel utama untuk bagian ini adalah: kapasitor
  8. 8. Pemisahan muatan listrik dalam lempengan konduktor sejajarmenimbulkan medan listrik internal. Bahan dielektrik (oranye)mengurangi medan internal sambil menambah kapasitansi.Kapasitor yang diproduksi untuk komersial biasanyamenggunakan bahan dielektrik padat yang memilikipermitivitas tinggi sebagai pemisah antara muatanpositif dan negatif yang disimpan. Bahan ini sering [6]pula disebut sebagai "dielektrik kapasitor".Keuntungan yang jelas terlihat jika menggunakanbahan dielektrik semacam ini adalah mencegah duaplat konduktor yang mana terdapat muatan listriksaling berhubungan langsung. Dan yang lebihpenting, permitivitas tinggi memungkinkan lebihbanyak muatan listrik yang tersimpanpada potensial yang sama. Kerapatan muatan listrikσε yang bisa disimpan jika menggunakan bahandielektrik linear dengan permitivitas ε danketebalan d untuk memisah dua konduktor dapatdihitung dengan dan kapasitansi per satuan luas adalah Dari sini, bisa kita lihat bahwa semakin besar ε makin besar pula muatan yang disimpan
  9. 9. (σε) dan akhirnya makin besar pula nilaikapasitansinya.Bahan dielektrik yang digunakan dalamkapasitor juga dipilih yangsulit terionisasi agar kapasitor dapatdipergunakan pada potensial tinggi tanpakhawatir bahan dielektrik terionisasi danmengalirkan arus (arus bocor).[sunting]Resonator dielektrikOsilator resonator dielektrik (DRO --Dielectric Resonator Oscillator) adalahkomponen elektronika yangmenghasilkan resonansi dalam rentangfrekuensi sempit, biasanya pada pitagelombang mikro. Komponen ini terdiri dari"puck" keramik yang memiliki konstantadielektrik besar dan faktorlesapan (dissipation factor) rendah.Resonator semacam ini digunakan untukmendapatkan frekuensi acuan dalamrangkaian osilator. Resonator dielektrik tak-terlindung (unshielded) dapat ditemuipada Antena Resonator Dielektrik (DRA --Dielectric Resonator Antenna).[sunting]Dielektrik dalam praktekBahan dielektrik dapat berupa zat padat, zatcair, atau gas. Bahkan, ruang hampa-pundapat dianggap bahan dielektrik walaupunkonstanta dielektrik relatifnya merupakanidentitas (bernilai 1).Nampaknya dielektrik dalam bentuk padatlebih umum dipergunakan dalam ilmukelistrikan, dan banyak zat padatmerupakan isolator yang baik. Beberapacontoh antara lain porselen, kaca, dansebagian besar plastik. Udara, nitrogen,
  10. 10. dan belerang hexafluoride adalahtiga gas yang umum digunakan sebagaibahan dielektrik. Pelapis industrial seperti parylene bertindak sebagai penghalang dielektrik antara bahan yang dilapisi dan lingkungan sekitar. Minyak yang digunakan dalam transformer (terutama yang besar) berguna sebagai bahan dielektrik cair dan sebagai pendingin. Bahan dielektrik cair memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi, sehingga bisa dipergunakan dalam kapasitor tegangan tinggi sehingga mencegah terjadinya muatan bocor bila terjadi korona dan juga meningkatkan nilai kapasitansi. Karena bahan dielektrik menghambat arus listrik, permukaan bahan dielektrik bisa saja menangkap muatan listrik berlebih yang terlepas. Hal ini dapat terjadi secara tidak sengaja ketika bahan dielektrik tergesek atau tersentuh bahan lain sehingga terjadi efek tribolistrik. Namun demikian kadang kala kejadian seperti ini justru diinginkan seperti dalam generator Van De Graffatau elektroforus, atau dapat pula kejadian ini malah merusak seperti dalam pelepasan listrik statis. Bahan dielektrik khusus yang disebut elektret dapat menyimpan muatan listrik cukup lama, hampir seperti magnet yang mampu menyimpan medan magnet. Beberapa bahan dielektrik mampu menghasilkan potensial listrik ketika
  11. 11. mengalami tekanan, atau dapat berubah bentuk ketika diberi potensi listrik. Sifat ini disebut sebagai sifat piezoelektrik. Bahan piezoelektrik merupakan jenis dielektrik yang sangat berguna dalam berbagai alat. Beberapa bahan dielektrik dalam bentuk kristal ion dan polimer memiliki momen dwikutub sendiri, yang dapat dimodifikasi oleh medan listrik dari luar. Perilaku ini disebut efek feroelektrik. Bahan-bahan ini berperilaku seperti bahan feromagnetik ketika terpapar medan magnet. Bahan feroelektrik sering kali memiliki konstanta dielektrik yang sangat besar, sehingga bahan- bahan jenis ini sangat berguna dalam pembuatan kapasitor.

×