Dokumen ini menjelaskan tentang dielektrik, yaitu bahan isolator listrik yang dapat dikutubkan dalam medan listrik, serta karakteristik dan aplikasinya dalam kapasitor dan sistem elektronika. Pengutuban dielektrik dipengaruhi oleh kerentanan kelistrikan dan frekuensi medan listrik, dan dapat berfungsi sebagai penghalang atau penyimpan muatan listrik. Selain itu, terdapat berbagai fenomena seperti relaksasi dielektrik dan pengutuban ion yang berperan penting dalam perilaku bahan dielektrik.

1. Dielektrik
Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan (polarized) dengan cara
menempatkan 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 seperti
bahan konduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan
terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju
kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju
kutub 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. Jika
bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak
hanya 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 tingkat
kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum
tentang 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 menjelaskan
berbagai fenomena dalam bidan elektronika, optika, dan fisika zat padat.
Istilah "dielektrik" pertama kali dipergunakan oleh William Whewell (dari kata "dia" dari yunani yang
berarti "lewat" dan "elektrik") sebagai jawaban atas permintaan dari Michael Faraday
Kerentanan kelistrikan (Susceptibility)
Kerentanan kelistrikan Xe pada bahan dielektrik adalah ukuran seberapa mudah bahan ini
dikutubkan dalam medan listrik, yang pada akhirnya menentukan permitivitas listrik sehingga
mempengaruhi sifat-sifat lain dalam bahan dielektrik tersebut, misalnya nilai kapasitansi jika
dipergunakan dalam kapasitor.
nilai kerentanan listrik ini didefinisikan melalui sebuah konstanta perbandingan antara medan
listrik E dan pengkutuban bahan dielektrik P sedemikian rupa sehingga:
dimana adalah Permitivitas ruang hampa.
Kerentanan sebuah bahan memiliki hubungan dengan permitivitas relatifnya yaitu:

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. [sunting]Pengutuban dielektrik
[sunting]Permodelan atom sederhana
Interaksi medan listrik dengan permodelan atom dielektrik klasik.
Dalam pendekatan teori klasik tentang permodelan dielektrik, sebuah
bahan terbuat dari atom-atom. Tiap atom terdiri dari awan bermuatan
negatif (elektron) terikat dan meliputi titik bermuatan positif di tengahnya.
Dengan keberadaan medan listrik disekeliling atom ini maka awan
bermuatan negatif tersebut berubah bentuk, seperti yang terlihat pada
gambar yang atas-kanan .
Hal ini dapat dipandang secara sederhana sebagai dwikutub (dipole)
dengan menggunakan prinsip-prinsip superposisi. Dwikutub ini dicirikan
oleh momen dwikutubnya, yaitu besaran vektor yang ditampilkan pada
gambar sebagai panah biru dengan tanda M. Yang berperan membentuk
perilaku dielektrik adalah Hubungan antara medan listrik dan momen
dwikutubnya. (Catatan bahwa pada gambar momen dwikutub digambarkan
mengarah pada arah yang sama dengan medan listrik, hal ini tidak selalu
benar-benar terjadi, dan ini hanya merupakan penyederhanaan saja,
namun penggambaran seperti ini biasanya masih sesuai untuk berbagai
bahan.)
Ketika medan listrik hilang, atom-atom pada bahan tersebut kembali pada
keadaan sebelumnya. Waktu yang diperlukan untuk berubah-ubah keadaan
ini disebut waktu Relaksasi; grafiknya berbentuk penurunan secara
ekponensial.

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. [sunting]Pengutuban ion
Pengutuban ion adalah pengutuban yang terjadi karena adanya
perpindahan relatif antara ion negatif dan positif dalam molekul yang
bersangkutan, misalnya pada NaCl).
Sering kristal atau molekul tidak terdiri hanya satu jenis atom saja,
distribusi muatan listrik disekitar atom kristal atau molekul cenderung
positif atau negatif. Akibatnya, ketika getaran molekul menginduksi
perpindahan muatan dalam atom, titik setimbang muatan positif dan
negatif mungkin tidak berada pada lokasi yang sama. Titik setimbang
ini mempengaruhi simetri sebaran muatan listrik. Ketika titik setimbang
ini tidak setimbang, pengkutuban terjadi dalam kristal atau molekul
tersebut. Inilah pengutuban ion.
Pengutuban ion menyebabkan transisi feroelektrik dan juga
pengutuban dwipolar. Transisi yang disebabkan berubahnya urutan
arah kutub permanen sepanjang garis tertentu, disebut transisi
fase order-disorder. Sedang transisi yang disebabkan oleh
pengutuban ion dalam kristal disebut transisi fase pergeseran.
[sunting]Dispersi dielektrik
Dalam ilmu fisika, dispersi dielektrik adalah ketergantungan bahan
dielektrik pada nilai permitivitasnya pada frekuensi tertentu ketika
adanya medan listrik. Karena adanya jeda waktu antara pengutuban
dan perubahan medan listrik, permitivitas bahan dielektrik menjadi
sangat rumit, diperlukan fungsi dengan bilangan kompleks dari
frekuensi medan listrik. Hal ini sangat penting dalam penggunaan
bahan dielektrik dan analisis sistem pengutuban.
Kejadian umum atas fenomena ini disebut sebagai dispersi bahan:
yaitu respon yang tergantung pada frekuensi dari suatu bahan untuk
menghantarkan 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. 3. Pengutuban listrik benar-benar tidak mungkin terjadi ketika
15
frekuensi memasuki daerah ultraungu sekitar 10 Hz.
Dalam frekuensi di atas ultraungu, permitivitas mendekati nilai
konstanta ε0 untuk semua bahan, dimana ε0 adalah permitivitas ruang
hampa. Karena permitivitas merupakan kekuatan hubungan antara
medan listrik dan pengutuban, jika pengutuban tidak lagi merespon
medan listrik, maka permitivitas menurun.
[sunting]Relaksasi dielektrik
Relaksasi dielektrik adalah komponen jeda waktu dalam konstanta
dielektrik suatu bahan. Jeda ini biasanya disebabkan oleh jeda waktu
yang diperlukan molekul bahan sampai terkutub (polarized) ketika
mengalami perubahan medan listrik disekitar bahan dielektrik
(misalnya, kapasitor yang dialiri arus listrik). Relaksasi dielektrik ketika
terjadi perubahan medan listrik dapat dipersamakan dengan
adanya histerisis ketika terjadi perubahan medan
magnet (dalam induktor atau transformer). Dalam sistem linier,
relaksasi secara umum berarti jeda waktu sebelum respon yang
diinginkan muncul, oleh karena itu relaksasi diukur sebagai nilai relatif
terhadap keadaan dielektrik stabil yang diharapkan (equilibrium). Jeda
waktu antara munculnya medan listrik dan terjadinya pengutuban
berakibat berkurangnya energi bebas (G) tanpa dapat dikembalikan.
Dalam ilmu fisika, relaksasi dielektrik mengacu pada waktu respon
relaksasi bahan dielektrik atas medan listrik dari luar pada frekuensi
gelombang mikro. Relaksasi ini sering diterangkan dalam permitivitas
sebagai fungsi terhadap frekuensi, yang mana, dalam sistem ideal,
dapat dinyatakan dalam persamaan Debye. Namun di lain pihak,
pergeseran pengutuban ion dan pengutuban elektron menunjukkan
perilaku sejenis resonansi atau osilasi. Ciri proses pergeseran sangat
bergantung pada struktur, komposisi, dan lingkungan sekitar dari
bahan.
Jumlah panjang gelombang yang bisa dipancarkan sebagai radiasi
ketika terjadinya relaksasi dielektrik dapat ditemukan menggunakan
Hukum Hemmings yang pertama
dimana

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. Pemisahan muatan listrik dalam lempengan konduktor sejajar
menimbulkan medan listrik internal. Bahan dielektrik (oranye)
mengurangi medan internal sambil menambah kapasitansi.
Kapasitor yang diproduksi untuk komersial biasanya
menggunakan bahan dielektrik padat yang memiliki
permitivitas tinggi sebagai pemisah antara muatan
positif dan negatif yang disimpan. Bahan ini sering
[6]
pula disebut sebagai "dielektrik kapasitor".
Keuntungan yang jelas terlihat jika menggunakan
bahan dielektrik semacam ini adalah mencegah dua
plat konduktor yang mana terdapat muatan listrik
saling berhubungan langsung. Dan yang lebih
penting, permitivitas tinggi memungkinkan lebih
banyak muatan listrik yang tersimpan
pada potensial yang sama. Kerapatan muatan listrik
σε yang bisa disimpan jika menggunakan bahan
dielektrik linear dengan permitivitas ε dan
ketebalan d untuk memisah dua konduktor dapat
dihitung dengan
dan kapasitansi per satuan luas adalah
Dari sini, bisa kita lihat bahwa semakin besar
ε makin besar pula muatan yang disimpan

9. (σε) dan akhirnya makin besar pula nilai
kapasitansinya.
Bahan dielektrik yang digunakan dalam
kapasitor juga dipilih yang
sulit terionisasi agar kapasitor dapat
dipergunakan pada potensial tinggi tanpa
khawatir bahan dielektrik terionisasi dan
mengalirkan arus (arus bocor).
[sunting]Resonator dielektrik
Osilator resonator dielektrik (DRO --
Dielectric Resonator Oscillator) adalah
komponen elektronika yang
menghasilkan resonansi dalam rentang
frekuensi sempit, biasanya pada pita
gelombang mikro. Komponen ini terdiri dari
"puck" keramik yang memiliki konstanta
dielektrik besar dan faktor
lesapan (dissipation factor) rendah.
Resonator semacam ini digunakan untuk
mendapatkan frekuensi acuan dalam
rangkaian osilator. Resonator dielektrik tak-
terlindung (unshielded) dapat ditemui
pada Antena Resonator Dielektrik (DRA --
Dielectric Resonator Antenna).
[sunting]Dielektrik dalam praktek
Bahan dielektrik dapat berupa zat padat, zat
cair, atau gas. Bahkan, ruang hampa-pun
dapat dianggap bahan dielektrik walaupun
konstanta dielektrik relatifnya merupakan
identitas (bernilai 1).
Nampaknya dielektrik dalam bentuk padat
lebih umum dipergunakan dalam ilmu
kelistrikan, dan banyak zat padat
merupakan isolator yang baik. Beberapa
contoh antara lain porselen, kaca, dan
sebagian besar plastik. Udara, nitrogen,

10. dan belerang hexafluoride adalah
tiga gas yang umum digunakan sebagai
bahan 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. 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.