Bab ini menjelaskan teori bahan isolasi

1. TEORI BAHAN ISOLASI
Syamsir Abduh
Jurusan Teknik Elektro, FTI-Universitas Trisakti
Jl. Kyai Tapa No 1 Jakarta, 11440
syamsir@trisakti.ac.id
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. 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 :
Dengan menggunakan persamaaan ( 1.1 ), maka kuat medan listrik di titik P :
(1.2)
= Vektor satuan yang arahnya dari q ke titik P.
2

3. Gambar 1.1
(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.
3

4. 1.3 Garis Gaya Listrik
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