Page 1
MATERIAL DIELEKTRIK
A. Pengertian Material Dielektrik
Material dielektrik adalah suatu bahan sejenis isolator yang dapat dikutubkan
(polarized) dengan cara menempatkannya dalam medan listrik. Jadi saat material ini dalam
medan listrik, muatan listriknya tidak akan mengalir, tetapi hanya bergeser sedikit dari posisi
setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Dikarenakan pengutubannya
itu maka muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, begitu juga muatan
negatif yang bergerak berlawanan arah, yang menyebabkan adanya medan listrik internal
dalam bahan dielektrik, sehingga jumlah keseluruhan medan listrik dalam bahan dielektrik
menurun.
Syarat agar material dielektrik bisa diaplikasikan adalah :
- Mempunyai kekuatan dielektrik yang tinggi.
- Rugi-rugi dielektrik yang rendah.
- Memiliki kekuatan kerak tinggi.
- Memiliki konstansta dielektrik yang tepat dan cocok.
- Daya tahan terhadap panas yang tinggi.
- Kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
- Konduktivitas panas yang tinggi.
- Koefisien muai panas yang rendah.
- Tidak mudah terbakar.
Page 2
Istilah dielektrik biasa digunakan untuk bahan-bahan isolator yang tingkat
pengutubannya tinggi, yang diimplementasikan dalam konstanta dielektrik yang juga
merupakan salah satu syarat dari yang dijelaskan di atas tadi. Contoh alat yang sering
memakai bahan dielektrik adalah sekat isolator diantara plat konduktor yang terdapat dalam
kapasitor. Dan kegunaan lainnya adalah untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus
pada konduktor yang diisolasi, serta mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan
reaksi kimia.
Dalam bab ini, yang akan dibahas adalah polarisasi dan konstanta dielektrik, macam-
macam polarisasi, polarisasi pada zat padat dan peersamaan Clausius-Mossoti, pengaruh
frekuensi, rugi-rugi dielektrik, rangkaian ekivalen dielektrik, kekuatan dielektrik dan tembus
dielektrik, serta piezoelektrik dan ferroelektrik.
B. Polarisasi dan Konstanta Dielektrik
Polarisasi terjadi karena adanya pergerakan dari elektron, ion, dan molekul-molekul
polar di dalam dielektrik yang diakibatkan oleh adanya medan elektrik.
Page 3
Bisa dilihat dalam gambar di atas bagaimana bisa terjadinya polarisasi. Peristiwa
tersebut dapat diilustrasikan melalui gambar di atas jadi ada material yang ditempatkan antara
2 pelat kapasitor yang diberi medan listrik. Pada gambar a bisa dilihat kalau material
terpolarisasi, dan pada pelat mulai terinduksi muatan yang berlawanan tanda. Pada gambar b
menunjukkan bagian material saja yang terdapat muatan positif dan negatif secara berantai.
Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif, adalah sebuah konstanta dalam
ilmu fisika. Konstanta ini melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila
diberi potensial listrik. Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang
tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang
hampa).
Dikarenakan konstanta dielektrik adalah perbandingan antara rapat fluks elektrostatik
dengan permitivitas ruang hampa udara, maka secara matematis konstanta dielektrik suatu
bahan didefinisikan sebagai
Bila kita hubungkan dengan polarisasi dalam material dan kerapatan fluks listrik kita
bisa mendapat hubungan berupa P = ( εr−1 ) ε0E=ε 0 xeE
C. Macam-Macam Polarisasi
Seperti yang dijelaskan tadi kalau polarisasi diakibatkan oleh adanya pergerakan dari
elektron, ion, dan molekul-molekul dalam suatu bahan yang diakibatkan oleh adanya medan
listrik. Jenis-jenis polarisasi bisa adalah sebagai berikut :
Page 4
C.1 Polarisasi Elektronik
Polarisasi ini terjadi pada semua jenis dielektrik. Prosesnya adalah karena adanya
pergeseran awan elektron pada atom atau molekul karena pengaruh medan listrik, sehingga
pusat muatan listrik positif dan negatif yang awalnya berhimpit menjadi terpisah dan
membentuk dipol-dipol. Pemisahan ini tetap dilakukan sampai terjadinya keseimbangan
dengan medan listrik yang mempengaruhinya. Dipol yang terbentuk merupakan dipol non-
permanen artinya hanya terjadi apabila adanya pengaruh medan listrik saja, jadi apabila
medan listrik hilang atau tidak ada sama sekali maka titik-titik pusat muatan akan berhimpit
kembali.
Apabila medan yang diberikan adalah medan searah maka dipol terbentuk hampir
seketika dengan hadirnya medan listrik. Jadi polarisasi elektronik bisa terjadi pada medan
listrik bolak-bolik berfrekuensi tinggi.
Kejadiannya diilustrasikan pada gambar berikut :
Konstanta polarisasi elektronik dapat dinyatan sebagai berikut :
α e=pE
=Ze2
meωe2
C.2 Polarisasi ionik
Polarisasi jenis ini hanya teramati pada material dengan ikatan ion. Polarisasi terjadi
karena pergeseran ion-ion yang berlawanan tanda karena pengaruh medan listrik.
Sebagaimana halnya dengan polarisasi elektronik, dipole yang terbentuk dalam polarisasi
Page 5
ionik juga merupakan dipole tidak permanen. Namun polarisasi ionik terjadi lebih lambat dari
polarisasi elektronik. Apabila di berikan medan searah, diperlukan waktu lebih lama untuk
mencapai keadaan seimbang; demikian pula jika medan dihilangkan posisi ion akan kembali
pada posisi semula dalam waktu lebih lama dari polarisasi elektronik. Oleh karena itu pada
medan bolak-balik polarisasi masih bisa berlangsung namun pada frekuensi yang lebih
rendah.
Diilustrasikan pada gambar di bawah ini
Dengan konstanta polarisasi ionik/atomik
α i=pElokal
C.3 Polarisasi orientasi (dipolar)
Polarisasi ini terjadi pada material yang memiliki molekul asimetris yang membentuk
momen dipole permanen. Dipole-dipole permanen ini akan cenderung mengarahkan diri
sejajar dengan medan listrik; namun tidak semua dipole akan sejajar dengan arah medan.
Kebanyakan dipole permanen ini membentuk sudut dengan arah medan. Waktu yang
diperlukan untuk mencapai keseimbangan juga cukup lama. Seperti halnya polarisasi muatan
ruang, terjadinya polarisasi orientasi juga dapat dipermudah pada temperatur tinggi.
Pembentukan elektret juga dapat terjadi jika dengan tetap mempertahankan medan polarisasi,
temperatur diturunkan sampai temperatur kamar. Posisi dipole dapat dapat kembali hampir
pada posisi semula jika dilakukan.
Page 6
Diilustrasikan dalam gambar di bawah ini :
Dengan konstanta polarisasi oreintasi tergantung dari temperatur dan dapat dihitung
dengan konstanta Boltzman seperti berikut :
α o=13μ2
kT
C.4 Polarisasi muatan ruang
Polarisasi ini terjadi karena pemisahan muatan-muatan ruang, yang merupakan
muatan-muatan bebas dalam ruang dielektrik. Dengan proses ini terjadi pengumpulan muatan
sejenis di dua sisi dielektrik. Polarisasi ini berlangsung lebih lambat lagi dan pada waktu
medan listrik dihilangkan muatan ruang dapat menempati posisi yang baru, tidak seluruhnya
kembali pada posisi awal.
Polarisasi akan lebih mudah terjadi jika dilakukan pada temperatur yang agak tinggi.
Pada polyimide misalnya, polarisasi dapat dilakukan pada temperatur 200oC dan
kesimbangan sudah bisa tercapai dalam waktu satu jam. Jika temperatur diturunkan lagi ke
temperatur kamar dalam keadaan medan tidak dihilangkan, maka ion-ion akan terjebak pada
posisi yang baru; dielektrik akan menjadi elektret.
Page 7
D. Polarisasi zat padat dan persamaan Clausius-Mossoti
Pada zat padat antar atom berinteraksi sehingga antar dipol juga berinteraksi. Dalam
mengevaluasi koefisien polarisasi maka pengaruh dipol disekitarnya perlu dipertimbangkan.
Bila Medan E diberikan kedalam dielektrik maka suatu titik didalam dielektrik akan
mengalami medan tambahan akibat interaksi dipol.
Dan persamaan Clausisus Mossoti adalah sebagai berikut:
N αe3 εo
=(εℜ−1 ) (εℜ+2 )
E. Pengaruh Frekuensi
Jadi apabila ada signal/medan yang diberikan oleh gelombang sinusoidal maka
konstanta dielektrik dalam keadaan sinusoidal akan berbeda dengan keadaan DC; yang mana
keadaan DC berpengaruh dalam konstanta dielektrik. Dengan adanya gelombang sinusoidal
maka akan membuat arah polarisasi berubah secara periodik mengikuti perubahan medan,
dan membuat nilainya menjadi lebih besar.
Sebenarnya adanya dipol akan membawa kondisi dimana tidak semua dipol dapat
mengikuti perubahan medan, yang disebabkan oleh 2 faktor yaitu :
1. Agitasi termal yang cenderung membuat orientasi dipol menajdi random.
2. Friksi dengan atom/dipol/kisi disekitarnya yang cenderung untuk menghambat
terjadinya orientasi untuk mengikuti medan.
F. Rugi-rugi Dielektrik
Rugi-rugi dielektrik untuk isolasi tegangan tinggi merupakan salah satu ukuran penting
terhadap kualitas material isolasi. Suatu bahan dielektrik tersusun atas molekul-molekul dan
elektron-elektron di dalamnya terikat kuat dengan inti atomnya. Ketika bahan tersebut belum
dikenai medan listrik, maka susunan molekul dielektrik tersebut masih belum beraturan (tidak
tersusun rapi).
Page 8
Ketika molekul-molekul tersebut dikenai medan listrik, maka muatan inti positif
mengalami gaya yang searah dengan medan listrik dan elektron-elektron dalam molekul
tersebut akan mengalami gaya listrik yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik
tadi. Gaya listrik ini akan mengubah posisi elektron dan proton dari posisi semula, akibatnya
molekul-molekul dielektrik akan terpolarisasi dan berubah arahnya sejajar dengan arah
medan listrik. Karena mendapat terpaan elektrik yang selalu berubah-ubah arahnya, maka
arah dipol juga berubah-ubah setiap saat (1800) terhadap posisi semula. Perubahan arah
molekul akan menimbulkan gesekan antar molekul. Karena medan listrik yang berubah setiap
saat, maka gesekan antar molekul juga terjadi berulang-ulang. Gesekan ini akan
menimbulkan panas yang disebut dengan rugi-rugi dielektrik.
G. Rangkaian Ekivalen Dielektrik
Arus yang timbul pada suatu dielektrik ada tiga komponen yaitu arus pengisian, arus
absorpsi dan arus konduksi. Sehingga rangkaian ekivalen suatu dielektrik harus dapat
menampilkan adanya ketiga kompanen arus diatas. Rangkaian ekivalen mendekati gambar
berikut.
Page 10
Sehingga menimbulkan persamaan-persamaan sebagai berikut :
H. Kekuatan Dielektrik dan Tembus Dielektrik
Semua bahan dielektrik memiliki tingkat ketahanan yang disebut dengan “kekuatan
dielektrik”, diartikan sebagai tekanan listrik tertinggi yang dapat ditahan oleh dielektrik
tersebut tanpa merubah sifatnya menjadi konduktif. Apabila suatu dielektrik berubah sifatnya
menjadi konduktif, maka dielekrik tersebut telah tembus listrik (breakdown). Kekuatan
dielektrik juga dapat diartikan sebagai tekanan listrik terendah yang mengakibatkan dielektrik
tersebut tembus listrik. Kekuatan dielektrik ini disebut juga dengan kuat medan kritis.
Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan minimum yang
dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut. Kekuatan dielektrik dari suatu bahan isolasi
dinyatakan dengan tegangan maksimum yang dapat ditahan oleh suatu medium tanpa
merusaknya. Dengan kata lain, kekuatan dielektrik dinyatakan dengan gradien tegangan yang
diperlukan supaya dielektrik itu mengalami tembus listrik.
Tembus dielektrik dibedakan menjadi 3 bagian yaitu :
Page 11
1. Tembus pada dielektrik gas
Dielektrik gas mempunyai susunan molekul/atom yang relatif jarang dibandingkan
dengan dielektrik cair/padat. Untuk terjadinya tembus perlu ada elektron awal.
Elektron awal dapat muncul dalam gas melaluio berbagai cara seperti akibat radiasi
kosmik, eksitasi termal atau elektron dari permukaan katoda akibat berbagai proses
seperti radiasi atau emisi medan.
2. Tembus pada dielektrik cair
Kejadian tembus pada dielektrik cair masih menyimpan misteri dan tidak sejelas
dielektrik gas. Terjadinya tembus dielektrik cair karena adanya gelembung gas
(buble)dan partikel kondusif. Gelembung gas akan tembus walaupun dielektrik cair
masih sehat karena kekuatan tembus dielektrik cair lebih tinggi dari gas.
3. Tembus pada dielektrik padat
Page 12
Secara umum kekuatan dielektrik padat lebih besar dari dielektrik gas dan cair.
Tembus dielektrik padat dibagi atas :
- Tembus intrinsik (intrinsic breakdown).
- Tembus thermal (thermal breakdown).
- Tembus elektromekanik (electromechanical breakdown).
- Tembus peluahan (discharge breakdown).
I. Piezoelectric dan Ferroelectric
Ferroelectric adalah terpolarisasinya dipole listrik akibat adanya medan listrik pada
bahan dielektrik.
Piezoelectric adalah terpolarisasinya dipole listrik pada dielektrik akibat adanya
Page 13
perubahan dimensi yang dapat menghasilkan tegangan listrik pada material dielektrik
Elektrostriksi merupakan peristiwa terpolarisasinya dipole listrik pada dielektrik
akibat adanya medan listrik yang dilanjutkan dengan adanya perubahan dimensi material
Page 14
Jadi hubungan antara piezzoelectric, elektrostriksi, ferroelektrik, dan dielektrik
digambarkan sebagai berikut :