BAHAN ISOLASI

Bahan isolasi adalah suatu bahan yang di gunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan atau bagian-bagian yang aktif.

Sifat- sifat bahan isolasi yang perlu diperhatikan

1. sifat kelistrikannya ( memegang peran yang sangat penting). 2. sifat mekanis, 3. sifat termal, 4. ketertahanan terhadap kimia 5. serta sifat lain nya perlu juga di perhatikan.

Sifat sifat kelistrikan :

1. resistifitas,2. permitifitas 3. sudut kerugian dielektrik

sifat mekanis

Kekuatan mekanis bahan-bahan isolasi maupun logam adalah kemampuan menahan beban dari dalam atau luar, pada prakteknya adalah beban tarik dan geser.

sifat terhadap panas

Pada penghantar yang dilewati arus listrik selalu terjadi kerugian daya. Kerugian daya ini selanjutnya didesipasikan dalam bentuk energy panas. Untuk itu perlu dipelajari pengaruh panas terhadap bahan-bahan isolasi dalam hal : sifat kelistrikan, kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas, ketahanan terhadap pengaruh kimia dan sebagainya.

1.1.1. ResistivitasSesuai dengan fungsinya, bahan isolasi yg baik adalah bahan isolasi yang resistifitasnya besar tak

terhingga. Sampai saat ini bahan isolasi pada teknik listrik masih mengalirkan arus listrik (walaupun kecil) yang lazim disebut arus bocor. Hal ini menunjukan bahwa resistansi bahan isolasi sesuai dengan hukum Ohm adalah :

Ri= VIb ............(1-1)

Ri - resistan isolasi (Ohm)

V - tegangan yang di gunakan (volt) Ib - arus bocor (ampere)Kalau di perhatikan lebih jauh, terdapat 2 macam resistansi yaitu Resistansi volum (Rv) dan Resistani permukaan (Rp).Resistansi volume mengakibatkan mengalirnya arus bocor Iv, sedangkan resistansi permukaan menyebabkan mengalirnya arus bocor Ip, seperti ditunjukkan pada gambar 1-1 di bawah ini.

Gb.1-1 arus bocor Iv dan Ip pada bahan isolasiSeperti terlihat pada Gb 1-1, Rv dan Rp adalah paralel. Sehingga berdasarkan hukum kirchoff I :

Ib = Iv + Ip . . . . . . . . . . . . . . . . . (1-2)

Dan 1Ri

= 1Rv

+ 1Rp

. . . . . . . . . . (1-3)

Ri = Rv . RpRv+Rp

. . . . . . . . . . . . . . . . .(1- 4)

Resistivitas volume pada umumnya disebut resistivitas saja.

Besar resistivitas volume adalah :

Rv = Pv1S . . . . . . . . . . . . . .(1-5)

Pv – adalah resistivitas volume dengan (ohm – meter)

I – adalah panjang bagian yang di lewati arus (m)

S – adalah luas penampang (m2)

Besar resistivitas permukaan di antara 2 bidang selebar b pada jarak a adalah :

Rp = Ps ab . . . . . . . . . . . . . . .(1-6)

Ps adalah resisistivitas permukaan dengan satuan Ohm.

Definisi permukaan Ps adalah resistansi pada permukaan persegi suatu bahan waktu arus mengalir di sisi lain dari penampang tersebut.

(a) (b)

Gb. 1-2 ilustrasi perhitungan resistansi

a. perhitungan resisitan volumeb. perhitungan resisitan permukaan

berapa hal yang harus di perhatikan sehubungan dengan resistifitas adalah :

a. baik resistivitas volume maupun resistivitas permukaan akan bekurang besarnya jika suhu di naikan. Banyak bahan mempunyai ρv dan ρpyang besar pada suhu kamar, tetapi turun derastis pada suhu 100 ° C.

b. Untuk bahan isolasi yang di higroskopis, di daerah daerah yang lembab resistivitasnya akan turun secara mencolok.

c. Resistivitasnya akan turun jika tegangan yang di berikan naik.1.1.2. Permitivitas

Setiap bahan isolasi mempunyai permitivitas. Hal ini penting bagi bahan-bahan yang di gunakan sebagai dielektrik kapasitor.Kapasitansi suatu kapsitor tergantung beberapa faktor yaitu : luas permukaan, jarak antara keping-keping kapasitor serta di elektriknya.Besarnya kapasitansi C (farad) dapat di hitung dengan :

C = 10−9 ϵ36 . π .

Sh . . . . . . . . . . . (1-7)

ϵ adalah permitivitas bahan dielektrik (F/m)h adalah sebuah keping-keping kapasitor (m)s adalah luas permukaan keping-keping kapasitor (m2)

Besarnya permitivitas udara hampir 1 yaitu 1,000589, sedangkan besarnya permitivitas untuk zat padat dan zat cair selalu lebih besar dari 1.

1.1.3 Sudut kerugian dielektrik

Pada saat bahan isolasi di beri tegangan bolak balik, maka terdapat energi yang di serap oleh bahan tersebut. Akibatnya terdapat faktor kapasitif. Hubungan vektoris tegangan dan arus pada bahan isolasi adalah sepertiditunjukan pada Gb 1-3.Besarnya kerugian yang di serap bahan isolasi adalah berbandingan dengan lurus dengan tegangan V volt, frekuensi f hertz, kapasitansi C farat dan sudut kerugian dielektrik tan ∂, seperti di tunjukan pada persamaan 1-8.

Gb 1-3 Ic = f (Ir)

P = V . 2 π . f . C . tan∂ . . . . . ( 1-8 )

Sehingga

Tan ∂= pV 2 . 2 π . f . c

. . . . . (1-9)

Dengan persamaan 1-9 terlihat bahwa makin besar tegangan, frekuensi dan kapasitansi untuk kerugian yang sama, maka makin kecil harga dan ∂ atau makin kecil sudut antara arus kapasitif Ic dengan arus total I dan makin besar sudut antara arus resistif Ir dengan arus total I.

Klasifikasi bahan isolasi

Kelas Bahan Suhu kerja maksimal

Y Katun,sutera alam, wolsintetis, rayon, serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, plietilen, polivinil, karet.

900

A Bahan kelas Y yang diimpregnasi dengan vernis, aspal, minyak trafo.

Email yang dicampur dengan vernis dan poliamid.

1050

E Email kawat yang terbuat dari : polivinil formal, poli urethane dan dammar, bubuk plastic, bahan selulosa pengisi ppertinaks, tekstolit, triasetat,

1200

polietilen tereftalat.

Kelas Bahan Suhu kerja maksimal

B Bahan anorganik (mika, fiberglas, asbes ) bitumen, bakelit, poli monochloro tri fluor etilen, poli etilen tereftalat, poli karbonat, sirlak.

1300c

F Bahan-bahan anorganik yang diimpregnasi atau direkatkan dengan epoksi, poliurethan, atau vernis dengan ketahanan panas yang tinggi.

1500c

H Mika, fiberglas dan asbes yang diimpregnasi dengan silicon tanpa campuran bahan berserat, karet silicon, email kawat poliamid murni.

1800c

C Bahan-bahan anorganik tanpa diimpregnasi atau diikat dengan subtansi organic yaitu : mika, mikanit tahan panas, mikaleks, gelas, keramik, Teflon, (politetra fluoraoetilen) adalah satu-satunya subtansi organic.

Diatas 1800c

1.3 Ketahanan terhadap suhu rendah

Ketahanan terhadap suhu rendah ialah kemampuan bahan isolasi untuk digunakan pada suhu rendah dalam hal ini -600 hingga -700 C.

Konduktivitas panas

Panas yang didesipasikan oleh penghantar atau rangkaian magnetic pada mesin listrik melalui bahan isolasi diteruskan keudara sekelilingnya. Kenaikan suhu pada penghantar dipengaruhi pula oleh resitansi panas dari bahan isolasi.

Untuk menghitung besarnya resistansi panas dapat digunakan rumus yang mirip dengan hukum ohm sebagai berikut.

P = t

Rp . . . . . . . . . . ( 1 – 10 )

P adalah panas yang lewat melalui bahan isolasi setiap detik dalam suatuan watt.

t adalah beda suhu antara bagian yang panas dengan bagain yang dingin dalam satuan 0C.

Rp adalah resistansi panas dalam satuan derajat per watt atau ohm meter panas (pp).

Untuk menghitung besarnya resistansi panas (Rp) digunakan rumus:

Rp = ρp hS . . . . . . . . . . . ( 1-11 )

ρp adalah resistivitas panas (0/W atau Ω m panas )

H adalah jarak antara bagian yang panas dan dingin (m)

S adalah penampang (m2)

Besarnya konduktivitas panas (τp ¿ adalah :

τp= 1ρp

. . . . . . . . . . . . (1-12)

Bahan-bahan tersebut di udara mempunyai ρp yang tinggidan ρptersebut akan turun bila bahan diimpregnasi atau bila bahan menjadi lembab.

Konduktivitas Panas Beberapa BahanNo Nama Bahan Konduktivitas Panas W/o. m

1 Udara (celah yang sempit) 5 . 10 -6

2 Aspal 7 . 10 -6

3 Kertas 10 -5

4 Kain yang divernis 13 . 10 -6

5 Pertinaks 35 . 10 -6

6 Kuarsa 12,5 . 10 -5

7 porselin 16 . 10 -5

8 Steatit 22 . 10 -5

9 Titanium Dioksid 65 . 10 -5

10 Silicon dioksid 12,5 . 10 -4

11 Grafit 18,2 . 10 -4

12 karborundum 20,5 . 10 -4

13 Alumina 3 . 10 -3

14 Magnesium 3,6 . 10 -3

15 Besi 6,8 . 10 -3

16 Berillium 2,18 . 10 -2

17 Alumunium 2,26 . 10 -2

18 Tembaga 3,9 . 10 -2

1.5 sifat fisis dan kimia

Beberapa sifat fisis dan kimia yang akan di bahas disini adalah : sifat kemampuan larut, resistansi kimia, higroskofisitas, permeabilitas uap, pengaruh tropis dan resistansi radio aktif.

1.5.1 sifat kemampuan larut

Sifat ini adalah diperlukan ketika menentukan macam bahan pelarut untuk suatu bahan, misalnya : vernis, plastic dan sebagainya.

1.5.2. Resistansi kimia

Bahan isolasi mempunyai kemampuan yang berbeda ketahanannya terhadap krosi yang disebabkan oleh : gas, air, asam,basa dan garam. Hal ini perlu diperhatikan untuk pemakaian bahan isolasi yang digunakan didaerah yang konsentrasi kimianya aktif, suhu diatas normal. Karena kecepatan korosi dipengaruhi kenaikan suhu

1.5.3. higroskopisitas.

Beberapa bahan isolasi ternyata mempunyai sifat higroskopisitas, yaitu sifat menyerap air disekelilingnya. Uap air ternyata dapat mengakibatkan perubahan mekanis-fisik dan memperkecil daya isolasi. Untuk itu selama penyimpanan atau pemakaian

1.5.4. Permeabilitas Uap

Kemampuan bahan untuk dilewati uap disebut permeabilitas uap bahan tersebut. Faktor ini perlu diperhatikan bagi bahan yang digunakan untuk: isolasi kabel, rumah kapasitor.

Banyak uap M dalam satuan mikro-gram, selama t jam, melalui permukaan S meter persegi, dengan beda tekanan pada kedua sisi bahan p dalam satuan mm-Hg, adalah:

M = A .h .10S . t . P

2

. . . . . . . . . (1-13)

Persamaan 1-13 tersebut analog dengan persamaan 1-1

A adalah permeabilitas uap yang disebut juga konstanta difusi

g adalah permeabilitas uap air dengan satuan g

cm , jam ,mmhg

Permeabilitas Uap beberapa Bahan

No Nama Bahan A =( g

cm , jam ,mm h g )

1 Parafin 0,0007

2 Polistirin 0,03

3 Karet 0,03 – 0,08

4 Selulose Triasetat 1

5 cellophane 5

6 Kaca atau Logam 0

1.5.5. Pengaruh tropis

Ada 2 macam daerah tropis yaitu daerah tropis yang basah termasuk Indonesia dan daerah tropis yang kering.

Di daerah tropis yang basah memungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga yang dapat hidup dengan baik. Suhu yang cukup tingi disertai kelembaban yang terjadi diwaktu lama dapat menyebabkan turunnya resistivitas isolasi, menambah besarnya sudut rugi dielektrik, menambah permitivitas dan mengurangi kemampuan kelistrikan bahan.

Perubahan sifat kelistrikan setelah bahan direndam dan kecepatan pertumbuhan jamur pada bahan tersebut. Karena hal-hal tersebut maka bahan isolasi sebaiknya dilapisi dengan bahan anti jamur, antara lain : paranitro phenol, pentha chloro phenol.

1.5.6. Resistansi Radiasi

Pemakaian bahan isolasi sering dipengarusi bermacam-macam energi radiasi. Pengaruh ini dapat mengubah sifat bahan isolasi.

Kemampuan suatu bahan isolasi untuk menahan pengaruh radiasi tanpa mengalami kerusakan disebut resistansi radiasi.

1.6. Sifat-sifat mekanis

Kekuatan mekanis bahan-bahan isolasi maupun logam adalah kemampuan menahan beban dari dalam atau luar, pada prakteknya adalah beban tarik dan geser. Jika suatu bahan dengan penampang A cm2 ditarik dengan suatu gaya tarik yang bertambah secara perlahan, maka bahan tersebut akan putus pada gaya tarik tertentu sebesar Pt Kg.

Dalam hal ini stress atau tegangan tarik bahan σt adalah seperti ditunjukan pada persamaan 1 – 14.

σt = PtS

. . . . . . . . . . ( 1 – 14)

Penambahan panjang bahan sebelum putus Δ1 dibagi dengan panjang mula-mula 1 disebut penambahan panjang relatif suatu bahan atau strain ε adalah:

ε = Δ11

X 100%

Untuk besi tempa dan sejumlah baja tertentu tarikan dan pemanjangnya memperlihatkan kurva diskontinuitas, seperti pada gambar. 1 – 5

U

σt Y f

Gb. 1-5 kurva σt = f (ε) pada baja lunak.

Setelah titik yPenambahan panjang tanpa memerlukan penambahan gaya atau mungkin hanya kecil saja. Gejala ini terjadi sekitar 5 hingga 7% dari panjang mula-mula.

Titik Y disebut titik lumer ( yield point ) suatu bahan, sedangkan tegangan yang menjadikan bahan lumer disebut tegangan lumer( yield stress) yang besarnya adalah :

σy = PyS

. . . . . . . . . . ( 1 – 15 )

Py adalah gaya yang menyebabkan bahan menyerah (kg)

S adalah luas penampang mula-mula (m2)

1.6.1 Pengujian derajat kekerasan

Pengujian derajat kekerasan dapat dilakukan dengan penggoresan atau penumbukan dengan benda lancip terhadap bahan yang dapat mengalami deformasi plastik yaitu logam dan plastik.,

Pengujian derajat kekerasan untuk keramik dilakukan dengan penggoresan. Satuan derajat kekerasan bahan dengan penggoresan adalah moh dengan intan sebagai bahan terkeras nilainya 10 dan kapur sebagai yang terlunak nilainya 1. Sedangkan untuk mengukur derajat kekerasan berdasarkan tumbukan digunakan metode-metode : Brinell, Rockwell dan Vickres.

Pada cara pengujian metode Brinell, sebuah bola baja dengan diameter 10 mm dan sudah diperkeras, ditekankan di permukaan bahan yang diuji dengan beban statis sehingga menimbulkan lekukan pada permukaan bahan yang diuji. Derajat kekerasan dapat dihitung dengan persamaan ;

kekerasan = gaya yangdiberikan (kg)

Luas bidanglekukan(mm2) . . . . . . . . . . ( 1 – 16 )

derajat kekerasannya dinyatakan dengan satuan brinell (Hg)

Pada pengujian derajat kekerasan metode vickre menggunakan intan yang berbentuk pyramid. Pengujian dengan cara ini lebuh menguntungkan dibandingkan dengan metode brinell, karena pada intan tidak akan terjadi deformasi plastik. Untuk menentukan derajat kekerasannya digunakan persamaan 1-16. Yang membedakan disini, lekukannya tidak berbentuk bidang bola. Pada pengujian dengan metode vickres satuannya adalah Vickres (HD).

Pada pengujian dengan cara metode Rockwell hasil pengujiannya dapat langsung terbaca dengan alat pengujian. Sehingga pengujian dengan metode ini lebih mudah dan cepat. Mata penumbuk yang digunakan adalah intan berbentuk kerucut untuk bahan yang keras atau bola baja jika bahan yang diuji lunak.