Upload
quickbad
View
400
Download
61
Embed Size (px)
Citation preview
POLARISASI DIELEKTRIK
Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Material Teknik Listrik
Disusun oleh :
KELOMPOK VIII
1. Adi Wijayanto 2. Anggita Andriani 3. Dona Andika Sukma 4. Moch Arief Albachrony 5. Reny Anggraeny 6. Robi Alamsyah 7. Syarif Jamaluddin
PROGRAM S1-EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
2009
POLARISASI DILEKTRIK
1. PENDAHULUAN
Dalam konteks kita, bahan dipandang sebagai kumpulan muatan positif dan negatif yang
berasal dan komponen-komponen pembentuk atom, yaitu inti atom dan elektron. Andai
kata muatan didalam bahan bebas bergerak ke setiap bagian bahan, maka bahan tersebut
disebut sebagai bahan konduktor. Biasanya yang bebas bergerak didalam konduktor
adalah elektron-elektron, jadi ada sebagian elektron dalam konduktor yang tidak terkait
dengan inti tetentu. Konduktor (ideal) dapat memberikan muatan (bebas) dalam jumlah
yang terbatas. Satu atau dua elektron per atom tidak berasosiasi dengan inti tertentu.
Sebaliknya bila semua elektron terkait pada suatu inti, sehingga tidak dapat bergerak jauh
dari inti tersebut, maka bahan itu disebut isolator atau dilektrik.
Dalam sebuah konduktor, elektron terluar dari sebuah atom sangat mudah untuk terpisah
dan berpindah dari satu atom ke atom lainnya bila diletakkan dalam medan listrik.
Sedangkan pada suatu dielektrik, elektron lebih mudah meloncat atau diam pada posisi
setimbang sehingga mereka tidak bisa terpisah jika diletakkan dalam suatu medan
listrik.. Jadi, medan listrik tidak memproduksi perpindahan muatan dalam suatu
dielektrik. Hal ini yang menyebabkan bahan dielektrik merupakan bahan insulator yang
baik. Contoh dari bahan dielektrik adalah parafin, kaca, dan mika. Jadi Dielektrik adalah
semua muatan terikat pada atom atau molekul, hanya bergerak sedikit dalam molekul.
Pergeseran di dalam skala mikroskopik.
Walaupun dielektrik bukan tergolong konduktor dan oleh sebab itu merupakan isolator,
dielektrik bias saja lebih dari sekedar isolator semata. Polarisasi dielektrik dapat
digunakan untuk tujuan-tujuan fungsional pada suatu rangkaian listrik. Polarisasi
berhubungan erat dengan stuktur atomik dan struktur molekuler dan dengan perpindahan
yang terjadi guna memproduksi dipol listrik. Apabila suatu bahan dielektrik berada dalam
pengaruh medan listrik maka hal utama yang terjadi adalah polarisasi. Fenomena
polarisasi dielektrik dapat dinilai melalui parameter permitivitas dan konstanta dielektrik
serta faktor disipasi sudut kerugian dielektrik (loss angle atau loss tangent).
2. KONSTANTA DIELEKTRIK DAN PERMITIVITAS
2.1 Konstanta Dielektrik
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).
Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani r atau kadang-kadang , K,
atau Dk. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai
dimana s merupakan permitivitas statis dari bahan tersebut, dan 0 adalah permitivitas
vakum/. Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan Maxwell dengan
menghubungkan intensitas medan listrik E dengan kerapatan fluks listrik D. Di vakum
(ruang hampa), permitivitas sama dengan 0, jadi konstanta dielektriknya adalah 1.
Permitivitas relatif dari sebuah medium berhubungan dengan susceptibility (kerentanan)
listriknya, e melalui persamaan
2.2 Konstanta Dielektrik dalam Ilmu Kimia
Dalam ilmu kimia, konstanta dielektrik dapat dijadikan pengukur relatif dari kepolaran
suatu pelarut. Misalnya air yang merupakan pelarut polar memiliki konstanta dielektrik
80,10 pada 20C sedangkan n-heksana (sangat non-polar) memiliki nilai 1,89 pada 20C.
2.3 Nilai konstanta dielektrik beberapa bahan
Tabel 1 berikut ini berisi daftar konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.
Bahan Konstanta dielektrik
Vakum 1 (sesuai definisi)
Udara 1,00054
Polietilena 2,25
Kertas 3,5
PTFE (Teflon(TM)) 2,1
Polistirena 2,4-2,7
Kaca pyrex 4,7
Karet 7
Silikon 11,68
Metanol 30
Beton 4,5
Air (20C) 80,10
Barium titanat 1200 2.4 Permittivitas Permittivitas adalah suatu kuantitas fisik yang mengambarkan bagaimana medan listrik
mempengaruhi dan dipengaruhi oleh suatu medium dielektrik, dan nilainya ditentukan
oleh kemampuan bahan dari medium untuk terpolarisasi sebagai respons dari medan
tersebut, yang pada akhirnya juga mengurangi medan listrik dalam bahan. Jadi,
permittivitas berkaitan dengan kemampuan suatu material untuk menyampaikan atau
memperbolehkan (atau permit dalam bahasa Inggris) suatu medan listrik.
Dalam ruang hampa atau tanpa adanya medium, permittivitas dilambangkan dengan
sedangkan dalam bahan atau medium, dilambangkan dengan , yang merupakan hasil
perkalian nilai permittivitas dalam vakum dengan nilai permittivitas relatif.
3. SIFAT-SIFAT LISTRIK DIELEKTRIK
Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi, dibutuhkan pengetahuan yang pasti
mengnai jenis, besaran dan durasi tekanan elektrik yang akan dialami bahan isolasi
tersebut, dan disamping itu juga perlu untuk mempertimbangkan kondisi sekitar dimana
isolasi akan ditempatkan. selain itu, perlu juga untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan
isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk suatu sistem isolasi, dengan
demikian akan dihasilkan suatu rancangan yang paling ekonomis.
Fungsi yang penting dari suatu bahan isolasi adalah:
1. Untuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya. Misalnya
antara konduktor fasa dengan konduktor fasa lainnya, atau konduktor fasa dengan
tanah.
2. Untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi,
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan oleh medan listrik, gaya mekanik, thermal dan reaksi kimia
dapat saja terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama dari semua parameter
tersebut, dengan kata lain suatu bahan isolasi dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut
dapat menahan semua tekanan tersebut dalam jangka waktu yang lama.
1. Sifat listrik yang dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi adalah sebagai berikut:
Mempunyai kekuatan dielektrik (KD) yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi
menjadi kecil dan penggunaan bahan semakin sedikit, sehingga harganya pun
akan semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektriknya rendah, agar suhu bahan isolasi tidak melebihi batas yang
ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak (tracking strength) yang tinggi, agar tidak terjadi erosi
karena tekanan listrik permukaan.
4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus
pemuatan (charging current) tidak melebihi batas ayang diijinkan.
Bahan isolasi juga sekaligus merupakan bahan konstruksi peralatan, oleh karena itu juga
memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus memenuhi persyaratan mekanis
yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang dibutuhkan tergantung pada pemakaian, seperti
diberikan dibawah ini:
Isolator hantaran udara, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan regangan (tensile strength).
Isolator pendukung pada gardu, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekuk (bending strength)
Isolator antenna, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekan (pressure strength) Pemutus daya (circuit breaker), sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekanan
dadakan (bursting pressure withstand) karakteristik mekanis, seperti elastisitas,
kekenyalan dan lain-lain, mempunyai hubungan yang nyata dengan tekanan dan
ketepatan rancangan.
Peralatan-peralatan listrik akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi, baik pada
tegangan kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan isolasi harus
memiliki sifat themal sebagai berikut:
- kemampuan untuk menahan panas tinggi (daya tahan panas)
- kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
- konduktivitas panas tinggi
- koefisien muai panas rendah.
- tidak mudah terbakar dan tahan terhadap busur api, dan lain-lain.
Bahan isolasi harus dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan dimana bahan itu
digunakan. oleh karena itu bahan isolasi harus memiliki kemampuan sebagai berikut:
- memiliki daya tahan terhadap minyak dan ozon.
- memiliki kekedapan dan kekenyalan higroskopis yang tinggi.
- daya serap air rendah.
- stabil ketika mengalami radiasi.
Bahan isolasi untuk sistem tegangan tinggi sering menetapkan beberapa persyaratan, dan
diantaranya ada yang saling bertentangan. Oleh karena itu dalam pemilihan bahan isolasi
untuk suatu keperluan khusus sering dilakukan dengan mencari kompromi antara
penyimpangan kebutuhan dengan sifat yang diinginkan, sehingga pemilihan yang benar-
benar memuaskan tidak terpenuhi. ada enam sifat listrik dielektrik, yaitu:
1. Kekuatan dielektrik
2. Konduktansi
3. Rugi-rugi dielektrik
4. Tahanan isolasi
5. Peluahan parsial (partial discharge)
6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)
4. POLARISASI
Material-material dielektrik tidak menghantar arus listrik. Namun demikian, material-
material dielektrik tidak sepenuhnya inert terhadap medan listrik. Tanpa adanya medan
luar, ada kemungkinan muatan negatif terdistribusi merata disekitar muatan positif
didalam molekul bahan, sehingga pusat muatan negatif dan positif akan berimpit. Dalam
hal ini molekul tersebut tidak mempunyai momen dipol, seperti dapat terlihat dari
persamaan momen dipol untuk dua buah muatan titik yang berlawanan. Dengan adanya
medan listrik dari luar, muatan positif akan terdorong dalam arah medan, sehingga
terjadi pemisahan pusat muatan seperti pada gambar berikut. Pergeseran ini disebut
sebagai polarisasi.
+ -+ -
+ - + - + -
+ - + -
+ - + -
E
Gambar 1. Polarisasi bahan akibat medan listrik luar E
Sehubungan dengan polarisasi bahan, struktur molekul atau atom yang membangun suatu
bahan dapat dikelompokkan menjadi :
a. Molekul polar, yaitu molekul yang mempunyai resultan momen dipole permanent
tidak sama dengan nol. Contoh : H2O
b.Molekul Non Polar, yaitu molekul yang mempunyai resultan momen dipole
permanent sama dengan nol. Contoh : CO2.
c. Molekul Ionik, yaitu molekul yang berikatan ionik. Contoh : NaCl
d. Atom kristal kovalen bersifat nonpolar dan nonionik. Contoh :Si dan Ge
Berdasarkan jenis molekul atau atom di atas dan perilakunya saat dikenakan medan,
maka polarisabilitas bahan dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis berikut:
1. Polarisari Elektronik
Polarisasi ionik dapat dibagi menjadi beberapa jenis ditinjau dari unit-unit yang
dipindahkan. Masing ion atau atom dalam molekul terdiri dari inti (nukleus)dan elektron.
Bila dikenakan medan, maka ion atau atom individual tersebut menjadi terpolarisasi
karena elektron mengalami perpindahan relative terhadap inti kearah yang berlawanan
dengan arah medan. Hal yang sama juga terjadi pada atom netral. Polarisasi ini juga
terdiri polarisasi elektronik statis dan polarisasi elektronik bolak-balik.
Karena berukuran kecil, elektron-elektron memiliki frekuensi alami yang sangat tinggi (~
1016 Hz) pada saat elektron-elektron tersebut membentuk gelombang tegaknya di
sekeliling atom-atom itu. Dengan demikian, polarisasi ini dapat terjadi tidak saja dalam
rangkaian 60 Hz dan pada frekuensi radio, tetapi juga sebagai tanggapan terhadap
frekuensi cahaya (~ 1015 Hz)
2. Polarisasi Ionik
Perpindahan ion negatif dan positif, masing-masing kearah elektroda positif dan negatif
disebut polarisasi ionic. Seperti polarisasi elektronik, polarisasi ionik diimbas karena
perindahan netto terjadi hanya ketika terdapat medan eksternal.
Karena lebih masif daripada elektron, ion-ion itu akan terpolarisasi lebih lambat.
Polarisasi ionik hanya terjadi pada yang maksimumya sekitar 1013 Hz. Nilai ini berada
dibawah frekuensi cahaya tampak. Oleh sebab itu, cahaya dating tidak akan
menghasilkan polarisasi ionik.
3. Polarisasi Molekuler
Polarisasi molekuler terjadi apabila molekul-molekul polar berada dalam suatu medan
listrik. Pada molekul polar, pusat gravitasi untuk muatan negatif tidak berimpit. Terdapat
suatu dipole molekuler kecil. Salah satu contohnya adalah metil klorida (CH3Cl). Atom
klorin memiliki komplemen 17 elektron, sementara masing-masing atom hidrogen adalah
proton yang terkespos yang terletak pada ujung yang terjauh dari suatu ikatan kovalen.
Polarisasi molekuler adalah polarisasi yang permanen karena polarisasi ini sejak awal
memang sudah ada dalam struktur molekuler. Semua dipole ini dapat dibuat searah
dengan arah medannya. Disamping itu molekulnya berputar setiap setengah siklus dari
suatu medan ac. Karena massa-massa yang terlihat tergantung pada ukuran molekulnya,
frekuensi tanggapan maksimumnya akan sangat beragam untuk material yang satu
dengan material yang lainnya. Akan tetapi frekuensi tanggapan ini selalu lebih rendah
daripada frekuensi tanggapan untuk polarisasi elektronik maupun polarisasi ionik.
Disamping itu, frekuensi ini sangat peka terhadap suhu.
Gambar 2. Polarisasi akibat adanya medan listrik dengan mekanisme (a) elektrik (b) ionic
(c) molekuler
Gambar 3. Polarisasi molekuler (Skematik dengan CH3Cl). Molekul asimetris memiliki
ujung-ujung positif dan negatif dan mengorientasi dalam suatu medan listrik. (a) Daerah
elektron diarsir. Atom-atom hidrogen adalah proton-proton diujung ikatan kovalen. (b)
Dipol listrik.
Terdapat ciri khusus yang membedakan satu sama lain dari ketiga polarisasi diatas, yaitu:
a. Polarisasi polar menunjukkan kebergantungan kuat terhadap suhu, sedangkan dua
polarisasi yang lain tidak. Konstanta dielektrik bahan polar mengalami penurunan seiring
dengan kenaikan suhu.
b. Perilaku polarisabilitas bolak-balok yaitu saat bahan dikenakan medan listrik bolak-
balik.
5. KONDUKSI LISTRIK
Bahan mempunyai sifat menghantarkan arus listrik, karena atom-atom terikat secara
ionik atau kovalen. Dengan adanya ikatan ini maka aliran arus listrik dalam
bahan/mineral dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu konduksi secara elektronik,
konduksi secara elektrolitik dan konduksi secara dielektrik.
1. Konduksi Elektronik;
Konduksi ini adalah tipe normal dan aliran arus listrik dalam bahan/mineral. Hal ini
terjadi jika bahan atau mineral tersebut. mempunyai banyak elektron bebas, akibatnya
arus mudah mengalir pada bahan ini. Sebagai contoh, bahan yang banyak mengandung
logam.
2. Konduksi Elektrolitik;
Konduksi jenis ini banyak terjadi pada bahan atau mineral yang bersifat porus dan pori-
porinya tersebut terisi oleh larutan- elektrolit. Dalam hal mi arus listrik mengalir akibat
dibawa oleb ion-ion larutan elektrolit. Konduksi dengan cara ini lebih lambat daripada
konduksi elektronik.
3. Konduksi Dielektrik;
Konduksi ini terjadi pada bahan yang lebih bersifat dielektrik, artinya bahan tersebut
mempunyai elektron bebas sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali. Tetapi karena
adanya pengaruh medan listrik dari luar, maka elektron-elektron dalam, atom bahan
dipaksa berpindah dan berkumpul terpisah dan intinya sehingga terjadi polarisasi.
Peristiwa ini sangat bergantung pada konstanta dielektrik bahan yang bersangkutan.
Konduktivitas bahan berpori bervariasi tergantung pada volume, susunan pori dan
kandungan air di dalamnya. Padahal konduktivitas air itu sendiri bervariasi yaitu
tergantung pada banyaknya ion yang terdapat di dalamnya.
Pemanasan dielektrik dapat merupakan akibat dari adanya sejumlah muatan bebas dalam
bahan dielekrtik tersebut, hal ini akan mengakibatkan aliran arus bocor (arus konduksi)
dalam jumlah kecil pada tegangan yang diterapkan, jika pada fenomena polarisasi terjadi
disipasi energi listrik maka akan terasa dalam bentuk panas yang menyebabkan
pemanasan pada dielektrik. Keberadaan arus ini di dalam dan pada permukaan dielektrik
menunjukkan terjadinya konduksi listrik pada dielektrik tersebut. Dengan kata lain Arus
yang mengalir melalui suatu material disebut dengan konduksi listrik
6. TEGANGAN GAGAL
Pada insulator tegangan gagal merupakan salah satu karakteristik yang dapat diartikan
tegangan pembeda maksimum yang mungkin lewat pada material sebelum material itu
collapse dan konduksi. Dalam material insulasi solid biasanya terbentuk bagian yang
lemah didalam material dengan pembentukan molekul permanen atau perubahan secara
fiisi oleh arus tiba-tiba.
Didalam gas hampa ditemukan pada tipe lampu, tegangan gagal juga disebut striking
voltage. Tegangan gagal pada material tidak merupakan nilai terbatas karena tegangan ini
adalah sebuah bagian kegagalan dan ada sebuah kemungkinan statistic dimana material
akal gagal saat diberi tegangan.
Dua perbedaan peengukuran tegangan material AC dan tegangan gagal impuls. Tegangan
AC menggunakan frekuensi 50 atau 60 Hz. Sedangkan tegangan impuls biasanya
menggunakan 1.2 mikrodetik gelombang untuk menghasilkan 90% penguatan lalu turun
ke 50% setelah 50 mikrodetik.
Dua teknik ini menggunakan standar tes ASTM D1816 dan ASTM D3300.
Dalam kondisi standard tekanan atmosfer, breakdown voltage dalam vacuum
direpresentasikan.
dimana Vb adalah tegangan breakdown dalam volts DC, A dan B konstan bergantung
udara sekitar, p yang diartikan sebagai tekanan gas sekitar, d adalah jarak dalam
centimetres antar elektroda, and se dalam Secondary Electron Emission Coefficient
Tegangan yang dapat diterapkan pada semua bahan dielektrik tidak boleh melebihi nilai
batas tegangan yang umum pada keadaan terbatas. Apabila nilai tegangan yang
diterapkan melebihi harga tadi, kegagalan dielektrik akan terjadi, yaitu kehilangan
seluruh kemampuan isolasi bahan tersebut. Nilai tegangan dimana suatu bahan dielektrik
mulai gagal disebut tegangan gagal (Breakdown Voltage)
7. SIFAT KAPASITANSI
Jika bahan dielektrik apapun dengan elektroda-elektroda diletakkan padanya kemudian
dihubungkan ke rangkaian listrik dapat dianggap sebagai kapasitor dengan nilai
kapasitansi tertentu. Pemisahan muatan dalam sebuah kondensator lempeng-sejajar
menciptakan medan elektrik internal. Sebuah peruang dielektrik terpolarisasi (oranye)
mengurangi medan elektrik serta meningkatkan kapasitansi.
Kapasitor berfungsi menyimpan muatan atau menyimpan medan listrik. jadi medan listrik
inilah yang dikatakan sebagai energi. pada gambar di atas adalah kapasitor dalam
keadaan vakum arah medan listrik dari positif ke negatif (kiri ke kanan). semakin besar
jumlah muatan terakumulasi ke dua sisi plat maka semakin besar medan listrik yang
tersimpan. sekarang lihat gambar (4b) jika kita tambahkan bahan dielektrik diantara
kedua plat, saat ada akumulasi muatan ke dua sisi plat maka dalam bahan dielektrik akan
terjadi polarisasi muatan. muatan bahan yang positif akan tertarik ke sisi plat negatif dan
yang sebaliknya juga. karena ada tambahan akumulasi muatan pada sisi-sisi plat yang
berasal dari bahan dielektrik, maka besar medan listrik akan semakin besar. bahan yang
dapat dijadikan bahan dielektrik adalah bahan yang polar, semakin besar polaritasnya
maka semakin besar nilai permitivitasnya. maksudnya semakin besar atau semakin
banyak jumlah partikel yang dapat terpolarisasi.
Gambar 4. Sifat Kapasitansi
Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas,
elektrolit, dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka
muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya
dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang
satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutup negatif dan
sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah
oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini "tersimpan" selama
tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor
ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan-muatan positif dan negatif di awan.
Kapasitansi didefenisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat
menampung muatan elektron. Coulombs pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb
= 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah
kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 farad jika dengan tegangan 1 volt
dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 coulombs. Dengan rumus dapat ditulis : Q
= CV, dimana:
Q = muatan elektron dalam C (coulombs) C = nilai kapasitansi dalam F (farads) V = besar tegangan dalam V (volt)
Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan mengetahui luas
area plat metal (A), jarak (d) antara kedua plat metal (tebal dielektrik) dan konstanta
(k) bahan dielektrik. Dengan rumusan dapat ditulis sebagai berikut : C = (8.85 x 10 )-
12 (k A/t) atau satuan C ditulis sebagai Quolomb (Ampere/detik).
Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang
disederhanakan.
Udara vakum k = 1 Aluminium oksida k = 8 Keramik k = 100 - 1000 Gelas k = 8 Polyethylene k = 3
Untuk rangkain elektronik praktis, satuan farads adalah sangat besar sekali.
Umumnya kapasitor yang ada di pasar memiliki satuan:
mikro Farad (10 F)-6, nano Farad (10 F)-9 pF (10 F) -12
Konversi satuan penting diketahui untuk memudahkan membaca besaran sebuah
kapasitor. Misalnya 0.047 uF (mikro farad) dapat juga dibaca sebagai 47nF, atau
contoh lain 0.1nF sama dengan 100pF.
1. Toleransi
Seperti komponen lainnya, besar kapasitansi nominal ada toleransinya. Tabel berikut
menyajikan nilai toleransi dengan kode-kode angka atau huruf tertentu. Dengan table
di atas pemakai dapat dengan mudah mengetahui toleransi kapasitor yang biasanya
tertera menyertai nilai nominal kapasitor. Misalnya jika tertulis 104 X7R, maka
kapasitasinya adalah 100nF dengan toleransi +/-15%. Sekaligus dikethaui juga
bahwa suhu kerja yang direkomendasikan adalah antara -55oC sampai +125oC (lihat
tabel kode karakteristik) Dissipation Factor (DF) dan Impedansi (Z).
Dissipation Factor adalah besar persentasi rugi-rugi (losses) kapasitansi jika
kapasitor bekerja pada aplikasi frekuensi. Besaran ini menjadi faktor yang
diperhitungkan misalnya pada aplikasi motor phasa, rangkaian ballast, tuner dan lain-
lain. Dari model rangkaian kapasitor digambarkan adanya resistansi seri (ESR) dan
induktansi (L). Pabrik pembuat biasanya meyertakan data DF dalam persen. Rugi-
rugi (losses) itu didefenisikan sebagai ESR yang besarnya adalah persentasi dari
impedansi kapasitor Xc.
2. Jenis Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa tipe, tergantung dari bahan dielektriknya. Untuk lebih
sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu kapasitor electrostatic, electrolytic
dan electrochemical.
3. Kapasitor Electrostatic
Kapasitor electrostatic adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan
dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang popular
serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari
besaran pF sampai beberapa uF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang
berkenaan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah
bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal
dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper
dan lainnya.
Mylar, MKM, MKT adalah beberapa contoh sebutan merek dagang untuk kapasitor
dengan bahan-bahan dielektrik film. Umumnya kapasitor kelompok ini adalah non-
polar (tidak memiliki polaritas).
4.Kapasitor Electrolytic
Kelompok kapasitor electrolytic terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan
dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk
kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan - di badannya. Mengapa
kapasitor ini dapat memiliki polaritas, adalah karena proses pembuatannya
menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutup positif anoda dan kutup negatif
katoda.
Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium,
titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi
sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini
terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda
metal yang dicelup kedalam larutan electrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan
positif (anoda) dan larutan electrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada
larutan electrolyte terlepas dan mengoksidai permukaan plat metal. Contohnya, jika
digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada
permukaannya.
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan
electrolyte(katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai
dielektrik. Dari rumus (2) diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan
tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian
dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.
Karena alasan ekonomis dan praktis, umumnya bahan metal yang banyak digunakan
adalah aluminium dan tantalum. Bahan yang paling banyak dan murah adalah
Aluminium. Untuk mendapatkan permukaan yang luas, bahan plat Aluminium ini
biasanya digulung radial. Sehingga dengan cara itu dapat diperoleh kapasitor yang
kapasitansinya besar. Sebagai contoh 100uF, 470uF, 4700uF dan lain-lain, yang
sering juga disebut kapasitor elco (electrolyte condensator)
Bahan electrolyte pada kapasitor Tantalum ada yang cair tetapi ada juga yang padat.
Disebut electrolyte padat, tetapi sebenarnya bukan larutan electrolit yang menjadi
elektroda negatif-nya, melainkan bahan lain yaitu manganese-dioksida. Dengan
demikian kapasitor jenis ini bisa memiliki kapasitansi yang besar namun menjadi
lebih ramping dan mungil. Selain itu karena seluruhnya padat, maka waktu kerjanya
(lifetime) menjadi lebih tahan lama. Kapasitor tipe ini juga memiliki arus bocor yang
sangat kecil Jadi dapat dipahami mengapa kapasitor Tantalum menjadi relatif mahal.
5.Kapasitor Electrochemical
Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor electrochemical. Termasuk kapasitor jenis
ini adalah batere (rechargerable) dan accu. Pada kenyataanya batere dan accu adalah
kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor
(leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam
pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan,
misalnya untuk applikasi mobil elektrik dan telepon selular.
6.Membaca Kapasitansi
Pada kapasitor yang berukuran besar, nilai kapasitansi umumnya ditulis dengan
angka yang jelas. Lengkap dengan nilai tegangan maksimum dan polaritasnya.
Misalnya pada kapasitor elco dengan jelas tertulis kapasitansinya sebesar 22uF/25v.
Kapasitor yang ukuran fisiknya mungil dan kecil biasanya hanya bertuliskan 2 (dua)
atau 3 (tiga) angka saja. Jika hanya ada dua angka satuannya adalah pF (pico farads).
Sebagai contoh, kapasitor yang bertuliskan dua angka 47, maka kapasitansi kapasitor
tersebut adalah 47 pF.
Jika ada 3 digit, angka pertama dan kedua menunjukkan nilai nominal, sedangkan
angka ke-3 adalah faktor pengali. Faktor pengali sesuai dengan angka nominalnya,
berturut-turut 1 = 10, 2 = 100, 3 = 1.000, 4 = 10.000 dan seterusnya. Misalnya pada
kapasitor keramik tertulis 104, maka kapasitansinya adalah 10 x 10.000 = 100.000pF
atau = 100nF. Contoh lain misalnya tertulis 222, artinya kapasitansi kapasitor
tersebut adalah 22 x 100 = 2200 pF = 2.2 nF.
Selain dari kapasitansi ada beberapa karakteristik penting lainnya yang perlu
diperhatikan. Biasanya spesifikasi karakteristik ini disajikan oleh pabrik pembuat
didalam datasheet. Berikut ini adalah beberapa spesifikasi penting tersebut.
7.Tegangan Kerja (working voltage)
Tegangan kerja adalah tegangan maksimum yang diijinkan sehingga kapasitor masih
dapat bekerja dengan baik. Para elektro- mania barangkali pernah mengalami
kapasitor yang meledak karena kelebihan tegangan. Misalnya kapasitor 10uF 25V,
maka tegangan yang bisa diberikan tidak boleh melebihi 25 volt dc. Umumnya
kapasitor-kapasitor polar bekerja pada tegangan DC dan kapasitor non-polar bekerja
pada tegangan AC.
8.Temperatur Kerja
Kapasitor masih memenuhi spesifikasinya jika bekerja pada suhu yang sesuai.
Pabrikan pembuat kapasitor umumnya membuat kapasitor yang mengacu pada
standar popular. Ada 4 standar popular yang biasanya tertera di badan kapasitor
seperti C0G (ultra stable), X7R (stable) serta Z5U dan Y5V (general purpose).
Secara lengkap kode-kode tersebut disajikan pada table berikut.
Kode Karakteristik Kapasitor Kelas I
Koefisien
Suhu
Faktor Pengali
Koefisien Suhu
Toleransi
Koefisien
Suhu
Simbol
PPM
per
Co Simbol Pengali Simbol
PPM
per
Co
C 0.0 0 -1 G +/-
30
B 0.3 1 -10 H +/-
60
A 0.9 2 -100 J +/-
120
M 1.0 3 -1000 K +/-
250
P 1.5 4 -10000 L +/-
500
ppm = part per million
Kode karakteristik kapasitor kelas II dan III
Suhu kerja
minimum
Suhu kerja
maksimum
Toleransi
kapasitansi
Simbol Co Simbol Co Simbol Persen
Z +10 2 +45 A +/-
1.0%
Y -30 4 +65 B +/-
1.5%
X -55 5 +85 C +/-
2.2%
6 +105 D +/-
3.3%
7 +125 E +/-
4.7%
8 +150 F +/-
7.5%
9 +200 P +/-
10.0%
R +/-
15.0%
S +/-
22.0%
T +22% /
-33%
U +22% /
-56%
V +22% /
-82%
Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai dielektrik ditentukan oleh
permitivitasnya, disamping jarak dan permukaannya. Apabila bahan isolasi diberi
tegangan bolak-balik maka akan terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut.
Besarnya kerugian energi yang diserap bahan isolasi berbanding lurus dengan tegangan,
frekuensi, kapasitansi dan sudut kerugian dielektrik
8. SUDUT KERUGIAN DIELEKTRIK Pada saat bahan isolasi diberi tegangan bolak balik, maka terdapat energi yang diserap oleh
bahan tersebut. Akibatnya terdapat faktor kapasitif. Hubungan vektoris antara tegangan dan
arus pada bahan isolasi adalah seperti ditunjukkan pada Gb.5. Besarnya kerugian yang
diserap bahan isolasi adalah berbanding lurus dengan tegangan V volt, frekuensi f hertz,
kapasitansi C farad, dan sudut kerugian dielektrik tan , seperti ditunjukkan pada persamaan berikut.
Gambar 5 Grafik Hubungan IC = f (Ir)
Dari persamaan di atas terlihat bahwa makin besar tegangan, frekuensi dan kapasitansi untuk
kerugian yang sama, maka makin kecil harga tan atau makin kecil sudut antara arus kapasitif IC dengan arus total I dan makin besar sudut antara arus resistif Ir dengan
arus total I.
Gambar 6 Sudut Kerugian Dielektrik
Dalam kapasitor yang sempurna = 900 sehingga = 0. Akan tetapi karena adanya sifat material, maka akan muncul arus resitif yang menyebabkan kehilangan daya dielektrik
dinyatakan : PD = I V cos = I V sin tan C V 2=
9. KESIMPULAN
y Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa).
y Permittivitas adalah suatu kuantitas fisik yang mengambarkan bagaimana medan listrik mempengaruhi dan dipengaruhi oleh suatu medium dielektrik, dan nilainya
ditentukan oleh kemampuan bahan dari medium untuk terpolarisasi sebagai
respons dari medan tersebut, yang pada akhirnya juga mengurangi medan listrik
dalam bahan. Jadi, permittivitas berkaitan dengan kemampuan suatu material
untuk menyampaikan atau memperbolehkan (atau permit dalam bahasa Inggris)
suatu medan listrik.
y Peralatan-peralatan listrik akan mengalami kenaikan suhu selama beroperasi, baik
pada tegangan kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan
isolasi harus memiliki sifat themal sebagai berikut:
- kemampuan untuk menahan panas tinggi (daya tahan panas)
- kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas.
- konduktivitas panas tinggi
- koefisien muai panas rendah.
- tidak mudah terbakar dan tahan terhadap busur api, dan lain-lain.
y Ada enam sifat listrik dielektrik, yaitu: 1. Kekuatan dielektrik
2. Konduktansi
3. Rugi-rugi dielektrik
4. Tahanan isolasi
5. Peluahan parsial (partial discharge)
6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)
y Berdasarkan jenis molekul atau atom, maka polarisabilitas bahan dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis berikut:
1. Polarisari Elektronik
2. Polarisasi Ionik
3. Polarisasi Molekuler
y Dengan adanya ikatan atom-atom terikat secara ionik atau kovalen maka aliran arus listrik dalam bahan/mineral dapat digolongkan menjadi tiga macam yaitu
1. konduksi secara elektronik,
2. konduksi secara elektrolitik dan
3. konduksi secara dielektrik.
Dalam kapasitor yang sempurna = 900 sehingga = 0. Akan tetapi karena adanya sifat material, maka akan muncul arus resitif yang menyebabkan kehilangan daya
dielektrik dinyatakan : PD = I V cos = I V sin
DAFTAR PUSTAKA
Bonggas L. Tobing, Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Penerbit PT. Gramedia, Jakarta:2003
D.R. Lide, Ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Ed. CRC Press. Boca Raton. 2004. halaman 8-141
Dielectrics and Waves edited by A. von Hippel, Arthur R., ISBN 0-89006-803-8 Elemen-Elemen Ilmu dan Rekayasa Material. 2004. Erlangga Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material. 2003. Erlangga Theory of Electric Polarization: Dielectric Polarization, C.J.F. Bttcher, ISBN 0-
444-41579-3
www.blog.unila.ac.id/distrik/files/2009/07/bab-iv10.doc
Jika bahan dielektrik apapun dengan elektroda-elektroda diletakkan padanya kemudian dihubungkan ke rangkaian listrik dapat dianggap sebagai kapasitor dengan nilai kapasitansi tertentu. Pemisahan muatan dalam sebuah kondensator lempeng-sejajar menciptakan medan elektrik internal. Sebuah peruang dielektrik terpolarisasi (oranye) mengurangi medan elektrik serta meningkatkan kapasitansi. Kapasitor berfungsi menyimpan muatan atau menyimpan medan listrik. jadi medan listrik inilah yang dikatakan sebagai energi. pada gambar di atas adalah kapasitor dalam keadaan vakum arah medan listrik dari positif ke negatif (kiri ke kanan). semakin besar jumlah muatan terakumulasi ke dua sisi plat maka semakin besar medan listrik yang tersimpan. sekarang lihat gambar (4b) jika kita tambahkan bahan dielektrik diantara kedua plat, saat ada akumulasi muatan ke dua sisi plat maka dalam bahan dielektrik akan terjadi polarisasi muatan. muatan bahan yang positif akan tertarik ke sisi plat negatif dan yang sebaliknya juga. karena ada tambahan akumulasi muatan pada sisi-sisi plat yang berasal dari bahan dielektrik, maka besar medan listrik akan semakin besar. bahan yang dapat dijadikan bahan dielektrik adalah bahan yang polar, semakin besar polaritasnya maka semakin besar nilai permitivitasnya. maksudnya semakin besar atau semakin banyak jumlah partikel yang dapat terpolarisasi. Gambar 4. Sifat Kapasitansi