Dielektrik

I. PENDAHULUAN

Konsep penting dalam permasalahan dielektrIk adalah momen dipol listrik yang merupakan ukuran pengaruh medan listrik pada sepasang muatan listrik yang besarnya sam tapi berlawanan tanda. Ketika medan listrik diberikan pada material dielektrik maka fenomena polarisasi muncul. Bahan dielektrik dipergunakan terutama terkait dengan kemampuanya menyimpan muatan atau energi elektrostik.

Dalam kaitan ini diperkenalkan beberapa kontanta material dielektrik berkaitan dengan interaksinya dengan medan listrik diantaranya adalah permitifitas dan susceptibilitas untuk besaran makro dan konstanta polarisasi untuk skala mikro. Di pihak lain material dielektrik juga sangat luas dipakai sebagi isolasi tegangan / medan tinggi. Dalam keadaan demikian maka fungsi utama material adalah untuk menahan medan listrik. Sebagai isolasi dikenal kekuatan dielektrik / isolasi dan suatu konstanta penting yaitu rugi-rugi dielektrik.

Baik fungsinya sebagai dielektrik maupun sebagai isolasi, material dielektrk, memegang peranan sangat penting dalam elektroteknik. Komponen-komponen seperti kapasitor, hingga isolasi pada peralatan listrik, generaor, peralatan listrik rumah tangga adalah beberapa contoh peran material dalam kehidupan sehari-hari.

II. ISI

2.1 Polarisasi (P) dan Konstanta Dielektrik

Bila suatu material ditempatkan pada medan listrik, maka terjadilah momen dipol dalam material. Peristiwa ini dapat diilustrasikan dengan penempatan material diantara dua pelat kapasitor yang diberi medan listrik E seperti pada gambar 6.1. pada gambar a material terpolarisasidan pada pelat terinduksi muatan yang berlawanan tanda. Gambar b menunjukan bagian material saja dimana dalam material terdapat untaian muatan positif. Namun demikian pada permukaan perbatasan dengan pelet terdapat muatan terikat masingmasing –Qp dan +Qp. Dua muatan itulah yang m,ewakili peristiwa polarisasi bertahap yang dialami oleh material akibat kehadiran medan listrik yang diekspresikaN dengan gambar c

(a) (b)

(c) Gambar 1 : Ilustrasi polarisasi bahan dielektrik

Polarisasi didalam material direpresentasikan dengan besaran polarisasi P yang menyatakan momen dipol per satuan volume. Bila momen dipol perdipol p=q.d, dan kerapatan dipol N per meter kubik maka polarisasi dapat

dinyatakan sebagai: P=Np

Polarisasi tergantung dari besarnya medan listrik yang diberiakn. Untuk material yang bersifat homogen maka:

dimana = pemitivitas ruang hampa dan E=kuat medan listrik, adlah susceptibilitas listrik material. Dengan demikian maka:

atau

dimana disebut sebagai konstanta polarisasi Bila dibandinkan dengan sebelum ditempatkanya metrial dielektrik diantara dua pelat maka pada saat tidak ada dielektrik ( ruangan diisi ruang hampa/udara ) berlaku hubungan:

dimana : D = kerapatan fluks listrik. Pad saat ruang hampa diganti dengan bahan dielektrik maka hubungan menjadi

. Diaman = permitivitas dielektrik dan = permitifitas relatif = Perubahan D dengan kehadiran dielektrik disebabkan oleh munculnya polarisasi di dalam dielektrik:

dengan demikian polarisasi:

2.2 Macam – Macam Polarisasi

Polarisasi dibedakan atas polarisasi elektronik, polarisasi atomik/ionik, polarisasi dipolar dan polarisasi interfacial. Deskripsi dari masing-masing polarisasi adAlah sebagai berikut:

2.2.1 Polarisasi Elektronik

Teori atom menyatakan bahwa suatu atom tersusun atas inti ataom bermuatan positif dan elektron yang mengitari inti bermuatan negatif. Muatan neto dalam atom adalah netral. Dalam keadaan tidak ada pengaruh medan luar maka pusat muatan positif inti atom berimpit dengan pusat muatan negatif elektron. Dengan demikian tidak ada momen dipol dalam atom. Namun bila atom berada pad daerah dengan medn listrik maka muatan akan berinteraksi dengan medan dan terjadilah pergeseran pusat muatan baik positif maupun negatif. Munculah polarisasi. Polarisasi demikian disebut dengan polarisasi elektonik seperti diilustrasikan seperti gambar berikut:

Gambar 2 : Polarisasi elektronik Pergeseran pusat muatan sejauh x akan oleh medan E menimbulkan gaya ataraksi antar pusat muatan yang cenderung untuk mendekat.bila atom mempunyai nomor Z yang berarti mempunyai Z elektron maka gaya yang mendorong elektron untuk mendekati inti adalah sebanding dengan pergeseran x yaitu Fr = - x. Di sini adalah konstanta dan tanda negatif menunjukan bahwa gaya berarah ke inti atom. Dalam keadaan seimbang maka berlaku:

dengan demikian besar momen dipol induksi elektronik adalah :

Momen dipol ini akan tetap bila medan yang diberiakan adalah DC dan konstan. Bila tiba – tiba medan hilang gaya atraksi berperan. Pergerakan pusat muatan negatif dapat dinyatakan dengan persamaan :

Penyelesaian dari persamaan differensial ani akan menghasilkan persamaan posisi yaitu:

dimana:

adlah frekuensi osilasi awan elektron di sekitar inti atom dan X merupakan jarak sebelum medan dihilangkan. Konstanta polarisasi elektronik dapat dinyatakan sebagai:

2.2.2 Polarisasi Ionik

Yaitu polarisasi pada molekul/ion yang disusun beberapa atom dengan kehadiran medan listrik. Kristal ionik seperti NaCl, KCl dan sebagainya mempunyai susunan rantai ion positif dan negatif. Sebagai contoh kita lihat untuk NaCl. Pada saat tidak ada medan luar maka NaCl tidak terjadi polarisasi karena rantai tersusun oleh momen dipol yang sama besar dan berlawanan arah seperti apda gambar a. Namun dengan kehadiran medan luar maka posisi ion dan negatif sedikit bergeser dan terjadilah polarisasi neto seperti ditunjukan oleh gambar b.

Gambar 3 : Ilustrasi polarisasi ionik pada NaCl (a) tidak ada medan (b) ada medan Sebgaimana pada polarisasi elektronik maka dikenal adanya konstanta polarisasi ionik/atomik:

Besarr konstanta poalarisasi ionik dapat dicari dengan persamaan Clausium Mossotti yang akan dibicarakan kemudian.

2.2.3 Polarisasi Orientasi (Dipolar)

Yaitu polarisasi akibat dipol-dipol didalam bahan dielektrik mengalami perubahan orientasi akibat medan listrik. Polarisasi ini terjadi di dalm materil dielektrik yang mempunyai dipol permanen (dipolar) seperti HCl. Pada saat tidak ada medan luar maka dipol-dipol terorientasi secara acak dan tidak ada polarisasi netto. Gambar a dan gambar b menunjukan momen dipol permanen HCl dan orientasi random dari dipol adad saat tidak ada medan. Kehadiran medan membuat orientasi dipol-dipol mengarah pada medan dan munculah polarisasi netto seperti ditunjukan gambar c dan d.

Gambar 4 : Ilustrasi polarisasi orientasi (dipolar) Konstanta polarisasi orientasi tergantung dari temperatur dan dapat dihitung dengan mengguanakan statistik Boltzmann dan diperoleh:

dimana adalah dipol permanen, k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah temperatur.

2.2.4 Polarisasi Interfacial

yaitu polarissasi akibat terjadi penumukan muatan pada perbatasan bahan dielektrik yang tidak homogen. Dengan mempertimbangkan tiga macam polarisasi yaitu elektronik, ionik dan orientasi maka polarisassi diuraikan menjadi:

dengan:

dengan demikian . Yaitu total koefisisen polarisasimerupakan penjumlahan dari komponen koefisien polarisasi. Koefisien polarisasi total menjadi:

dan:

Tabel 1 Permitivitas relatif beberapa material dan jenis polarisasi

Material polarisasi Permitivitas statik Gas Argon Elektronik 1,0005 Argon Cair Elektronik 1,53 Si Elektronik 11,9 NaCl Ionik 5,9 CsCl Ionik 7,2

Air Orientasi/dipolar 80 PVC Orientasi/dipolar 7

2.3 Polarisasi Pada 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 seperti digambarkan berikut:

Gambar 5 : Medan luar dan medan lokal

Medan lokal didalam dielektrik adalah E* = E + E Medan akibat dipol E dapat dihitung dengan penjumlahan seluruh pengaruh dipol dan akan menghasilkan:

Dengan demikian medan total dapat dituliskan sebagai:

dan konstanta polarisasi menjadi:

Dengan subtitusi persamaan sebelumnya akan didapat:

Pada frekuensi optik maka yang ada hanyalah polarisasi elektronik maka persamaan dapat dituliskan menjadi:

Pada kondisi ini dipenuhi hubungan bahwa dimana n adalah indeks bias bahan dielektrik. Subtitusi n kedalam persamaan Clausius Mosotti yaitu:

Bila polarisasi orientasi tidak ada maka:

Karens diman = bilangan Avogadro kerapatan, maka:

Didefinisikan konstanta polarisasi molar yaitu besar polarisasi per satu molar dielektrik yaitu:

2.4 Pengaruh Frekuensi

Konstanata dielektrik akibat polarisasi dalam keadaan DC. Bila signal/medan yang diberiakan adalah sinusoidal maka konstanata dielektrik dalam keadaan sinusoidal ini akan berbeda dengan pada keadaan DC. Kehadiran medan sinusoida akan membuat besar dan arah polarisasi berubah secara periodik mengikuti perubahan medan. Jika momen dipol dapat mengikuti perubahan medan secara sempurna maka:

dengan konstanta polarisasi maksimum

kehadiran medan sinusoidalakan membawa kepada kondisi dimana tidak semua dipol dapat mengikuti perubahan medan. Hal ini disebabkan oleh dua faktor. Faktor pertama adalah agitasi thermal yang cenderung membuat orientasi dipol menjadi random. Faktor kedua adalah friksi dengan atom/kisi/dipol disekitarnya yang cenderung untuk menghambat terjadinya orientasi untuk mengikuti medan.

Bila medan berubah dengan cepat maka dipol tidak lagi mengikuti perubahan medan dan sebagai akibatnya sebagian besar dipol tetap berada pada kondisi random. Pad a frekuensi yang sangat tinggi maka akan cenderung menjadi nol. Dengan demikian maka maksimum pad kondisi DC juga mengecil dan dapat dinyatakan sebagai:

diman adalah konstanta polarisasi pada frekuensi=0. dengan demikian momen dipol induksi per molekul akan berkurang atau mengalami relaksasi dari ke .

Bila adalah waktu relaksasi rata-rata di antara dua tumbukan/gesekan selama proses relaksasi maka waktu yang diperlukan sehingga dipol induksi menjadi random adalah p mak p- adalah momen dipol induksi sisa yang harus menjadi random selama relaksasi untuk t mendekati tak hingga. Kecepatan perubahan momen dipol dapat dituliskan sebagai:

Gambar 6 : Perubahan polarisasi akibat perubahan medan pada DC

Untuk kondisi AC medan dapat diasumsikan mempunyai bentuk:

atau dalam bentuk eksponensial:

didapat::

Solusi dari persamaan ini diperoleh momen dipol induksi sesaat sebagai:

dimana:

yang mneyatakan konstanata polarisasi pada keadaan AC. Konstanata polrisasi pada keadaan AC merupakan bilangan kompleks yang menyatakan bahwa dalam keadaan AC antara p dan E berbeda phasa.

2.5 Rugi - Rugi Dielektrik

Konstanta dielektrik kompleks merupakan konstanta material. Dalam aplikasi kerekayasaan kita meminimasi komponen imajiner untuk suatu harga komponen riil. Didefinisikan konstanta rugi-rugi dielektrik ( loss tangent, loss factor, faktor rugi-rugi) sebagai tan yang tergantung dari frekuensi dan mencapai maksimum disekitar .

Untuk medan sinusoidal maka rugi-rugi dielektrik per satuan volume adalah :

Dengan demikian rugi-rugi dielektrik per satuan volume ditentukan oleh tiga faktor:

- Frekuensi makin tinggi frekuensi makin tinggi pula rugi-rugi - Medan makin tinggi medan listrik makin tinggi pula rugi-rugi - Konstanta rugi-rugi makin tinggi konstanta rugi-rugi makin tinggi pula rugi-rugi dielektrik Sebagai contoh untuk bahan Cross-linked polyethylene (XLPE) yang banyak untuk kabel dan alumina yang banyak digunakan untuk komponen elektrik frekuensi 60 Hz dean 1 MHz dan pada medan sebesar 100kV/cm dapat dihitung. Sperti pada tabel berikut:

Material 60 Hz 1 MHz

W (W/cm3)

W (W/cm3) XLPE 2,3 3 x 10-4 0,23 2,3 40 x 10-4 0,23 Alumina 8,5 10 x 10-4 0,84 8,5 10 x 10-4 0,84

2.6 Rangkaian ekivalen dielektrik

Apabila kepada suatu kapasitor yang berisi dielektrk diberikan tegangan AC dengan frekuensi maka akan mengalir arus listrik sebesar:

Dengan memasukkan permitivitas kompleks dielektrik yaitu mak didapat:

C0 adalah kapasitansi kapasitor bila tidak diisi dengan bahan dielektrik (berisi ruang bebas).

(a) (b)

Gambar 7 : Dielektrik dengan arus AC (a) diagram phasor arus (b) grafik arus rugi - rugi

Dielektrik yang diberikan tegangan AC dapat dinyatakan dengan rangkaian ekivalen seri atau pararel seperti pada gambar berikut:

Gambar 8 : Rangkaian ekivalen dielektrik (a) pararel, (b) seri Pada rangkaian ekivalen pararrel komponen permitivitas relatif kompleks terdiri dari:

dengan demikian konstanta rugi-rugi dielektrik menjadi:

selain rangakian pararel ini dapat juga dipergunakan rangkaian ekivalen seri seperti gambar (b). Hubunganhubungan yang dapat diturunkan adalah:

konstanta rugi-rugi dinyatakan sebagai tan 2.7 Material Butiran

Material butiran adalah bahan atau material yang terdiri dari butiran butiran bahan lain yang lebih kecil. Contoh sederhana dari material butiran adalah pasir, kacang-kacangan (bijinya), biji-bijian, tepung, dan kelereng. Material butiran ini termasuk penting karena dia menunjukkan sifat-sifat lain yang kadang dimiliki hanya oleh padatan, cairan atau gas. 2.7.1 Wujud Zat Tambahan

Gambar 9 : Wujud Zat Tidaklah berlebihan apabila bahkan sampai ada yang mengusulkan bahwa material butiran dapat dikatakan sebagai suatu fase tersendiri dari wujud zat, seperti terlihat dalam gambar berikut ini (A: padat – memiliki bentuk sendiri, B: cair – memiliki tinggi yang sama, C: gas – memenuhi wadahnya, dan D: butiran – bergantung asupan energi). Perlu dicatat bahwa yang dimaksud dengan wujud adalah wujud atau sifat secara keseluruhan, karena pembentuk material butiran tetap berwujud padat, akan tetapi wujud mereka secara kelompoklah yang dapat berubah-ubah antara padat, cair dan gas. Salah satu ciri utama dari media butiran adalah untuk bertahan dalam fasa gas atau cairan, perlu diasupkan energi secara terus-menerus, atau dapat dikatakan bahwa material butiran bersifat amat disipatif. Apabila tidak diasupkan energi, maka umumnya berada dalam fase padat atau kritis padat. Hal yang menarik dari material jenis ini, selain fasanya yang dapat berubah-ubah sesuai dengan kondisi lingkungannya (perubahan fasa ini tidak merubah fasa butiran), adalah munculnya banyak fenomena yang belum dapat dirumuskan oleh ilmu fisika yang ada, misalnya saja dengan Efek Kacang Brasil (Brazil Nut Effect) dan Kebalikan Efek Kacang Brasil (Reverse Brazil Nut Effect), osilasi, avalansi, segregasi dan turbulensi.

Gambar 10 : Keadaan sebelum butiran digetarkan secara vertikal

Gambar 11 : Keadaan pada akhir eksperimen

• Efek Kacang Brasil: campuran dua buah butiran berbeda ukuran yang diasup energi dari luar berupa vibrasi akan membuat terjadinya pemisahan antara kedua butiran, butiran besar di atas dan butiran besar di bawah, dan hal ini tidak tergantung dari massa satuan kedua butiran tersebut. • Kebalikan Efek Kacang Brasil: kebalikan dari Efek Kacang Brasil, di mana butiran yang lebih kecil akan berada di atas dan yang lebih besar di bawah. • Avalansi: dalam suatu tumpukan material butiran yang berfase padat, ia akan dapat stabil, tetapi apabila tumpukan tersebut terus dipertinggi, suatu saat ia akan meluruh dan kembali stabil. Model ini dapat dikaitkan dengan gejala gempa bumi tektonik dan tanah longsor. • Segregasi: baik dengan memberikan asupan energi berupa vibrasi atau rotasi, campuran butiran-butiran yang berbeda ukuran dapat terpisahkan dan membentuk pola-pola tertentu. Bahkan telah diamati terdapat soliton. • Osilasi: pertukaran antara keadaan segregasi dan tercampur. Salah satu fenomena osilasi diperoleh dengan membagi wadah osilasi ke dalam dua buah ruang yang identik. • Turbulensi: dalam aliran material butiran yang memiliki Bilangan Reynolds yang berbeda dengan fluida, dapat terjadi turbulensi dengan alasan yang berbeda. • Difusi terbalik: umumnya gas atau cairan akan mengalir dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah, akan tetapi hal ini selain dapat pula terjadi pada material butiran, dapat juga berlaku kebalikannya, yaitu butiran dapat memiliki kecenderungan untuk berkumpul atau dari konsentrasi rendah berpindah ke daerah berkonsetrasi tinggi.

2.8 Kekuatan Dielektrik dan Dembus Dielektrik

Material dielektrik dipakai sebagai isolasi tegangan tinggi. Sebagai isolasi maka kekutan menahan medan listrik yang besar merupakan syarat. Suatu bahan dielektrik mempunyai kekuatan menahan medan listrik tertentu. Kekuatan menahan medan listrik disebut dengan kekuatan isolasi ( satuan kV/cm dll ). Setiap bahan isolasi mempunyai harga kekuatan isolasi masing-masing. Banyak faktor yang berpengaruh terhadap kekuatan isolasi seperti struktur molekul, kehadiran ketidakmurnian, tempertur dan kelembaban. Secara umum material isolasi padat mempunyai kekuatan isolasi paling tinggi dan isolasi gas mempunyai harga paling rendah.

Bila kepada bahan dielektrik tersebut diberikan medan listrik melebihi kemampuanya maka isolasi akan mengalami kegagalan beruapa tembus ( breakdown ). Tembus pada zat padat bersifat permanen sedangakan

tembus pada isolasi cair dan terutama gas pada umumnya bersifat sementara. Kejadian tembus isolasi diikuti oleh kenaikan arus yang sangat tinggi. Ini dapat dilihat pada diagaram karakteristik arus-tegangan ditandai dengan kenaikan arus yang sangat tajam.

Gambar 12 : Karakteristik arus-tegangan 2.8.1 Tembus Pada Dielektrik Gas

Dielektrik gas mempunyai susunan molekul/ atom yang relatif jarang dibandingkan dengan dielektrik cair atau padat. Untuk terjadinya tembus perlu ada elektron awal. Elektron awal dapat muncul dalam gas melalui berbagai cara seperti akibat radiasi kosmik,eksitasi thermal atau elektron dari permukaan katoda akibat berbagai proses radiasi atau emisi medan.

Bila suatau elektron awal telah tersedia di dalam gas maka bila medan listrik dalam gas cukup besar maka elektron akan bergerak dipercepat dan akan memperoleh energi kinetik yang besar pula. Energi kinetik yang besar yang dimiliki elktron memungkinkan mengionisasi molekul/atom gas bila bertumbukan. Dengan adanya ionisasi gas ini maka muncul elektron kedua. Kedua elektron akan memulai proses serupa untuk menghasilakan dua elektron bru dan seterusnya. Sehingga di dalam gas akan terjadi multiplikasi elektron secara eksponensial. Peristiwa ini disebut avalanche.bila kenaikan elektron berjalan terus maka suatau ketika kedua elektroda akan dijembatani oleh avalanche dan terjadilah tembus.

Tembus gas dipengaruhi oleh tekanan gas. Maikin tinggi tekanan gas maka kerapatan juga makin tinggi. Hal ini mengakibatkan jarak rata-rata antar molekul atau atom semakian kecil dan sebagai akibatnya energi kinetik elektron lebih kecil dan ionisasi moekul atau atom gas semakin sulit. Dengan demikian secara umum makin tinggi tekanan gas makin tinggi pula kekuatan tembus.

Tembus gas juga dipengaruhi oleh tinkat kemurnian gas tersebut. Kandungan zat pengotor dan kelembaban dapat menurunkan keuatan dielektrik. Temperatur juga dapat mempengaruhi kekutan dielektrik cair namun biasanya terkait denga parameter phisik lainya. Pada tekanan 1 atm dan frekuensi 60 Hz maka kekuatan tembus udara adalah 31 kV/cm. Pada saat ini telah ditemukan dielektrik gas dengan kekuatan isolasi tinggi misalnaya SF6 yang mempunyai kekuatan pada 1 atm 79,3 kV/cm, CHCl3 dengan kekuatan sekitar 150 kV/cm dan CCl4 dengan kekuatan yang lebih tinggi yaitu sekitar 215 kV/cm.

2.8.2 Tembus Pada Dielektrik Cair

Kejadian tembus pada dielektrik cair masih menyimpan banyak misteri dan tidak sejelas dielektrik gas. Khadiran gelembung gas (buble) dan partike konduktif di dalam dielektrik cair dianggap sebagai bertanggung jawab atas terjadinya tembus pada dielektrik cair. Gelembung gas akan tembus walaupun dielektrik cair masih sehat karena kekuatan tembus dielektrik cair lebih tinggi dari gas. Tembus dalam gelembung gas akan menghasilkan gas baru yang akan memperbanyak jumlah gelembung atau memperbesar ukuran gelembung gas. Juga dapat timbul partikel konduktif akibat oksidasi selama tembus gas dalam gelembung berlangsung. Emisi elektron dari permukaan elektroda juga mungkin terjadi. Bila kejadian ini terus menerus maka suatu saat dapat menjembatani kedua elektroda dan terjadialah tembus dielektrik cair.

Tabel 2 Kekuatan dielektrik cair

Material dielektrik cair Kekuatan dielektrik ( kV/cm ) Hexana 130 Benzen 110 Nitrogen cair 170 Oksigen cair 240 Minyak transformator 150 Minyak kapasitor 200 Askarel 200

2.8.3 Tembus Pada Dielektrik Padat

Secara umum kekuatan dielektrik padat lebih besar dari dielektrik gas dan cair. Tembus dielektrik padat dibagai atas: 1. Tembus intrinsik (intrinsic breakdown) 2. Tembus thermal (thermal breakdown) 3. Tembus elektromekanik (electromechanical breakdown) 4. Tembus peluahan (discharge breakdown)

2.8.3(a) Tembus Intrinsik

bila kedalam dielektrik diberiakan tegangan tinggi maka munculah medan tinggi. Bila di dalam bahan dielektrik terdapat elekton konduksi maka elektron akan dipercepat. Percepatan elektron berbanding lurus dengan kuat medan listrik. Elektron yang dipercepat akan mendapatkan energi kinetik dalam perjalananya karena

kecepatan makin bertambah. Elektron ini bergerak diantara atom-atom dielektrik. Bila selama tumbukan dengan atom semua energi elektron tidak dapat diserap oleh atom maka elektron akan mengionisasi atom dan munculah elektron baru yang siap mengalami proses yang sama. Dengan demikian sepanjang perjalanan muncul elektron makin banyak. Terjadilah konduksi elektron yang sangat besar yang disebut dengan elektron avalanche. Tembus intrinsik sering disebut juga denga tembus elektronik. Hal ini karena proses terjadinya tembus yang didominasi oleh proses elektronik.

Kekuatan tembus intrinsik bahan isolasi berharga sangat tinggi dan biasanya diperoleh dengan pemberian tegangan yang aswangat cepat ( impuls ). Polyethylene mempunyai harga mencapai 500 Mega Volt per Meter.

2.8.3(b) Tembus Thermal

tembus jenis ini muncul bila isolasi beroperasi pada kondisi yang memanaskan kisi-kisi bahan. Pemanasan bisa terjadi karena dielectric losses. Sebagian panas dapat disalurkan ke lingkungan, sebagian lagi akan memanaskan isolasi. Persamaan keseimbangan kalor/panas memenuhi hubungan:

Secara matematis persamaan ini dapat dinyatakan sebagai:

dimana k dalah konduktiviatas panas dan C adalh kapasitas kalor bahan.

Bila kalor yang dihasilkan oleh pemanasan listrik sedikit dan dapat diatasi denga didipasi kelingkungan maka temperatur material akan tetap stabil. Akan tetapi bila pemanasan listrik membesar maka sutau saat kalor tidak lagi dapat dibuang ke lingkungan dan sebagi akibatnya temperatur kisi-kisi material akan naik dan mencapai harga kritis Tc. Bila pemanasan lebih hebat lagi maka temperature akan lebih tinggi lagi. Akibat pemanasan ini maka atom akan lebih mudah terionisasi oleh tumbukan elektron. Dengan demikian dapat diperkirakan tegangan tembus jenis ini akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan tegangan tembus intrinsik. Sebagai contoh untuk polyethylene tegangan tembus dapat turun menjadi hanya 5 Mega Volt per Meter pada dareah frekuensi relaksasi (losses tinggi).

Gambar 13 : ilustrasi kesetimbangan thermal dan tembus thermal

2.8.3(c) Tembus Elektromekanik

ketika dielektrik padat dikenai medan listrik tinggi mak akan muncul gaya kompresi yang menekan dielektrik tersebut. Bila tebal spesimen adalah d0 dan terkompresi manjadi d akibat medan oleh sutau tegangan V maka berlaku hubungan:

dimana Y adalah modulus Young dari dielektrik. Penyelesaian dari persamaan di atas untuk V menghaasilkan:

dari eksperimen mekanik di dapatkan bahwa secara empirik instabilitas mekanik akan terjadi bila telah menyebabkan d/d0=0,6. dengan memasukan kriteria instabilitas ini sebagai awal terjadinya tembus elektromekanik sebagai:

Stark dan Garton mengamatti peristiwa tembus elektromekanik ini pada dielektrik polyethylene.

2.8.3(d) Discharge Breakdown

Bahan-bahan seperti mika atau keramik atau bahan pada lainya sering kali ditemukan gas yang terperangkap didalamnya. Gas mempunyai kekuatan isolasi yang lebih kecil dari isolasi paadat. Secara umum gas mempunyai konstanta dielektrik kecil (mendekati 1) sedangkan isolasi padat mempunyai konstanta dielektrik 2-6. dengan demikian gas yang berada di dalam isolasi padat akan mendapatkan kuat medan yang lebih besar dari isolasi padat. Padahal kekuatanya lebih rendah. Dengan demikian gas akan tembus sebagian (partial discharge).

Pada isolasi polimer sering kali ditemukan tembus sebagian inti. Dari tembus sebagian di dalam void dapat tumbuh kanal bercabang-cabang membentuk suatu struktur menyerupai pahoa yang disebut dengan pemohonan listrik (electrical treeing). Pemohonan listrik makin lama akan makin panjang dan jumlah cabang akan semakin banyak. Bila pemohonan listrik ini telah menjembatani kedua elektroda maka biasanya isolasi padat sudah tidak dapat lagi berfungsi untuk menahan medan normal. Terjadilah kegagalan isolasi.

Pemohonan listrik juga dapat bermula dari medan yang sangat tinggi di dalam isolasi padat karena adanya permukaan konduktor yang tajam atau ada kontaminan konduktif. Medan lokal sebesar lebih dari 1 MV/m dapat muncul di daerah seperti ini. Degradasi lokal akibat stress medan listrik seperti ini akan menginisiasi munculnya pemohonan listrik. Daerah dengan medan sangat tinggi ini bisa menyebabkan kegagalan lokal isolasi padat sehingga pemohonan listrik akan timbul.

Teknik pembuatan material dasar, pemasangan dan pengoperasian merupakan faktor-faktor penting yang dapat mempengaruhi pemunculan titik-titik lemah isolasi yang menyebabkan bermulanya kegagalan isolasi.

Tabel 3 Kekuatan dielektrik padat

Material Permitivitas relatif Kekuatan dielektrik (kV/cm) XLPE 2,3 217 Silicon rubbr 3,7 158 Polystyrene 2,5 200-250 Polyester 3,2 175 Mika 6,9 1000 Al2O3 (keramik) 8,5 1000

KESIMPULAN

Setelah melakukan analisa dan pembahasan tentang material dielektrik dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Konsep penting dalam permasalahan dielektrIk adalah momen dipol listrik yang merupakan ukuran pengaruh medan listrik pada sepasang muatan listrik yang besarnya sam tapi berlawanan tanda 2. Bila suatu material ditempatkan pada medan listrik, maka terjadilah momen dipol dalam material 3. Polarisasi dibedakan atas polarisasi elektronik, polarisasi atomik/ionik, polarisasi dipolar dan polarisasi interfacial 4. Pada zat padat antar atom berinteraksi sehingga antar dipol juga berinteraksi 5. Bila signal/medan yang diberiakan adalah sinusoidal maka konstanata dielektrik dalam keadaan sinusoidal ini akan berbeda dengan pada keadaan DC 6. Material butiran adalah bahan atau material yang terdiri dari butiran butiran bahan lain yang lebih kecil 7. Material dielektrik dipakai sebagai isolasi tegangan tinggi

DAFTAR PUSTAKA

http://id.wikipedia.org/wiki/Material_butiran

Suwarno.Ir. 1987. Diktat Kuliah Material Elektroteknik. Bandung : ITB