BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembagian bahan berdasarkan sifat penghantar dibagi ke 3 jenis, yaitu:

isolator, konduktor dan semi konsuktor. Contoh bahan isolator adalah kain,

plastik; bahan konduktor bersifat logam; dan contoh bahan semikonduktor adalah

silikon dan germanium. Suatu material non konduktor, seperti kaca, kertas atau

kayu disebut dielektrik. Ketika ruang diantara dua konduktor pada suatu kapasitor

diisi dengan bahan dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor k yang

merupakan karakteristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik. Kenaikan

kapasitansi ini disebabkan oleh melemahnya medan listrik diantara keping

kapasitor akan kehadiran dielektrik. Konstanta dielektrik tiap bahan berbeda

nilainya, begitupun sifat konduktivitas bahan.

1.2 Rumusan Masalah

1. Bahan dilektrik termasuk ke dalam bahan isolator, konduktor atau

semikonduktor.

2. Setiap bahan memiliki konstanta dielektrik.

3. Bahan konduktor, isolator dan semikonsuktor memiliki konduktivitas yang

berbeda.

4. Bahan konduktor sering digunakan sebagai material alat untuk

menghantarkan arus listrik.

1.3 Tujuan Percobaan

Menentukan konstanta dielektrik dan konduktivitas berbagai bahan.

BAB II

TEORI DASAR

2.1 Bahan Dielektrik

Bahan dielektrik yaitu bahan yang apabila diberikan medan potensial

(tegangan) dapat mempertahankan perbedaan potensial yang timbul diantara

permukaan

yang diberikan potensial tersebut.Fungsi dari bahan listrik dielektrik diantaranya:

1 Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan). misalnya pada kapasitor.

2 Memisahkan bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan

(isolator).

Misal: plastik, celah udara transformator, mica, gelas, porselin, kayu, karet, dll.

[1].

Definisi lain dari dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar

arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat

berwujud padat, cair dan gas. Tidak seperti konduktor, pada bahan dielektrik tidak

terdapat elektron-elektron konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan oleh

pengaruh medan listrik. Medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan

muatan dalam bahan dielektrik. Sifat inilah yang menyebabkan bahan dielektrik

itu merupakan isolator yang baik.

Didalam dielektrik muatan tidak dapat bergerak. Adanya bahan  didalam

medan listrik akan mempengaruhi medan tersebut, dan sebaliknya medan juga

akan mempengaruhi susunan muatan didalam bahan. Muatan-muatan yang berada

didalam konduktor yang diletakkan di dalam medan listrik akan menyusun diri

sedemikian rupa sehingga timbul medan yang meniadakan medan luar. Itu

sebabnya medan listrik didalam konduktor selalu sama dengan nol. Untuk

dielektrik situasinya lebih rumit. Karena muatan tidak dapat berpindah, peniadaan

total medan listrik didalam bahan tidak terjadi, yang terjadi hanya sekedar

pelemahan medan saja.

Salah satu karakterisktik yang penting dari sebuah dielektrik adalah

konstanta dielektrik. Sebelum dijelaskan mengenai konstanta dielektrik, terlebih

dahulu kita membahas polarisasi. Walaupun di sini tidak ada perpindahan muatan

ketika sebuah dielektrik diletakkan dalam suatu medan listrik, namun di sini

terjadi sedikit pergeseran dari muatan positif dan negatif dalam atom atau molekul

suatu dielektrik sehingga mereka menjadi dipol-dipol. Pada keadaan ini, sebuah

dielektrik dikatakan terpolarisasi. Jika diasumsikan bahwa sebuah dielektrik

terdiri dari banyak pasangan muatan yang saling berlawanan dan masing-masing

pasangan tersebut menempati posisi yang sama sehingga bahan dilektrik

dikatakan netral. Pengaruh dari medan listrik luar menyebabkan muatan positif

bergerak searah dengan medan listrik tersebut dan muatan negatif pada arah

berlawanan, sehingga material sekarang terdiri dari banyak dipole.

Plastik dan Kaca merupakan benda dielektrik. Dielektrik disisipkan pada

pelat kapasitor. Kapasitor yang sering digunakan adalah kapasitor keping sejajar.

Suatu kapasitor terdiri dari dua keping konduktor sejajar yang terpisah. Saat

kapasitor dihubungkan pada ujung-ujung suatu sumber tegangan, sumber

tegangan tersebut memindahkan muatan dari satu konduktor ke konduktor yang

lainnya sampai perbedaan potensial antara ujung-ujung sumber tegangan.

Perbedaan potensial antara ujung-ujung sumber tegangan tersebut maka akan

tmenghasilkan aliran listrik dan aliran listrik ini akan mengakibatkan timbul

medan listrik di sekitar kapasitor keping sejajar tersebut. Ketika ruang diantara

dua konduktor diisi dengan dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor k

yang merupakan karakteristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik. [4]

2.2 Sifat Dielektrik

Dielektrik muncul pada isolator listrik yang tidak dapat melalukan muatan

listrik akan tetapi ia peka terhadap suatu medan listrik. Hal ini dapat dibuktikan

dengan memisahkan dua pelat elektroda sejarak d dan memberikan tegangan E

diantara kedua pelat tersebut (lihat gambar). [1]

Gambar 1: polarisasi dielektrik [2]

2.3 Kekuatan Dielektrik

Kekuatan dielektrik adalah gradien tegangan yang menghasilkan tegangan

tembus listrik melalui isolator. Umumnya konstanta dielektrik nilainya lebih

tinggi sedikit pada bahan keramik, karena ion, dan bukan dwikutub molekuler

yang dipengaruhi oleh medan listrik. Konstanta dielektrik seperti juga isolator dan

polimer peka terhadap frekuensi. Akan tetapi, dalam daerah suhu biasanya hanya

ada sedikit variasi pada isolator keramik. [2]

2.4 Kapasitor

Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan

dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik

di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal

dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867).

Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas

permukaan kepingan tersebut.

Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan

oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya

udara vakum, keramik, gelas 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 kutub negatif dan

sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub 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. [3]

2.5 Kapasitansi

Kapasitansi didefinisikan 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 = C V ................................................................................. (1)

Q = muatan elektron dalam C (coulombs)

C = nilai kapasitansi dalam F (farad) V = besar tegangan dalam V (volt)

Dalam praktek pembuatan kapasitor, kapasitansi dihitung dengan

mengetahui luas area plat metal (A), jarak (t) antara kedua plat metal (tebal

dielektrik) dan konstanta (k) bahan dielektrik. Dengan rumus dapat di tulis

sebagai berikut :

......................................................... (2)

Berikut adalah tabel contoh konstanta (k) dari beberapa bahan dielektrik yang

disederhanakan: [3]

2.5 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 εr atau kadang-kadang κ,

K, atau Dk. Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan

sebagai:

Dimana εs merupakan permitivitas statis dari bahan tersebut, dan ε0 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 ε sama dengan ε0, jadi konstanta

dielektriknya adalah 1.

Bahan isolator adalah bahan yang sulit untuk mengantarkan arus listrik,

sedangkan bahan konduktor adalah bahan yang mudah mengantarkan arus listrik.

Akan tetapi pada praktikum ini kita akan menggunakan bahan isolator pelat

plastik dan pelat gelas dan mengetahui apakah ia akan mengantarkan arus listrik

atau tidak.

Bila bahan isolator ditaruh di dalam medan listrik, dalam bahan akan

terbentuk suatu dipol listrik. Hal tersebut menyebabkan pada permukaan bahan

akan terjadi muatan induksi dan  inilah yang disebut bahan dielektrik. Konstanta

dielektriknya menjadi penting karena mempengaruhi kapasitansinya.

Suatu material semi konduktor, seperti kaca, kertas, atau kayu disebut

dielektrik. Ketika ruang diantara dua konduktor pada kapasitor diisi dengan

dielektrik maka kapasitansi naik sebanding dengan K yang merupakan

karakteristik dielektrik yang disebut dengan konstanta dielektrik. Dielektrik juga

memiliki arti fisis sebagai pemisah dua konduktor yang seharusnya sangat

berdekatan untuk menghasilkan kapasitansi yang besar karena kapasitansi

berbanding terbalik dengan jarak pemisah.

Dalam hal ini kita mengguanakan kapasitor, dimana kapasitor itu sendiri

memiliki sifat menyimpan energi listrik / muatan listrik. Kapasitas suatu kapasitor

(C) adalah perbandingan antara besar muatan Q dari salah satu penghantarnya

dengan beda potensial V antara kedua pengahantar itu.

Pelat kapasitor memiliki bahan isolator dan terdiri dari dua keping sejajar.

Ketika arus masuk ke kapasitor maka elektron yang dibawa oleh arus masuk ke

kapasitor di alirkan dari keping yang satu keping ke kepinng yang sejajar dengan

keping pertama. Prosesnya menghasilkan suatu medan listrik. Semua elektron

terikat erat pada masing – masing atom. Bila bahan isolator ditaruh di dalam

medan listrik, apa yang akan terjadi adalah dalam bahan akan terbentuk dipol

listrik, sehingga pada permukaan bahan akan terjadi muatan induksi.

Bila luas masing-masing keeping adalah A, maka:

Tegangan kedua keping menjadi :

Jadi kapasitas kapasitor untuk ruang hampa menjadi :

Untuk kapasitansi dari suatu kapasitor keeping sejajar yang berisi dielektrik

dengan konstanta K adalah:

Hubungan antara C0 dan C adalah :

Penerapan bahan dielektrik ini berdasarkan pada Hukum Gauss yang

menyatakan bahwa fluks total / garis gaya yang melewati setiap bagian

permukaan ini besarnya adalah 4π kali muatan total di dalam permukaan itu

sendiri. Dielektrik dapat memperlemah medan listrik antara keeping suatu

kapasitor karena dengan hadirnya medan listrik tambahan yang arahnya

berlawanan dengan medan listrik luar.

Berdasakan hukum gaus, potensial listrik dari suatu pelat dapat dirumuskan :

Q = Uc. A . εo / d

Dengan nilai εo = 8,8542 . 10-12  As/Vm. [4]

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Alat dan Bahan Percobaan Beserta Fungsi

1. Capasitor pelat, d 260 mm, sebagai objek yang akan diteliti berfungsi

sebagai penyimpan muatan.

2. Bahan plastik, kaca, dll, sebagai objek yang diteliti berfungsi sebagai

bahan isolator yang sukar menghantarkan listrik.

3. Resistor, 10 M ohm berfungsi sebagai hambatan.

4. Amplifier berfungsi sebagai penguatan tegangan.

5. Power supply, 0-10 kV, sebagai sumber arus dan tegangan.

6. Kapasitor, PEK 0.22 mmF, sebagai pemyimpan muatan.

7. Voltmeter, 0.3-300 VDC, sebagai alat pengukur tegangan.

8. Alat-alat pendukung lainnya

3.2 Prosedur Percobaan

1) Pengukuran Kapasitansi dan Konstanta Dielektrik Udara

A. Tegangan tetap

1. Pasang kapasitor C = 218 nF pada rangkaian gambar 3. Dan atur

tegangan agar diperoleh nilai Uc tetap, sekitar 1,5 kV.

2. Atur jarak antar pelat, d sekecil mungkin (1 mm), dan ukur tegangan V

dan muatan listrik Q pada pelat kapasitor.

3. Ubah-ubah jarak antar pelat dan lakukan pengukuran seperti pada (2),

lakukan untuk variasi jarak yang cukup lebar dari 1 mm sampai sekitar

2 cm.

4. Hitung kapasitansi elat dan konstanta dielektrik udara.

B. Jarak pelat tetap

1. Pasang kapasitor C = 218 nF pada rangkaian gambar 3 dan atur jaraj

antar pelat d = 2mm.

2. Berikan Uc sekitar 0,5 kV, ukur tegangan V dan muatan Q pada pelat

kapasitor.

3. Ubah-ubah nilai Uc dan lakukan pengukuran seperti pada (2), lakukan

dengan variasi nilai Uc sampai sekitar 4 kV.

4. Hitung kapasitansi pelat dan konstanta dielektrik udara.

2) Pengukuran Konstanta Dielektrik Berbagai Bahan

1. Dengan menggunakan Uc sekitar 500 V dan d sekitar 2 mm lakukan

pengukuran seperti pada 4.2 A dan 4.2 B untuk bahan gelas.

2. Dengan menggunakan Uc sekitar 1 kV dan d sekitar 1 mm lakukan

pengukuran seperti pada gambar 4.2 A dan 4.2 B untuk bahan plastik.

3. Cari satu jenis bahan selain plastik dan gelas (usahakan sesuai dengan

KBK masing-masing) dan lakukan pengukuran seperti (1) dan (3).

DAFTAR PUSTAKA

[1] Iwan.2010.Bahan Dielektrik. [www. iwan78.files.wordpress.com] di akses pada

tanggal 16 Maret 2014, jam 9.08 WIB

[2] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dielec.html di akses pada

tanggal 16 Maret 2014, jam 9.33 WIB

[3] anonim. Diktat Elektronika Dasar. Di akses pada tanggal 16 Maret 2014, jam 9.30 WIB

[4] Tresna. 2013. Konstanta dielektrik bahan. [jurnal] di akses pada tanggal 16 Maret 2014, jam 9.40 WIB