BAHAN DIELEKTRIK KERAMIK

BAB 14BAHAN DIELEKTRIK KERAMIKA.Latar BelakangKeramikmempunyai manfaat dalam aplikasi sifat dielektrisitasnya, digunakan sebagai elemen capacity dalam terapan elektronik atau sebagai penyekat(isolator). Keramik dan gelas sebagai penyekat mempunyai kelebihan tersendiri jika disbanding plastic yang juga banyak digunakan. Kekurangan fleksibelan merupakan masalah dalam kebanyakan terapan dalam sifat ini diperlukan. Meskipun keramik dan gelas memiliki sifat dielektrik yang lebih rapuh dibawah tekanan pada temperature ruang dan tahan terhadap perubahan lingkungan khususnya pada temperature tinggi dimana plastic teroksidaasi menjadi gas atau rusak. Keramik dan gelas juga digunakan untuk membentuk sekat gelas yang rapat dengan logam dan komponen keramik lainnya, oleh karena itu menjadi bagian integral dari peralatan elektronik.Konsep penting dalam permasalahan dielektrik adalah momen dipole listrik yang merupakan ukuran pengaruh medan listrik yang besarnya sama tapi berlawanan tanda. Ketika sebuah medan listrik diberikan pada material dielektrik, maka fenomena polarisasi muncul. Bahan dielektrik dipergunakan terutama terkait dengan kemampuannya menyimpan muatan atau energi elektrostik dalam hal ini bahan dielektrik juga banyak digunakan sebagaiisolasi tegangan atau medan tinggi. Dalam keadaan demikian maka fungsi utama dari material ini adalah untuk menahan medan listrik. Bahan dielektrik sangat penting peranannya dalam bidang elektroteknik. Komponen-komponen seperti kapasitor hingga isolator pada peralatan listrik, generator, peralatan listrik rumah tangga adalah beberapa contoh peran material dalam kehidupan sehari-hari.Sifat dielektrik dapat divariasi secara luas sesuai jenis benda padat itu sendiri dan merupakan fungsi yang terkait pada temperatur frekuensi medan yang teraplikasi kelembaban, struktur Kristal dan factor-faktor eksternal lainnya. Respon yang dihasilkan bisa bersifat linier atau nonlinier.

B.Rumusan Masalah1.Apa yang dimaksud bahan dielektrik ?2.Bagaimana hubungan antara kapasitansi dengan tegangan pada bahan dielektrik?3.Apa yang dimaksud dielektrik ideal ?4.Apa yang dimaksud dielektrik non ideal ?5.Bagaimana disipasi power pada dielektrik?6.Bagaimana rincian eksperimen tentang penentuan sifat dielektrik keramik?7.Bagaimana impedansi ac pada rangkaian eksperimen penentuan sifat dielektrik?

C. PEMBAHASAN1.TEORI DASARBerbeda dari konduktor, material ini tidak memiliki elektron-bebas yang dapat bergerak dengan mudah didalam material; elektron dalam dielektrik merupakan elektron terikat. Dibawah pengaruh medan listrik, pada suhu kamar, pergerakan elektron hampir tidak terdeteksi. Namun pada temperatur tinggi aliran arus bisa terdeteksi jika diberikan medan listrik pada dielektrik. Arus ini bukan saja ditimbulkan oleh elektron yang bergerak tetapi juga oleh pergerakan ion dan pergerakan molekul polar yaitu molekul yang membentuk dipole. Dalam kaitan ini, suatu teknik yang disebut thermostimulated current merupakan salah satu teknik untuk mempelajari perilaku dielektrik. Peristiwa pergerakan elektron, ion, dan molekul-molekul polar di dalam dielektrik yang diakibatkan oleh adanya medan listrik disebut peristiwa polarisasi. Peristiwa polarisasi menyebabkan dielektrik terpolarisasi, suatu keadaan di mana dua sisi yang berlawanan dari selembar dielektrik mengandung muatan yang berlawanan. dielektrik dalam keadaan seperti ini disebut elektret.Dalam teknologi elektro dielektrik banyak digunakan pada kapasitor dan sebagai material isolasi. Kita akan mengawali pembahasan di bab ini dengan melihat tiga faktor yang digunakan untuk melihat kualitas dielektrik yaitu permitivitas relatif, faktor desipasi, dan kekuatan dielektrik.Bahan dielektrikmerupakan bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair dan gas, didalamnya medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan muatan. Semua electron-elektron terikat dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat, atau dalam hal cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan muatan. Karena itu jika suatu dielektrik diberi muatan listrik, muatan listrik ini akan tinggal terlokalisir didaerah dimana muatan tadi ditempatkan.Untuk lebih memahami tentang sifat dielektrik bahan keramik maka kita dapat melakukan suatu pengukuran polarisasi dan pemahaman kualitatif tentang siap atau tidaknya suatu benda padat mengalami polarisasi. Dapat dimisalkan dua lempeng metal paralel pada daerah A yang dipisahkan oleh suatu jarak didalam kondisi vakum (7.a). pelekatan lempeng ini merupakan rangkaian listrik sederhana, seperti ditunjukkanpada gambar 7.a dan penutupan pada rangkaian tersebut akan menghasilkan hentakan peralihan arus secara drastis turun ke angka nol seperti yang ditunjukkan gambar 7.b maka didapatkan :Daerah pada kurva I dengan t adalah muatan total yang melalui rangkaian dan kemudian dihantarkan pada lempengan-lempengan kapasitor.Untuk percobaan pada voltase listrik yang berbeda tegangan (V) dan menetapkan muatan (Q) dengan V menghasilkan suatu garis lurus, seperti yang ditunjukkan pada persamaan dibawah ini yaitu :Q = CV

Landaian kurva Q dengan V adalah kapasitansi Cvacpada lempeng-lempeng paralel yang vakum, maka didapatkanDimana 0adalah nilai permitivitas pada ruang bebas yang memiliki nilai konstanta sebesar 8,85 x 10-12C2/(J-m).

Dibawah ini gambar dari proses bahan di elektrikGambar 7.a. plat parallel kapasitor dari area A dan dipisahkan oleh d (jarak antar 2 plat) c. sama dengan gambar a namun terdapat dielektrisitas diantara 2 plat.

Keterangan gambar :a.Kapasitor plat paralel pada daerah A dan pemisah didalam vakum diletakkan pada sebuah smber listrikb.Penutupan pada rangkaian akan mengakibatkan hentakan peralihan pada arus dan mengalir pada rangkaian. Muatan yang dihantarkan pada kapasitor setara pada daerah kurva.c.Seperti pada gambar a namun pada gambar c disisipkan suatu bahan dielektrik diantara lempeng-lempeng tersebut.d.Penutupan rangkaian menghasilkan pada terhantarnya muatan pada lempeng-lempeng paralel yang lebih besar dari yang dihantarkan.

Jika suatu bahan dielektrik (berupa gas, padat, maupun cairan) berada diantara kedua lempeng kapasitor (gambar 7.c) dan eksperimen yang disebutkan sebelumnya diulangi, arus yang mengalir melalui rangkaian eksternal dan dihantarkan pada kedua lempeng sejajar maka akan meningkat (gambar 7d) dengan mengulangi percobaan pada voltase yang berbeda dan menetapkan muatan total yang dialirkan pada kapasitor dengan voltase, maka secara terus menerus akan menghasilkan suatu garis lurus, tapi dengan landaian yang lebih besar, tapi dari keadaan vakum.C=A/dDimana,adalah konstanta dielektrik pada bahan diantara lempeng sejajar.Keterangan :Ketergantungan fungsional Q pada voltase teraplikasi. Kelandaian kurva yang terkait pada konstanta dielektrik bahan tersebut. konstanta dielektrik relatif pada bahan k, didefinisikan sebagai :k =/0karenaselalu lebih besar dari0maka nikai minimun untuk k adalah 1. Dengan menggabungkan persaman 4 dan 5 maka diperoleh persamaan kapasitansi lempeng lempeng metal yang dipisahkan oleh sebuah dielektrik.C=k0C=k'd=k vakuumk adalahsuatu parameter tak terdimensi yang membandingkan kapasitas pengghantaran muatan suatu bahan terhadap kondisi vakum tersebut.

Dengan mengkombinasi pers 14.2 dan 14.3 maka didapatkan persamaan muatan permukaan pada vakuum vacsebagai berikut :vac =[Q/A]vac=0/d =0EDimana E adalah medan listrik teraplikasi. Serupadengan hal itu, dengan mengkombinasikan persamaan 14.2 dan 14.4 didapatkan persamaan muatan permukaan pada plat-plat metal yang meningkat dalam keberadaan dielektrik hinggaDenganpoladalah muatan per area permukaan unit yang muncul pada permukaan dielektrik (gambar 14.1 c) secara numerikpolsetara dan memiliki dimensi-dimensi yang sama (C/m2) sebagai polarisasi Ppada dielektrik yaitu :P=polTeori elektromaknetik mendefinisikan pemindahan D sebagai muatan peermukaan pada lempeng-lempeng metal yaitu D = [Q/A] sehingga:D=s0E+ PDengan kata lain, muatan total yang diberikan paada kapasitor plat paralel D adalah jumlah muatan yang muncul dalam vakum0E dan muatan ekstra yang muncul dari polarisasi bahan dielektrik P. pengkombinasian lebih jauh persamaan 14.7 dengan 14.10 dan ingat bahwa medan listrik adalah sama untuk kedua kasus, dapat dilihat bahwa :Dimanadiediketahuisebagai suseptibilat dielektrik bahanGambar 14.3definisi momen dipol listrikPendekatan mikroskopik suatu momen dipole ditunjukkan pada gambar 14.3. dengan adalah jarak yang memisahkan pusat muatan muatan +ve dan ve pada q=ze. Dan adalah vektor dengan kecenderungan positifnya didapatkan dari muatan negatif ke positif. Jika terdapat N pada dipole per unit volume dapat ditunjukkan bahwa P adalah :Dengan mengkombinasikan persamaan (14.11) dan (14.12)Hal ini menjelaskan bahwa semakin besar pemisahan muatan dipole untuk medan yang teraplikasi, maka semakin besar konstanta dielektrik relatif. Dengan kata lain semakin terpolarisasi suatu medium maka konstanta dielektriknya akan semakin besar pula.polarisabilitas suatu atom atau ion sebagai berikut :Dimana E adalah medan listrik lokal yang atom-atomnya dilibatkan, dengan satuan C-m2v-1atau Fm2Untuk gas-gas terlarut, dimana molekul-molekulnya terpisah jauh, medan yang teraplikasi lokal dapat dirumuskan serupa terhadap medan yang teraplikasi eksternal E, maka didapat.k-1 =Na/0Sedangkan untuk benda padat,polarisasi pada medium secara substansial. Mempengaruhi besarnya medan lokal. Untuk simetri kubik medan lokal terhubung pada medan teraplikasi denganPersamaan diatas akan berlaku jikaPernyataan ini dikenal sebagai hubungan clausius-mossotti dan memberikan suatu hubungan bernilai antara makroskopik k dan mikroskopik . Pernyataan ini hanya berlaku dielektrik linier dan tidak dapat diaplikasikan untuk ferroelektrikyang dibahas pada bab selanjutnya. Penting juga untuk diingat bahwa kapanpun N /0