LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA III (MFS 3581) PENGUKURAN LOSS TANGEN DIELEKTRIK (FZP-7) Disusun Oleh:Nama/ No Mhs: Erwin Isna Megawati / 11978 Kelompok : Senin -IV Hari/ Tanggal Praktikum: Senin / 18 April 2011 Rekan Kerja: Aji Wijayanto Asisten: Reny Eryolamda Dosen Pembimbing: Kuwat Triyana, Ph.D LABORATORIUM FISIKA ZAT PADAT FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2011 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Konsep penting dalam permasalahan dielektrIk adalah momen dipol listrik yangmerupakanukuranpengaruhmedanlistrikpadasepasangmuatanlistrik yang besarnya sam tapi berlawanan tanda. Ketika medan listrik diberikan pada materialdielektrikmakafenomenapolarisasimuncul.Bahandielektrik dipergunakanterutamaterkaitdengankemampuanyamenyimpanmuatanatau energielektrostik.Dalamkaitaninidiperkenalkanbeberapakontantamaterial dielektrikberkaitandenganinteraksinyadenganmedanlistrikdiantaranya adalahpermitifitasdansusceptibilitasuntukbesaranmakrodankonstanta polarisasi untuk skala mikro. Di pihak lain material dielektrik juga sangat luas dipakai sebagi isolasi tegangan / medan tinggi. Dalam keadaan demikian maka fungsiutamamaterialadalahuntukmenahanmedanlistrik.Sebagaiisolasi dikenal kekuatan dielektrik / isolasi dan suatu konstanta penting yaitu rugi-rugi dielektrik.Baikfungsinyasebagaidielektrikmaupunsebagaiisolasi,material dielektrk, memegang peranan sangat penting dalam elektroteknik. Komponen-komponensepertikapasitor,hinggaisolasipadaperalatanlistrik,generaor, peralatanlistrikrumahtanggaadalahbeberapacontohperanmaterialdalam kehidupan sehari-hari Pengukuranlosstangenpadasuatubahandielektrikdimaksudkanuntuk mengetahuisifatlistrikdaribahanyangdiukurtersebut.Setiapdielektrik memilikitingkatkerapatanflukselektrostatikdalamsuatubahanbiladiberi potensiallistrik.Tetapandielektrikmerupakanperbandinganenergilistrik yangtersimpanpadabahantersebutjikadiberisebuahpotensial,relative terhadap ruang hampa. Tetapan dielektrik ini berhubungan dengan kemampuan suatubahanuntukmenyimpanenergidansifatoptiksuatubahandanjuga dapatmenentukanjumlahenergyyanghilangataudissipasienergiyang berhubungan langsung dengan loss tangen. Dari sinilah dapat kita ketahui sifat listrikdaribahanyangkitaujitersebut.Karenaitu,perludilakukannya eksperimen pengukuran loss tangen dielektrik ini. B. Tujuan1.Mengetahui sifat listrik suatu bahan 2.Menentukan nilai rugi tangen suatu bahan dielektrik dan nilai tetapan dielektriknya BAB II DASAR TEORI Medan listrik AC merupakan medan yang berosilasi sehingga dapat terjadi pergeseranantaramedan-medanEdanDyangmengakibatkanmunculnya komponenarusyanghilang(Smyt,1955)atauterjadinyadisipasienergi.Secara umum tetapan dielektrik suatu bahan dapat ditulis sebagai

= +" (1) Yang muncul dalam persamaan material dielektrik = 0 (2) Dengan' cadalah bagian real, tetapan dielektrik yangberhubungan dengan kemampuanbahanuntukmenyimpanenergidansifatoptiksuatubahan. Sedangkan" c adalahbagianimajiner,yangmenentukanjumlahenergiyang hilang(dissipasienergi).Jikadianggapbahwa* c tidakbergantungpadawaktu (t) maka pendeferensialan persamaan (2) terhadap waktu memberikan, dtddtdOE Dc c * = (3) Sehingga sutitusi persamaan (1) ke persamaan (3) menghasilkan, EDe c c c i idtdO) " ' (+ =(4) JikadianggapbahwaEdanDadalahmedan-medanharmonik.Besarnya dissipasi ditentukan oleh ungkapan,

2"21o OdE EdtDe c c = - (5) Persamaan(5)mengandungtandanegatif,sementarafaktordissipasiharus bernilai positif sehingga" c harus bernilai negatif. Jadi persamaan (1) dapat ditulis ulang dalam bentuk, " ' * c c c i =(6) Perbedaantetapandielektrikpadasejumlahbahandapatmunculkarena berbedanyakarakteristikpolarisasilistrikataumelekulerdalambahan-bahan tersebut.Dalambabiniakandibahasberbagaisumberpolarisasilistriktersebut, diantaranya polarisasi elektronik dan polarisasi ionik. Akhirnya akan ditinjau pula sifatpentingdaribahan-bahanfotoelektrikkeduanyadihubungkandengan kemampuan polarisasi ionik (Omar, 1975). 1.Rugi Tangen (Loss Tangent) JikasuatubahandielektrikdipengaruhiolehmedanlistrikAC(bolak balik),makapolarisasiPdanpergeseranDakanbervariasidenganwaktu secara periodik. Pada umumnya P dan D akan ketinggalan fase relatif terhadap E. Jika diambil E dalam bentuk, t e cosoE E = (7) Maka, ) cos( o e = toD D(8) Dengano adalah sudut fase. Persamaan (6) dapat diubah menjadi, t t e e sin cos2 1D D D + =(9) Dengan D1=Do cosodan D2=Do coso , sehinggao c cos 'ooED= (10) dan o c sin "ooED= (11) Perbandingan antara persamaan (10) dan (11) memberikan

'"tancco =(12) Persamaan(12)disebutrugitangen(losstangent)yangnilainya berbandinglurusdengan " c .Rugitangeniniberhbunganlangsungdengan jumlah energi yang terdissipasi atau hilang. 2.Dissipasi Energi Laju hilangnya energi dalam bahan dapat dihitung sebagai berikut : Laju arus polarisasi adalah dtdPj =(13) Laju panas per satuan volum dapat dituliskan sebagi berikut : E - = j Q(14) Vektor polarisasi diberikan dalam suku-suku tetapan dielektrik oleh hubungan{ } ) ( 1 ) ( ) ( t tr oE P = e c c (15) Sehingga substitusi persamaan (6) ke persamaan (15), memberikan{ } ) ( 1 )" ( )' ( ) ( t i tr r oE P = e c e c c (16) Yang dapat juga ditulis dalam bentuk ) ( ) ( ) ( t e tir oE Poe c c- =(17) Dengan} {2 / 12 2) ( " ) ( ' ) ( * e c e c e cr r r+ = dan) " / ' ( tan1c c o= .Dengan demikian dari persamaan (13) dan (17) diperoleh rapat arus polarisasi ) ( ) ( ) ( ) ( *) (t e t e i jir oir oE Et o oe c ec e c ec = =(18) Sehingga subtitusi persamaan (16)ke persamaan (14), akhirnya memberikan 20. ) ( " ) 2 / 1 ( E e ec crQ =(19) Tampakbahwalajudissipasienergisepertiyangtertulispada persamaan(19)sebandingdengan) ( " e cr.Halinisemakinmenegaskan anggapanbahwa) ( " e crataubagianimjinerdarikonstantadielektrikadalah bagianyangberhubunganlangsungdenganjumlahenergiyanghilangatau terdissipasi. BAB III METODE EKSPERIMEN A. Alat dan Bahan 1.Osiloskop 2.Plat kapasitor dengan rangkaian resistor (33 kilo ohm) dan kapasitor 3.Generator Frekuensi (AFG) 4.Mika5.Kuarsa 6.Kaca 7.Jangka sorong B.Tata Laksana 1.Osiloskop dikaliberasikan terlebih dahulu. 2.Alat dirangkai sesuai skema percobaan.3.Percobaan pertama adalah pengukuran loss tangent dengan tanpa dielektrik pada plat kapasitor. 4.Frekuensi pada AFG diset pada 100, 200, , 1000 KHz. 5.Tampilan Lissajous pada osiloskop dihitung besar

dan

-nya. 6.Percobaan diulangi untuk bahan mika, kuarsa, dan kaca. C.Skema Alat

C V

R Ground D.Analisa Data Grafik hubungan TVVuVs f yVVT=u Vy

Vx

=

sin( +)

= 0 + =

=

=

=

sin Osiloskop H GV m/Vr f=x

=

=

= (

2

2)1/2

= = (

2

2)1/2

1.Menentukan tetapan dielektrik

+ = " + R C VVC VIoRoRe ec = = " AR f Vd Vo Tc tcu) 2 ("= \ fdARVVoTt c cu2 "=

ym x persamaan gradien : dARmot c c 2 "= t cc2"ARmdo= mARdoA = At cc2" 2.Mencari nilai D (loss tangen dielektrik) '" ) (Vtan D212 2Tccouu== =VV = (

202)1 2

0 "'tan' "' ''" tan* ' " iccoc cc cc oc c c=c AA = A =c= Dimana : d = jarak antara kedua plat kapasitor (tebal bahan) A = Luas plat kapasitor 14

2

0 = permitivitas ruang hampa R = resistansi 22 103 BAB IVHASIL EKSPERIMEN A. DATA 1.Tabel Data Pengukuran Loss Tangen Tanpa Dielektrik(vacum)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.10 0.20 0.30 0.38 0.40 0.42 0.45 0.40 0.40 0.40 0.18 0.30 0.40 0.45 0.55 0.58 0.60 0.62 0.64 0.64 2.Tabel Data Pengukuran Loss Tangen mika

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.20 0.40 0.48 0.62 0.70 0.80 0.82 0.82 0.85 0.85 0.30 0.50 0.62 0.81 0.90 0.99 1.02 1.10 1.18 1.20 3.Pengukuran Loss Tangen Kuarsa

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.10 0.30 0.40 0.50 0.60 0.62 0.70 0.75 0.79 0.80 0.28 0.48 0.69 0.89 0.99 1.02 1.10 1.20 1.25 1.30 4.Tabel Data Pengukuran Loss Tangen Kaca

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.05 0.25 0.40 0.50 0.59 0.62 0.65 0.70 0.72 0.75 0.4 0.6 0.8 0.9 1.00 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 B. GRAFIK 1.Grafik Pengukuran Loss Tangen Tanpa Dielektrik (

) vs f 2.Grafik Pengukuran Loss Tangen pada Mika (

) vs f 3.Grafik Pengukuran Loss Tangen pada Kuarsa(

) vs f 4.Grafik Pengukuran Loss Tangen pada Kaca (

) vs f C. HASIL PERHITUNGAN 1.Tanpa dielektrik Loss tangen: = (

2

2)12

= (0.452 0.382)120.38= 0,63 Tetapan dielektrik: = " = 0,21 0,13 2.MikaLoss tangen: = (

2

2)12

= (0.992 0.802)120.80= 0,73 Tetapan dielektrik:

= " = 0,05 0,04 3.Kuarsa Loss tangen: = (

2

2)12

= (1,12 0.702)120.70= 1,21 Tetapan dielektrik:

= " = 0,87 1,05 4.Kaca Loss tangen: = (

2

2)12

= (1,02 0.592)120.59= 1,37 Tetapan dielektrik:

= " = 1,74 2,38 BAB V PEMBAHASAN Untuk mengamati dan mempelajari sifat dielektrik suatu bahan, maka bahan tersebutharusdiletakkandalammedangayalistrik.Medangayalistrikdicirikan denganvektorkekuatanmedanlistrik(E)danvektorperpindahandielektris(D). Hubungan kedua karakter tersebut adalahE D c =dimana adalah konstanta dielektrikbahan. Nilai dari konstanta dielektrikbahan diberikan dengan hubungan rc c c0=dimana0adalahkonstantadielektriksuatuvakum,danr,konstantadielektrik relatif, yang merupakan karakteristik dari bahan. Pada kasus tegangan bolak-balik (AC), kekuatan medan berubah secara periodik: t ie E Ee0=sedemikian sehingga hubungan antara perpindahan dielektrik dan kekuatan medan dapat dinyatakan dengan t i t i i t ie E e e E e E De e o o ec c c- = = =0 0) (0) (dimana ) sin (cos o o c c coi ei = = -,contoh c c c ' ' ' =-i .Konstantadielektrik kompleks*terdiriatasduabagian:bagianriildinamakankonstantadielektrik ataupermittivity,sementarabagianimajinerdinamakanfaktorkehilangan. Kuosiendariduabagiantersebutmemberikangradienkehilangan(losstangent), c c o ' ' ' = / tan .PadaeksperimenataupraktikumPengukuranTingkatLossTangen dielektrik menggunakan metode perhitungan atau rumus dan menggunakan grafik. MetodegrafikyangdigunakanyaitumenggunakanprogramKaleidaGraph. Dengan metode grafik ini memiliki kelebihan dan kekurangan.kelebihanya antara lain adalah 1.lebih mudah untuk dipahami 2.lebih cepat menentukan nilai gradien 3.relative lebih sederhana dari pada metode lain 4.praktikan juga dapat mempunyai gambaran dari data yang telah didapatkan sedangkan kelemahanya yaitu 1.hanya mencakup baberapa data 2.kekurang akuratan dalam menentukan nilai karena keterbatasan skala Padapercobaankaliinikitabertujuanuntukdapatmengetahuisifatlistrik suatubahandielektrikdenganmengukurnilailosstangentdielektrikdantetapan dielektriknya.Percobaandilakukanpadabeberapabahanyangberbedayaitu antaralainsaatplattanpadielektrik,denganmika,kuarsadankaca.Percobaan pertamadilakukandenganmengkalibrasiosiloskopkemudiankitamengukur besar

dan

padatampilanlissajousosiloskop.Dimana

dan

masing-masingmerupakanbesarteganganpadaplatXdanYpadaosiloskopdariplat kapasitor.Semakinbesarfrekuensiyangmasukkeplatkapasitor,semakinbesar

nya dan untuk

nya semakin besar pula tetapi ada yang nilainya sama. Grafik yangakankitaanalisamerupakanplottingantarafrekuensi()dengan

. Darigrafikdidapatkannilaigradientyangselanjutnyadapatdigunakanuntuk menghitungbesarnyajumlahenergyyanghilang(").Selanjutnyadapat ditentukan nilai rugi tangent dielektriknya dan tetapan dielektriknya. Hasilpengukuranlosstangenttanpadielektrikadalah0,63dengantetapan dielektrik0,21 0,13.Padamikalosstangennyaadalah0,73dengantetapan dielektriknya0,05 0,04.Kuarsadenganlosstangen1,21dantetapan dielektriknya0,87 1,05sedangkanpadakacalosstangennyaterukur1,37 denganbesartetapandielektriknya1,74 2,38.Darihasilpengukurantersebut dapat kita analisa bahwa nilai loss tangen dielektik dan tetapan dielektrik beberapa bahanyangkitaukurberagammenunjukkansifatlistriknya.Semakinbesar tetapan dielektriknyamaka semakinbesar pula kemampuanbahan tersebut untuk menyimpan energi listrik yang dilewtkan terhadapnya. Dari hasil percobaan diperoleh hasil bahwa kaca adalah sifat listriknya yang palingbaiksedangkanmikaadalahyangpalingburuk.Hasilpengukuranjuga dipengaruhiolehtebalbahan.Padaeksperimenkaliinikitabelumsempat memvariasikantebalbahankacakarenamengingatwaktuyangsempit.Tapi secara analisa jelas bahwa semakin tebal bahan yang kita uji maka sifat listriknya semakin baik. Sifatdielektrikmerupakansuatubilanganyangkompleksyangdinyatakan dalamduabagianterdiridarikelompokrealdanimaginer,dimanabagianreal adalah tetapan dielektrik dan bagian imaginer adalah faktor kehilangan dielektrik. Tetapandielektrikmenunjukkankemampuanbahanuntukmenyimpanenergi listriksedangkanfaktorkehilangandielektrikmenunjukkankemampuanbahan unluk melepaskan energi yang nilainya selalu positif dan biasanya lebih kecil dari tetapan dielektrik. Nilai rugi dielektrik yang besar memiliki arti tetapan dielektrik imajinerbesardantetapandielektrikriilkecil.Dalampemakaiannyakondisiini sebaiknyadihindarikarenaenergiyangterdisipasidalambentukpanasbesar, sebaliknyaenergiyangdisimpankecil.Nilairugidielektrikyangkecilmemiliki artitetapandielektrikimajinerkecildantetapandielektrikriilbesar.Dalam pemakaiannyafrekuensi-frekuensiyangmenghasilkankeadaaninidapatdipilih karenaenergiyangterdisipasidalambentukpanaskecil,sebaliknyaenergiyang disimpanbesar.Dalameksperimenkaliini,adabeberapanilaikhususnyapada vacum dielektrik dan bahan mika yang kurang sesuai dengan teori. Hal ini terjadi karenadatayangdiperolehadayangkonstan.Sehinggadidapatkannilaigradien negatif. Dan nilai loss tangen lebih besar dari tetapan dielektriknya. BAB VI APLIKASI DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI KE DEPAN 1.Antena MikrostripKonsepantenaMikrostripdiperkenalkanpadaawaltahun1950andi USAolehDeschampsdandiPerancisolehGuttondanBaissinot,barupada tahun 1970an dengan kedatangan teknologi printed-circuit, beberapa kemajuan pada area penelitian ini mulai menghasilan perkembangan antena praktis untuk pertamakalinya.Antenamikrostripmerupakansalahsatujenisantenayang berbentukpapantipisdanmampubekerjapadafrekuensiyangsangattinggi. Antenamikrostripdibuatdenganmenggunakansebuahsubstratyang mempunyaitigabuahlapisanstrukturdarisubstrattersebut.Lapisan-lapisan padasubstrat:Patch,dielektrik,groundplane.Pola-poladalamlapisan mikrostripyangutamabiasadisebutpatch,yangmemilikibentukgeometris sederhana, misalkan sirkular, persegi panjang, segitiga atau bentuk lain. Bentuk palingsederhanadalamperalatanMikrostripadalahberupasisipanduabuah lapisankonduktifyangsalingparalelyangdipisahkanolehsuatusubstrat dielektrik.Konduktorbagianatasadalahpotonganmetalyangtipis(biasanya tembagaatauemas),yangmerupakanfraksikecildarisuatupanjang gelombang.Konduktorbagianbawahadalahbidangpentanahanyangsecara teoribernilaitak-hingga.Keduanyadipisahkanolehsebuahsubstratdielektrik yangnon-magnetik.Konstantadielektrikdarisubstratberkisardari1,17 sampaikisaran25,denganlosstangentmulaidari0,0001sampai0,004. Konduktoratasdapatberupabentukapapun,bisapersegi-panjang,lingkaran, segi-tiga,elips,helix,cincinlingkaran,dsb.Untukmencaridimensiantena mikrostrip(WdanL),harusdiketahuiterlebihdahuluparameterbahanyang akandigunakanyaitutebaldielektrik(h),konstantadielektrik(r),tebal konduktor(t)danrugi-rugibahan(rugi-rugitangensial).Panjangantena mikrostripharusdisesuaikan,karenaapabilaterlalupendekmakabandwidth akansempitsedangkanapabilaterlalupanjangbandwidthakanmenjadilebih lebartetapiefisiensiradiasiakanmenjadikecil.Denganmengaturlebardari antennamikrostrip(W)impedansiinputjugaakanberubah.Pendekatanyang digunakanuntukmencaripanjangdanlebarantenamikrostripdapat menggunakanpersamaanberikutini,dengandiketahuifrekuensi1,8GHz. Substrat FR-4, r = 4.4 ,n= 1.5 mm, dan f = 0.05 m. 2.Pengukuranlosstangendapatdiaplikasikanpadapengaruhkontaminasi terhadap loss tangen dielektrik dan breakdown minyak transformator. Jika loss tangenttelahdidapatkan,selanjutnyabarudiujidenganalatinfrared thermographtipeThermoTracerdantreatmentminyaktransformatorMinyak transformator merupakan media isolasi dan pendingin pada transformator. Oleh karena itu kemurnian dari minyak transformator harus selalu diperhatikan. Salahsatukarakteristikmaterialisolasiyangpentingadalahfaktordayaatau tangenrugi-rugidielektrik(losstangen).Nilainyadapatdigunakansebagai petunjuk bagaimana kualitas dielektrik tersebut. Karakteristik tangen delta (tan )merupakanalatyangberhargauntukmengevaluasidielektrikdancukup pekauntukmendeteksidanmenilaikerusakandielektrikkarenatelah dipergunakandalamwaktuyangcukuplama.Pengujiantangendapat menentukanapakahzat-zatkontaminanyangadamasihdalambatasyang diizinkan.Rugi dielektrik pada tegangan bolak-balik diakibatkan oleh rugi polarisasi dan rugikonduksidariion.Sifatrugi-rugiinimerupakanukurankualitasisolasi. Selainitunilai-nilaitersebutjugadapatmenjelaskanmekanismefisikyang terjadidandapatmembantupemilihanisolasiyangsesuaiuntukpenerapan-penerapankhusus.Penempatannilaifungsitangen=f(V)padategangan mulaVe dapatdisimpulkanrugi-rugiioniktambahan,akantetapiperubahan konduktivitaselektrolityangbergantungpadakuatmedanjugamenghasilkan bentukkurvayangsama.Bentuktangen=f(V)menunjukkannilai temperaturbatasdenganrugikonduksiionmelebihirugipolarisasiion.Rugi dielektrik dari suatu isolasi dengan kapasitansi C pada frekuensi jaringan dapat dihitung dengan menggunakan faktor disipasi. Skema alat penguji minyak transformator Untukmenentukankekuatandielektrikdanbreakdowndarisuatuminyak transformatoryangbelumdipakai,minyakcampuran(minyaktransformator baruditambahminyaktransformatoryangsudahdipakai),danminyak transformatoryangsudahdipakaidapatdilakukanmelaluipengujianloss tangent dielektrik ini. BAB VII KESIMPULAN Dari hasil percobaan didapatkan: 1.Tanpa dielektrik Loss tangen: = (

2

2)12

= 0,63 Tetapan dielektrik: = " = 0,21 0,13 2.MikaLoss tangen: = (

2

2)12

= 0,73 Tetapan dielektrik:

= " = 0,05 0,04 3.Kuarsa Loss tangen: = (

2

2)12

= 1,21 Tetapan dielektrik:

= " = 0,87 1,05 4.Kaca Loss tangen: = (

2

2)12

= 1,37 Tetapan dielektrik:

= " = 1,74 2,38 Losstangendiaplikasikanuntukmengelompokkansuatumaterialataubahan, apakah merupakan good dielectric (tan d >> 1) atau merupakan good conductor (tan d