BAHAN DIELEKTRIK KERAMIK

BAB 14

BAHAN DIELEKTRIK KERAMIK

A.    Latar Belakang

Keramik  mempunyai 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 Masalah

1.      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. PEMBAHASAN

1.  TEORI DASAR

Berbeda 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 dielektrik  merupakan 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 ditunjukkan  pada 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 C_vac pada lempeng-lempeng paralel yang vakum, maka didapatkan

Dimana ɛ₀ adalah nilai permitivitas pada ruang bebas yang memiliki nilai konstanta sebesar 8,85 x 10^-12 C² /(J-m).

Dibawah ini gambar dari proses bahan di elektrik

Gambar 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 listrik

b.      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=ɛA/d

Dimana, ɛ 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’ =ɛ/ɛ₀

karena ɛ selalu lebih besar dari ɛ₀ maka 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=k’ ɛ₀

C=k'ɛ_ₒd =k’ vakuum

k’ adalah  suatu 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 σ_vac sebagai berikut :

σ_{vac =}[Q/A]_vac= ɛ₀/d = ɛ₀E

Dimana 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 hingga

Dengan σ_pol adalah muatan per area permukaan unit yang muncul pada permukaan dielektrik (gambar 14.1 c) secara numerik σ_pol setara dan memiliki dimensi-dimensi yang sama (C/m²) sebagai polarisasi P  pada dielektrik yaitu :

P= σ_pol

Teori elektromaknetik mendefinisikan pemindahan D sebagai muatan peermukaan pada lempeng-lempeng metal yaitu D = [Q/A] sehingga:

D=s₀E+ P

Dengan kata lain, muatan total yang diberikan paada kapasitor plat paralel D adalah jumlah muatan yang muncul dalam vakum ɛ₀ E 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 :

Dimana

χ_die diketahui  sebagai suseptibilat dielektrik bahan

Gambar 14.3  definisi momen dipol listrik

           Pendekatan mikroskopik suatu momen dipole μ ditunjukkan pada gambar 14.3. dengan  δ adalah jarak yang memisahkan pusat muatan – muatan +ve dan –ve pada q=±ze. Dan μ 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 δ 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^-1 atau Fm²

Untuk 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 =N_a/ ɛ₀

 Sedangkan untuk benda padat,polarisasi pada medium secara substansial. Mempengaruhi besarnya medan lokal. Untuk simetri kubik medan lokal terhubung pada medan teraplikasi dengan

Persamaan diatas akan berlaku jika

Pernyataan ini dikenal sebagai hubungan clausius-mossotti dan memberikan suatu hubungan bernilai antara makroskopik k dan mikroskopik α. Pernyataan ini hanya berlaku dielektrik linier dan tidak dapat diaplikasikan untuk ferroelektrik  yang dibahas pada bab selanjutnya. Penting juga untuk diingat bahwa kapanpun N α/ ɛ₀<< pers. 14.6 disederhanakan pada persamaan 14.15 seperti diharapkan.

           Kapasitansi merupakan ukuran kemampuan dua konduktor dalam menyimpan muatan ketika beda potensial V diterapkan

2.  Deskripsi Sirkuit Ekuivalen Dari Dielektri Linear

14.2.1 Dielektrik ideal

            Aplikasi dari tegangan sinusoidal, V=V₀ exp iwt untuk dielektrik ideal, akan menghasilkan dalam pengisian arus yang diberikan dengan persamaan :

Dengan kata lain, akan menghasilkan arus π/2 rad atau 90° dari aplikasi medan magnet yang mana secara tidak langsung menyatakan bahwa pengisian osilasi adalah fase dengan aplikasi tegangan.

14.2.2 Dielektrik non ideal

Pada persamaan 14.17 hanya cocok untuk keadaan dielektrik ideal. Pada kenyataanya hal ini tidak pernah benar-benar ada dalam fase karena 2 alasan. Yakni  1. Disipasi energy akibat inersia dari spesies yang bergerak. Dan 2.

14.2.3 Disipasi daya dalam dielektrik

Secara umum, arus gangguan adalah karena cenderung memanaskan dielektrik dan menghambat sinyal elektromagnetik. Daya rata-rata hilang dalam dielektrik adalah
 
mana T = 2 π / ω adalah periode waktu. Untuk dielektrik yang ideal, Itot = Ichg dan

Selama satu setengah siklus, kapasitor sedang diisi dan daya sumber tidak bekerja pada kapasitor, pada paruh kedua siklus, kapasitor pemakaian dan tidak bekerja pada sumbernya. Akibatnya, daya rata-rata ditarik dari sumber listrik adalah nol, yang menunjukkan bahwa dielektrik ideal adalah rugi-bebas.

Dalam dielektrik nonideal, bagaimanapun, hilangnya arus dan tegangan dalam
fase, dan

Perhatikan bahwa untuk kondisi dc, atau w = 0, ungkapan ini identik dengan baik dikenal ekspresi daya yang hilang dalam kondisi dc, atau I²R.

Hilangnya daya yang sesuai per satuan volume diberikan oleh
 
dimana E0 = V0 / d adalah amplitudo medan listrik. Ini mengikuti bahwa kehilangan daya per satuan volume (W/m3) Dalam dielektrik secara langsung berkaitan dengan CRAC atau ADC, k "dan frekuensi (yaitu Persamaan (14.23)).

Meskipun representasi matematis, pada pandangan pertama, mungkin tidak tampaknya sederhana, fisika situasi lebih sehingga: Ketika waktu-medan listrik yang bervariasi diterapkan pada dielektrik, muatan dalam materi akan merespon. Beberapa muatan terikat akan berosilasi pada fase dengan diterapkan lapangan dan mengakibatkan muatan penyimpanan dan berkontribusi untuk k '. Mengatur lain muatan, baik terikat dan mereka berkontribusi terhadap konduktivitas dc, akan berosilasi 90° keluar dari fase dengan tegangan diterapkan dan menghasilkan energi disipasi dalam dielektrik. Disipasi energi ini berakhir sebagai panas (yang dielektrik suhu akan meningkat). Dalam dielektrik yang ideal, kerugian sudut ϕ adalah nol.

Rincian Eksperimen tentang penentuan sifat dielektrik keramik

Begitu banyak metode yang dapat digunakan untuk mengukur sifat dielektrik suatu benda. Salah satu yang paling populer adalah sebuah alat yang biasa disebut dengan ac impedance spectroscopy yang digambarkan dibawah ini. Sedangkan teknik yang lain merupakan teknik dengan membandingkan respon dielektrik dengan respon kapasitor yang bervariasi kalibrasi. Pada metode ini kapasitan kapasitor piringan parallel pada ruang hampa dibandingkan dengan yang ada pada materi yang dielektriknya akan diukur. Kemudian k’ dihitung secara sederhana dari persamaan 14.6. sebuah rangkaian untuk membawa sebuah eksperimen ditunjukkan pada gambar 14.5a. menjadikan kapasitansi kapasitor berkalibrasi bervariasi untuk menjaga.

Hal ini merupakan interpretasi yang lebih sederhana tetapi satu yang dapat divisualisasikan secara mudah. Lebih realistis muatan akan sedikit bergerak bolak-balik bergeser dari fase dengan sebuah sudut bergeser dari fase untuk mendapatkan posisi yang tepat, sesuai dengan medan yang dipakai. Hal ini menekankan sekali lagi bahwa k’ menggambarkan tingkah laku muatan yang terkait yang bergeser dari fase dengan medan yang dipakai dengan konduktan nya adalah k’’ ωC_vac dan muatan yang “lepas”konduktannya. Resonansi frekuensi ω₀=(L(C_s+C))^-1/2 konstan pada saat vakum berada diantara piringan, melawan pada saat za dimasukkan, memperbolehkan C_vac dan C_soliddapat ditentukan dan pada gilirannaya k’.

Keterangan pada gambar diatas adalah :

a.       Aparatus untuk mengukur konstanta dielektrik dari material . L adalah induktansi dari koil

b.      Respon yang diberikan dari nonideal dielektrik untuk aplikasi tegangan adalah seperti itu bahwa sudut diantara arus dan tegangan adalah bukan π/2, tetapi π/2-ϕ

c.       Sirkuit ekuivalen digunakan untuk model respon dielektrik dari sebuah benda solid. Disini G_dc adalah representasi respon dc dari material. Dimana ωk”C_vac adalah konduktansi adalah loncatan pengisian. Yang mana kehilangan ω dari ke nol.

Impedansi Ac

Sebuah tegangan sinusoidal diaplikasikan untuk sampel dan besarnya perubahan fase dari nilai arus adalah ukuran dengan menggunakan sophisticated elektronic. Dari besarnya rasio itu dari nilai arus I₀ sampai menentukan tegangan V₀ dan ukuran dari perbedaan fase ϕ diantara 2. Semua perumusan pada gambar 14.5b. k’ dan k’’ dapat diperoleh. Dapat dilihat pada gambar 14.1b. hal ini jika satu asumsi sikuit ekuivalen diperlihatkan pada gambar 14.5c. k’ dan k’’ diberikan oleh persamaan :

Dan

Dimana

 d  adalah ketebalan dan area cross sectional dari sampel. Sangat penting untuk diingat, bahwa baik  I ₀ maupun  ϕ bergantung pada frekuensi untuk diaplikasikanpada  medan ω. Sangat penting disini untuk melihat batas.  Untuk kondisi arus dc yang melewati kapasitor akan ditentuksn oleh konduktivitas dc. Peningkatan frekuensi lebih dan lebih dari ikatan pengisian akan mulai berisolasi keluar dari fase dengan teganganyang diberikan dan akan berkontribusi terhadap σ_ac.

C.        KESIMPULAN

Setelah dilakukan anlisa dan pemabahasan sifat dielektrik, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa:

·         Bahan dielektrik  merupakan bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hamper tidak ada. Bahan dielektrik dapat berwujud padat, cair dan gas, didalamnya medan listrik tidak akan menghasilkan pergerakan muatan.

·         Kapasitansi merupakan kemampuan bahan untuk menyimpan muatan yang dinyatakan dengan

·         Dielektrik ideal merupakan keadaan dimana 

·         Dielektrik non ideal merupakan keadaan dimana pada kondisi riil pada pers 14.17 tidak pernah ada karena 1. Adanya disipasi energy akibat inersia dari spesies yang bergerak dan 2. Adanya konduksi ohmik.

·         Hilangnya daya yang sesuai per satuan volume diberikan oleh
 
dimana E0 = V0 / d adalah amplitudo medan listrik. Ini mengikuti bahwa kehilangan daya per satuan volume (W/m3) Dalam dielektrik secara langsung berkaitan dengan CRAC atau ADC, k "dan frekuensi. Beberapa muatan terikat akan berosilasi pada fase dengan diterapkan lapangan dan mengakibatkan muatan penyimpanan dan berkontribusi untuk k '. Mengatur lain muatan, baik terikat dan mereka berkontribusi terhadap konduktivitas dc, akan berosilasi 90° keluar dari fase dengan tegangan diterapkan dan menghasilkan energi disipasi dalam dielektrik. Disipasi energi ini berakhir sebagai panas (yang dielektrik suhu akan meningkat). Dalam dielektrik yang ideal, kerugian sudut ϕ adalah nol.

·         Metode yang dapat digunakan untuk mengukur sifat dielektrik suatu benda: ac impedance spectroscopy, teknik dengan membandingkan respon dielektrik dengan respon kapasitor yang bervariasi kalibrasi.

·         Penggunaan tegangan sinusoidal untuk sampel dan besarnya perubahan fase dari nilai arus adalah ukuran dengan menggunakan sophisticated elektronic.

Dielektric Properties

MAKALAH

Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Keramik

yang dibimbing oleh Dra. Hartatiek M.Si

 

Kelompok 7

1.      Sinta A.W                   (308322410926)

2.      Reni Fitria                   (308322410930)

3.      Gerry Setyawan          (308322410936)

4.      Trinovi P.H                 (408322410248)

5.      Ahmad Lazim             (907322410911)

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

JURUSAN FISIKA

PRODI FISIKA

November 2011