Apa itu Bahan Dielektrik - Properti & Aplikasinya
Bahan dikategorikan sebagai konduktor, isolator, dan semikonduktor berdasarkan sifat konduktor listriknya. Setiap bahan terdiri dari molekul yang pada gilirannya terdiri dari atom. Ketika terkena medan listrik, atom-atom ini dalam material mengalami perpindahan tertentu dan perubahan sifat.
Pada bulan Oktober 1745, percobaan yang dilakukan oleh Ewald Georg von Kleist dari Jerman dengan menghubungkan generator elektrostatis tegangan tinggi ke volume air yang terkumpul dalam botol genggam menggunakan kabel menunjukkan bahwa muatan dapat disimpan.
Menggunakan fenomena ini, Pieter van Musschenbroek menemukan kapasitor pertama yang disebut "Leyden Jar". Properti material baru yang mendukung penemuan ini adalah "Dielektrik".
Apa Dielektrik itu?
Setiap material terdiri dari atom. Atom mengandung partikel bermuatan negatif dan positif. Inti pusat atom bermuatan positif. Dalam material apa pun, atom disusun sebagai dipol yang diwakili oleh muatan positif dan negatif di ujungnya. Saat material tersebut terkena medan listrik momen dipol berlangsung.
Bahan konduktor mulai berjalan saat listrik diterapkan. Isolator menentang aliran listrik karena tidak memiliki elektron yang bergerak bebas dalam strukturnya. Tetapi Dielektrik adalah jenis isolator khusus yang tidak menghantarkan listrik tetapi terpolarisasi saat dikenai listrik.
Dalam bahan Dielektrik, ketika dikenakan medan listrik, muatan positif yang ada dalam bahan akan bergeser ke arah medan listrik yang diterapkan. Muatan negatif digeser ke arah yang berlawanan dengan medan listrik yang diterapkan. Ini mengarah pada polarisasi Dielektrik.
Sifat Dielektrik
Istilah Dielektrik pertama kali diperkenalkan oleh William Whewell. Ini adalah kombinasi dari dua kata- 'Dia' dan 'electric'. Konduktivitas listrik dielektrik sempurna adalah nol. Dielektrik menyimpan dan menghilangkan energi listrik yang mirip dengan kapasitor ideal. Beberapa sifat utama bahan Dielektrik adalah Kerentanan Listrik, Polarisasi Dielektrik, Dispersi Dielektrik, Relaksasi Dielektrik, Tunabilitas, dll.
Kerentanan Listrik
Seberapa mudah bahan dielektrik dapat terpolarisasi saat terkena medan listrik diukur dengan kerentanan listrik. Kuantitas ini juga menentukan permeabilitas listrik material.
Polarisasi Dielektrik
Momen dipol listrik adalah ukuran pemisahan muatan negatif dan positif dalam sistem. Hubungan antara momen dipol (M) dan medan listrik (E) menimbulkan sifat dielektrik. Ketika medan listrik yang diterapkan dilepaskan, atom kembali ke keadaan semula. Ini terjadi dengan cara peluruhan eksponensial. Waktu yang dibutuhkan atom untuk mencapai keadaan aslinya dikenal sebagai waktu Relaksasi.
Polarisasi Total
Ada dua faktor yang menentukan polarisasi dielektrik. Mereka adalah pembentukan momen dipol dan orientasinya relatif terhadap medan listrik. Berdasarkan jenis dipol elementer dapat berupa polarisasi elektronik atau polarisasi ionik. Polarisasi elektronik Pe terjadi ketika molekul dielektrik yang membentuk momen dipol terdiri dari partikel netral.
Polarisasi ion Pi dan polarisasi elektronik keduanya tidak bergantung pada suhu. Momen dipol permanen diproduksi di molekul ketika ada distribusi muatan asimetris antara atom yang berbeda. Dalam kasus seperti itu, polarisasi orientasi Po diamati.
Jika ada muatan bebas dalam bahan dielektrik ini akan menyebabkan polarisasi muatan ruang Ps. Polarisasi total dielektrik melibatkan semua mekanisme ini. Jadi polarisasi total bahan dielektrik adalah
Jumlah P = Pi + Pe + Po + Ps
Dispersi Dielektrik
Jika P adalah polarisasi maksimum yang dicapai oleh dielektrik, tr adalah waktu relaksasi untuk proses polarisasi tertentu, proses polarisasi dielektrik dapat dinyatakan sebagai
P (t) = P [1-exp (-t/tr)]
Waktu relaksasi bervariasi untuk proses polarisasi yang berbeda. Polarisasi elektronik berlangsung sangat cepat diikuti oleh polarisasi ionik. Polarisasi orientasi lebih lambat dari polarisasi ionik. Polarisasi muatan ruang sangat lambat.
Kerusakan Dielektrik
Ketika medan listrik yang lebih tinggi diterapkan, isolator mulai berjalan dan berperilaku sebagai konduktor. Dalam kondisi seperti itu, bahan dielektrik kehilangan sifat dielektriknya. Fenomena ini dikenal sebagai Dielectric Breakdown. Ini adalah proses yang tidak dapat diubah. Ini menyebabkan kegagalan bahan dielektrik.
Jenis Bahan Dielektrik
Dielektrik dikategorikan berdasarkan jenis molekul yang ada dalam bahan. Ada dua jenis dielektrik - Dielektrik kutub dan Dielektrik non-polar.
Dielektrik Polar
Dalam dielektrik polar, pusat massa partikel positif tidak sama dengan pusat massa partikel negatif. Di sini momen dipol ada. Molekul-molekulnya berbentuk asimetris. Ketika medan listrik diterapkan, molekul menyesuaikan diri dengan medan listrik. Ketika medan listrik dihilangkan, momen dipol acak diamati dan momen dipol bersih dalam molekul menjadi nol. Contohnya adalah H2O, CO2, dll.
Dielektrik Non-Polar
Dalam dielektrik non-polar, pusat massa partikel positif dan partikel negatif bertepatan. Tidak ada momen dipol dalam molekul ini. Molekul-molekul ini berbentuk simetris. Contoh dielektrik non-polar adalah H2, N2, O2, dll.
Contoh Bahan Dielektrik
Bahan dielektrik bisa berupa padatan, cairan, gas, dan vakum. Dielektrik padat sangat digunakan dalam teknik kelistrikan. Beberapa contoh dielektrik yang dijual adalah porselen, keramik, kaca, kertas, dll. Udara kering, nitrogen, sulfur heksafluorida dan oksida dari berbagai logam adalah contoh dielektrik gas. Air suling, minyak transformator adalah contoh umum dielektrik cair.
Aplikasi Bahan Dielektrik
Beberapa fungsi dielektrik adalah sebagai berikut-
- Ini digunakan untuk penyimpanan energi di kapasitor .
- Untuk meningkatkan kinerja perangkat semikonduktor, bahan dielektrik dengan permitivitas tinggi digunakan.
- Dielektrik digunakan dalam LCD (Liquid Crystal Display).
- Dielektrik keramik digunakan dalam Osilator Resonator Dielektrik.
- Film tipis Barium Strontium Titanate adalah dielektrik yang digunakan dalam perangkat gelombang mikro yang dapat disetel sehingga menghasilkan tunabilitas tinggi dan arus bocor rendah.
- Parylene yang digunakan dalam industri pelapis bertindak sebagai pembatas antara substrat dan lingkungan luar.
- Dalam trafo listrik, minyak mineral digunakan sebagai dielektrik cair dan membantu dalam proses pendinginan.
- Minyak Castor digunakan pada kapasitor tegangan tinggi untuk meningkatkan nilai kapasitansinya.
- Electrets, bahan dielektrik yang diproses secara khusus bertindak sebagai elektrostatis yang setara dengan magnet.
Pertanyaan
1). Apa gunanya dielektrik pada kapasitor?
Dielektrik yang digunakan dalam kapasitor membantu menurunkan medan listrik yang pada gilirannya menurunkan tegangan sehingga meningkatkan kapasitansi.
2). Bahan dielektrik apa yang banyak digunakan pada kapasitor?
Dalam kapasitor, bahan dielektrik seperti kaca, keramik, udara, mika, kertas, film plastik banyak digunakan.
3). Bahan apa yang memiliki kekuatan dielektrik tertinggi?
Vakum sempurna tercatat memiliki kekuatan dielektrik tertinggi.
4). Apakah semua isolator adalah dielektrik?
Tidak, meskipun dielektrik berperilaku sebagai isolator, tidak semua isolator adalah dielektrik.
Dengan demikian, Dielektrik merupakan bagian penting dari kapasitor. Bahan dielektrik yang baik harus memiliki konstanta dielektrik yang baik, kekuatan dielektrik, faktor kehilangan rendah, stabilitas suhu tinggi, stabilitas penyimpanan tinggi, respons frekuensi yang baik dan harus dapat disesuaikan dengan proses industri.
Dielektrik juga memainkan peran penting dalam rangkaian elektronik frekuensi tinggi. Pengukuran sifat bahan dielektrik memberikan informasi tentang karakteristik listrik atau magnetnya.