MATERIAL PEMBANGKIT

Di susun oleh :

1. Didik Darmawan (09)2. Ferizco Ramadhan (10)

KE – 1 D

TEKNIK KONVERSI ENERGIPOLITEKNIK NEGERI SEMARANG

2012

BAHAN DIELEKTRIK.

BAHAN DIELEKTRIK YAITU BAHAN YANG APABILA DIBERIKANMEDAN POTENSIAL (TEGANGAN) DAPAT MEMPERTAHANKANPERBEDAAN POTENSIAL YANG TIMBUL DIANTARA PERMUKAANYANG DIBERIKAN POTENSIAL TERSEBUT.

FUNGSI DARI BAHAN LISTRIK DIELEKTRIK DIANTARANYA: MENYIMPAN ENERGI LISTRIK (DALAM BENTUK MUATAN)MISALNYA PADA KAPASITOR. MEMISAHKAN BAGIAN BERTEGANGAN DENGAN BAGIANYANG TIDAK BERTEGANGAN (ISOLATOR).MISAL: PLASTIK, CELAH UDARA TRANSFORMATOR, MICA, GELAS,PORSELIN, KAYU, KARET, DLL.

Sifat Dielektrik

Sifat dielektrik muncul pada isolator listrikyang tidak dapat melalukan muatan listrikakan tetapi ia peka terhadap suatumedan listrik.Hal ini dapat dibuktikan denganmemisahkan dua pelat elektroda sejarakd dan memberikan tegangan E diantarakedua pelat tersebut (lihat gambar)

Bila diantara kedua plat tersebut terdapatBila diantara kedua plat tersebut terdapatruangan kosong maka rapat muatan Do padaruangan kosong maka rapat muatan Do padatiap pelat sebanding dengan medan listrik .tiap pelat sebanding dengan medan listrik .Untuk setiap volt/m medan terdapat muatanUntuk setiap volt/m medan terdapat muatansebesar 8,85 x 10-12 Coulomb permetersebesar 8,85 x 10-12 Coulomb permeterpersegi pelat elektroda. Sehingga:persegi pelat elektroda. Sehingga:Do = (8,85 x 10-12 C/V . m ) . Do = (8,85 x 10-12 C/V . m ) .

KekuatanDielektrik

Kekuatan dielektrik adalah gradien teganganyang menghasilkan tegangan tembus listrikmelalui isolator. Umumnya konstanta dielektriknilainya lebih tinggi sedikit pada bahan keramik,karena ion, dan bukan dwikutub molekuler yangdipengaruhi oleh medan listrik. Konstantadielektrik seperti juga isolator dan polimer pekaterhadap frekuensi. Akan tetapi, dalam daerahsuhu biasanya hanya ada sedikit variasi padaisolator keramik.

Meskipun demikian, bahan isolator keramik dapat Meskipun demikian, bahan isolator keramik dapat jugajugarusak dibawah pengaruh tegangan tinggi. Biasanyarusak dibawah pengaruh tegangan tinggi. Biasanyakerusakan merupakan gejala permukaan. Sebagaikerusakan merupakan gejala permukaan. Sebagaicontoh, busi kendaraan bermotor dapat tidak contoh, busi kendaraan bermotor dapat tidak berfungsiberfungsioleh karena terdapat uap lembab pada permukaanoleh karena terdapat uap lembab pada permukaanisolator keramik sehingga terjadi suatu hubunganisolator keramik sehingga terjadi suatu hubungansingkat. Oleh karena itu isolator didisain sedemikiansingkat. Oleh karena itu isolator didisain sedemikianrupa sehingga jarak permukaan besar dan denganrupa sehingga jarak permukaan besar dan dengandemikian kemungkinan terjadinya hubungan singkatdemikian kemungkinan terjadinya hubungan singkatpada permukaan dapat diperkecilpada permukaan dapat diperkecil

Kaca

Kaca pada umumnya terdiri dari campuran silikat (SiO2 )danbeberapa senyawa antara lain, borat, pospat. Kaca dibuatdengan cara melelehkan beberapa senyawa silikat (pasir),alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timahhitam). Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisibahan-bahan pembentuknya tersebut. Massa jenis kacaberkisar antara 2 dan 8,1 g/cm3, kekuatan tekanannya 6000hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga 300kg/cm2. Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kacaadalah termasuk bahan yang regas.

Sifat Kelistrikan KacaSifat kelistrikan kaca pada suhu normal adalah sebagaiberikut : resistivitas berkisar antara 108 hingga 1017 Ohmcm,permitivitas relatif berkisar antara 3,8 hingga 16,2kerugian sudut dielektriknya 0,00003 hingga 0,01, teganganbreak-down 25 hingga 50 KV/mm. Kaca silika mempunyaisifat kelistrikan paling baik, pada suhu kamar besarnyaresistivitas adalah 107 Ohm-cm, permitivitas relatif 3,8 dandan kerugian sudut dielektriknya 1 MHz adalah 0,0003. Jikakaca ditambhakan bahan natrium dan kalium, makaresistivitasnya akan menurun.

KACA DIELEKTRIK KAPASITORMINOS ADALAH SALAH SATU JENIS KACA YANG MEMPUNYAIPERMEABILITAS YANG CUKUP TINGGI YAITU 7,5, SUDUTKERUGIAN DIELEKTRIK KECIL PADA FREKUENSI 1 MHZ. SUHU20OC, TAN = 0,0009 PADA FREKUENSI 1 MHZ, SUHU 200OCC, TAN =0,0012, KACA MINOS MEMPUNYAI = 82X107PER OC, MASSA JENISNYA 3,6 G/CM3.OLEH KARENA ITU KACA MINOS BANYAK DIGUNAKAN SEBAGAIBAHAN ISOLATOR DIELEKTRIK PADA KAPASITOR.

P = I2 RP = V2/R

tgδ =Ir/Ic = (V/R)/VωcV/R = Vωc tgδV2/R = V2ωc tgδP = V2ωc tgδ = V2ω tgδ (ε A)/dP = V22Πf tgδ (ε A)/dP = V22Πf tgδ ε

Kapasitor

Kapasitor

Kapasitor atau disebut juga kondensator adalahalat/perangkat untuk menyimpan muatan listrik untuksementara waktu. Sebuah kapasitor/kondensator sederhanatersusun dari dua buah lempeng logam paralel yang disekatsatu sama lain oleh bahan isolator yang disebut dielektrikum.Jenis kondensator diberi nama sesuai dengandielektrikumnya, Yaitu : kertas, mika, keramik dan sebagainya.

Kapasitas Kapasitor Kapasitas kapasitor yaitu besarnyamuatan listrik yang dapat disimpan tiapsatuan beda potensial antara bidangbidangnya. Dinyatakan dalam persamaan :

Untuk kondensator plat sejajar, kapasitasnyatergantung pada luas dan jarak antara plat serta jenis /macam zat yang berada diantara dua plat tersebut.Dinyatakan dalam persamaan :

KONSTANTA DIELEKTRIK RELATIFBEBERAPA JENIS BAHAN

ENERGI TERSIMPAN PADAKAPASITOR

Untuk memberi muatan pada kapasitor, harusdilakukan suatu usaha. Kondensator yangbermuatan merupakan tempat energitersimpan. Misalkan muatan positif dalamjumlah kecil berulang - ulang terambil darisalah satu platnya, hingga timbul lintasansembarang dan berpindah ke plat yang satulagi. Pada tahap tertentu, ketika besar muatannetto pada salah satu plat sama dengan q,beda potensial n antara kedua plat ialah q/c.

MEDAN ELEKTROSTATIK DALAM BAHAN

1. Bahan Dielektrik

Dielektrik ( isolator ) adalah bahan yang tidak memiliki elektron bebas untuk menghasilkan arus jika dikenai medan listrik. Bahan dielektrik memiliki pita energi > 3eVSifat penting dielektrik adalah kemampuannya meminimumkan disipasi energi (panas) pada saat ada dalam medan E. Semakin kecil kehilangan energi, bahan dielektrik semakin bagus

Dalam aplikasinya, sebagian besar bahan dielektrik yang digunakan berbentuk padat (solid), misal : kaca, mika, porselen,plastik dll, selain itu udara dan air terdistilasi juga dipakai dalam beberapa divais elektronik

2. Polarisasi

Atom netral, yang diletakkan dalam medan listrik tidak akan mengalami resultan gaya. Namun, atom yang secara keseluruhan sifatnya netral, terdiri dari muatan positif yang terkonsentrasi pada nukleus (radius = 10-14 m) dan muatan negatif yang membentuk awan elektron (radius = 10-10 m) mengelilingi inti. Inti atom akan mengalami gaya searah dengan medan listrik luar dan besarnya qEext. Muatan negatif akan mengalami gaya dengan besar yang sama tapi berlawanan arah dengan arah medan.

Maka hasilnya, inti akan bergeser ke kanan sampai gaya luar yang bekerja pada inti tersebut dihilangkan oleh karena gaya internal antara awan elektron dan intinya.

Atom dalam pengaruh medan luar.

• Seandainya awan elektron memiliki rapat muatan volume yang serbasama ρ dan berjari - jari a, maka jika muatan total awan elektron tersebut -q , maka kerapatan muatannya :

• Medan listrik internal dalam awan elektron yang serbasama :

Dimana r adalah jarak dari awan ke pusat. Bayangkan jika medan listrik luar menyebabkan inti bergeser sejauh d dengan acuan pusat awan elektron, maka gaya listrik pada nukleus karena elektron besarnya :

Posisi setimbang inti adalah posisi dimana gaya luar besarnya sama dengan gaya karena awan elektron.

Sehingga bisa dituliskan :

Posisi kesetimbangannya d :

Momen dipol terinduksi dari atom besarnya :

Oleh karena itu, besar momen dipol terinduksi sebanding dengan besar medan luar yang menghasilkan momen dipol tersebut, dan arahnya sama dengan arah medan listrik luar. Konstanta kesetaraan antara momen dipol dengan medan listrik luar dinyatakan dengan besaran : Polarisabilitas atom α dan didefinisikan :

3. Jenis Polarisasi

• Polarisasi AtomElektron lebih ringan dibanding inti, sehingga akan cepat merespon

• Polarisasi MolekulIon ikatan tergeser karena E, menimbulkan perubahan momen dipol

Jika molekul yang diletakkan dalam E luar, yang terjadi lebih kompleks, karena momen dipol terinduksi yang terjadi tidak selalu searah dengan E luar.

Contoh : Polarisabilitas CO2 . α sejajar E Luar : 4.5 x 10 (-40) C2 m/N

α tegak lurus E Luar : 2 x 10 (-40) C2 m/N

Contoh : Molekul Polar HF dan H2O (O lbh elektronegatif)

Contoh : Molekul Non Polar CO2 (ikatan – ikatan carbon ), ikatan diatomik misal O2, NCl3

4. Polarisasi Pada Bahan Polar & Nonpolar

• Bahan nonpolar tidak memiliki momen dipol permanen. E luar menyebabkan momen-momen dipol yang berarah sama dengan arah E luar– Polarisasinya merupakan polarisasi atom – Si, Ge, C, memiliki ikatan kovalen yang sama

• Bahan polar memiliki momen dipol permanen. E Luar akan menyebabkan momen – momen dipol permanen mengalami torka untuk menyearahkan dengan E luar– Semikonduktor gabungan ( SiGe) memiliki ikatan

kovalen dan ikatan ionik– Molekul Simetrik ( H2O, C6H6 )

Molekul polar terpolarisasi lebih kuat dari non polar dan bisa terjadi rotasi karena torka pada dipol nya.

Contoh 1: Tentukan polarisabilitas atom hidrogen di dalam medan luar E !

Atom hidrogen merupakan satu contoh dipol listrik sederhana. Menurut mekanika kuantum, awan elektron pada atom hidrogen pada ground state memiliki kerapatan muatan :

Dimana q adalah muatan elektron, a adalah jari – jari atom Bohr.

• Karena adanya medan luar, maka posisi inti akan bergeser sejauh d terhadap pusat dari awan elektron. Gaya yang bekerja pada inti karena awan elektron besarnya :

•

adalah medan listrik yang dihasilkan awan elektron. Besarnya medan listrik ini bisa dihitung dengan menggunakan hukum Gauss :

Pergeseran inti akan sedikit bervariasi dibandingkan terhadap ukuran awan elektron. Ekspansi dari exp(-2d/a) akan menghasilkan :

• Inti akan berada di posisi setimbang pada saat gaya listrik yang bekerja padanya karena medan luar besarnya sama dengan gaya listrik yang bekerja padanya karena awan elektron. Ini terjadi pada saat medan listrik di inti yang dihasilkan awan elektron besarnya sama dengan medan listrik luar yang diberikan, namun berlawanan arah. Momen dipol dapat diekspresikan sebagai :

• Sehingga polarisabilitas listriknya adalah :

5. Torka dari Dipol Listrik di dalam Medan Luar

• Selain mempolarisasi atom – atom suatu bahan, medan listrik luar dapat menyusun molekul – molekul suatu bahan. Beberapa molekul ada yang memiliki momen dipol permanen, misalnya : molekul air. Normalnya, momen dipol molekul air arahnya acak sehingga momen dipol rata – rata besar momen dipolnya nol.

• Pada saat air dikenai medan luar, torka bekerja pada molekul air dan ini akan menyusun kembali momen dipol-momen dipol nya dalam medan luar.

Momen dipol diletakkan dalam medan listrik luar yang berarah ke sumbu x. Gaya total pada dipol besarnya nol karena total muatan juga nol.

Besar torka pada dipol terhadap posisi pusat dipol adalah :

Karena torka ini, dipol – dipol akan menyusun sendiri terhadap medan listrik luar. Pada saat momen dipolnya berarah sama dengan medan listrik luar, maka torka pada dipol besarnya sama dengan nol.

6. Medan pada Bahan Terpolarisasi

• Jika ada suatu bahan terpolarisasi dengan besarnya momen dipol per unit volume , maka potensial elektrostatik yang dihasilkan bahan ini besarnya sama dengan :

• dimana : • Dengan salah satu aturan operasi perkalian

pada vektor :

Dapat ditulis kembali potensial elektrostatiknya :

Dimana

Dan

Vektor satuan tegak lurus terhadap permukaan. Dari persamaan potensial elektrostatik di atas menunjukkan bahwa potensial (dan juga medan listrik) yang dihasilkan bahan terpolarisasi besarnya sama dengan potensial (medan listrik) yang dihasilkan oleh kerapatan muatan permukaan dan kerapatan muatan volume .

6. Interpretasi Muatan Terikat

Muatan terikat permukaan dan muatan terikat volume merepresentasikan sebuah akumulasi muatan – muatan yang diakibatkan karena polarisasi. Misal ada sederet dipol spt gb di bawah :

Disebut muatan terikat karena muatan – muatan tersebut pd dasarnya masih terikat dengan atom atau molekul nya baik yang terdistribusi di permukaan maupun di volume nya shg dsb : Muatan terikat permukaan dan muatan terikat volume ( bedakan dgn ionisasi pada konduktor)

Contoh 2 : Sebuah benda berbentuk bola memiliki polarisasi

Dimana k adalah konstanta dan adalah vektor posisia) Hitung kerapatan muatan terikat b) Hitung medan di dalam dan diluar permukaan bola

a. Vektor normal dari permukaan bola sama dengan vektor satuan yang arahnya radial. Kerapatan muatan permukaan besarnya :

b. Kerapatan muatan volume besarnya :

• Medan listrik di luar bola dihasilkan oleh kerapatan muatan permukaan :

• Medan listrik di luar bola karena kerapatan muatan volume :

• Sehingga, medan listrik total di luar bola besarnya nol.

Medan listrik di dalam bola yang dihasilkan oleh kerapatan muatan permukaan besarnya nol (tidak ada muatan permukaan), dan hanya dihasilkan oleh kerapatan muatan volume. Besar medan listriknya adalah :

Electric Displacement

Bahan dielektrik jika diletakkan dalam medan listrik luar akan terpolarisasi, baik melalui : penyusunan dipol2x yang sudah ada maupun terbentuknya dipol terinduksi.

Medan listrik yang dihasilkan bahan terpolarisasi besarnya sama dengan medan listrik yang dihasilkan oleh muatan – muatan terikatnya, yaitu :

Namun bila dalam bahan tersebut juga ada muatan bebas, maka medan listrik total yang dihasilkan besarnya :

Dimana adalah polarisasi bahan. Persamaan di atas juga bisa dituliskan :

Didefinisikan : pergeseran listrik (electric displacement) :

Dalam bahasan ini, , hukum Gauss bisa ditulis menjadi :

Dan

Q free adalah muatan bebas yang dilingkupi permukaan Gauss. Hukum Gauss ini memudahkan dalam penyelesaian permasahan medan dalam bahan dielektrik karena acuannya hanya muatan bebas yang besarnya bisa dikontrol.

Muatan bebas bisa berasal dari muatan – muatan bebas konduktor ataupun muatan (ion) yang sengaja disisipkan dalam bahan dielektrik tersebut, bukan muatan yang berasal dari peristiwa polarisasi. Jika kita sisipkan muatan bebas ini, otomatis peristiwa polarisasi akan terjadi.

Bahan Dielektrik Linier

Sebagian besar bahan dielektrik terpolarisasi pada saat diletakkan di dalam medan listrik luar. Pada beberapa bahan, polarisasinya sejajar medan :

Dimana E adalah total medan listrik (external + internal). Konstanta kesetaraannya, , disebut sebagai electric susceptibility. Suseptibilitas listrik adalah ukuran mudah tidaknya suatu bahan terpolarisasi. Bahan yang polarisasinya sejajar medan listrik ini disebut sebagai bahan dielektrik linier.

Pergeseran Listrik nya :

dimana ε adalah permitivitas bahan, besarnya adalah :

Konstanta dielektrik bahan, K :

Energi yang tersimpan dalam Dielektrik Jika sebuah kapasitor dengan kapasitansi C, dimuati

dengan beda potensial V, maka energi total yang tersimpan di dalam kapasitor besarnya sama dengan kerja untuk memuati kapasitor tersebut yaitu :

Jika dalam kapasitor diisi dengan bahan dielektrik linear dengan konstanta dielektrik K, lalu kapasitansi akan meningkat dengan faktor :

Sebagai konsekuensinya, energi dalam kapasitor juga akan meningkat dengan faktor K.

Energi dari sistem yang terdiri dari bahan dielektrik linier

Contoh :

Bola konduktor dengan jari - jari a, membawa muatan Q. Bola tersebut dikelilingi oleh bahan dielektrik linear dengan susseptibilitas χe, berjari – jari luar b. Tentukan energi dari konfigurasi sistem seperti ini.

Jawab :

Karena sistem memiliki simetri bola maka ditentukan oleh muatan bebasnya, yaitu :

Pada bahan dielektrik linear, besarnya sama dengan :

Dengan mengambil susseptibilitas vakum nol dan konduktor tak hingga maka diperoleh :

Perkalian skalar D.E menghasilkan |D| |E| karena D dan E sejajar. Maka energi sistem tersebut besarnya :

Contoh :

Seperti pada soal sebelumnya, jika diluar bahan dielektrik diselubungi bola konduktor berjari – jari b dengan muatan –Q, hitung : Energi sistem tersebut Bandingkan dengan kapasitor bola tanpa

bahan dielektrik.

THANKS YOU