Dielektrik: Perbedaan antara revisi

'''Dielektrik''' adalah sejenis bahan [[Isolatorisolator listrik]] yang dapat [[Dielektrik#Pengutubandiberikan dielektrik|dikutubkan]] (''polarized'')polarisasi dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam [[medan listrik]]. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, [[muatan listrik]] yang terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus [[listrik]] seperti bahan [[Penghantar listrik|konduktor]], tapitetapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya sehingga mengakibatkan terciptanya ''pengutuban dielektrik''. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif medan listrik). Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun.<ref>[http://www.britannica.com/EBchecked/topic/162630/dielectric Dielectric]. Encyclopedia Britannica</ref> Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namuntetapi juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik.<ref name=britannica1/>

Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti [[konduksikonduktivitas listrik]]nya yang rendah, seperti "dielektrik", namuntetapi istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh [[konstanta dielektrik]]. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator diantaradi antara plat konduktor yang terdapat dalam [[kapasitor]]. Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya merubahmengubah muatan listrik pada kutub-kutub [[Kondensator|kapasitor]].<ref name=britannica1>

Penelitian tentang sifat-sifat bahan dielektrik berhubungan erat dengan kemampuannya menyimpan dan melepaskan energi listrik dan magnetik.<ref>[[Arthur R. von Hippel]], dalam salah satu karyanya, ''Dielectric Materials and Applications'', menyatakan: "''Bahan-bahan dielektrik''... bukanlah termasuk kelas bahan yang biasa disebut isolator, namuntetapi bahan-bahan ''non-metal'' ini dilihat dari sifat interaksinya dengan kelistrikan, kemagnetan, atau medan elektromagnetik--Jadi bahan-bahan gas, cair, dan padat dapat juga termasuk dielektrik--juga karena kemampuannya menyimpan dan melepaskan kembali energi listrik dan magnetik." (Technology Press of MIT and John Wiley, NY, 1954).</ref> Sifat-sifat dielektrik sangat penting untuk menjelaskan berbagai fenomena dalam bidan [[elektronika]], [[optika]], dan [[fisika zat padat]].

== Kerentanan kelistrikan (Susceptibility)==

dimanadi mana <math>\, \varepsilon_0</math> adalah [[Permitivitas ruang hampa]].

:<math>\chi_e\ = 0. </math>

=== Penyebaran (dispersi) dan hukum sebab- dan akibat ===

Perlu diperhatikan bahwa frekuensi sederhadasederhana ini bergantung pada nilai kerentanan, atau nilai permitivitas. Bentuk grafik kerentanan berdasar frekuensi ini memberi sifat [[dispersi]] pada bahan dielektrik.

== Pengutuban dielektrik ==

=== Permodelan atom sederhana ===

[[FileBerkas:dielectric model.svg|rightka|thumbjmpl|400px|Interaksi medan listrik dengan permodelan [[atom]] dielektrik klasik.]]

Dalam pendekatan teori klasik tentang permodelan dielektrik, sebuah bahan terbuat dari [[atom|atom-atom]]. TiapSetiap atom terdiri dari awan bermuatan negatif ([[elektron]]) terikat dan meliputi titik bermuatan positif di tengahnya. Dengan keberadaan medan listrik disekelilingdi sekeliling atom ini maka awan bermuatan negatif tersebut berubah bentuk, seperti yang terlihat pada gambar yang atas-kanan .

Hal ini dapat dipandang secara sederhana sebagai [[dwikutub]] (''dipole'') dengan menggunakan [[prinsip-prinsip superposisi|prinsip superposisi]]. Dwikutub ini dicirikan oleh [[momen dwikutub listrik|momen dwikutubnya]], yaitu besaran vektor yang ditampilkan pada gambar sebagai panah biru dengan tanda ''M''. Yang berperan membentuk perilaku dielektrik adalah Hubungan antara medan listrik dan momen dwikutubnya. (Catatan bahwa pada gambar momen dwikutub digambarkan mengarah pada arah yang sama dengan medan listrik, hal ini tidak selalu benar-benar terjadi, dan ini hanya merupakan penyederhanaan saja, namuntetapi penggambaran seperti ini biasanya masih sesuai untuk berbagai bahan.)

Ketika medan listrik hilang, atom-atom pada bahan tersebut kembali pada keadaan sebelumnya. Waktu yang diperlukan untuk berubah-ubah keadaan ini disebut waktu [[Relaksasi (fisika)|Relaksasi]]; grafiknya berbentuk penurunan secara ekponensial.

Permodelan diatasdi atas merupakan penggambaran secara sederhana saja, pada prakteknyapraktiknya perilaku dielektrik sangat bergantung pada situasinya. MakinSemakin rumit situasinya (membutuhkan akurasi lebih) makinsemakin rumit pula permodelan yang harus dibuat untuk menjelaskan perilaku bahan dielektrik secara akratakurat. Permasalahan paling mendasar adalah:

* Apakah medan listrik dalam bahan tersebut konstan ataukah berubah sejalan waktu?

** Jika berubah sejalan waktu, seberapa besar perubahannya?

* Bagaimana ciri-ciri bahan tersebut?

** Apakah arah medan listrik merupakan [[isotropi]] yang penting?

** Apakah bahan tersebut [[homogen]]?

** Adakah batasan-batasan yang harus diperhatikan?

* Apakah harus diperhatikan bila sistemnya [[sistem linear|linear]] atau [[sistem nonlinear|nonlinear]]?

=== Pengutuban dwikutub ===

'''Pengutuban dwikutub''' (''dipole polarization'') adalah pengutuban pada [[kutub molekul|kutub-kutub molekulnya]]. Pengutuban jenis ini berakibat pengutuban secara permanen, contohnya ikatan asimetris antara atom [[oksigen]] dan [[hidrogen]] pada [[air]], yang akan mempertahankan sifat-sifat pengutuban walaupun medan listrik sudah hilang. Pengutuban jenis ini membentuk pengutuban makroskopis.

=== Pengutuban ion ===

Sering kristal atau molekul tidak terdiri hanya satu jenis atom saja, distribusi muatan listrik disekitardi sekitar atom kristal atau molekul cenderung positif atau negatif. Akibatnya, ketika getaran molekul menginduksi perpindahan muatan dalam atom, titik setimbang muatan positif dan negatif mungkin tidak berada pada lokasi yang sama. Titik setimbang ini mempengaruhi simetri sebaran muatan listrik. Ketika titik setimbang ini tidak setimbang, pengkutuban terjadi dalam kristal atau molekul tersebut. Inilah '''pengutuban ion'''.

Pengutuban ion menyebabkan [[transisi feroelektrik]] dan juga pengutuban dwipolar. Transisi yang disebabkan berubahnya urutan arah kutub permanen sepanjang garis tertentu, disebut '''transisi fase ''order-disorder'''''. Sedang transisi yang disebabkan oleh pengutuban ion dalam kristal disebut '''transisi fase pergeseran'''.

== Dispersi dielektrik ==

# Pengutuban dwikutub tidak mungkin mengejar perubahan medan listrik ketika memasuki daerandaerah [[gelombang mikro]] sekitar 10¹⁰&nbsp;[[Hertz|Hz]];

Dalam frekuensi diatasdi atas ultraungu, permitivitas mendekati nilai konstanta ''ε''₀ untuk semua bahan, dimanadi mana ''ε''₀ adalah permitivitas ruang hampa. Karena permitivitas merupakan kekuatan hubungan antara medan listrik dan pengutuban, jika pengutuban tidak lagi merespon medan listrik, maka permitivitas menurun.

== Relaksasi dielektrik ==

=== Relaksasi Debye ===

dimanadi mana <math>\varepsilon_{\infty}</math> adalah permitivitas pada batas frekuensi tertinggi, <math>\Delta\varepsilon = \varepsilon_{s}-\varepsilon_{\infty}</math> dimanadi mana <math>\varepsilon_{s}</math> merupakan permitivitas statis berfrekuensi rendah, dan <math>\tau</math> adalah ciri [[waktu relaksasi]] dari bahan yang bersangkutan.

=== Variasi persamaan Debye ===

* [[Persamaan Cole–Cole]]

* [[Persamaan Cole–Davidson]]

* [[Relaksasi Havriliak–Negami]]

* Fungsi Kohlrausch–Williams–Watts (Transformasi Fourier atas [[fungsi ekponensial diregangkan]])

== Penerapan ==

=== Kapasitor ===

[[Berkas:Capacitor schematic with dielectric.svg|thumbjmpl|uprightlurus|Pemisahan muatan listrik dalam lempengan [[konduktor listrik|konduktor]] sejajar menimbulkan medan listrik internal. Bahan dielektrik (oranye) mengurangi medan internal sambil menambah [[kapasitansi]].]]

=== Resonator dielektrik ===

== Dielektrik dalam praktekpraktik ==

NampaknyaTampaknya dielektrik dalam bentuk padat lebih umum dipergunakan dalam ilmu kelistrikan, dan banyak zat padat merupakan [[isolator]] yang baik. Beberapa contoh antara lain [[porselen]], [[kaca]], dan sebagian besar [[plastik]]. [[Udara]], [[nitrogen]], dan [[belerang hexafluoride]] adalah tiga [[gas]] yang umum digunakan sebagai bahan dielektrik.

* Pelapis industrial seperti parylene bertindak sebagai penghalang dielektrik antara bahan yang dilapisi dan lingkungan sekitar.

* Minyak yang digunakan dalam [[transformer]] (terutama yang besar) berguna sebagai bahan dielektrik cair dan sebagai pendingin. Bahan dielektrik cair memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi, sehingga bisa dipergunakan dalam kapasitor [[tegangan tinggi]] sehingga mencegah terjadinya muatan bocor bila terjadi korona dan juga meningkatkan nilai kapasitansi.

* Karena bahan dielektrik menghambat arus listrik, permukaan bahan dielektrik bisa saja menangkap muatan listrik berlebih yang ''terlepas''. Hal ini dapat terjadi secara tidak sengaja ketika bahan dielektrik tergesek atau tersentuh bahan lain sehingga terjadi [[efek tribolistrik]]. Namun demikian kadang kala kejadian seperti ini justru diinginkan seperti dalam [[generator Van De Graff]] atau [[elektroforus]], atau dapat pula kejadian ini malah merusak seperti dalam pelepasan [[listrik statis]].

* Bahan dielektrik khusus yang disebut [[elektret]] dapat menyimpan muatan listrik cukup lama, hampir seperti magnet yang mampu menyimpan medan magnet.

* Beberapa bahan dielektrik mampu menghasilkan potensial listrik ketika mengalami [[tekanan]], atau dapat berubah bentuk ketika diberi potensi listrik. Sifat ini disebut sebagai sifat [[piezoelektrik]]. Bahan piezoelektrik merupakan jenis dielektrik yang sangat berguna dalam berbagai alat.

* Beberapa bahan dielektrik dalam bentuk [[kristal]] [[ion]] dan [[polimer]] memiliki momen dwikutub sendiri, yang dapat dimodifikasi oleh medan listrik dari luar. Perilaku ini disebut efek [[feroelektrik]]. Bahan-bahan ini berperilaku seperti bahan [[feromagnetisme|feromagnetik]] ketika terpapar medan magnet. Bahan feroelektrik sering kali memiliki konstanta dielektrik yang sangat besar, sehingga bahan-bahan jenis ini sangat berguna dalam pembuatan kapasitor.

== Referensi ==

* Classical Electrodynamics,John David Jackson Published by Wiley,1998 ISBN7130932X,780471309321

== Pranala Luarluar ==

* [http://www.lightandmatter.com/html_books/0sn/ch11/ch11.html Electromagnetism] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110603233123/http://www.lightandmatter.com/html_books/0sn/ch11/ch11.html |date=2011-06-03 }} - A chapter from an online textbook

* [http://wiki.4hv.org/index.php/Dielectric_Sphere_in_Electric_Field Dielectric Sphere in an Electric Field] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20070116093447/http://wiki.4hv.org/index.php/Dielectric_Sphere_in_Electric_Field |date=2007-01-16 }}

* [http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dielectrics/index.php DoITPoMS Teaching and Learning Package "Dielectric Materials"]

* {{Wikisource-inline|list=

[[Kategori:Konsep fisikadalam dasarfisika]]