Konstanta dielektrik atau Permitivitas listrik

Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif, adalah sebuah konstanta dalam ilmu fisika. Konstanta ini melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum (ruang hampa).

Konstanta dielektrik dilambangkan dengan huruf Yunani ε_r atau kadang-kadang , K, atau Dk.

Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai

di mana ε_s merupakan permitivitas statis dari bahan tersebut, dan ε₀ adalah permitivitas vakum (konstanta listrik). Permitivitas vakum diturunkan dari persamaan Maxwell dengan menghubungkan intensitas medan listrik E dengan kerapatan fluks listrik D. Di vakum (ruang hampa), permitivitas ε sama dengan ε₀, jadi konstanta dielektriknya adalah 1.

Permitivitas relatif dari sebuah medium berhubungan dengan susceptibility (kerentanan) listriknya,  melalui persamaan

Permitivitas

Permitivitas adalah sifat material yang mempengaruhi gaya Coulomb antara muatan 2 titik dalam material. Permitivitas relatif adalah faktor dimana medan listrik antara muatan menurun relatif terhadap ruang hampa.

Pembesaran Limpa (splenomegali) – Gejala, Penyebab, Pengobatan, Diagnosis, Komplikasi

Konstanta Listrik (Permitivitas vakum) – Konstanta Fisika ε0 – Soal dan Jawaban

Konstanta dielektrik dalam ilmu kimia

Dalam ilmu kimia, konstanta dielektrik dapat dijadikan pengukur relatif dari kepolaran suatu pelarut. Misalnya air yang merupakan pelarut polar memiliki konstanta dielektrik 80,10 pada 20 °C sedangkan n-heksana (sangat non-polar) memiliki nilai 1,89 pada 20 °C.

Nilai konstanta dielektrik beberapa bahan

Tabel berikut ini berisi daftar konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar (dianggap kurang lebih antara 20 sampai 25 derajat Celsius (°C) (68 sampai 77 derajat Fahrenheit (°F).

Fungsi bahan dielektrik

Dielektrik sebagai salah satu bahan listrik mempunyai beberapa sifat-sifat kelistrikan. Adapun fungsi yang paling penting dari suatu bahan dielektrik adalah :

1. Untuk mengisolasi antara satu penghantar dengan penghantar lainnya.
2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasinya.
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia. Tekanan yang  diakibatkan oleh medan elektrik, gaya mekanik, thermal maupun kimia dapat terjadi secara serentak. Dengan kata lain, suatu bahan dielektrik dapat dikatakan ekonomis jika bahan dielektrik tersebut dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama dengan menahan semua tekanan tersebut diatas.

Sifat dielektrik

Dari sifat-sifat bahan dielektrik yang ada, terdapat 6 sifat yang perlu diketahui, yaitu :

1. Kekuatan dielektrik

Semua bahan dielektrik memiliki tingkat ketahanan yang disebut dengan “kekuatan dielektrik”, diartikan sebagai tekanan listrik tertinggi yang dapat ditahan oleh dielektrik tersebut tanpa merubah sifatnya menjadi konduktif. Apabila suatu dielektrik berubah sifatnya menjadi konduktif, maka dielekrik tersebut telah tembus listrik (breakdown). Kekuatan dielektrik juga dapat diartikan sebagai tekanan listrik terendah yang mengakibatkan dielektrik tersebut tembus listrik. Kekuatan dielektrik ini disebut juga dengan kuat medan kritis. Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan minimum yang dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut.

2. Konduktansi

Apabila tegangan searah diberikan pada plat-plat sebuah kapasitor komersil dengan isolasi seperti mika, porselin atau kertas maka arus yang timbul tidak berhenti mengalir untuk waktu yang singkat, tetapi turun perlahan-lahan. Hal itu disebabkan oleh ketiga komponen arus yang terdapat di dalam dielektrik tersebut. Arus pengisian (ip) terjadi selama waktu t1. Arus pengisian disebabkan oleh molekul-molekul yang bergerak cepat sehingga terpolarisasi dengan cepat pula. Kemudian arus berkurang perlahan-lahan selama t2,  arus ini disebut arus absorpsi (ia). Arus absorpsi terjadi karena adanya gerakan-gerakan lambat (viscous) dari molekul-molekul dielektrik. Akhirnya arus mencapai nilai tertentu (ik), arus ini disebut arus konduksi. Arus ini tetap mengalir dengan konstan karena tahanan dielektirk tidak mencapai nilai tak hingga.

3. Rugi-rugi dielektrik

Rugi-rugi dielektrik untuk isolasi tegangan tinggi merupakan salah satu ukuran penting terhadap kualitas material isolasi. Suatu bahan dielektrik tersusun atas molekul-molekul dan elektron-elektron di dalamnya terikat kuat dengan inti atomnya. Ketika bahan tersebut belum dikenai medan listrik, maka susunan molekul dielektrik tersebut masih belum beraturan (tidak tersusun rapi).

Ketika molekul-molekul tersebut dikenai medan listrik, maka muatan inti positif mengalami gaya yang searah dengan medan listrik dan elektron-elektron dalam molekul tersebut akan mengalami gaya listrik yang arahnya berlawanan dengan arah medan listrik tadi. Gaya listrik ini akan mengubah posisi elektron dan proton dari posisi semula, akibatnya molekul-molekul dielektrik akan terpolarisasi dan berubah arahnya sejajar dengan arah medan listrik.

Karena mendapat terpaan elektrik yang selalu berubah-ubah arahnya, maka arah dipol juga berubah-ubah setiap saat (180o) terhadap posisi semula. Perubahan arah molekul akan menimbulkan gesekan antar molekul. Karena medan listrik yang berubah setiap saat, maka gesekan antar molekul juga terjadi berulang-ulang. Gesekan ini akan menimbulkan panas yang disebut dengan rugi-rugi dielektrik.

4. Tahanan isolasi

Jika suatu dielektrik diberi tegangan searah, maka arus yang mengalir pada dielektrik terdiri dari dua komponen, yaitu arus yang mengalir pada permukaan dielektrik (Is) dan arus yang mengalir melalui volume dielektrik (Iv). Sehingga hambatan dielektrik terdiri dari resistansi permukaan dan resistansi volume. Dalam prakteknya, hasil tahanan isolasi tergantung pada besar polaritas tegangan pengukuran serta jenis bahan isolasi.

5. Peluahan sebagian (Partial discharge)

Peluahan parsial (partial discharge) adalah peluahan elektrik pada medium isolasi yang terdapat di antara dua elektroda berbeda tegangan, dimana peluahan tersebut tidak sampai menghubungkan kedua elektroda secara sempurna.

Ada beberapa jenis peristiwa pada peluahan parsial, yaitu:

a. Peluahan parsial internal

Peluahan ini terjadi pada susunan dielektrik yang tidak sempurna, terdapat celah atau rongga yang berisi udara atau pun campuran dielektrik lain yang memiliki konstanta dielektrik lebih rendah.

b. Peluahan parsial permukaan

Peluahan parsial permukaan mungkin terjadi bila terdapat daerah yang secara paralel dengan dielektrik mengalami stres tegangan berlebihan. Kejadian ini biasa dialami pada bushing, ujung kabel, overhang dari kumparan generator.

c. Korona

Korona merupakan hasil terakselerasinya ionisasi di bawah pengaruh suatu medan listik. Ini merupakan suatu proses fisika dimana struktur molekul netral atau atom diubah akibat benturan atom atau molekul netral dengan elektron bebas, foton atau ion negatif. Setiap sistem isolasi atau elektroda dimana korona dapat terjadi merupakan sumber korona. Wilayah dimana korona terjadi disebut lokasi korona. Korona dapat dideteksi dari peristiwa emisi cahaya yang berwarna violet atau juga dari bunyi getaran yang dihasilkan pada konduktor.

d. Pemohonan elektrik (electrical treeing)

Pemohonan elektrik bermula dari kondisi dielektrik yang tidak baik dikarenakan adanya rongga/celah udara di dalam dielektrik itu sendiri. Apabila diberi tegangan tinggi, maka terjadi peluahan internal yang dalam waktu lama akan terjadi percabangan rongga akibat erosi. Pemohonan elektrik dapat juga terjadi dalam waktu yang singkat dikarenakan ketidak mampuan dielektrik dalam menahan terpaan medan listrik. Oleh karena peristiwa ini maka dielektrik telah mengalami kerusakan secara fisik.

6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strenght)

Bila suatu sistem isolasi diberi tekanan elektrik, maka arus akan mengalir pada permukaannya. Besar arus permukaan ini menentukan besarnya tahanan permukaan sistem isolasi. Arus ini sering juga disebut arus bocor atau arus yang menelusuri sirip isolator. Besar arus tersebut dipengaruhi oleh kondisi sekitar, yaitu suhu, tekanan, kelembaban dan polusi.

Contoh Soal dan Jawaban Konstanta Dielektrik

Jika muatan dan kapasitas kapasitor diketahui berturut-turut sebesar 5 μC dan 20 μF , tentukan beda potensial kapasitor tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui: q = 5 μC= 5×10-6C C = 20 μF = 2×10-5F

Ditanya: V … ?

Jawaban:

? =??? =??? =5?10−62?10−5? =5?10−12? = 0,25 Volt

Dua buah bola kecil bermuatan listrik masing-masing memiliki 2 μC dan 4 μCterpisah pada jarak 30cm. (k= 9×10⁹ Nm²/C²) tentukan gaya coulomb kedua muatan tersebut: bila berada di usadara dan berada di zat yang konstanta dielektriknya =40.

Diketahui :

Dua buah bola bermuatan listrik masing-masing bernilai 2 μC (Q₁) dan 4 μC (Q₂), terpisah pada jarak (r) = 30 cm. Konstanta (k) = 9 x 10⁹ N.m²/C².

Ditanyakan :

Gaya Coulomb kedua muatan dalam kondisi :

a. Kedua muatan berada di udara

b. Kedua muatan berada di zat dengan konstanta dielektrik sebesar 40

Pembahasan :

a. Gaya Coulomb kedua muatan pada saat di udara

F = k Q₁.Q₂/r²
F = 9 x 10⁹ N.m²/C² x (2 x 10⁻⁶ C) x (4 x 10⁻⁶ C) / (30 x 10⁻² m)²
F = 9 x 10⁹ N.m²/C² x 8 x 10⁻¹² C² / (9 x 10⁻² m²)
F = 8 x 10⁻¹ N
F = 0,8 N

Jadi, gaya Coulomb antara kedua muatan tersebut di udara adalah F = 0,8 N.

b. Gaya Coulomb kedua muatan pada zat dengan konstanta dielektrik (K) = 40

Fk = F/K

Dengan nilai F yang sudah didapat dari poin (a) yakni sebesar 0,8 N, maka

Fk = 0,8 N / 40
Fk = 0,02 N

Jadi, gaya Coulomb antara kedua muatan pada zat dengan konstanta dielektrik sebesar 40 adalah 0,02 N.

*Tambahan : udara (vakum) memiliki konstanta dielektrik 1, sehingga praktis dalam perhitungan sering kali diabaikan.

Sebuah muatan Q ditempatkan pada kapasitor C pada beda potensial V. Energi potensial yang tersimpan pada kapasitor mempunyai nilai?

Pembahasan :
Energi yang tersimpan dalam kapasitor adalah

W = ½ CV² = ½ QV = ½ Q² / C

Bacaan Lainnya

• Induksi Elektromagnetik – Hukum Faraday dan Hukum Lenz – Soal dan Jawaban
• Induksi dan Fluks Magnetik Bersama Contoh Soal dan Jawaban
• Rumus Rangkaian Listrik Dan Contoh-Contoh Soal Beserta Jawabannya
• Tabel Konstanta Fisika – Tabel konstanta universal, elektromagnetik, atom dan nuklir, fisika-kimia, nilai yang diadopsi, satuan natural, bilangan tetap
• Rumus Fisika: Alat optik: Lup, Mikroskop, Teropong Bintang, Energi, Frekuensi, Gaya, Gerak, Getaran, Kalor, Massa jenis, Medan magnet, Mekanika fluida, Momen Inersia, Panjang gelombang, Pemuaian, Percepatan (akselerasi), Radioaktif, Rangkaian listrik, Relativitas, Tekanan, Usaha Termodinamika, Vektor
• Bagaimana Albert Einstein mendapatkan rumus E=mc² ?
• Cara Mengemudi Aman Pada Saat Mudik atau Liburan Panjang
• Jenis Virus Komputer – Cara Gratis Mengatasi Dengan Windows Defender
• Cara Menghentikan Penindasan Bullying
• Cara menjaga keluarga Anda aman dari teroris – Ahli anti-teror menerbitkan panduan praktis
• Apakah Anda Memerlukan Asuransi Jiwa? – Cara Memilih Asuransi Jiwa Untuk Pembeli Yang Pintar
• Ibu Hamil Dan Bahaya Kafein – Sayur & Buah Yang Baik Pada Masa Kehamilan
• Daftar Jenis Kanker: Pemahaman Kanker, Mengenal Dasar-Dasar, Contoh Kanker, Bentuk, Klasifikasi, Sel dan Pemahaman Penyakit Kanker Lebih Jelas
• Penyebab Dan Cara Mengatasi Iritasi Atau Lecet Akibat Pembalut Wanita
• Apakah Produk Pembalut Wanita Aman?
• Sistem Reproduksi Manusia, Hewan dan Tumbuhan
• Cara Mengenal Karakter Orang Dari 5 Pertanyaan Berikut Ini
• Kepalan Tangan Menandakan Karakter Anda & Kepalan nomer berapa yang Anda miliki?

Sumber bacaan: Physics Classroom, Tutor Vista, Hyper Physics

Pinter Pandai “Bersama-Sama Berbagi Ilmu”
Quiz | Matematika | IPA | Geografi & Sejarah | Info Unik | Lainnya | Business & Marketing