Bahan Dielektrik: Definisi, Sifat, dan Aplikasi
Material dielektrik didefinisikan sebagai isolator listrik yang dapat dipolarisasi oleh medan listrik yang diterapkan. Ini berarti bahwa ketika material dielektrik ditempatkan dalam medan listrik, ia tidak memungkinkan muatan listrik mengalir melaluinya, tetapi sebaliknya, ia menyelaraskan dipol listrik internal (pasangan muatan yang berlawanan) ke arah medan. Penyelarasan ini mengurangi medan listrik keseluruhan di dalam material dielektrik dan meningkatkan kapasitansi dari kapasitor yang menggunakannya.
Bagaimana cara kerja material dielektrik?
Untuk memahami bagaimana material dielektrik bekerja, kita perlu mengetahui beberapa konsep dasar elektromagnetisme.
Medan listrik adalah wilayah ruang di mana muatan listrik mengalami gaya. Arah medan listrik adalah arah gaya pada muatan positif, dan besarnya medan listrik sebanding dengan kekuatan gaya. Medan listrik dibuat oleh muatan listrik atau medan magnet yang berubah.
Polarisasi listrik
Polarisasi listrik adalah pemisahan muatan positif dan negatif dalam suatu material karena medan listrik eksternal. Ketika material dipolarisasi, ia mengembangkan momen dipol listrik, yang merupakan ukuran seberapa banyak muatan dipisahkan dan bagaimana mereka diselaraskan. Momen dipol listrik dari suatu material sebanding dengan susceptibilitas magnetik-nya, yang merupakan ukuran seberapa mudah ia dapat dipolarisasi.
Kapasitansi
Kapasitansi adalah kemampuan suatu sistem untuk menyimpan muatan listrik. Kapasitor adalah perangkat yang terdiri dari dua konduktor (pelat) yang dipisahkan oleh insulator (dielektrik). Ketika tegangan diterapkan di antara pelat, medan listrik diciptakan di antara keduanya, dan muatan menumpuk di setiap pelat. Kapasitansi dari kapasitor sebanding dengan luas pelat, berbanding terbalik dengan jarak antara keduanya, dan sebanding langsung dengan konstanta dielektrik dari insulator.
Sifat-sifat material dielektrik
Beberapa sifat penting dari material dielektrik adalah:
Konstanta dielektrik: Ini adalah kuantitas tanpa dimensi yang menunjukkan sejauh mana suatu material meningkatkan kapasitansi kapasitor dibandingkan dengan vakum. Ia juga disebut permeabilitas relatif atau rasio permeabilitas. Konstanta dielektrik dari vakum adalah 1, dan konstanta dielektrik udara adalah sekitar 1,0006. Material dengan konstanta dielektrik tinggi termasuk air (sekitar 80), barium titanat (sekitar 1200), dan strontium titanat (sekitar 2000).
Kekuatan dielektrik: Ini adalah medan listrik maksimum yang dapat ditahan oleh suatu material tanpa pecah atau menjadi konduktif. Dihitung dalam volt per meter (V/m) atau kilovolt per milimeter (kV/mm). Kekuatan dielektrik udara adalah sekitar 3 MV/m, dan kekuatan dielektrik kaca adalah sekitar 10 MV/m.
Kehilangan dielektrik: Ini adalah jumlah energi yang hilang sebagai panas ketika medan listrik bolak-balik diterapkan pada suatu material. Dihitung dengan menggunakan tangen rugi atau faktor disipasi, yang merupakan rasio bagian imajiner terhadap bagian real dari permeabilitas kompleks. Kehilangan dielektrik bergantung pada frekuensi dan suhu medan listrik, serta struktur dan kebersihan material. Material dengan kehilangan dielektrik rendah diinginkan untuk aplikasi yang memerlukan efisiensi tinggi dan pemanasan rendah.
Jenis dan contoh material dielektrik
Material dielektrik dapat diklasifikasikan ke dalam jenis yang berbeda berdasarkan struktur molekul dan mekanisme polarisasi. Beberapa jenis umum dan contohnya adalah:
Vakum: Ini adalah absennya materi dan oleh karena itu tidak memiliki polarisasi. Memiliki konstanta dielektrik 1 dan tidak ada kehilangan dielektrik.
Gas: Terdiri dari atom atau molekul yang longgar dan dapat bergerak bebas. Mereka memiliki konstanta dielektrik rendah (dekat dengan 1) dan kehilangan dielektrik rendah. Contoh termasuk udara, nitrogen, helium, dan heksafluorida sulfur.
Cairan: Terdiri dari molekul yang lebih erat dibanding gas tetapi masih bisa bergerak. Mereka memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi dari gas (berkisar dari 2 hingga 80) dan kehilangan dielektrik yang lebih tinggi. Contoh termasuk air, minyak transformer, etanol, dan gliserol.
Padatan: Terdiri dari atom atau molekul yang kuat terikat dalam posisi tetap. Mereka memiliki konstanta dielektrik yang lebih tinggi dari cairan (berkisar dari 3 hingga 2000) dan kehilangan dielektrik yang lebih tinggi. Contoh termasuk kaca, keramik, plastik, karet, kertas, mika, dan kuarsa.
Aplikasi material dielektrik
Material dielektrik memiliki banyak aplikasi di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknik. Beberapa contohnya adalah:
Kapasitor: Perangkat yang menyimpan muatan dan energi listrik dengan menggunakan material dielektrik antara dua konduktor. Kapasitor digunakan untuk penyaringan, penghalusan, timing, coupling, decoupling, tuning, sensing, dan konversi daya dalam rangkaian elektronik.
Insulator: Material yang mencegah arus listrik mengalir melaluinya dengan menggunakan resistansinya yang tinggi dan kekuatan dielektrik yang tinggi. Insulator digunakan untuk melindungi, mengisolasi, mendukung, dan memisahkan komponen dan kabel listrik.
Transduser: Perangkat yang mengonversi satu bentuk energi ke bentuk lain dengan menggunakan material dielektrik yang menunjukkan piezoelektrisitas atau elektrostriksi. Piezoelektrisitas adalah sifat beberapa material untuk menghasilkan tegangan listrik ketika dikenai tekanan mekanis atau sebaliknya. Elektrostriksi adalah sifat beberapa material untuk mengubah bentuk atau ukurannya ketika dikenai medan listrik atau sebaliknya. Transduser digunakan untuk menghasilkan, mendeteksi, mengukur, dan mengontrol gelombang suara, ultrasonik, getaran, tekanan, gaya, perpindahan, suhu, dll.
Perangkat fotoni: Perangkat yang memanipulasi gelombang cahaya dengan menggunakan material dielektrik yang menunjukkan sifat optik seperti pembiasan, refleksi, penyerapan, hamburan, dispersi, birefringensi, dll. Perangkat fotoni digunakan untuk mentransmisikan, menerima, modulasi, switching, filtering, amplifikasi, splitting, combining, penyimpanan, pemrosesan, tampilan, imaging, sensing, dll., dan sinyal cahaya.
Perangkat penyimpanan: Perangkat yang menyimpan informasi dengan menggunakan material dielektrik yang menunjukkan ferroelektrisitas
