Dielektrik

Dielektrik adalah bahan isolator yang disisipkan diantara 2 lempeng konduktor di dalam kapasitor. Di dalam medan listrik molekul pada bahan dielektrik dapat terpolarisasi. Tidak seperti halnya dengan konduktor yang dapat memindahkan muatan listrik, namun molekul penyusun dielektric hanya bergeser dari posisi kesetimbangannya menjadi terpolarisasi. Karena molekul penyusun bahan dielektrik terpolarisasi, maka muatan positif bahan dielektrik akan berhadapan dengan lempeng konduktor yang bermuatan negatif dan sebaliknya muatan negatif materail penyusun dielektrik akan berhadapan dengan lempeng konduktor yang bermuatan positif. Posisi ini akan menciptakan medan listrik internal yang menyebabkan turunnya medan listrik keseluruhan (medan listrik total), akibatnya tegangan kapasitor akan turun. Tegangan kapasitor yang turun akan meningkatkan kapasitas kapasitor.

Gambar 11 kapasitor tanpa dielektrik dan kapasitor dengan dielektrik

Bila kondisi awal kapasitor dengan muatan Q dan tegangan V₀ akan memiliki kapasitas sebesar :

Setelah disisipkan bahan dielektrik yang memiliki konstanta dielektrik ₀, maka tegangan kapasitor
akan turun menjadi V₁, dimana V₁ < V₀, maka kapasitas kapasitor menjadi:

Berikut adalah beberapa konstanta dielektrik untuk bahan -  bahan yang terdapat disekitar kita

Bahan	Kontanta dielektrik
Ruang hampa	1,0000
Udara	1,0006
Kertas paraffin	2,5 – 3,5
Oli tranfo	4
Gelas	5 – 10
Mika	3 – 6
Karet	2,5 – 35
Kayu	2,5 – 8
Porselein	6
Gliserin	56
Minyak	2
Air murni	81

Secara garis besar ada 2 jenis bahan dielektrik yaitu bahan dielektrik yang bersifat polar contoh air dan bahan dielektrik yang bersifat non polar. Untuk bahan yang bersifat polar, mempunyai momen dipole listrik yang permanen.

Gambar 12 arah momen dipole pada bahan yang bersifat polar

Dalam daerah yang tidak ada medan listrik, maka arah molekul-molekul bahan dielektrik yang bersifat polar akan acak. Ketika diberikan medan listrik sebesar E₀, akan timbul torsi yang memutar molekul-molekul sehingga arah molekul-molekul menjadi searah dengan arah medan listrik E₀. Molekul yang berubah menjadi searah dengan medan listrik eksternal, akan menimbulkan terjadinya medan listrik internal yang berlawanan arah dengan medan listrik eksternal tetapi besarnya lebih kecil dibandingkan dengan medan listrik eksternal.

Pada bahan dielekrik  yang bersifat non-polar tidak terdapat momen listrik dipole, tetapi momen listrik dipole ini bisa diinduksikan dengan menempatkan bahan dielektrik ini ke dalam medan listrik eksternal.

Gambar 13 momen dipole yang diinduksi oleh medan listrik

gambar 13 menunjukan arah molekul bahan non polar yang berada pada medan listrik eksternal E₀. Induksi muatan listrik pada permukaan akan menciptakan medan listrik internal E_p yang arahnya berlawanan dengan medan listrik eksternal E₀.

Polarisasi

Lebih lanjut, untuk mempelajari proses polarisasi ini, kita asumsikan bahan dielektrik tersusun atas banyak dipole listrik baik yang timbul secara permanen maupun yang timbul melalui proses induksi. Salah satu konsep penting yang harus dipahami adalah medan listrik rata-rata yang dihasilkan oleh banyaknya dipole listrik yang searah. Anggap kita memiliki sepotong bahan dielektrik dengan bentuk silinder yang memiliki luas penampang (A) dan tinggi (h). Bahan ini mengandung dipole listrik sebanyak (n) dan semua dipole listrik tersebut tersebar merata dan seragam di seluruh silinder serta memiliki momen dipole listrik (). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 14 sebuah silinder dengan distribusi dipole yang seragam

Momen dipole listrik memiliki arah yang searah dengan sumbu silinder. Dipole – dipole listrik tersebut memiliki medan listrik sendiri sedangkan medan listrik eksternal kita abaikan. Maka Vektor polarisasi dapat dihitung :

Untuk kasus silinder pada gambar 14 :

Sekarang bagaimana dengan medan listrik rata-rata yang dihasilkan ?, perhatikan gambar 15 berikut ini.

Gambar 15a. silinder dengan distribusi dipole listrik yang seragam, 15b. distribusi muatan yang sama

Gambar 15a menunjukan distribusi dipole listrik yang seragam pada sebuah bahan dielektrik berbentuk silinder. Akibat distribusi dipole listrik yang seragam ini akan menyebabkan timbulnya distribusi muatan listrik yang sama seperti pada gambar 15b. Muatan positif akan berkumpul pada bagian atas silinder sedangkan muatan negatif akan berkumpul pada bagian bawah silinder. (Q_p.h) harus sama dengan jumlah total momen dipole listrik (n.). atau dapat ditulis :

Untuk menghitung medan listrik yang dihasilkan oleh Q_p , kita lihat kembali distribusi muatan permukaan yang telah dibahas dalam topik kapasitor pelat paralel. Kerapatan muatan permukaan adalah sama dengan besar polarisasi :

Dalam SI satuan P adalah  sama dengan satuan untuk kerapatan muatan permukaan . Secara umum vektor polarisasi membentuk sudut , maka kerapatan muatan permukaan dapat dihitung :

maka muatan – muatan yang sama pada sistem akan menghasilkan medan listrik rata-rata yang besarnya :

Karena arah medan listrik ini berlawanan dengan arah polarisasi maka dalam bentuk vektor dapat ditulis menjadi :

Perlu diperhatikan arah medan listrik disini berlawanan dengan arah dipole itu sendiri, namun hal ini merupakan pandangan secara garis besar saja. Jika kita melihat lebih dekat ke arah dipole masing-masing, maka meda listrik yang ditimbulkan akan berbeda.

Dalam pembahasan di atas kita mengabaikan medan listrik eksternal. Namun pada kenyataannya bahan – bahan dielektrik selalu berada dalam medan listrik eksternal. Medan listrik total dengan mengikut sertakan medan listrik eksternal dapat dihitung sebagai berikut :

Dalam banyak kasus polarisasi (P) tidak selalu memiliki arah yang sama dengan E₀ tetapi besarnya selalu linier dan proporsional dengan E₀ . Hal ini benar karena tanpa adanya medan eksternal ( E₀ ) maka dipole listrik yang searah tidak akan terbentuk. Hubungan antara P dan E₀ dapat dituliskan sebagai berikut :

  disebut electric susceptibility. Material yang mengukuti persamaan ini adalah material yang memiliki dielektrik yang linier. Dari kombinasi 2 persamaan diatas maka didapat hubungan :

dimana :

disebut juga konstanta dielektrik. Harga konstata dielektrik selalu lebih besar dari 1 dengan syarat > 0.

bahan dielektrik selalu membuat medan listrik menjadi turun. akibatnya tegangan pada kapasitor juga ikut turun, bila tegangan turun maka kapasitas kapasitor akan naik. Tegangan listrik yang turun secara matematis dapat dituliskan :

akibatnya :

Dapat kita lihat dari persamaan diatas, kapasitas sebuah kapasitor akan naik dengan faktor kenaikan sebesar . sedangkan medan listriknya akan turun sebesar :

Medan listrik kapasitor akan turun sebesar faktor .