Fisika Dasar : Kapasitor & Dielektrik

1.      Apa bedanya kapasitor dan baterai?

·  Kapasitor adalah peranti yang pada dasarnya terdiri atas dua penghatar (misalnya lempung logam sejajar) yang diberi sekat dielektrik diantaranya dan menghasilkan kapasitans yang terpakai pada untai elektrik, dapat menyimpan energi dalam medan listrik dengan cara mengumpulkan ketidakstabilan internal dala muatan listrik, menghambat aliran arus searah dan mengizinkan arus rangga sampai batas yang gayut pada kapasitasnya dan pada frekuensi arus.

·     Baterai adalah sumber tegangan arus searah yang terdiri atas satu atau lebih satuan yang disebut sel, yang mengubah tenaga kimia, bahang, tenaga termal nuklir, atau tenaga surya menjadi tenaga elektrik.

·   Susunan kapasitor mirip dengan baterai. Perbedaannya adalah di dalam baterai reaksi kimia menghasilkan elektron pada satu terminal dan menyerap elektron pada terminal lain sedangkan kapasitor tidak dapat menghasilkan elektron baru.

2.      Rangkuman materi Dielektrik

·     Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada, Dielektrik adalah sejenis bahan isolator listrik yang dapat dikutubkan (polarized) 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 seperti bahan konduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik.

·  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.

·  Masing-masing jenis dielektrik memiliki fungsi dan fungsi yang paling penting dari suatu isolasi adalah:

1.  Untuk mengisolasi antara penghantar dengan pengahantar yang lain. Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa, atau konduktor fasa dengan tanah.

2.  Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi.

3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.

·        Dielektik ada tiga jenis, yaitu padat (solid), cair (liquid) dan udara (gas). Setiap bahan dielektrik memiliki kekuatan dielektrik tertentu, yaitu tekanan elektrik tertinggi yang dapat ditahannya dimana dielektrik tersebut tidak berubah sifat menjadi konduktif (tembus listrik).

·         Bahan dielektrik ada dua jenis, yakni polar dan non-polar.

1. Molekul dielektrik polar berarti bahwa molekul dielektrik tersebut dalam keadaan tanpa medan listrik, antara elektron dan intinya telah membentuk dipol. Sedangkan molekul non-polar ketika tidak ada medan listrik anatara elektron dan inti tidak tampak sebagai dua muatan terpisah.

2.   Dielektrik molekul polar maupun non polar bila diletakkan dalam medan listrik akan mengalami polarisasi.

·   Arus yang timbul pada suatu dielektrik ada tiga komponen yaitu arus pengisian, arus absorpsi dan arus konduksi.

·       Ada enam sifat-sifat listrik dielektrik yang perlu diketahui yaitu:

1.      Kekuatan dielektrik

2.      Konduktansi

3.      Rugi-rugi dielektrik

4.      Tahanan isolasi

5.      Peluahan parsial (partial discharge)

6.      Kekuatan kerak isolasi (tracking strength)

·   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.

· Tegangan tembus (breakdown voltage) suatu isolator adalah tegangan minimum yang dibutuhkan untuk merusak dielekrik tersebut.

·  Konduktasi 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.

·    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).

·      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.

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

·         Ada beberapa jenis peristiwa pada peluahan parsial, yaitu ;

1.      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.

2.      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.

3.      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, photon atau ion negatif.

4.      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.

·  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).

·   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.

·  Dielektrik digunakan untuk memisahkan dua permukaan yang memiliki perbedaan potensial listrik. Dielektrik banyak digunakan sebagai isolasi pemisah dan pembungkus pada konduktor. Ada empat area yang secara prinsipil harus menggunakan pemisah, yaitu :

1. Antara phasa dengan bumi

2. Antara phasa dengan phasa

3. Antara belitan suatu kumparan

4. Antara kumparan dengan kumparan lainnya

·  Pemakaian dielektrik sebagai pemisah pada transformator daya dibagi secara luas dalam beberapa hal, sebagai berikut :

1. Pemisah antar belitan

2. Pemisah antar kumparan

3. Pemisah kumparan tegangan rendah dengan bumi

4. Pemisah kumparan tegangan rendah dengan kumparan tegangan tinggi

5. Pemisah kumparan tegangan tinggi dengan bumi