BERAPA KONSTANTA DIELEKTRIK? - FISIK - 2025

The dielektrik konstan adalah nilai yang terkait dengan materi yang ditempatkan antara pelat sebuah kapasitor (atau kapasitor - Gambar 1) dan yang memungkinkan mengoptimalkan dan meningkatkan fungsinya. (Giancoli, 2006). Dielektrik identik dengan isolator listrik, yaitu bahan yang tidak memungkinkan lewatnya arus listrik.

Nilai ini penting dari banyak aspek, karena sudah umum bagi setiap orang untuk menggunakan peralatan listrik dan elektronik di rumah kita, ruang rekreasi, pendidikan atau workstation, tetapi tentunya kita tidak menyadari proses rumit yang terjadi pada peralatan ini agar dapat berfungsi.

Gambar 1: Berbagai jenis kapasitor.

Misalnya, komponen mini, televisi, dan perangkat multimedia kami, menggunakan arus searah untuk fungsinya, tetapi arus domestik dan industri yang mencapai rumah dan tempat kerja kita adalah arus bolak-balik. Bagaimana ini mungkin?.

Gambar 2: Sirkuit listrik peralatan rumah tangga

Jawaban atas pertanyaan ini ada dalam peralatan listrik dan elektronik yang sama: kapasitor (atau kapasitor). Komponen-komponen ini memungkinkan, antara lain, untuk memungkinkan perbaikan arus bolak-balik menjadi arus searah dan fungsinya tergantung pada geometri atau bentuk kapasitor dan bahan dielektrik yang ada dalam desainnya.

Bahan dielektrik memainkan peran penting, karena memungkinkan pelat yang membentuk kapasitor sangat dekat, tanpa menyentuh, dan sepenuhnya menutupi ruang antara pelat tersebut dengan bahan dielektrik untuk meningkatkan fungsionalitas kapasitor.

Asal konstanta dielektrik: kapasitor dan bahan dielektrik

Nilai konstanta ini merupakan hasil eksperimen, yaitu berasal dari percobaan yang dilakukan dengan berbagai jenis bahan isolasi dan menghasilkan fenomena yang sama: peningkatan fungsionalitas atau efisiensi sebuah kapasitor.

Kapasitor dikaitkan dengan besaran fisik yang disebut kapasitansi "C", yang menentukan jumlah muatan listrik "Q" yang dapat disimpan oleh kapasitor dengan memberikan beda potensial tertentu "∆V" (Persamaan 1).

(Persamaan 1)

Eksperimen telah menyimpulkan bahwa dengan sepenuhnya menutupi ruang antara pelat kapasitor dengan bahan dielektrik, kapasitor meningkatkan kapasitansinya dengan faktor κ, yang disebut "konstanta dielektrik". (Persamaan 2).

(Persamaan 2)

Ilustrasi kapasitor kapasitor pelat paralel datar bermuatan C dan akibatnya dengan medan listrik seragam yang diarahkan ke bawah di antara pelatnya disajikan pada Gambar 3.

Di bagian atas gambar adalah kapasitor dengan ruang hampa di antara pelatnya (vakum - permitivitas ∊0). Kemudian, di bagian bawah, kapasitor yang sama dengan kapasitansi C '> C disajikan, dengan dielektrik di antara pelatnya (dari permitivitas ∊).

Gambar 3: Kapasitor pelat paralel-plan tanpa dielektrik dan dengan dielektrik.

Figueroa (2005), mencantumkan tiga fungsi untuk bahan dielektrik dalam kapasitor:

1. Mereka memungkinkan konstruksi yang kaku dan kompak dengan celah kecil di antara pelat konduktif.
2. Mereka memungkinkan tegangan yang lebih tinggi untuk diterapkan tanpa menyebabkan pelepasan (kerusakan medan listrik lebih besar dari pada udara)
3. Meningkatkan kapasitansi kapasitor dengan faktor κ yang dikenal sebagai konstanta dielektrik material.

Jadi, penulis menunjukkan bahwa, κ "disebut konstanta dielektrik material dan mengukur respons dipol molekulnya ke medan magnet luar". Artinya, konstanta dielektrik semakin tinggi semakin tinggi polaritas molekul material.

Model atom dielektrik

Secara umum, bahan memiliki susunan molekul tertentu yang bergantung pada molekul itu sendiri dan unsur-unsur yang menyusunnya di setiap bahan. Di antara susunan molekul yang mengintervensi proses dielektrik adalah yang disebut "molekul polar" atau terpolarisasi.

Dalam molekul polar, terjadi pemisahan antara posisi tengah muatan negatif dan posisi tengah muatan positif, menyebabkan muatan tersebut memiliki kutub listrik.

Misalnya, molekul air (Gambar 4) terpolarisasi secara permanen karena pusat distribusi muatan positif berada di tengah-tengah antara atom hidrogen. (Serway dan Jewett, 2005).

Gambar 4: Distribusi molekul air.

Sedangkan pada molekul BeH2 (berilium hidrida - Gambar 5), molekul linier, tidak terdapat polarisasi, karena pusat distribusi muatan positif (hidrogen) berada pada pusat distribusi muatan negatif (berilium) , membatalkan polarisasi yang mungkin ada. Ini adalah molekul nonpolar.

Gambar 5: Distribusi molekul berilium hidrida.

Dalam nada yang sama, ketika bahan dielektrik berada di hadapan medan listrik E, molekul akan sejajar sebagai fungsi medan listrik, menyebabkan kepadatan muatan permukaan pada permukaan dielektrik yang menghadap pelat kapasitor.

Karena fenomena ini, medan listrik di dalam dielektrik lebih kecil daripada medan listrik eksternal yang dibangkitkan oleh kapasitor. Ilustrasi berikut (Gambar 6) menunjukkan dielektrik yang terpolarisasi secara elektrik dalam kapasitor pelat paralel-planar.

Penting untuk dicatat bahwa fenomena ini lebih mudah terjadi pada material polar daripada material nonpolar, karena adanya molekul terpolarisasi yang berinteraksi lebih efisien dengan adanya medan listrik. Meskipun, keberadaan medan listrik saja menyebabkan polarisasi molekul nonpolar, menghasilkan fenomena yang sama seperti pada material polar.

Gambar 6: Model molekul terpolarisasi dari dielektrik karena medan listrik berasal dari kapasitor bermuatan.

Nilai konstanta dielektrik pada beberapa material

Bergantung pada fungsionalitas, ekonomi, dan kegunaan akhir kapasitor, bahan isolasi yang berbeda digunakan untuk mengoptimalkan kinerjanya.

Bahan seperti kertas sangat murah, meskipun bisa rusak pada suhu tinggi atau jika terkena air. Sedangkan karet, masih lentur tapi lebih tahan. Kami juga memiliki porselen, yang tahan suhu tinggi meskipun tidak dapat beradaptasi dengan berbagai bentuk sesuai kebutuhan.

Di bawah ini adalah tabel di mana konstanta dielektrik dari beberapa bahan ditentukan, di mana konstanta dielektrik tidak memiliki satuan (tidak berdimensi):

Tabel 1: Konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.

Beberapa aplikasi bahan dielektrik

Bahan dielektrik penting dalam masyarakat global dengan berbagai aplikasi, dari komunikasi terestrial dan satelit termasuk perangkat lunak radio, GPS, pemantauan lingkungan melalui satelit, dan lain-lain. (Sebastian, 2010)

Lebih lanjut Fiedziuszko dkk (2002) memaparkan pentingnya material dielektrik untuk perkembangan teknologi nirkabel, termasuk untuk telepon seluler. Dalam publikasi mereka, mereka menjelaskan relevansi jenis bahan ini dalam miniaturisasi peralatan.

Dalam urutan ide ini, modernitas telah menghasilkan permintaan yang besar akan material dengan konstanta dielektrik yang tinggi dan rendah untuk perkembangan kehidupan teknologi. Materi ini adalah komponen penting untuk perangkat Internet dalam hal fungsi penyimpanan data, komunikasi, dan kinerja transmisi data. (Nalwa, 1999).

Referensi

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN, & Wakino, K. (2002). Bahan, perangkat, dan sirkuit dielektrik. Transaksi IEEE pada teori dan teknik gelombang mikro, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interaksi Listrik. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García and Son, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). FISIK. Dimulai dengan aplikasi. Meksiko: PENDIDIKAN PEARSON.
4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Buku Pegangan bahan konstanta dielektrik rendah dan tinggi dan aplikasinya, set dua volume. Elsevier.
5. Sebastian, MT (2010). Bahan dielektrik untuk komunikasi nirkabel. Elsevier.
6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fisika untuk Sains dan Teknik. Meksiko: Editor Thomson Internasional.