Konstanta dielektrik – kegunaan, contoh, rumus

Konstanta dielektrik adalah nilai yang terkait dengan materi yang ditempatkan antara pelat sebuah kapasitor (atau kondensor – 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, tempat rekreasi, pendidikan atau tempat kerja kita, tetapi tentu saja kita tidak menyadari proses rumit yang terjadi pada peralatan ini untuk dapat berfungsi..

Gambar 1: Berbagai jenis kapasitor.

Misalnya, komponen mini, televisi, dan perangkat multimedia kita, 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: Rangkaian 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 penyearahan 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 mereka memungkinkan pelat yang membentuk kapasitor untuk dibawa 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 adalah hasil eksperimen, yaitu berasal dari eksperimen yang dilakukan dengan berbagai jenis bahan isolasi dan menghasilkan fenomena yang sama: peningkatan fungsionalitas atau efisiensi kapasitor.

Kapasitor dikaitkan dengan kuantitas fisik yang disebut kapasitansi “C”, yang mendefinisikan jumlah muatan listrik “Q” yang dapat disimpan kapasitor dengan memasok perbedaan potensial tertentu “∆V” (Persamaan 1).

(Persamaan 1)

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

(Persamaan 2)

Ilustrasi kapasitor C pelat paralel datar bermuatan 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 (dengan permitivitas ).

Gambar 3: Kapasitor pelat sejajar rencana tanpa dielektrik dan dengan dielektrik.

Figueroa (2005), mencantumkan tiga fungsi 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 (medan listrik yang rusak lebih besar daripada udara)
  3. Meningkatkan kapasitansi kapasitor dengan faktor yang dikenal sebagai konstanta dielektrik material.

Dengan demikian, penulis menunjukkan bahwa, “disebut konstanta dielektrik bahan dan mengukur respons dipol molekulnya terhadap medan magnet luar”. Artinya, konstanta dielektrik semakin tinggi semakin tinggi polaritas molekul material.

Model atom dielektrik

Bahan umumnya memiliki susunan molekul tertentu yang bergantung pada molekul itu sendiri dan unsur-unsur yang menyusunnya dalam setiap bahan. Di antara susunan molekul yang terlibat dalam proses dielektrik adalah apa yang disebut “molekul polar” atau terpolarisasi.

Pada molekul polar, terjadi pemisahan antara posisi tengah muatan negatif dan posisi tengah muatan positif, sehingga 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.

Sementara dalam molekul BeH2 (berilium hidrida – Gambar 5), molekul linier, tidak ada polarisasi, karena pusat distribusi muatan positif (hidrogen) berada di pusat distribusi muatan negatif (berilium), membatalkan polarisasi apa pun 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 menyelaraskan sebagai fungsi medan listrik, menyebabkan kerapatan muatan permukaan pada permukaan dielektrik yang menghadap pelat kapasitor.

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

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

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

Nilai konstanta dielektrik dalam beberapa bahan

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

Bahan seperti kertas sangat murah, meskipun dapat rusak pada suhu tinggi atau kontak dengan air. Sedangkan karet, masih lunak tetapi lebih tahan. Kita juga memiliki porselen, yang tahan terhadap 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 (mereka tidak berdimensi):

Tabel 1: Konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.

Beberapa kegunaan bahan dielektrik

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

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

Dalam urutan ide ini, cararnitas telah menghasilkan permintaan besar untuk bahan dengan konstanta dielektrik tinggi dan rendah untuk pengembangan kehidupan teknologi. Bahan-bahan ini merupakan 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 rangkaian dielektrik. IEEE Transaksi pada teori dan teknik gelombang mikro, 50 (3), 706-720.
  2. Figueroa, D. (2001). Interaksi Listrik. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García e Hijo, SRL.
  3. Giancoli, D. (2006). FISIK. Dimulai dengan kegunaan. Meksiko: PEARSON PENDIDIKAN.
  4. Nalwa, HS (Ed.). (1999). Buku pegangan bahan konstanta dielektrik rendah dan tinggi dan kegunaannya, set dua volume. lain.
  5. Sebastian, MT (2010). Bahan dielektrik untuk komunikasi nirkabel. lain.
  6. Serway, R. & Jewett, J. (2005). Fisika untuk Sains dan Teknik. Meksiko: Editor Internasional Thomson.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan