TEORI BAHAN ISOLASI

Syamsir Abduh

Jurusan Teknik Elektro, FTI-Universitas TrisaktiJl. Kyai Tapa No 1 Jakarta, 11440

syamsir@trisakti.ac.id

1. 1 Medan Listrik

Apabila pada suat titik diletakkan muatan listrik, maka muatan listrik lain di sekitar

muatan tersebut akan mengalami gaya listrik. Hal ini menunjukkan bahwa di sekitar muatan

tersebut terdapat medan listrik. Jadi yang dimaksud dengan muatan listri adalah ruang di sekitar

benda bermuatan listrik dimana pengaruh gaya listrik masih dapat dirasakan oleh benda-benda

bermuatan listrik lainnya di sekitar ruang tersebut. Seperti pada medan gravitasi, medan listrik

merupakan medan gaya sehingga kuat medan listrik merupakan suatu besaran vector. Untuk

menentukan kuat medan listrik pada suatu titik, ditempatkan pada titik itu muatan titik uji (test

charge) q’. Jika F adalah gaya yang dialami oleh muatan q’, maka kuat medan listrik pada titik

tersebut adalah :

( 1.1 )

= kuat medan listrik dalam Newton/Coulomb

1

1. 2. Kuat Medan Listrik oleh Muatan Titik

Misalkan muatan titik q sebagai sumber medan listrik berjarak r dari titik P, maka gaya

listrik pada muatan uji q’ yang ditempatkan pada titik P adalah :

Dengan menggunakan persamaaan ( 1.1 ), maka kuat medan listrik di titik P :

(1.2)

= Vektor satuan yang arahnya dari q ke titik P.

2

Gambar 1.1

(a) Kuat medan di titik P bila q muatan positif(b) Kuat medan di titik P bila q muatan negativf

Sedangkam untuk kuat medan listrik, di titik P yang jaraknya dari muatan q1,q2,q3,…,qn

berturut-turut r1,r2, r3,….,rn , dapat dihitung dengan menjumlahkan secara vekor kuat medan di

titik P oleh masing-masing muatan.

( 1.3 )

= vector satuan yang arahnya dari qi ke titik P.

1.3 Garis Gaya Listrik

3

Untuk mempermudah pengertian tentang medan listrik, maka dibuat suatu konsep garis

gaya listrik yang digunakan sebagai alat bantu untuk mengetahui sifat dan arah medan listrik.

Medan listrik digambarkan dengan garis-garis khayal yang dinamakan garis-garis medan.

Gambar 1.2 Gambar 1.3

Garis Gaya Muatan Positif Garis Gaya Muatan Negatif

4

Gambar 1.4 Gambar 1.5

Garis Gaya Listrik Garis Gaya Listrik

Dua Muatan Titik Sejenis Dua Muatan Titik Berlawanan

Jumlah garis gaya yang menembus suatu permukaan secara tegak lurus pada setiap titik

sebanding dengan kuat medan di titik itu.

{ } ( 1.4 )

N = banyaknya garis gaya

= Permitivitas ruang hampa

E = Kuat medan yang tegak lurus bidang A.

A = luas permukaan yang ditembus garis gaya

5

Menurut kaidah hukum gauss :

Jumlah netto garis-garis gaya yang memotong suatu permukaan tertutup dalam arah keluar sama

dengan jumlah netto muatas positif yang terdapat didalam permukaan tersebut.

Kalimat tersebut jika ditulis dalam persamaan matematik dibawah ini.

N = q ( 1.5 )

( 1.6 )

Persamaan diatas dapat dibuktikan denagan menganalisa suatu muatan sebesar q yang

ditempatkan di udara. Besar medan listrik pada titik L yang berjarak r dari muatan q tersebut,

adalah :

Jika kita buat bola berpusat di q dengan jari-jari r, maka banyaknya garis gaya yang menembus

luas permukaan bola yang melalui titik L adalah :

=

6

Karena E= , maka :

N = q …………………………………( terbukti )

1. 4 Konduktor dan Isolator

1.4.1 Konduktor dan Isolator Menurut Teori Atom

Suatu bahan dikatakan memiliki sifat konduktor atau isolator berdasarkan banyaknya

electron bebas yang terdapat di dalam bahan tersebut. Karena pergerakan arus listrik adalah

pergerakan electron-elektron bebas yang membawa muatan, maka bahan yang memiliki electron

bebas akan sangat mudah menghantarkan arus listrik, dan ini dinamakan konduktor. Sedangkan

bahan yang tidak memiliki electron bebas, dinamakan isolator karena tidak dapat

menghantarkan arus listrik.

Pengertian electron bebas ini dapat ditinjau dari banyaknya electron bebas pada suatu pita

konduksi. Dan pita konduksi ini, dapat dipelajari dengan melihat cara pembentukan pita-pita

energy.

7

Gambar 1.6

Tingkat-tingkat energi elektron dalam medan listrik Yang timbul oleh inti atom dalam zat padat

Tingkat energy yang berkelompok dalam setiap satuan yang masing-masing jumlahnya 2N,

dimana N adalah banyaknya atom dalam zat padat.

Untuk memahami tingkat-tingkat energy lebih lanjut, maka dibawah ini diuraikan bahwa :

Pita Energi : daerah/selang energi yang diperkenankan untuk electron dalam Kristal

Celah energi : daerah/selang yang tidak diperkenankan untuk electron dalam Kristal

Pita valensi : pita energi terakhir yang terisi penuh electron

Pita konduksi : pita energi berikutnya setelah pita valensi

Sebagai contoj konduktor, kita tinjau logam natrium (Na). satu atom Na mengandung 11

elektron, maka dikatakan logam natrium mengandung 11 N electron, dimana N adalah

banyaknya atom dalam zat padat. Berarti logam natrium tersebut akan mengisi pita-pita energy

sebanyak 11N electron. Menurut azas pauli, setiap pita energy hanya boleh diisi palng banyak

2N electron pada setiap tingkatan. Electron-elektron akan mengisi mulai dari tingkat terendah,

pada saat suhu mutlak T= 0o K.

8

Pengisian 11N electron ke dalam pita energy dapat kita lihat pada tabel 1.1 :

Tabel 1.1 Pengisian pita energy oleh electron-elektron pada logam Na

Pita Energi Banyaknya elektron

Pertama (terendah) Diisi 2N elektron

Kedua Diisi 2N elektron

Ketiga Diisi 2N elektron

Keempat Diisi 2N elektron

Kelima Diisi 2N elektron

Keenam (terakhir) Diisi 1N elektron

Dari tabel 2.1 di atas jelas terlihat pada pita keenam, pita konduksi hanya terisi oleh 1N electron

yang berarti hanya ½ nya. Pada pita keenam ini electron dapat bergerak dengan lincah karena

pita energy hanya terisi separuhnya. Pergerakan electron-elektron inilah yang menyebabkan

logam natrium dapat menghantarkan arus listrik dengan mudah, sehingga logam tersebut

tergolong dalam konduktor.

Untuk lebih jelas lagi dapat kita lihat pada gambar dibawah ini :

9

Gambar 1.7

Pengisian Pita Energi pada Logam Natrium

Sebagai contoh untuk isolator, kita tinjau intan yang disusun oleh atom-atom Karbon ( C ).

Masing-masing atom Karbon memilik 6 elektron, sehingga intan mengandung 6N electron.

Pengisian pita-pita energy pada intan dapat kita lihat pada tabel 1.2 :

Tabel 1.2 pengisian pita energy oleh electron-elektron pada intan

Pita Energy Banyaknya electron

Pertama Diisi 2N electron

Kedua Diisi 2N elektron

Ketiga Diisi 2N elektron

Pada tabel 1.2 jelas terlihat, pada pita energy ketiga ( terakhir ) terisi penuh sehingga electron-

elektron tersebut tidak lincah ( sukar bergerak ). Oleh sebab itu, intan sukar menghantarkan arus

listrik dan tergolong dalam jenis isolator.

10

Untuk lebih jelas lagi dapat kita lihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 1.8 Pengisian Pita Energi pada Intan

1.5 Penghantar Terisolasi

Bila sebuah muatan berlebih ditempatkan sembarangan pada sebuah penghantar

terisolasi, maka muatan tersebut akan menimbulkan medan listrik di dalam penghantar. Medan

ini bekerja pada pembawa muatan dari penghantar (electron) dan menyebabkan electron

bergerak, yakni electron menghasilkan arus internal. Arus ini mendistribusikan kembali muatan

berlebih tersebut sedemikian rupa sehingga medan listrik internal akan berkurang besarnya

secara otomatis. Akhirnya medan listrik di dalam penghantar menjadi nol dimana-mana, dan arus

secara otomatis akan berhenti, dan kondisi elektrostastik pun berlaku. Hal ini sesuai dengan

hukum gauss, yakni :

11

Sebuah muatan berlebih ( excess charge ), yang di tempatkan pada sebuah penghantar terisolasi,

seluruhnya akan tinggal berada pada permukaan sebelah luar.

Gambar 1.9

Sebuah penghantar logam yang terisolasi

Gambar 1.9 adalah penampang dari sebuah penghantar terisolasi yang bentuknya

sembarang dan yang menyangkut sebuah muatan berlebih q. Garis-garis yang terputus-putus

memperlihatkan sebuah permukaan gauss yang terletak pada jarak kecil dibawah permukaan

penghantar yang sesungguhnya. Walaupun permukaan gauss tersebut dapat dibuat sedekat

mungkin kepada permukaan yang sebenernya seperti yang kita inginkan, namun kita perlu

mengingat bahwa permukaan gauss berada di dalam permukaan tersebut.

1.6 Bahan-Bahan Isolasi

12

Bahan isolasi yang berbentuk padat ada bermacam-macam dan sering digunakan adalah

bahan isolasi padat yang dibuat secara sintetis mempunyai berat jenis yang rendah dimana

merupakan campuran dari bermacam-macam bahan,guna memenuhi syarat dan karakteristik

yang lebih baik.Dalam perkembangannya bahan isolasi sintesis inilah yang sering digunakan.

Untuk isolasi kabael banyak digunakan bahan sintesis yang merupakan campuran dari bahan

dammar(resin). Dammar mempunyai sifat menjadi lunak atau cair jika dipanaskan. Kebanyakan

bahan dammar ini tidak larut dalam air, tetapi larut dalam bahan organic tertentu. Bahan isolasi

sintesis yang berdasarkan dama dapat dibagi menjadi 2 golongan :

1.Thermo plastic

Bahan ini apabila dipanaskan akan menjadi lunak dan mudah dibentuk. Proses ini dapat

dilakukan berulang-ulang karena pemanasan tidak akan menimbulkan unsure kimia yang baru

atau dengan kata lain tidak menimbulkan unsure reaksi kimia.dapat larut dalam larutan tertentu.

Yang termasuk dalam golongan ini adalah :

a.Polyvinyl chloride, disingkat PVC

b.Polyethylene, disingkat PE

2. Thermo setting

Bahan ini mempunyai sifati yang lebih keras disbanding bahan thermoplastic Karena bahan ini

memerlukan vulkanisasi yang akan menyebabkan reaksi kimia yang permanen. Jika dipanaskan

tidak dapat meleleh lagi sehingga dapat digunakan pada temperature yang tinggi.yang termasuk

dalam golongan ini adalah :

a. Karet ( Butyl dan Ethylene Propylene rubber/ EPR)

13

b. Cross linked polyethene, disingkat XLPE

Bahan isolasi padat yang merupakan hasil campuran dammar ini yang paling sering digunakan

pada bahan isolasi kabel.

1.6.1 Kertas Diresapi Minyak ( Impregnated Paper )

Pada umumnya bahan dasar kertas adalah kayu yang diolah melalui proses kimia, dimana

kertas terdiri dari serat-serat panjang yang berbentuk pipa-pipa halus.

Sifat-sifat yang dimiliki kertas sebagai bahan isolasi :

c. Factor rugi dielektrik antara 0,0009 sampai 0,004

d. Temperature kerja 650C

e. Ketahanan dielektrik 80kv/mm

f. Mengisap uap/cairan

Untuk memperbaiki sifat-sifat isolasi, kertas harus diresapi dengan minyak isolasi atau

kompon khusus ( non draining compound ). Fungsi minyak isolasi/kompon sebagai bahan isolasi

yang menggantikan udara yang terdapat pada pori-pori kertas diantara lapisan-lapisan kertas.

Minyak yang digunakan adalah minyak mineral, askarel ( chlorinated hydrocarbon ) atau

campuran resin. Minyak isolasi / kompon harus bebas asam dan mempunyai sifat kimia yang

stabil dan mempunyai kekentalan rendah pada waktu peresapan dan kekentalan yang tinggi pada

waktu kerja, guna mencegah pengeringan. Walaupun tidak dikembangkan lagi, sampai sekarang

isolasi kertas masih banyak dipergunakan pada kabel tegangan menengah.

1.6.2 Polyvinyl Chloride

14

Merupakan suatu campuran antara dammar ( resin ) sebagai bahan dasar dengan plastic,

filter serta bahan-bahan pembantu lain untuk memperbaiki sifat listrik dan mutu hasil produksi.

Campuran chlor yang terkandung dalam bahan ini membuat PVC mempunyai ketahanan

terhadap api, jadi bila terbakar dapat dipadamkan sendiri.

Polyvinyl chloride cukup tahan juga terhadap asam, alkali dan air namun dapat larut

dalam beberapa larutan tertentu. Selain itu PVC juga mempunyai karakteristik yang baik. Bila

diberi warna hitam akan tahan terhadap cuaca, karena itu PVC juga bisa dipergunakan sebagai

bahan selubung. Tetapi sifat listriknya tidak sebaik bahan plastic lainnya, sehingga sering

dipergunakan sebagai isolasi pada kabel transmisi tegangan dan frekuensi rendah.

Gambar 1.10 Struktur Kimia PVC

1.6.3. Bahan Karet

Bahan karet yang digunakan merupakan campuran antara karet dengan bahan-

bahan lainyang meningkatkan dan memperbaiki sifat isolasinya. Ketahanan terhadap

air,gesekan.kuat tarik dapat diperoleh dengan pemilihan bahan yang tepat.

Jenis-jenis isolasi dari bahan karet, antara lain:

1. Butyl Rubber(butyl)

Merupakan bahan yang tahan air,ozon dan cuaca serta mempunyai sifat listrik

15

yang baik. Kelemahanya adalah tidak tahan terhadap minyak dan tidak

memadamkan api bila terbakar

2. Neoprene

Pada umunya dipakai sebagai bahan selubung luar. Mempunyai ketahanan

terhadap minyak, sinar matahari dan cuaca. Dapat memadamkan nyala api bila

terbakar walaupun kemampuanya belum memadai.

3. Ethylene Propylene Rubber (EPR)

Kemampuanya tidak berbeda dengan bahan karet lainya, hanya mempunyai

kelebihan dalam hal ketahanan thermal.

1.6.4 Polyethylene (PE)

Merupakan bahan isolasi dengan sifat listrik, ketahanan terhadap air dan

fleksibilitas pada suhu rendah yang baik. Mempunyai sifat mekanis yang keras. Tidak

dapat memadamkan api sendiri, bila terbakar. Isolasi polyethylene pada umumnya

digunakan untuk tegangan tinggi karena factor daya dielektrik (tangen&) relative rendah

dan tegangan kegagalan ( breakdown ) cukup tinggi.

1. Low Density Polyyethylene

2. Medium Density Polyethylene

3. High Density Polyethylene

Struktur kimia polyethylene jika dibandingkan dengan PVC hanya berbeda sedikit,

Dimana beberapa atom hydrogen dalam polyethylene diganti dengan atom chlor.

Struktur kimia polyethylene.

16

Gambar 1.11 Struktur kimia polyethylene

Namun demikian PE dan PVC mempunyai sifat dan karakterristik yang berbeda. PE

memiliki permitivitas dan faktor daya yang lebih baik disbanding PVC . PE tidak dapat

menahan jalanya nyala api jika terbakar, sedangkan PVC dapat memadamkan nyala api.

1.6.5 Cross linked polyethylene ( XLPE )

Cross linked polyethylene diperoleh dengan merubah bahan thermoplastic dari “ low

density polyethylene “ menjadi bahan thermosetting dengan proses “ cross linking “. Pada

polyethylene molekul-molekul karbon dan hydrogen mempunyai bentuk seperi rantai yang

fleksibel, rantai-rantai ini saling berdiri sendiri. Pada temperature tinggi, molekul-molekul ini

mudah berubah bentuk, sedangkan molekul-molekul XLPE terikat dalam jaringan dan lebih

tahan terhadap perubahan suhu dan bentuk.

17

Gambar 1.12 Struktur Kimia ‘Cross Linked Polyethylene (XLPE)

1.7 Dielektrik

Dielektrik adalah bahan yang tidak memiliki electron bebas. Pada kebanyakan kapasitor,

ruang di antara kedua plat diisi dengan bahan dielektrik agar dengan ukuran yang kecil di

peroleh kapasitansi yang besar. Hal ini disebabkan harga kapasitansi akan bertambah dengan

factor K jika seluruh ruang di antara kedua plat diiisi dengan bahan dielektrik. K merupakan

suatu besaran tak berdimensi yang menggambarkan kemampuan dielektrik untuk mengurangi

atau memperkecil medan listrik luar di dalam dielektrik, dan besaran ini disebut tetapan

dielektrik.

1.7.1 Gambaran Atomik Bahan Dielektrik

Pada bagian ini akan di tinjau sifat-sifat bahan dielekrik bila bahan tersebut diletakkan

dalam medan listrik. Perhatikan suatu kapasitor plat sejajar yang bermuatan q ( gambar 1.13a),

andaikan rapat muatan permukaan pada plat, maka kuat medan listrik di antara kedua plat

kapasitor adalah :

Eo = (2.7)

18

Jika ruang di antara kedua plat diisi dielektrik, timbullah muatan induksi qi pada

permukaan dielektrik seperti terlihat pada gambar 1.13 b.

Gambar 1.13

(a) Kapasitor Pita Sejajar Tanpa Dielektrik

(b) Muatan Induksi pada Permukaan Dielektrik

Muatan induksi ini menghasilkan medan listrik induksi Ei didalam dielektrik yang

arahnya berlawanan dengan arah medan listrik Eo. Akibatnya, kuat medan listrik total di dalam

dielektrik dilemahkan.

Timbulnya muatan induksi pada permukaan dielektrik dapat di jelaskan sebagai berikut.

Molekul-molekul dalam bahan dielektrik mempunyai muatan positif dan muatan negative yang

dapat terorientasi oleh medan listirk luar. Molekul bahan dielektrik dapat berupa molekul non

polar atau molekul polar. Pada molekul nonpolar pusat-pusat muatan negative dan positif

berhimpit, sedangkan pada molekul polar tidak berhimpit, sehingga molekul-molekul polar

merupakan dipole-dipol listrik yang sangat kecil.

Dalan pengaruh medan listrik luar, matan molekul-molekul nonpolar bergeser sedikit

seperti pada gambar 1.14 b.

19

Gambar 1.14 Perilaku Molekul Non-Polar

(a) Bila Tidak Ada Medan Listrik Luar

(b) Bila ada Medan Listrik Luar

Molekul-molekul tersebut dikatakan terpolarisasi oleh medan listrik luar, dan

mengasilkan dipole listrik yang disebut dipol terinduksi.

Bahan dielektrik yang terdiri atas molekul-molekul polar dikatakan mempunyai dipole-

dipol ini acak bila tidak ada medan listrik luar, sperti terlihat pada gambar 1.15 a. bila bajan

tersebut berada dalm medan listrik luar, gaya listrik terhadap masing-masing dipole akan

menimbulkan suatu kopel ( momen gaya ) yang cenderung mengatur arah dipole menjadi sama

dengan arah medan listrik luar , makin bear kuat medan listrik luar, makin besar keraturan arah

dipole dan dikatakan bahwa dielektrik yang bersangjutan ( secara keseluruhan ) terpolarisasi.

Gambar 1.15 Prilaku molekul polar

(a) Bila tidak ada medan listrik luar

20

(b) Bila ada medan listrik luar

Bila suatu bahan dielektrik berada dalam medan listrik, baik bahan tersebut

molekul – molekulnya, polar maupun nonpolar, pengaruh total yang dihasilkan medan

listrik luar terhadap bahan tersebut pada hakikatnya sama, seperti terlihat pada gambar

1.16.

Gambar 1.16

Polarisasi bahan dielektrik dalam medan listrik menghasilkan muatan induksi pada

permukaan dielektrik

Dalam daerah yang tipis di permukaan – permukaan (pada gambar 1.16

ditunjukkan dengan garis titik – titik), terdapat muatan lebih, negatif pada lapisan

permukaan kiri dan positif pada lapisan permukaan kanan. Muatan pada lapisan – lapisan

ini merupakan muatan induksi pada permukaan dielektrik. Muatan tersebut bukan muatan

bebas, tetapi masing – masing terikat pada molekulnya. Di bagian lain dari dielektrik (di

bawah permukaan) muatan netto per satuan volume rata – rata nol.

21

Kuat medan listrik total di dalam dielektrik adalah super posisi kedua medan

listrik E0 dan Ei, sehingga diperoleh:

E = E0 – Ei = (1.8)

Besarnya rapat muatan induksi permukaan berbanding lurus dengan besar kuat

medan listrik di dalam dielektrik E, asalkan E tersebut tidak terlalu besar. Secara

matematis dirumuskan:

Tetapan perbandingan Xe menggambarkan besar kecilnya induksi pada bahan

dielektrik dan dinamakan suseptibilitas listrik. Dari persamaan 1.8 dan persamaan 1.9

diperoleh:

E= = E

E + E =

22

Didefinisikan tetapan dielektrik K :

( 1.10 )

Sehingga :

( 1.11 )

Didefinisikan permitivitas dielektrik :

( 1.12 )

Sehingga persamaan 2.11 menjadi :

( 1.13 )

1.7.2 Dielektrik dalam Keadaan Seri

23

Dalam keadaan seri medan listrik pada dielektrik dianggap seragam ( lihat gambar 1.24),

arus bocor fluks dapat diabaikan dan konsentrasi fluks pada pinggiran juga dapat diabaikan. Oleh

karena perpindahan (displacement) netral sama, maka :

Gambar 1.17

Dielektrik dalam keadaan seri

Dn1 = Dn2 ( 1.14 )

1En1 = 2En2 ( 1.15 )

Dimana :

D = Kerapatan fluks listrik (C/m2)

= Permitivitas dielektrik

En1,En2 = Kuat medan =

24

Oleh sebab itu, tegangan pada masing-masing dielektrik V1,V2 sebagai fungsi dari seluruh

tegangan V adalah :

( 1.16 )

( 1.17 )

Bila terdapat n dielektrik dalam keadaan seri, maka gradient atau kuat medannya pada

suatu titik x adalah :

( 1.18 )

= Konstanta dielektrik pada jarak x dari pusat penghantar

25

26