Dielektrik
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, tetapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya
"pengutuban dielektrik". Oleh karena 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. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang
memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik.
Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknya rendah, seperti "dielektrik", namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya mengubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor.
Penelitian tentang sifat-sifat bahan dielektrik berhubungan erat dengan kemampuannya menyimpan dan melepaskan energi listrik dan magnetik. Sifat-sifat dielektrik sangat penting untuk menjelaskan berbagai fenomena dalam bidan elektronika, optika, dan fisika zat padat.
Istilah "dielektrik" pertama kali dipergunakan oleh William Whewell (dari kata "dia" dari yunani yang berarti "lewat" dan "elektrik") sebagai jawaban atas permintaan dari Michael Faraday.
Kerentanan kelistrikan X pada bahan dielektrik adalah ukuran seberapa mudah bahan ini dikutubkan dalam medan listrik, yang pada akhirnya menentukan permitivitas listrik sehingga mempengaruhi sifat-sifat lain dalam bahan dielektrik tersebut, misalnya nilai kapasitansi jika dipergunakan dalam kapasitor.
nilai kerentanan listrik ini didefinisikan melalui sebuah konstanta perbandingan antara medan listrik E dan pengkutuban bahan dielektrik P sedemikian rupa sehingga:
Secara umum, sebuah bahan tidak dapat langsung terkutub ("polarized") secara mendadak pada saat berada dalam medan listrik. Bentuk umum rumus sebagai fungsi waktu pengutuban ini adalah:
Artinya pengkutuban terjadi sebagai bentuk pembelokan (konvolusi) terhadap medan listrik pada masa lampau (waktu sebelumnya) dengan nilai kerentanan listrik saat ini yang bernilai formula_8. Batas atas dari integral ini dapat terus diperpanjang sampai tak terhingga karena formula_9 untuk formula_10. Respon pengutuban mendadak dapat terjadi karena Fungsi delta dirac dengan kerentanan formula_11.
Namun perhitungan menjadi lebih mudah dalam sistem linear jika menggunakan rumus Transformasi Fourier dan menulis persamaan ini sebagai fungsi frekuensi. Karena adanya teorema konvolusi, bentuk integral berubah menjadi perkalian sederhana,
Perlu diperhatikan bahwa frekuensi sederhada ini bergantung pada nilai kerentanan, atau nilai permitivitas. Bentuk grafik kerentanan berdasar frekuensi ini memberi sifat dispersi pada bahan dielektrik.
Lebih jauh, bahwa pengutuban hanya bergantung pada medan listrik pada waktu lampau (yaitu formula_9 untuk formula_10), sebagai konsekuensi atas hukum sebab-akibat, pengutuban memiliki hubungan Kramers-Kronig pada kerentanan formula_15.
Dalam pendekatan teori klasik tentang permodelan dielektrik, sebuah bahan terbuat dari atom-atom. Tiap atom terdiri dari awan bermuatan negatif (elektron) terikat dan meliputi titik bermuatan positif di tengahnya. Dengan keberadaan medan listrik disekeliling atom ini maka awan bermuatan negatif tersebut berubah bentuk, seperti yang terlihat pada gambar yang atas-.
Hal ini dapat dipandang secara sederhana sebagai dwikutub ("dipole") dengan menggunakan prinsip-prinsip superposisi. Dwikutub ini dicirikan oleh momen dwikutubnya, yaitu besaran vektor yang ditampilkan pada gambar sebagai panah biru dengan tanda "M". Yang berperan membentuk perilaku dielektrik adalah Hubungan antara medan listrik dan momen dwikutubnya. (Catatan bahwa pada
gambar momen dwikutub digambarkan mengarah pada arah yang sama dengan medan listrik, hal ini tidak selalu benar-benar terjadi, dan ini hanya merupakan penyederhanaan saja, namun penggambaran seperti ini biasanya masih sesuai untuk berbagai bahan.)
Ketika medan listrik hilang, atom-atom pada bahan tersebut kembali pada keadaan sebelumnya. Waktu yang diperlukan untuk berubah-ubah keadaan ini disebut waktu Relaksasi; grafiknya berbentuk penurunan secara ekponensial.
Permodelan di atas merupakan penggambaran sederhana saja, pada praktiknya perilaku dielektrik sangat bergantung pada situasinya. Makin rumit situasinya (membutuhkan akurasi lebih) makin rumit pula permodelan yang harus dibuat untuk menjelaskan perilaku bahan dielektrik secara akrat. Permasalahan paling mendasar adalah:
Hubungan antara medan listrik E dan momen dwikutub M mempengaruhi perilaku bahan dielektrik, yang mana pada bahan tertentu, dapat dicirikan melalui fungsi F dengan persamaan:
Ketika medan listrik dan jenis bahan telah ditentukan, lalu ditentukan fungsi "F" paling sederhana untuk mendapatkan hasil paling mendekati dari sifat yang diinginkan.
Pengutuban dwikutub ("dipole polarization") adalah pengutuban pada kutub-kutub molekulnya. Pengutuban jenis ini berakibat pengutuban secara permanen, contohnya ikatan asimetris antara atom oksigen dan hidrogen pada air, yang akan mempertahankan sifat-sifat pengutuban walaupun medan listrik sudah hilang. Pengutuban jenis ini membentuk pengutuban makroskopis.
Jika medan listrik dari luar dipaparkan pada bahan tertentu, jarak antara muatan dalam atom, yang terkait dengan ikatan kimianya, tidak berubah selama terkutub; namun, kutub-kutubnya akan berputar. Putarannya tergantung pada torsi dan viskositas molekul yang bersangkutan. Karena perputaran ini tidak dapat terjadi secara mendadak, pengutuban dwikutub belum terjadi ketika
frekuensi pengutuban masih rendah. Jarak waktu respon muatan listrik karena adanya medan listrik ini menimbulkan gesekan dan panas.
Pengutuban ion adalah pengutuban yang terjadi karena adanya perpindahan relatif antara ion negatif dan positif dalam molekul yang bersangkutan, misalnya pada NaCl).
Sering kristal atau molekul tidak terdiri hanya satu jenis atom saja, distribusi muatan listrik disekitar atom kristal atau molekul cenderung positif atau negatif. Akibatnya, ketika getaran molekul menginduksi perpindahan muatan dalam atom, titik setimbang muatan positif dan negatif mungkin tidak berada pada lokasi yang sama. Titik setimbang ini mempengaruhi simetri sebaran muatan listrik. Ketika titik setimbang
ini tidak setimbang, pengkutuban terjadi dalam kristal atau molekul tersebut. Inilah pengutuban ion.
Pengutuban ion menyebabkan transisi feroelektrik dan juga pengutuban dwipolar. Transisi yang disebabkan berubahnya urutan arah kutub permanen sepanjang garis tertentu, disebut transisi fase "order-disorder". Sedang transisi yang disebabkan oleh pengutuban ion dalam kristal disebut transisi fase pergeseran.
Dalam ilmu fisika, dispersi dielektrik adalah ketergantungan bahan dielektrik pada nilai permitivitasnya pada frekuensi tertentu ketika adanya medan listrik. Karena adanya jeda waktu antara pengutuban dan perubahan medan listrik, permitivitas bahan dielektrik menjadi sangat rumit, diperlukan fungsi dengan bilangan kompleks dari frekuensi medan listrik. Hal ini sangat penting dalam penggunaan bahan dielektrik dan analisis sistem pengutuban.