Bahan isolasi digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan atau bagian-bagian yang aktif. Untuk itu sifat kelistrikannya memegang peran yang sangat penting. Namun demikian sifat mekanis, sifat termal, ketahanan terhadap bahan kimia serta sifat-sifat lainnya perlu juga diperhatikan.
1.1 sifat kelistrikan
terdapat 3 hal pokok yang dibahas di dalam sub-bab ini yaitu resistivitaas, permitivitas dan sudut kerugian dielektrik. Dari 3 hal tersebut akan memberikan gambaran sifat kelistrikan suatu bahan isolasi di samping sifat-sifat yang lain.
1.1.1 resistivitas
sesuai dengan fungsinya, bahan isolasi yang baik adalah bahan isolasi yang resistivitasnya besar tak terhingga. Tetapi pada kenyataannya bahan yang demikian itu belum bisa diperoleh. Sampai saat ini semua bahan isolasi pada teknik listrik masih mengalirkan arus listrik (walaupun kecil) yang lazim disebut arus bocor. Hal ini menunjukkan bahwa resistansi bahan isolasi bukan tidak terbatas besarnya. Besarnya resistansi bahan isolasi sesuai dengan hukum Ohm adalah:
Ri
=
V
Ib
Ri = resistansi isolasi (ohm)
V = tegangan yang digunakan (volt) Ib = arus bocor
Kalau diperhatikan lebih jauh, terdapat 2 macam resistansi yaitu resistansi volume (Rv) dan resistansi permukaan (Rp). Resistansi volume mengakibatkan mengalirnya arus bocor Ip, seperti ditunjukkan pad Gb. 1-1
Seperti terlihat pada gb. 1-1, Rv dan Rp adalah paralel. Sehingga beradasarkan Hukum Kircoff 1: Ib=Iv+ip
1
Ri
=
1
Rv
+
1
R p
Ri
=
Rv . Rp
Rv
+
Rp
Resistansi volume pada umumnya disebut resistivitas saja. Besarnya resistivitas volume adalah
Rv
=
ρv
1
S
Ρv = adalah resistivitas volume dengan (ohm-meter) l = adalah panjang bagian yang dilewati arus (m) S = adalah luas penampang (m2)
Besarnya resistivitas permukaan di antara 2 bidang selebar b pada jarak a adalah
Rp
=
ρs
a
b
Ρs adalah resistivitas permukaan dengan satuan ohm
Definisi dari resistivitas permukaan ρs adalah resistansi pada permukaan persegi suatu bahan waktu arus mengalir di sisi dari penampang tersebut
Gb.
Beberappa hal yang harus diperhatikan sehubungan dengan resistivitas adalah:
b. untuk bahan isolasi yang higroskopis, di daerah yang lembab resistivitasnya akan turun secara mencolok.
c. Resistivitas akan turun jika tegangan yang diberikan naik.
Dari 3 hal tersebut di atas, maka pada pemakaian sehari-hari dalam pemakaian bahan isolasi misalnya untuk daerah kerja yang suhunya tinggi atau lembab, harus dipilih bahan yang sesuai baik bahan maupun tegangan kerjanya.
1.1.2 Permitivitas
Setiap bahan isolasi mempunyai permitivitas. Hal ini penting bagi bahan-bahan yang digunakan sebagai dielektrik kapasitor. Kapasitansi suatu kapasitor tegantung beberapa faktor yaitu: luas permukaan, jarak antara keping-keping kapasitor serta dielektriknya. Besarnya kapasitansi C (farad) dapat dihitung dengan:
C
=
10
−9ε
36
π
.
S
h
Ε adalah permitivitas bahan dielektrik (F/m) H adalah jarak keping-keping kapasitor (m)
S adalah luas permukaan keping-keping kapasitor (m2)
Besarnya permitivitas udara hampir 1 yaitu 1,000589, sedangkan besarnya permitivitas untuk zat padat dan zat cair selalu lebih besar dari 1.
1.1.3 Sudut kerugian dielektrik
Pada saat bahan isolasi diberi tegangan bolak-baik, maka terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut. Akibatnya terdapat faktor kapasitif. Hubungan vektoris antar tegangan dan arus pada bahan isolasi adalah seperti ditunjukkan pada Gb. 1-3.
Besarnya kerugian yang diserap bahan isolaasi adalah berbanding lurus dengan tegangan V volt, frekuensi f hertz, kapasitansi C farad dan sudut kerugian dielektrik tan ∂, seperti ditunjukkan pada persamaan 1-8.
p
=
V
.2π . f . C .
tan
∂
Sehinggatan
∂
=
p
V
2.2
π . f . C
Dari persamaan 1-9 terlihat bahwa makin besar tegangan, frekuensi, dan kapasitansi untuk kerugian yang sama, maka makin kecil harga tan ∂ atau makin kecil sudut antara arus kapasitif Ic dengan arus total I dan makin besar sudut antara arus resistif Ir dengan sudut total I.
1.2 Sifat terhadap panas
Pada penghantar yang dilewati arus listrik selalu terjadi kerugian daya. Kerugian daya ini selanjutnya didesipasikan dalam bentuk energi panas. Untuk itu perlu dipelajari pengaruh panas terhadap bahan-bahan isolasi karena panas dapat mempengaruhi bahan isolasi dalam hal: sifat kelistrikan, kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas, ketahanan terhadap pengaruh kimia dan sebagainya. Suatu bahan isolasi dapat rusak disebabkan oleh panas dalam kurun waktu tertentu. Waktu tersebut dikatakan sebagai umur panas bahan isolasi. Sedangkan kemampuan bahan menahan suatu panas tanpa terjadi kerusakan disebut ketahanan panas (heat resistance).
Klasifikasi bahan isolasi menurut IEC (international Electrotechnical Commission) didasarkan atas batas suhu kerja seperti ditunjukkan pada Tabel 1-1
Y Katun, sutera alam, wolsintesis, rayon, serat poliamid, kertas, prespan, kayu, polikrilat, polietilen, polivinil, karet.
90o C
A Bahan kelas Y yang diimpregensi dengan vernis, aspal, minyak trafo. Email yang dicampur dengan vernis dan poliamid.
105 o C
E Email kawat yang terbuat dari: poivinil formal, poli urethan dan damar, bubuk pastik, bahan selulosa pengisi perthinaks, tekstolit, triasetat, polietilen tereftalat.
120 o C
B Bahan anorganik (mika, fiberglas, asbes) bitumen, bakelit, poli monocholro tri fluor etilen, poli etilen tereftalat, poli karbonat, sirlak.
130 o C
F Bahan-bahan anorganik yang diimpregnasi ataudirekat dengan epoksi, poliurethan, atau vernis dengan ketahanan panas yang tinggi.
155 o C
H Mika, fiberglas, dan asbes yang diimpregnasi dengan silikon tanpa campuran bahan berserat, karet silikon, email kawat poliamid murni.
180 o C
C Bahan-bahan anorganik tanpa diimpregnasi atau diikat dengan substansi organik yaitu: mika, mikanit tahan panas, mikaleks, gelas, keramik, teflon (politetra fluoroetilen) adalah satu-satunya substansi organik.
Diatas 180 o C
1.3 Ketahanan terhadap suhu rendah
Ketahanan terhadap suhu rendah adalah kemampuan bahan isolasi untuk digunakan pada suhu rendah dalam hal ini -60 o C hingga -70 o C. hal ini perlu diperhitungkan bagi bahan isolasi yang digunakan untuk penghantar pada pesawat terbang, pegunungan, dan sebagainya. Umumnya bahan isolasi jika terkena suhu yang rendah akan menjadi keras dan regas. Untuk itu biasanya bahan isolasi juga diuji pada suhu rendah dengan vibrasi.
1.4 Konduktivitas panas
Panas yang didesipasikan oleh penghantar atau rangkaian magnetik pada mesin listrik melalui bahan isolasi diteruskan ke udara sekelilingnya. Kenaikan suhu pada penghantar dipengaruhi pula oleh resistansi panas dari bahan isolasi. Untuk menghitung besarnya resistansi panas dapat digunakan rumus yang mirip dengan hukum Ohm sebagai berikut:
P
=
t
Rp
P adalah panas yang lewat melalui bahan isolasi setiap detik dalam satuan watt.
T adalah beda suhu antara bagian yang panas dengan bagian yang dingin dalam satuan OC. Rp adalah resistansi panas dalam satuan derajat per watt atau Ohm meter panas (ρp) Untuk menghitung besarnya resistansi panas (Rp) digunakan rumus:
Rp
=
ρp
h
S
Besarnya konduktivitas panas (τp) adalah:
τp
=
1
ρp
[image:4.612.85.546.178.448.2]Bahan-bahan tersebut di udara mempunyai ρp yang tinggi dan ρp tersebut akan turun bila bahan diimpregnasi atau bila bahan menjadi lembab.
Tabel konduktivitas Panas Beberapa Bahan
No Nama Bahan Konduktivitas panas W/o.m
1 Udara (celah yang sempit) 5.10-6
2 Aspal 7.10-6
3 Kertas 10-5
4 Kain divernis 13.10-5
5 Pertinaks 35.10-6
6 Kuarsa 12,5.10-5
7 Porselin 16.10-5
8 Streatit 22.10-5
9 Titanium dioksid 65.10-5
10 Silikon dioksid 12,5.10-4
11 Grafit 18,2.10-4
12 Karborundum 20,5.10-4
13 Alumina 3.10-3
14 Magnesium 3,6.10-3
15 Besi 6,8.10-3
16 Berillium 2,18.10-2
17 Aluminium 2,26.10-2
18 Tembaga 3,9.10-2
1.5 Sifat fisis dan kimia
Beberapa sifat fisis dan kimia yang akan dibahas di sini adalah: sifat kemampuan larut, resistansi kimia, higroskopipisitas, permeabilitas uap, pengaruh tropis, dan resistansi radio aktif.
1.5.1 sifat kemampuan larut
sifat ini adalah diperlukan ketika menentukan macam bahan pelarut untuk suatu bahan, misalnya: vernis, plastik, dan sebagainya.
Juga ketika menguji bahan isolasi atas kemampuan tetap bahan di dalam cairan selama diimpregnasi dan selama pemakaiannya (bahan isolasi trafo minyak). Kemampuan larut bahan padat dapat dievaluasi berdasarkan banyaknya bagian permukaan bahan yang dapat larut setiap satuan waktu jika diberi bahan pelarut. Kemampuan larut suatu bahan akan lebih besar jika suhunya dinaikkan. Umumnya bahan pelarut komposisi kimianya sama dengan bahan yang dilarutkan dengan cairan hidro karbon atau phenol formaldehida.
1.5.2 Resistansi kimia
Bahan isolasi mempunyai kemampuan yang berbeda ketahanannya terhadap korosi yang disebabkan oleh: gas, air, asam, basa dan garam. Hal ini perlu diperhatikan untuk pemakaian bahan isolasi yang digunakan di daerah yang konsentrasi kimianya aktif, suhu di atas normal. Karena kecepatan korosi dipengaruhi pula oleh kenaikan suhu.
menyebabkan isolasi berubah menjadi regas. Pada prakteknya, bahan isolasi anorganik mempunyai ketahanan terhadap ozon yang baik.
1.5.3 Higroskopisitas
Beberapa bahan isolasi ternyata mempunyai sifat higroskopisitas, yaitu sifat menyerap air di selilingnya. Uap air ternyata dapat mengakibatkan perubahan mekanis-fisik (pshyco-mechanical) dan memperkecil daya isolasi.
Untuk itu selama penyimpanan atau pemakaian bahan isolasi agar tidak terjadi penyerapan uap air oleh bahan isolasi, maka hendaknya bahan penyerap uap air yaitu senyawa P2O5 dan CaCl2. Bahan dielektrik yag molekulnya berisi kelompok hidroksil (OH), higroskopisnya relatif besar. Sedangkan bahan dielektriknya seperti: parafin, polietilin dan politetra fluoro etilen adalah bahan-bahan nonhigroskopis
1.5.4 Permeabilitas uap
Kemampuan bahan isolasi untuk dilewati uap disebut permeabilitas uap bahan tersebut. Faktor ini perlu diperhatikan bagi bahan yang digunakan untuk : isolasi kabel, rumah kapasitor.
Banyak uap M dalam satuan mkro-gram, selama 1 jam, melalui permukaan S meter persegi, dengan beda tekanan pada kedua sisi bahan p dalam satuan mm-Hg, adalah:
M
=
Ah
10
2
StP
A adalah permeabilitas uap yang disebut juga konstanta difusi G adalah permeabilitas uap air dengan satuan (g/cm.jam.mmHg) Tabel permeabilitas uap beberapa bahan
No Nama bahan A(g/cm.jam.mmHg)
1 Parafin 0,0007
2 Polistrin 0,03
3 Karet 0,03 s/d 0,08
4 Selulose trisetat 1
5 Cellophane 5
6 Kaca atau logam 0
1.5.5 Pengaruh tropis
Terdapat 2 macam daerah tropis yaitu daerah tropis yang basah (termasuk Indonesia) dan daerah tropis yang kering. Di daerah tropis basah memungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga dapat hidup dengan baik. Suhu yang cukup tinggi disertai kelembaban yang terjadi dalam waktu lama dapat menyebabkan turunnya resistivitas isolasi, menambah besarnya sudut rugi dielektrik, menambah permitivitas da mengurangi kemampuan kelistrikan bahan.
Pada penggunaan bahan isolasi di daerah tropis harus diperhatikan 2 hal yaitu: perubahan sifat kelistrikan setelah bahan direndam dan kecepatan pertumbuhan jamur pada bahan tersebut. Karena hal-hal tersebut naka bahan isolasi sebaiknya dilapisi dengan bahan anti jamur antara lain: paramitro phenol, pentha chloro phenol.
1.5.6 Resistansi radiasi
Pemakaian bahan isolasi sering dipengaruhi bermacam-macam energi radiasi. Pengaruh ini dapat mengubah sifat bahan isolasi. Radiasi sinar matahari mempengaruhi umur bahan isolasi,
partikel-partikel radio isotop, mempunyai pengaruh sangat besar pada bahan isolasi. Bahan plimer organik akan menjadi lebih keras dan akan menjadi lebih tahan terhadap panas jika terkena sinar-sinar tersebut, misalnya: politetrafluoroethilen. Kemampuan suatu bahan isolasi menahan pengaruh radiasi tanpa mengalami kerusakan disebut resistansi radiasi.
1.6 Sifat-sifat mekanis
Kekuatan mekanis bahan-bahan isolasi maupun logam adalah kemampuan menahan beban dari dalam atau luar, pada prakteknya adalah beban tarik dan geser. Jika suatu bahan dengan penampang A cm2 ditarik dengan suatu gaya tarik yang bertambah secara perlahan, maka bahan tersebut akan putus pada gaya tarik tertentu sebesar Pt kg.
Dalam hal ini stress atau tegangan tarik bahan σt adalah seperti ditunjukkan pada persamaan
σt
=
Pt
S
Penambahan panjang bahan sebelum putus Δl dibagi dengan panjang mula-mula 1 disebut penambahan panjang relatif bahan atau strain Ԑ adalah:
ℇ
=
∆ l
l
x
100
Untuk besi tanpa dan sejumlah baja tertentu tarikan dan pemanjangnya memperlihatkan kurva diskontinuitas, seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
Gb
Setelah titik Y penambahan panjang tabpa memerlukan penambahan gaya atau mungkin hanya kecil saja. Gejala ini terjadi sekitar 5 hingga 7% dari panjang mula-mula l. titik Y disebut titik lumer (yield
point) suatu bahan, sedangkan tegangan yang menjadikan bahan lumer disebut tegangan lumer
(yield stress) yang besarnya adalah:
σy
=
Py
S
Py adalah gaya yang menyebabkan bahan menyerah (kg) S adalah luas penampang mual-mula (m2)
Pengujian kekerasan
Pengujian kekerasan dapat dilakukan dengan penggoresan atau penumbukan dengan benda lancip terhadap bahan yang dapat mengalami deformasi plastik yaitu logam dan plastik.
Derajat kekerasan suatu bahan perlu diperhatikan terutama untuk gawai yang bergesekan seperti: mata bor, komutator, bantalan.
Pengujian derajat kekerasan untuk keramik dilakukan dengan penggoresan. Satuan derajat kekerasan bahan dengan penggoresan adalah Moh dengan intan sebagai bahan terkeras nilainya 10 dan kapur sebagai yang terlunak dengan nilai 1. Sedangkan untuk mengukur derajat kekerasan berdasarkan tumbukan digunakan metode-metode: Brinell, Rockwell, dan Vickers.
Pada cara pengujian dengan metode Brinell, sebuah bola baja dengan diameter 10 mm dan sudah diperkeras, ditekankan ke permukaan bahan yang diuji dengan beban statis sehingga menimbulkan lekukan pada permukaan bahan yang diuji. Derajat kekerasan dapat dihitung dengan persamaan:
kekerasan
=
gaya yang diberikan
(
kg
)
luas bidanglekukan
(
mm
2)
Pada pengujian derajat kekerasan metode Vickers menggunakan intan yang berbentuk piramid. Pengujian dengan cara ini lebih menguntungkan dibanding dengan metode BRinell, karena pada intan tidak akan terjadi deformasi plastis. Untuk menentukan derajat kekerasannya digunakan persamaan diatas. Yang membedakan disisni, lekukannya tidak berbentuk bidang bola. Pada pengujian dengan metode Vickers satuannya adalah Vickers (HD).
