TEKNOLOGI INSTRUMENTASI – PEMANFAATAN DIPOLE LISTRIK

Kita tentu sering mendengar kata instrumentasi jika berhubungan dengan banyak hal mengenai proses di dalam sebuah pabrik. Secara umum instrumentasi berarti adalah penempatan dan pemasangan alat-alat tertentu yang disesuaikan dengan tujuan pengawasan dan pembatasan pada kuantitas tertentu di dalam sebuah proses. Pengawasan dan pembatasan ini tentu saja tidak lepas dari metode pengukuran dan jenis pengukuran yang harus dilakukan.

Jenis-jenis pengukuran yang umum dilakukan di dalam suatu proses produksi adalah:

1. Suhu
2. Tekanan
3. Massa
4. Volume

Metode-metode pengukuran pada instrumen-instrumen industri berkembang sangat pesat, terutama karena inovasi-inovasi yang harus memenuhi persyaratan pasar yaitu murah, presisi dan akurat.

Mari kita mulai dari metode yang paling banyak digunakan saat ini:

Dasar matematis dipole listrik.

Pada kasus mudah dari dua titik bermuatan, satu dengan muatan +q dan yang lain –q, momen dipole listrik yang dibentuk adalah P yang dirumuskan sebagai:

P=qd

Dengan d adalah penanda vektor perpindahan dari muatan negatif ke muatan positif, sehingga titik-titik momen dipol vektor p mengarah dari muatan negatif menuju ke muatan positif. Kejadian ini akan selalu konsisten demikian, karena momen dipole listrik, yaitu posisi dari muatan harus sesuai dengan orientasi dari dipole tersebut dan tidak mengindikasikan arah dari medan asal dari muatran-muatan ini.

Idealisasi dari sistem dwi-muatan ini adalah dipole titik listrik terdiri dari dua muatan tak tentu (infinit) yang terpisah secara tak tentu (infinit) pula, tetapi dengan nilai p tertentu.

 

i.a. Torsi pada momen dipole.

Pembahasan mengenai sebentuk momen tak akan pernah lepas dari efek yang dihasilkan oleh momen yaitu torsi, demikian pula dengan dipole listrik.

Satu objek dengan yang memiliki momen dipole listrik akan memiliki torsi τ ketika ditempatkan di dalam suatu medan listrik eksternal. Torsi yang dihasilkan cenderung menggabungkan dipole dengan medan listrik tersebut, dan cenderung membuat kesejajaran satu orientasi dari energi potensial yang lebih rendah daripada ketidaksejajaran; untuk medan listrik E yang berjarak seragam kita peroleh:

 

τ = p X E

Persamaan umum

Lebih umum lagi, untuk distribusi muatan kontinu yang dibatasi oleh volume V, persamaan yang sesuai untuk momen dipole adalah:

  

 Dengan r menempatkan titik observasi dan d³r₀ merupakan volume elementer di dalam V. Sekumpulan muatan-muatan titik pada volume tertentu ditandai sebagai kerapatan muatan. Sekumpulan muatan ini diasumsikan terdistribusi secara kontinu parsial yang berarti bahwa daerah batas elementer volume tertentu dari muatan-muatan titik akan memiliki distribusi kontinu dengan kerapatan tertentu dan pada batas volume elementer berikutnya akan memiliki distribusi kontinu dengan kerapatan muatan yang berbeda, sehingga sebenarnya distribusi muatan bersifat diskret, keadaan ini membawa kita pada fungsi kerapatan ρ(r) dari suatu distribusi kontinu-parsial yang terdiri dari titik-titik acuan vektor r = {r₁ , r₂ , … r_i } yang masing-masing berkorespondensi dengan muatan-muatan q ,q  , … q_i , sehingga fungsi kerapatan muatan pada ruang tiga dimensi ini dapat dituliskan sebagai fungsi penjumlahan delta Dirac :

 

Dengan setiap r_i adalah vektor dari titik acuan manapun ke arah muatan q_i. Substitusi persamaan ini ke dalam formula integral sebelumnya menghasilkan rumus berikut:

 

Persamaan ini ekuivalen dengan persamaan sebelumnya dengan keadaan netralitas muatan dan N = 2. Pada dua muatan yang saling berlawanan, yang menandai lokasi dari muatan positif pasangan muatan sebagai r₊ dan lokasi dari muatan negatif sebagai r₋ :

 

Memperlihatkan bahwa vektor momen dipole diarahkan dari muatan negatif menuju muatan positif karena vektor posisi satu titik diarahkan keluar dari asal titik itu.

Momen dipole paling mudah dipahami ketika sistem secara keseluruhan memiliki muatan netral; sebagai contoh sepasang muatan yang saling berlawanan tanpa muatan-muatan net (muatan total bernilai nol), atau satu konduktor netral di dalam medan listrik yang seragam. Pada satu sistem muatan tanpa muatan net, divisualisasikan sebagai satu kumpulan pasangan muatan-muatan yang berlawanan, hubungan momen dipole-nya adalah:

 

Yang merupakan penjumlahan vektor dari momen-momen dipole dari pasangan-pasangan muatan netral, karena keseluruhan muatan pada netralitas, momen dipole adalah bebas terhadap posisi observer/acuan r, sehingga nilai p independen/bebas terhadap pemilihan titik acuan, yang memberikan keseluruhan muatan dari sistem menjadi nol.

Kerapatan Momen Dipole dan Kerapatan Polarisasi

Kita telah mengetahui momen dipole dari sekumpulan muatan,

 

yang menentukan tingkat polarisasi dari kumpulan tersebut, tetapi kumpulan netral merupakan keberadaan vektor dari kumpulan muatan yang mudah dipahami tanpa informasi absolut dari kumpulan tersebut. Kerapatan momen dipole dari sekumpulan p(r) menunjukkan keadaan dari lokasi dan momen dipole dari sekumpulan tersebut. Untuk menghitung medan listrik di dalam satu wilayah yang berisi sekumpulan muatan, maka digunakanlah persamaan Maxwell, dan informasi mengenai muatan-kumpulan dirumuskan dalam kerapatan polarisasi P(r) dari persamaan-persamaan Maxwell. Kerapatan polarisasi yang dihasilkan tergantung kepada bagaimana kelayakan medan listrik yang dibangkitkan. Pada kasus-kasus yang memenuhi simetri geometri kristal, pizoelektrik akurasi mempersamakan P(r) = p(r) sudah mencukupi.

Persamaan Maxwell yang didasarkan pembagian dari muatan dan arus ke dalam model “bebas dan “terikat” akan membawa kita pada pengenalan medan D dan medan P:

 

 P disebut sebagai kerapatan polarisasi. Pada perumusan ini, divergensi dari persamaan ini menghasilkan skalar:

 

dan sebagai divergensi pada E sebagai muatan total, dan ρ_f  adalah ‘muatan bebas’, kita memiliki hubungan:

 

Dengan  ρ_b sebagai muatan terikat, yang merupakan selisih antara muatan total dan kerapatan muatan bebas.

Ketiadaan efek magnetik menyebabkan persamaan Maxwell menjadi:

 

Yang menyebabkan:

 

Dengan menggunkan dekomposisi Helmholtz, kita memperoleh:

 

Untuk potensial skalar φ, diperoleh:

 

Anggap bahwa muatan terbagi menjadi muatan terikat dan muatan bebas, maka potensial listrik total menjadi:

 

Kepenuhan kondisi-kondisi batas pada φ mungkin saja dibagi secara bebas antara φ_f dan φ_b karena hanya penjumlahan φ yang harus memenuhi keadaan ini.

Penerapan dalam teknologi:

a. Pizoelektrik.

Secara alamiah efek pizoelektrik berhubungan dekat dengan peristiwa moment dipole listrik pada benda padat. Saat ini, juga digunakan untuk menginduksi ion dan sisi takik-kristal (crystal lattice) pada kisaran muatan asimetris, atau secara langsung dibawa oleh grup-grup molekuler. Kerapatan dipole atau polarisasi (penanda dimensionalnya adalah cm/m³ , arah dan jarak momen dipole ditandai dalam cm untuk satu kristal/grup molekuler pada volume dengan penanda m³) dapat dihitung untuk kristal dengan penjumlahan momen-momen dipole per volume dari unit sel yang bersifat kristalograf; karena setiap dipole adalah vektor, maka kerapatan dipole P juga bersifat vektorial. Dipole-dipole listrik yang saling berdekatan cenderung terikat di dalam ranah-ranah yang disebut sebagai ranah Weiss. Ranah-ranah ini biasanya memiliki orientasi acak, tetapi dapat diikat menggunakan proses pengutuban, satu proses dengan melewatkan medan listrik sangat kuat melintasi material, biasanya pada temperatur yang bertingkat. Tidak semua material pizoelektrik dapat dikutubkan.

Sifat dari efek pizoelektrik yang penting adalah perubahan polarisasi P ketika tekanan mekanis diberikan kepada bahan pizoelektrik. Perubahan polarisasi ini dapat dirangsang dengan melakukan konfigurasi ulang dari dipole listrik yang menginduksi ‘lingkungan’ atau dengan re-orientasi momen dipole molekuler yang berada di bawah pengaruh tekanan luar.

Hal ini menyebabkan keadaan pizoelektrik muncul sebagai perubahan pada kekuatan polarisasi, atau arah polarisasi maupun keduanya, dengan ketergantungan pada:

1. Orientasi dari polarisasi di dalam kristal,
2. Simetri kristal,
3. Pemberian tekanan mekanis.

   a.1. Aktuator pada control valve

            Pada setiap proses industri yang melibatkan fluida tentu digunakan control valve yaitu sebuah sistem pengatupan untuk mengatur tingkat fluida yang harus dialirkan pada satu sistem perpipaan produksi untuk memenuhi kebutuhan tekanan dan volume fluida pada suhu tertentu.

 

 

a.2. Pressure transmiter.

Pressure transmitter adalah satu peralatan yang umum digunakan di dalam industri yang memberikan informasi besarnya tekanan pada satu subsistem perpipaan yang diubah dalam sinyal arus listrik ( pada umumnya menggunakan rentang 4 – 20 mA ).

 

1. b.      Membran listrik

Teknologi ‘membran listrik’ ini masih cukup baru, yaitu memanfaatkan gangguan medan listrik ‘bebas’ dari luar yang mengganggu medan listrik ‘terikat’ yang berada di bagian dalam ‘membran listrik’, sehingga sekumpulan momen-momen dipole di bagian dalam material membran listrik mengalami perubahan kerapatan polarisasi dan perubahan itu menghasilkan tegangan tertentu.

Membran listrik dengan bahan tertentu akan memiliki kerapatan medan ‘terikat’ yang tertentu pula. Sifat inilah yang dimanfaatkan untuk keperluan instrumen pengukuran.

b.1. Sensor Chromatography