Analisa Medan Listrik Elektroda Multi titik-bidang

Medan listrik yang tidak seragam karena adanya perbedaan geometri antar elektroda (multi titik-bidang) menimbulkan medan listrik yang kuat disekitar ujung elektroda titik (Nur, 2011). Kuat medan listrik pada elektroda titik bidang dipengaruhi oleh beberapa hal. Seperti yang dinyatakan oleh Azam dan Hidayanto (2006) dari penelitiannya, mereka menyimpulkan kuat medan listrik akan meningkat jika jarak titik ukur dengan ujung elektroda semakin kecil, tegangan elektroda diperbesar, jarak antar elektroda diperkecil. Kuat medan listrik antar elektroda merupakan fungsi jarak (x) antar elektroda. Besar kuat medan listrik ditunjukan dalam persamaan:

Dengan V adalah tegangan antar elektroda, r jari-jari ujung elektroda titik, d adalah jarak antar elektroda dan x adalah jarak ujung elektroda titik dengan sebuah titik yang berjarak x tertentu diantara kedua elektroda. Apabila jarak antar elektroda titik nol atau hanya terdiri dari satu elektroda titik maka medan listrik pada elektroda titik diberikan oleh persamaan 2.5 berikut (Nur, 2011):

 

Gambar di bawah adalah ilustrasi elektroda titik-bidang.

 

  Gambar  ilustrasi kuat medan listrik sebagai fungsi jarak (Nur, 2011)

PLASMA PIJAR KORONA

Plasma  pijar korona merupakan sebuah plasma non-thermal (non-tehremal equilibrium) yang terkarakterisasikan dengan temperatur gas rendah dan temperatur elektron tinggi. Lucutan korona dimulai ketika medan listrik disekitar elektroda dengan bentuk geometri sangat lengkung (elektroda aktif) memiliki kemampuan untuk mengionisasi spesies gas (Wardaya, Nur, 2010).

Korona adalah terlepasnya muatan listrik dari permukaan konduktor yang merupakan salah satu gejala tembus parsial karena adanya kuat medan listrik yang sangat tinggi di permukaan elektroda sehingga terjadi tembus di sekitar daerah elektroda tersebut. Korona diawali dengan adanya ionisasi dalam udara yaitu adanya kehilangan elektron dari molekul udara (Arismunandar, 1994). Jika tegangan tinggi dikenakan pada sepasang elektroda yang salah satunya berbentuk kawat, jarum atau bentuk lain dengan radius kecil, medan listrik di sekitar permukaannya akan menjadi tinggi. Elektron bebas di sekitar medan tinggi ini akan dipercepat sampai kecepatan yang mencukupi untuk  membebaskan elektron dari kulit terluar sebuah molekul gas melalui tumbukan yang menghasilkan sebuah ion positif dan elektron bebas lainnya (Dachlan dkk, 2008). Elektron bebas tambahan ini mengalami proses yang sama untuk menyebabkan ionisasi tumbukan berikutnya. Proses ini dinamakan avalance, yang terjadi berulang kali sehingga timbul elektron dan ion positif dalam jumlah besar di sekitar daerah korona. Korona dipengaruhi oleh beberapa kondisi yaitu tekanan udara, bahan elektroda, adanya uap air di udara, photoionisasi dan tipe tegangan tinggi yang diterap. Sedangkan karakteristik korona tergantung pada tegangan, bentuk permukaan elektroda, dan kondisi permukaan (Hermagasantos,1994).

Suatu korona akan bersifat positif atau negatif bergantung kepada pemberian polaritas tegangan elektroda aktif. Korona positif terjadi ketika elektroda aktif (elektroda dimana proses ionisasi terjadi) dihubungkan dengan terminal positif sumber tegangan. Sedangkan korona negatif terjadi ketika elektroda aktif dihubungkan dengan terminal negatif sumber tegangan. Pada gambar 2.2 ditunjukkkan daerah dalam lucutan pijar korona antara dua elektroda dengan konfigurasi geometri hyperboloid-bidang yang merupakan pendekatan terhadap geometri multi titik-bidang. Pada gambar 2.2 tersebut terdapat arus yang keluar dari geometri lengkung titik bidang yang dinamakan arus saturasi unipolar korona yang dihasilkan dari ion-ion yang mengalir melalui daerah aliran muatan (drift region)  (Wardaya, Nur, 2010).

Gambar 2.2 ilustrasi daerah antara dua elektroda pada lucutan korona titik bidang dengan polaritas positif pada elektroda titik.

Pada konfigurasi elektroda geometri hyperboloid­-plane (pendekatan untuk konfigurasi multi titik-bidang), arus saturasi unipolar korona diberikan oleh persamaan:

           

Di mana I_sadalah arus saturasi unipolar korona, V adalah tegangan korona, µadalah mobilitas ion unipolar, ε₀adalahpermitivitas ruang hampa, dan d adalahjarak antar elektroda.

Refrensi:

Arismunandar, A.. 1994. Teknik Tegangan Tinggi. PT Pradnya Paramita: Jakarta.

Dachlan, Harry Soekotjo, Moch. Dhofir dan Vico Fernanda. Pengaruh Sudut Keruncingan dan Diameter Finial Franklin Terhadap Distribusi Medan Listrik dan Tingkat Tegangan Tembus. Jurnal EECCIS Vol. II, No. 1, Juni 2008.

Hermagasantos. 1994. Teknik Tegangan Tinggi, Teori dan Pegangan untuk Laboratorium. Jakarta: PT. RosdaJayaputra.

Wardaya, Asep Y. dan Nur M.  Analisis Medan Listrik Pada Plasma Korona Dengan Konfigurasi Cincin Bidang. Berkala Fisika Vol. 13, No. 4, Oktober 2010.

PROSES TERJADINYA PLASMA

     Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa plasma merupakan gas yang terionisasi. Jadi dalam peristiwa terbentuknya plasma mesti ada proses ionisasi. Ionisasi adalah proses munculnya ion disekitar elektroda karena meningkatnya tegangan yang diterapkan. Tegangan yang menyebabkan elektron keluar untuk pertama kalinya disebut tegangan insepsi. Ion adalah atom atau molekul yang mempunyai jumlah elektron yang tidak sama dengan jumlah protonnya, sehingga atom atau molekul tersebut bermuatan listrik. Atom atau molekul yang mempunyai kelebihan muatan negatif disebut ion negatif sedangkan atom atau molekul yang mempunyai kelebihan muatan positif disebut ion positif.

            Selain ionisasi, menurut Nur (2011) ada beberapa proses yang dapat menyebabkan terbentuknya plasma yaitu dissosiasi dan eksitasi.  Dissosiasi, berdasarkan kamus ilmiah diartikan sebagai proses pemecahan molekul melalui proses kimiawi maupun fisika (Partanto, Albarry, 1994). Menurut Nur (2011) dissosiasi diartikan sebagai pemisahan molekul menjadi atom-atom penyusunnya. Partikel gas yang terdissosiasi dapat terionisasi menjadi ion positif dan ion negatif. 

Eksitasi adalah perpindahan elektron dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap energi dari tumbukan dengan elektron luar. Kebalikan dari eksitasi disebut relaksasi atau deeksitasi dengan memancarkan foton.  Plasma merupakan gas yang terionisasi. Tapi tidak semua gas yang terionisasi disebut plasma. Suatu gas yang terionisasi harus memenuhi persyaratan seperti kerapatan, temperatur, panjang debye dan energi, untuk bisa dikatakan sebagai plasma (Nur, 2011).

            Komposisi normal udara kering adalah: 78% nitrogen, 21% oksigen, dan 1% gas lainnya (Arty, 2005).Dengan komposisi nitrogen pada udara yang mencapai 78 %, ini berpotensi menghasilkan ion N⁺ apabila diradiasi dengan plasma. Ion N⁺ diharapkan dapat menyusup kesuatu bahan, di mana penyusupan ion nitrogen terhadap suatu bahan dapat merubah struktur mikro bahan, hal tersebut dapat menyebabkan perubahan sifat-sifat kimia maupun fisik bahan.

Refrensi:

Arty, Indah Sulistyo. Pendidikan Lingkungan Hidup Tentang Bahaya Polutan Udara. Cakrawala Pendidikan, November 2005, Th. XXIV, No. 3.

Nur, M. 2011. Fisika Plasma dan Aplikasinya: Universitas Diponegoro. Semarang.

Partanto, M. Pius dan Albarry, Dahlan.1994. Kamus Ilmiah Populer. Arkola: Surabaya.

 

BERKENALAN DENGAN PLASMA

Lucutan gas merupakan salah satu kajian fisika yang sudah cukup lama digeluti. Gas yang pada kondisi normal bersifat sebagai isolator, pada kondisi tertentu dapat berubah menjadi konduktor.  Dalam skala laboratorium lucutan elektrik dapat dilakukan dalam tabung berisi gas atau pada udara tekanan atmosfir dengan tegangan tertentu. Secara garis besar lucutan gas dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu:  Lucutan tak mandiri (non-self-sustained), merupakan lucutan yang masih memerlukan energi dari luar untuk terjadinya ionisasi dan lucutan mandiri (self-sustained), merupakan lucutan yang tidak memerlukan energi atau tegangan dari luar (Nur, 2011).

           

Definisi Plasma

Plasma merupakan gas yang terionisasi, terdiri dari elektron-elektron bebas, ion-ion, atom-atom atau molekul-molekul (Fridman, 2008). Plasma adalah kumpulan partikel bermuatan yang  bergerak  bebas dalam arah acak, jumlah muatan rata-rata plasma adalah netral atau nol. Plasma didefinisikan oleh Langmuir dan Tonks sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik. Plasma dapat juga didefinisikan sebagai percampuran antara elektron, radikal, ion positif dan ion negatif. Percampuran antara ion-ion yang bermuatan positif dengan elektron yang bermuatan negatif  dan radikal, memiliki sifat-sifat yang sangat berbeda dengan gas pada umumnya, materi pada fase ini disebut fase plasma dan dianggap sebagai materi ke empat setelah padat, cair dan gas (Nur, 2011). Plasma juga dikenal sebagai fluidapenghantar (konduktif). Plasma memiliki konduktivitas listrik yang tinggi, sehingga medan listrik dalam plasma bernilai sangat kecil. Hal ini disebabkan arus yang muncul seolah-olah terhubung pendek dalam ruang akibat konduktivitas listrik yang tinggi.

Gambar 1 ilustrasi fase materi ke empat setelah fase padat, cair dan gas (Nur, 2011)

Plasma adalah gas yang terionisasi.Tetapi tidak semua gas yang terionisasi dikatakan sebagai plasma.Gas yang terionisasi mempunyai kriteria untuk disebut sebagai plasma yaitu derajat ionisasi, panjang Debye (λ_D), temperatur dan energi.Derajat ionisasi menentukan karakteristik plasma yang terbentuk. Derajat ionisasi dinyatakan dengan:

                                                                                

dengann adalah kerapatan partikel bermuatan dan n_omerupakan kerapatan partikel netral. Derajat ionisasi yang kurang dari 10^-4 diklasifikasikan sebagai gas terionisasi rendah.Di atas batas harga ini dapat dianggap sebagai gas terionisasi tinggi. Panjang Debye dinyatakan dengan persamaan:

                                                                             

di mana λ_D adalah panjang Debye dalam m, ε₀ adalah permitifitas ruang hampa (8,85 x 10^-12 C² Nm^-2), k adalah konstanta Boltzman (1,38.10^-23 J/K), T_eadalah temperatur elektron (K), n_e adalah kerapatan elektron (m^-3) dan e adalah muatan elektron (1,6 x 10^-19 C) (Naseer, 1971).

Nur, M. 2011. Fisika Plasma dan Aplikasinya: Universitas Diponegoro. Semarang.

Fridman, Alexander. 2008. Plasma Chemistry. Cambrige University Press: New York.

Nasser, E.. 1971.Fundamental of Gasseous Ionization and Plasma Electronics.Wiley-Interscience: New York.