MATERI I.
BAHAN MAGNET
Menurut
sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan,bahan magnet dapat digolongkan menjadi 5 yaitu
diamagnetic, paramagnetic, ferromagnetic,anti feromagnetik, dan
ferrimagnetik(ferrit).
Bahan diamagnetic adalah bahan
yang sulit menyalurkan garis gaya magnit(ggm). Permeabilitasnya sedikit lebih
kecil dari 1 dan tidak mempunyai dwikutub yang permanen. Bahan – bahan
diamagnetic antara lain : Bi,Cu,Au,Al₂O₃,NiSo₄.
Bahan paramagnetic adalah bahan yang
dapat menyalurkan garis gaya magnit (ggm) tetapi tidak banyak. Permeabilitasnya
sedikit lebih besar dari 1. Susunan dwikutubnya tidak beraturan. Bahan-bahan
paramagnetic antara lain: Al,Pb, Fe₂So₄,
Fe So₄,
Fe Cl₂,
Mo,W, Ta, Pt, dan Ag.
Bahan ferromagnetic
adalah bahan yang mudah menyalurkan ggm.
Permeabilitasnya jauh diatas 1. Bahan ferromagnetic antara lain : Fe, Co, Ni,
Gd, Dy,
Teori anti
ferromagnetic dikembangakan oleh Neel seorang ilmuwan perancis.
Resistivitas bahan
ferromagnet adalah rendah. Hal ini
menyebabkan pemakian ferromagnetic terbatas pada frekuensi rendah. Sedangkan
pada bahan ferrimagnetik resistivitasnya jauh lebih tinggi dibanding
bahan ferromagnet. Karena itu ferritmagnet (ferrit) layak digunakan pada
peralatan yang menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy yang terjadi
padanya kecil.
Rumus bahan
ferrimagnetik adalah Mo. Fe₂O₃
( M adalah logam bervalensi 2 yaitu Mn, Mg, Ni, Cu, Co, Zn, Cd). Contoh :
ferrit, seng ,nikel rumusnya adalah α NiO,β ZnO, Fe₂O₃
dimana α+β=1.
Bahan – bahan
ferromagnetic dapat dikategorikan
menjadi 2 yaitu:
1. Bahan
yang mudah dijadikan magnet yang lazim disebut bahan magnetic lunak, bahan ini
banyak digunakan untuk inti transformator, inti motor atau
generator,rele,peralatan, sonar, atau radar.
2. Bahan
ferromagnetic yaitu sulit dijadikan magnet tetapi setelah menjadi magnet tidak
mudah kembali seperti semula disebut bahan magnetic keras, bahan ini digunakan
untuk pabrikasi magnet permanen.
10.1. Parameter-parameter
magnetic
10.1.1 permeabilitas
dan susceptibilitas magnetic.
Pada
perhitungan – perhitungan tentang magnet, terdapat hubungan antara fluxi (B)
dengan satuan Wb/m2 atau tesla dengan kuat medan (H) dengan satuan A
lilit/m sebagai berikut:
B
= μ H………………………………………………………….(10-1)
μ
= μr. μo
sehingga:
B=
μr. μo. H…………………………………………………….(10-2)
μ adalah permeabilitas
bahan yang merupakan hasil perkalian permeabilitas absolute ( μo) dengan
permeabilitas relative (μr). besarnya μo= 4.π.10-7H/m. besarnya μ
untuk bahan ferromagnetic adalah tidak konstan.
10.1.2. momen magnetic
Besar
torsi akan tergantung pada : luas kumparan, arus,dan rapat fluksi yang
terpotong bidang kumparan.
Momen dwikutub magnetic hubungan dengan
torsi adalah :
Pm
= I.Akumparan ………………………….(10-3)
pm dengan satuan A/m2 adalah
merupakan vector yang arahnya tegak lurus terhadap kumparan.
10.1.3. magnetisasi
Semua
bahan adalah memungkinkan menghasilkan medan magnetic, dari itu diperoleh
secara eksperimental untuk menimbulkan momen magnetic. Besarnya momen Ini per
unit volume disebut magnetisasi dari medium (M) dengan satuan C/m. dt atau A/m.
Pada saat medan
magnetic diberikan pada suatu bahan,induksi magnetic (rapat fluksi)adalah
penjumlahan dari efek pada keadaan pakem suatu bahan, sehingga besarnya rapat
fluksi (E) menjadi :
B
= μo. H + μo. M ……………………………… ( 10-4)
M
= (μ-1) . H
= Xm.H………………………………………..(10-5)
Xm adalah susceptibilitas magnetic.
Magnetisasi (M) dari bahan dapat diekspresikan sebagai momen dwikutub magnetic
(pm) dengan satuan C. m2/dt atau A/m2
dimana
:
M
= N. pm ……………………………………….(10.6)
N adalah jumlah dwikutub magnetic per
unit volume.
Dari persamaan (10-5)
susceptibilitas magnetic Xm= ur -1 dari bahan sebagai magnetisasi per satuan medan magnet (H).
berdasarkan susceptibilitasnya dapat dibedakan sifat kemagnetan suatu bahan
yaitu : untuk Xm berbanding terbalik dengan suhu )adalah paramagnetic, untuk Xm
yang besar adalah ferromagnetic.
10.2
Laminasi Baja kelistrikan
Cara
yang paling praktis untuk mengubah bahan magnetic lunak untuk menjadi baja
kelistrikan adalah dengan menambah silicon kedalam komposisinya. Cara ini akan
mengurangi rugi histerisis dan arus pusar dengan tajam karena resistivitasnya
bertambah. Paduan baja dengan silicon sekarang sangat penting untuk bahan
magnetic lunak pada teknik listrik. Tapi perlu kita ingat penanbahan silicon
dapat merapuhkan bahan.
Kandungan Si (%)
|
Resistivitas ohm-mm2/m
|
Massa jenis g/cm3
|
0,8-1,8
1,8-2,8
2,8-4,0
4,0-4,8
|
1,25
0,4
0,5
0,57
|
7,8
7,75
7,65
7,55
|
Laminasi untuk transformator umumnya
mengandung Si sekitar 4%, sedangkan untuk jangkar motor listrik kandungan Si
nya 1-2 %. Ketebalan laminasi baja transformator untuk inti peralatan listrik
adalah 0,1 hingga 1 mm . baja listrik jenis lain adalah baja listrik dengan
proses dingin.
10.3
Bahan Magnetik Lunak Lain
Bahan
magnetic lunak yang banyak digunakan adalah paduan besi-nikel. Paduan yang
terdiri dari besi –nikel dengan tambahan molybdenum,chromium atau tembaga
disebut
Permalloy
dapat dibedakan berdasarkan kandungan nikelnya yaitu permalloy nikel rendah
yaitu permalloy yang mengandung nikel 40 hingga 50% dan permalloy yang
mengandung nikel 72 hingga 80% disebut permalloy tinggi.
Alfiser adalah bahan yang tegas sehingga
sangat mudah dijadikan bubuk untuk dibuat bahan dielektrikmagnet. Harganya
lebih murah daripada permalloy karena komposisinya tidak tergantung Ni.
Ferrit
adalah bahan semikonduktor yang mempunyai resistivitas anatara 102
hingga 107 Ώcm.
10.4.
bahan magnet permanen
Magnet
permanen digunakan pada instrumen penginderaan,rele, mesin-mesin listrik yang
kecil dan banyak lagi.
Baja karbon yaitu baja dengan komposisi
karbon 0,4 hingga 1,7% merupakan bahan dasar pembuatan magnet permanen.untuk
meningkatkan kemagnetannya, maka baja karbon ditambah wolfram,kromium ,dan baja
kobal harus dikeraskan sebelum dimagnetisasi. Bahan paduan alni terdiri dari alumunium ,nikel,dan besi. Sedangkan alnico adalah bahan paduan yang terdiri
dari alumunium,nikel,dan kobal.
Penggunaannya
antara lain : magnet pada pengeras suara,perangkat penggandeng magnetic.
Beberapa bahan magnet kertas
Nama
|
Komposisi
|
Hc A-lilit/m
|
Br Wb/m2
|
(BH)
maks J/m3
|
Baja wolfram
Baja chrom
Baja kobal
Alni
Alnisi
Alnico
II
Alnico
V
Vektolit
Platina
kobal
|
93,3% Fe, 0,7 %C,6%W
96% Fe, 1% C,3% Cr
59% Fe, 1% C, 5% Cr, 5% W, 30% Co
57% Fe, 4% Cu, 25% Ni, 14% Al
51%Fe, 4% Cu, 25% Ni, 14% Al
55% Fe, 17% Ni, 12% Co,10% Al
51% Fe,24% Co, 14% Ni, 8% Al
44% Fe3O4,
30% Fe2O3, 26% Co2O3
77% Pt, 23% Co
|
4.800
4.800
17.500
43.800
63.700
50.000
50.000
70.000
200.000
|
1,05
0,9
0,9
0,55
0,4
0,7
1,2
0,6
0,45
|
2.400
2.200
7.440
10.400
11.200
17.000
45.000
4.000
16.000
|
10.5 magnetostriksi
Pada
sebuah bahan ferromagnetic diamaganetisasi, umumnya secara fisik terjadi
perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut magnetostriksi.
Terdapat 3 jenis magnetostriksi yaitu:
a. Magnetostriksi
longitudinal adalah perubahan panjang searah dengan magnetisasi. Perubahan ini
dapat bertambah dan berkurang.
b. Magnetostriksi
transversal yaitu perubahan dimensi tegak lurus dengan arah magnetisasi.
c. Magnetostriksi
volume yaitu perubahan volume sebagai akibat dari kedua efek atas.
MATERI
II.
SEMIKONDUKTOR
I. Struktur Fisis Bahan Semi konduktor
Silikon dan germanium adalah bahan yang
biasanya dipakai sebagai bahan semi konduktor. Kedua bahan tersebut terdapat
dalam kolom ke empat dari sistem periodik unsur-unsur kimia. Pada material ini,
lapisan terluar elektron-elektron yang sering juga disebut lapisan valensi
(menurut model atom Bohr), terdiri dari empat elektron yang memungkinkan suatu
hablur atau kristal murni untuk membentuk ikatan-ikatan kovalen yang kuat.
Pada struktur atom silikon murni
terdapat tiga lapisan yaitu lapisan dalam mempunyai dua elektron, lapisan
tengah mempunyai delapan elektron, dan lapisan luar mempunyai empat elektron.
Sedangkan pada struktur atom germanium murni, terdapat empat lapisan masing-masing
mengandung dua, delapan, delapan belas, dan empat elektron.
Ikatan kovalen yang terjadi adalah
sangat kuat sekali, sehingga akan diperlukan energi yang cukup besar untuk
membebaskan sebuah elektron dari ikatannya. Dapat dikatakan bahwa pada temperatur
kamar, bahan semi konduktor murni mempunyai tahanan listrik yang sangat tinggi,
oleh karena itu merupakan bahan isolator. Tahanan jenis bahan semi konduktor
akan turun dengan naiknya temperatur.
Untuk mempersiapkan bahan semi konduktor
murni, misalnya digunakan sebagai transistor atau penyearah (rectifier),
perlu dilakukan rekayasa (engineering) sehingga energi dari
elektron-elektron pada lapisan valensi bertambah. Hal ini dapat dilakukan
dengan suatu proses yang biasanya disebut doping, dimana bahan semi
konduktor dicampur dengan bahan lain.
II. Macam-macam bahan semi konduktor
- Semi konduktor Intrinsik
(bahan semi konduktor murni)
Jenis bahan semi konduktor intrinsik
umumnya mempunyai valensi empat dan ikatan dalam kristalnya adalah ikatan kovalen,
hal ini dapat dimengerti karena elektron valensi pada kulit terluar dipakai
bersama-sama.
Pada bahan semi konduktor intrinsik,
hantaran listrik yang terjadi disebabkan oleh mengalirnya elektron karena
panas. Apabila temperatur naik, maka akan terjadi random thermissehingga
akan ada elektron yang terbebas dari ikatan atomnya (elektron pada kulit
terluarnya). Dengan terlepasnya elektron ini, maka terjadilah kekosongan
elektron yang sering disebut “hole”. Hole ini mempunyai sifat seperti
partikel-pertikel yang dapat menghantarkan arus listrik karena dapat
berpindah-pindah, dan dianggap sebagai partikel yang bermuatan positif sebesar
muatan elektron. Gerakan hole ini menyebabkan gerakan elektron
yang terikat.
Sifat-sifat semi konduktor intrinsik:
Jumlah
elektron bebas sama dengan hole
Hantaran
arus disebabkan oleh elektron bebas dan hole
Arah
pergerakan hole sama dengan arah polaritas medan listrik E dan berlawanan arah
dengan pergerakan elektron
Umur
rata-ratanya adalah antara 100-1000 detik atau lebih. Umur rata-rata dari
sepasang elektron-hole (electron-hole pair) adalah jumlah waktu saat
tertutupnya pasangan elektron-hole sampai bertemunya elektron bebas dengan
hole. Adapun yang mengisi hole pada umumnya adalah elektron yang terikat
dilapisan sebelah bawahnya.
2. Semi konduktor Ekstrinsik (semi konduktor tidak murni)
Jenis bahan semi konduktor ekstrinsik
didapat dengan jalan mengadakan doping antara bahan semi konduktor intrinsik
dengan bahan yang valensinya berada dibawah atau di atas bahan intrinsik
tersebut. Atas dasar tersebut, dibedakan dua jenis semi konduktor ekstrinsik,
yaitu :
N-type semi konduktor
P-type semi konduktor
N-type semi konduktor
Apabila atom semi konduktor intrinsik
yang bervalensi empat didoping dengan atom lain yang valensinya lebih tinggi
(misalnya valensi 5), maka molekul bahan campuran tersebut akan mengalami
kelebihan satu elektron, selanjutnya elektron ini merupakan elektron bebas
(lihat gambar -3 diatas).
Pendopingan dapat dilakukan melalui
proses pemanasan, sehingga akan terjadi penyesuaian diri dari dua macam atom
yang berbeda valensinya dalam membentuk suatu molekul/kristal. Atom yang
menyebabkan terjadinya elektron bebas dalam satu susunan kristal atom disebut
atom donor, dan jenis bahan macam ini dinamakan N-type semi
konduktor.
Di dalam tubuh N-type semi konduktor
dapat diperoleh dua pembawa muatan yaitu :
1. Elektron
sebagai majority carrier
2. Hole
sebagai minority carrier
Dengan adanya kelebihan elektron, maka
akan memberikan level energi baru dimana elektron akan mudah ber-eksitasi ke
pita valensi. Jadi pada N-type semi konduktor akan terjadi level energi baru
yang disebut energy level donor (Ed), dimana pada
level ini berisi penuh dengan elektron, sehingga apabila ada elektron berpindah
ke pita valensi, maka elekatron ini akan meninggalkan muatan positif pada level
donor. Akibatnya pada atom bervalensi 5 terkumpul muatan positif
P-type semi konduktor
Apabila atom semi konduktor intrinsik
yang bervalensi 4, didoping dengan atom yang bervalensi 3, maka pada
pencampuran ini akan terjadi kekurangan elektron atau akan terdapat lubang (hole).
Seperti halnya pada N-type semi konduktor, maka doping ini dilakukan dengan
pemanasan, sehingga setiap atom dapat menyesuaikan dirinya dengan baik dan akan
membentuk kristal.
Dengan adanya hole (kekurangan
elektron), maka hole ini akan menarik elektron dari atom yang berdekatan dan
selanjutnya atom yang telah kehilangan elektron tersebut akan menjadi
lubang. Dengan demikian maka hole dapat berganti-ganti, seakan-akan merupakan
muatan listrik positif yang sedang bergerak.
Atom yang menyebabkan timbulnya hole
dalam susunan kristal disebut atom acceptor, dan jenis bahannya dinamakan
P-type semi konduktor. Ada dua pembawa muatan pada P-type semi konduktor ,
yaitu:
1. Hole
sebagai majority carrier
2. Elektron
sebagai minority carrier
Dengan prinsip energi level band,
keterangan diatas dapat dijelaskan sebagai berikut:
Dengan adanya kekurangan elektron, maka akan memerlukan suatu energi
baru dimana elektron yang terdapat pada pita valensi akan berpindah keenergy
level band yang baru tersebut. Level yang kosong tersebut
dinamakan energy level acceptor(Ea).
III. Bahan-bahan semi konduktor
Bahan-bahan semi konduktor yang sering
digunakan adalah Germanium dan Silikon. Sifat-sifat bahan tersebut dapat
dijelaskan sebagai berikut :
A. Germanium
Germanium merupakan salah satu bahan
semi konduktor yang banyak dipakai. Germanium diperoleh sebagai serbuk berwarna
kelabu melalui proses kimia, yaitu dengan mereduksi germanium oksida. Selain
itu juga dapat diperoleh dari pemurnian Kadmium dan seng.
Germanium adalah bahan semi konduktor
yang bervalensi 4 dan mempunyai susunan seperti karbon atau silikon.
Spesifikasi germanium adalah sebagai berikut:
Daya hantar
panas
: 0,14 Cal/cm dt °C
Kapasitas
panas
: 0,08 Cal/gr °C
Koefisien muai panjang (0-100°C) : 6 x
Titik
lebur : 936°C
Permitivitas : 16 C2/N m2
Tahanan jenis listrik pada 20°C : 0,47 Ω m
Pada temperatur yang rendah, bahan semi
konduktor ini bersifat sebagai isolator, kemudian pada suhu yang cukup tinggi,
bahan ini berubah sifatnya menjadi bahan penghantar yang baik. Germanium
merupakan bahan yang sangat luas pemakaianya didalam pembuatan rectifier,
transistor, dan peralatan semi konduktor yang lain.
Germanium yang dicampur dengan Arsen
(As) disebut N-Germanium. N artinya negatif, karena pada temperatur kamar,
germanium tipe N ini mempunyai banyak elektron bebas yang bermuatan negatif.
Arsen yang memberikan elektron disebut donor. Germanium yang dicampur dengan
Indium (In) yang mempunyai 3 elektron valensi disebut P-Germanium. P artinya
positif, dan menunjukkan bahwa banyak sekali hole yang bermuatan positif yang
ada dalam Germanium tipe P ini.
- Silikon
Silikon (Si) tidak ditemukan dalam
bentuk aslinya, akan tetapi ditemukan dalam bentuk silika yang direduksi dengan
kokas dan kemudian dimurnikan dengan converter, menghasilkan SiO atau SiHCl, atau dengan proses didestilasi
berulang-ulang dan kemudian direduksi dengan hydrogen menghasilkan SiH.
Sifat-sifat silikon :
Mempunyai
mobilitas yang tinggi
Konstanta
dielektriknya kecil
Konduktivitas
termis yang besar
Disipasi
panas yang baik.
Impurity
ionization energy yang sangat kecil
Dari sifat-sifat silikon tersebut
diatas, maka silikon banyak digunakan sebagai bahan semi konduktor, misalnya
sebagai dioda rectifier, thyristor (SCR), dan lain-lain. Senyawa silikon, SiO (quartz), sering dipergunakan pada
alat-alat optik dengan index bias 1,54.
.
IV. Dioda dan Transistor
- Dioda
Jika dua tipe bahan semi konduktor yaitu
type-P dan type-N digabung menjadi satu, maka akan didapat sambungan P-N (p-n
junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang
material tipe P dan tipe N bukan disambung begitu saja, melainkan dari satu
bahan semi konduktor diberi doping (impurity material) yang berbeda.
Jika diberi tegangan maju (forward
bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan
mudah dapat mengalir dari sisi N dan mengisi kekosongan elektron (hole)
di sisi P. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), maka
tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi
P, karena tegangan potensial di sisi N lebih tinggi. Hal itu
menyebabkan dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai
untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier).
B. Transistor
Transistor merupakan dioda dengan dua
sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP
maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base, dan
kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor.
Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip
kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi
kekurangan elektron (hole) di kutub positif. Transistor bipolar pertama kali
ditemukan oleh William Schockley pada tahun 1951.
Transistor adalah komponen yang dapat
bekerja sebagai sakelar (switch on/off) dan juga sebagai penguat (amplifier).
Transistor bipolar adalah inovasi yang mengantikan transistor tabung (vacum
tube). Selain dimensi transistor bipolar yang relatif lebih kecil, disipasi
dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih
dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan
terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik, namun
konsumsi dayanya sangat besar. Sebab untuk dapat melepaskan elektron, teknik
yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti pada lampu pijar.
Transistor bipolar memiliki 2 junction
yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda. Emiter-Base adalah salah
satu junction dan Base-Kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus
hanya akan mengalir hanya jika diberi bias positif, yaitu hanya jika tegangan
pada material P lebih positif daripada material N (forward bias).
Pada gambar ilustrasi transistor NPN
berikut ini, junction base-emiter diberi bias positif sedangkan base-colector
mendapat bias negatif (reverse bias).
Karena base-emitor mendapat bias positif
maka seperti pada dioda, elektron mengalir dari emiter menuju base. Kolektor
pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Karena
kolektor ini lebih positif, aliran elektron bergerak menuju kutub ini. Misalnya
tidak ada kolektor, aliran elektron seluruhnya akan menuju base seperti pada
dioda. Tetapi karena lebar base yang sangat tipis, hanya sebagian elektron yang
dapat bergabung dengan hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus
lapisan base menuju kolektor.
Itulah alasannya mengapa jika dua dioda
digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, karena persyaratannya
adalah lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh
elektron. Jika misalnya tegangan base-emitor dibalik (reverse bias),
maka tidak akan terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika base
diberi bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan
besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan.
MATERI III.
SUPERKONDUKTOR
1. Sejarah
Superkonduktor
Superkonduktor
pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas
Leiden pada tahun 1911. Padatanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan
helium dengan caramendinginkan hingga 4 K atau 269oC. Kemudian pada tahun 1911,
Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat
dingin.Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun
ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat
mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperature logam
mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ilmuwan pada waktu ituseperti William
Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai
nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa
hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang
sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang
sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada
suhu 4,2 K, Onnes mendapatkan hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus
mengalir melalui kawat merkuri terus-menerus. Dengan tidak adanya hambatan,
maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan
mengalirkan arus pada suatu
kumparan
superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber
arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap
mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Atas
penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.
2. Teori Superkonduktor
2.1. Pengertian
Superkonduktor
Superkonduktor
merupakan bahan material yang memilikihambatan listrik bernilai nol pada suhu
yang sangat rendah. Artinya superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun
tanpa adanya sumber tegangan.
Karakteristik
dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol
dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah
suhu kritisnya.
Gambar
1. Grafik hubungan antara resistivitas terhadap Suhu
2.2. Sifat Kelistrikan
Superkonduktor
Sebelum
menjelaskan prinsip superkonduktor, akan lebih baik jika terlebih dahulu
menjelaskan bagaimana kerja logam konduktor pada umumnya. Bahan logam tersusun
dari kisi-kisi dan basis serta electron bebas. Ketika medan listrik diberikan
pada bahan, elektron akan mendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan
elektron ke segala arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan
adanya hambatan listrik pada logam konduktor.
Gambar 2. Keadaan normal Atom Kisi pada logam
Pada
bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara electron dengan inti atom.
Namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi.
Efek ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS. Ketika elektron melewati kisi, inti
yang bermuatan positif menarik elektron yang bermuatan negatif dan
mengakibatkan elektron bergetar.
Gambar 3. Keadaan
Superkonduktor Atom Kisi pada logam
Jika
ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan mendekati
elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar. Gaya
ini melebihi gaya tolak-menolak antar electron sehingga kedua elektron bergerak
berpasangan. Pasangan ini disebut Cooper Pairs. Efek ini dapat
dijelaskan dengan istilah Phonons. Ketika elektron pertama pada Cooper
Pairs melewati inti atom kisi. Elektron yang mendekati inti atom kisi akan
bergetar dan memancarkan Phonon. Sedangkan elektron lainnya menyerap Phonon.
Pertukaran Phonon ini mengakibatkan gaya tarik menarik antar elektron.
Pasangan elektron ini akan melalu kisi tanpa gangguan dengan kata lain tanpa
hambatan.
2.3.
Sifat Kemagnetan Superkonduktor
Sifat
lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetismesempurna. Jika sebuah
superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet
dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan
magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang
diberikan. Efek yang sama dapat diamati jika medan magnet diberikan pada bahan
dalam suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor.
Pada suhu kritis, medan magnet akan
ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner.
2.4.
Sifat Quantum Superkonduktor
Teori
dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melaluitulisan Bardeen, Cooper
dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakanteori BCS. Fungsi gelombang BCS
menyusun pasangan partikel dan. Ini adalah bentuk lain dari pasangan partikel
yang mungkindengan Teori BCS. Teori BCS menjelaskan bahwa :
a.
Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar
terpisah dengan keadaan
tereksitasi oleh energi gap.
b. Interaksi antara elektron, elektron
dan kisi menyebabkan adanya energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang
tidak langsungini terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan
merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan darideformasi kisi. Kedua
elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi.
c. London Penetration Depth merupakan
konsekuensi dari Teori BCS.
d. Teori BCS memprediksi suhu kritis
2.5. Tipe – tipe
Superkonduktor
Berdasarkan
interaksi dengan medan magnetnya, makasuperkonduktor dapat dibagi menjadi dua
tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II.
2.5.1. Superkonduktor
Tipe I
2.5.2. Superkonduktor tipe I
menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan
Schrieffer)
Dijelaskan
dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut pasangan Cooper).
Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion
logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan
tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas
akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut
superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner,
yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu
tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala
superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan
terus – menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan
magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan
normal.
2.5.2. Superkonduktor
Tipe II
Superkonduktor
tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS karena apabila
superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS,efek Meissner nya tidak
terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan
superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan
elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang.
Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan
pusaran (vortices) dan bagaimana
medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam
pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat
memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan
magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam
pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet. Superkonduktor
tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat
kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Pada suhu kritis,
maka bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II
memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I.
2.6. Kelompok
Superkonduktor
Berdasarkan
nilai suhu kritisnya, superkonduktor dibagi menjadi dua kelompok yaitu :
2.6.1. Superkonduktor
bersuhu kritis rendah
Superkonduktor
jenis ini memiliki suhu kritis lebih kecil dari23 K. Superkonduktor jenis ini
sudah ditinggalkan karena biaya yang mahal untuk mendinginkan bahan.
2.6.2. Superkonduktor
bersuhu kritis tinggi
Superkonduktor
jenis ini memiliki suhu kritis lebih besar dari78 K. Superkonduktor jenis ini merupakan
bahan yang sedang dikembangkan sehingga diharapkan memperoleh superkonduktor
pada
suhu kamar sehingga lebih ekonomis. Contoh Superkonduktor bersuhu kritis tinggi
adalah sampel bahan YBa2Cu3O7-x. Bahan ini memiliki struktur kristal
orthorombic.
2.7.Perkembangan bahan superkonduktor dari saat
pertama kali ditemukan
Tabel 3.1 Tabel jenis-jenis
bahan sebagai bahan utama superkonduktor
2.8
Aplikasi Superkonduktor
Memang
sampai saat ini aplikasi superkonduktor masih belum diproduksi dan di aplikasi
secara luas, tetapi masih pada tahap penelitian. Karena superkonduktor sampai
saat ini masih membutuhkan pendinginan agar mencapai suhu kritis dari bahan
tersebut. Dari penelitian para ahli tentang superkonduktor yang sudah dilakukan,
ada beberapa yang sudah digunakan secara permanen dan ada pula yang masih dalam
pengembangan pada laboratorium-laboratorium tertentu.
2.8.1 Efisiensi dan
Desain yang Dinamis
Manfaat
yang terbesar dengan ditemukannya bahan superkonduktor adalah jelas terasa pada
bidang kelistrikan. Andai saja jika pada generatr konvensional efisiensinya
terletak
antara 98,5 sampai 99,0 persen, maka pada pada generator superkonduktor
efisiensinya mencapai 99,6 persen. Peningkatan yang cukup signifikan ini
disebabkan karena superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet yang sangat
kuat.
2.8.2 Penyimpan Energi
Listrik
Banyak
cara yang dilakukan untuk menyimpan energi listrik. Salah satunya adalah dengan
cara elektrokimia yang menggunakan bantuan baterai. Teknik ini memungkinkan
penyimpanan energi listrik secara efisien antara 50 hingga 90
persen.Superkonduktor bisa digunakan sebagai alat penyimpan energy listrik atau
sering disebut dengan nama Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES).
Efisiensi penyimpanan denga teknolgi ini mencapai 95 persen. Meski penyimpanan
dengan sistem SMES untuk kondisi saat ini masih dinilai mahal, namun dengan
penemuan superkonduktr suhu tinggi diharapakan persoalan biaya tersebut dapat
diturunkan.
2.8.3 Elektromagnet
Karena
konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resistansi, maka
dimungkinkan membuat selenoide dengan super konduktor tanpa kerugian yang
menimbulkan panas. Selenoide dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet
nol untuk kawat yang digunakan memungkinkan membangkitkan sebuah medan magnet
tipis dari lilitan. Karena dengan bahan super konduktor memungkinkan membuat
elektromagnet yang kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari elektromagnet
dengan super konduktor antara lain : komponen Magneto Hidro Dinamik.
2.8.4 Elemen Penghubung
Karena
super konduktor mempunyai Hc dan Tc, maka dalam pemakaian super konduktor
sebagai elemen penghubung dapat menggunakan pengaruh salah satu besaran di
atas. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan superkonduktor akan dapat
berubah sifatnya dari super konduktor menjadi konduktor biasa karena pengubahan
suhu atau medan magnet di atas nilai kritisnya. Pemutus arus yang bekerja
dipengaruhi oleh magnetik dielektrik Cryotron, misalnya digunakan pada
pemutus komputer.