Minggu, 28 April 2013

Bahan Bahan Listrik



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,AlO,NiSo.
*       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, FeSo, Fe So, Fe Cl, 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. FeO ( M adalah logam bervalensi 2 yaitu Mn, Mg, Ni, Cu, Co, Zn, Cd). Contoh : ferrit, seng ,nikel rumusnya adalah α NiO,β ZnO, FeO 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
  1. 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.


  1. 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
  1. 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.

0 komentar:

Poskan Komentar

Blogger news