3 material

7/31/2019 3 Material

http://slidepdf.com/reader/full/3-material 1/28

BAB III MATERIAL KONDUKTOR

Diktat Kuliah Material Elektroteknik 21

BAB III

MATERIAL KONDUKTOR

Berbagai material yang dapat digunakan oleh ahli teknik (insinyur) dan

ilmuan mempunyai konduktivitas yang berbeda. Secara umum material

elektroteknik dapat diklasifikasikan ke dalam empat golongan, yaitu: material

konduktor termasuk material super konduktor, material semi konduktor, material

isolator (dielektrik) dan material magnetik. Penggolongan material tersebut

didasarkan pada response setiap material terhadap medan listrik dan medan

magnetik luar yang diberikan. Material konduktor sering diasosiasikan sebagai

logam.

Dalam teori medan elektromagnetik, sifat konduktor atau isolator sangat

dipengaruhi oleh frekuensi medan. Suatu material dapat berubah dari konduktor

menjadi isolator atau sebaliknya dengan perubahan frekuensi. Pada bab ini akan

dibahas material konduktor. Pembahasan dalam bab ini didasarkan kepada medan-

medan frekuensi rendah. Kondutivitas dan beberapa faktor yang mempengaruhi

akan ditelaah secara detail. Material konduktor khusus yaitu superkonduktor jugaakan diperkenalkan pada bab ini.

3.1. ELEKTRON DI DALAM MATERIAL KONDUKTOR

Material konduktor mempunyai elektron bebas (free elektron) dalam jumlah

yang besar. Elektron bebas dalam matrerial konduktor dapat terjadi karena sifat

dari ikatan metalik yaitu antara elektron valensi dengan inti atom bahan

semikonduktor yang sangat lemah.

Teori klasik elektron yang memperlakukan konduktor sebagai suatu sistem

atom-atom (ion-ion) yang terletak pada kisi-kisi kristral yang penuh dikelilingi oleh

elektron seakan akan sebagai suatu gas (lautan).





Konsep dan hukum statistik gas, diberlakukan pada gas elektron,

menurunkan persamaan matematik yang menentukan konduksi listrik (Hukum

Ohm), energi listrik (Kukum Joule-Lenz) dan hubungan antara konduktivitas

elektrik dengan termal (Hukum Wiedemann-Franz-Lorentz).

3.2. INTERAKSI ELEKTRON DI DALAM MATERIAL

Misalkan sebuah atom melepaskan sebuah elektron menjadi elektron bebas

(konduksi) maka elektron tersebut berada dalam suatu potensial, yang timbul oleh

kation yang membentuk kisi.

Bila tidak ada kesalahan bentuk (ketidaksempurnaan) dari kisi (defaul) dan

bila kation tersebut diam, elektron-elektron tersebut akan bergerak dalam suatu

potensial yang periodik dan akan mempunyai energi yang tetap. Seperti halnya

seperti sebuah roda yang bergerak pada rel yang licin (tidak ada gesekan).

Dalam kenyataannya keadaan kristal tidaklah demikian sempurna, sehingga

elektron-elektron konduksi tersebut akan berinteraksi dengan kisi-kisi. Akibatnya

pergerakan elektron-elektron tersebut akan mengalami gangguan dengan

terjadinya benturan-benturan dengan kisi atom.

Logam biasanya tergolong dalam konduktor. Ciri khas logam sebagai

konduktor adalah kehadiran elektron bebas yang berada pada pita konduksi (yang

overlap dengan pita valensi) dan siap untuk berkonduksi. Elektron bebas yang

membentuk awam elektron diilustrasikan pada Gambar 3.1(a). Elektron inilah yang

memegang peranan penting dalam proses konduksi dalam logam. Pada kondisi tak

ada medan luar, elektron bebas bergerak diantara kisi-kisi atom dengan arah

random akibat eksitasi termal dengan kecepatan yang berbeda-beda seperti

Gambar 3.1(c). Keadaan demikian menyebabkan arus total nol atau tidak arus

neto yang mengalir pada konduktor. Pergerakan elektron dipengaruhi oleh





susunan atom-atom di dalam material. Makin rapat susunan atom dan makin hebat

getaran atom maka elektron semakin tidak bebas untuk bergerak.

Gangguan /benturan tersebut akan menghasilkan suatu pertukaran energi

dalam rangka tercapainya keadaan kesetimbangan termodinamik pada material.

Misalnya peningkatan energi kenetik dari elektron-elektron konduksi akibat terpaan

medan listrik yang menyebabkan naiknya temperatur kisi (naiknya energi kisi).

Gambar 3.1. Elektron bebas dalam logam:

(a) Elektron valensi membentuk awan elektron

(b) Elektron valensi sebagai muatan negatif individual

(c) Ion-ion logam yang bervibrasi

Bila elektron bergerak dan menumbuk atom, maka arah pergerakan akan

berubah bahkan bisa berbalik. Hal ini disebabkan karena massa atom yang lebih

besar dari massa elektron (lebih dari 1000 kali).

Kehadiran medan akan mempengaruhi gerak elektron. Bila suatu medan

listrik E diberikan maka akan terjadi gaya pada elektron sebesar F = -e.E. Tanda

negatif untuk menujukkan bahwa elektron mengalami gaya dengan arah

berlawanan dengan arah medan listrik E akibat muatan negatif elektron. Elektron

akan bergerak dipercepat dengan percepatan a = F/m, dimana m adalah massa

elektron = 9,1x10 31 kg. Dengan demikian, disamping pergerakan yang random

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

e

e

(a) (b) (c)





akibat eksitasi termal, elektron akan mendapatkaan kecepatan searah dengan

gaya kehadiran medan E.

Elektron berada diantara atom-atom (kristal). Dapat diasumsikan bahwa

kecepatan elektron hilang bila bertumbukan dengan atom. Karena massa elektron

yang lebih kecil dari atom (massa atom lebih dari 1000 x massa elektron). Setelah

terjadi tumbukan dengan atom, elektron mulai bergerak dipercepat lagi dari

kondisi kecepatan awal nol, dan menumbuk atom lagi daan seterusnya seperti

ilustrasi pada Gambar 3.2 berikut.

Gambar 3.2. Kecepatan pergerakan elektron di bawah medan listrik

Bila waktu rata-rata antara dua tumbukan adalah t maka kecepatan drift

yaitu kecepatan rata-rata elektron akibat medan listrik E adalah :

VD = Em

e(3.1)

Besaran (e /m) sering disebut mobilitas (m2v-1s-1) yang menyatakan

kemampuan elektron/pembawa muatan untuk bergerak di dalam medan listrik.

Sehingga

VD = e E (3.2)

Kecepatan

Terjadi tumbukandengan atom

Waktu (t)

Kecepatanrata-rata





Bila diasumsikan seluruh elektron bergerak dengan kecepatan VD maka

total elektron yang menembus suatu bidang per unit luas adalah Ne VD dimana Ne

adalah kerapatan elektron. Rapat arus diperoleh sebesar :

J = eNeVD (3.3)

Perlu dicatat bahwa kecepatan random tidak berkontribusi terhadap rapat

arus. Dengan mengkobinasikan dua persamaan terakhir diperoleh

J = eNe eE (3.4)

Persamaan ini tidak lain adalah persamaan Hukum Ohm

J = E

sehingga konduktivitas ( ) dapat ditulis sebagai :

= eNe e (3.5)

dari persaman konduktivitas terlihat bahwa konduktivitas adalah perkalian dari dua

faktor, yaitu kerapatan muatan ( e) dan mobilitas ( e). Dengan demikian tingginya

konduktivitas dapat diperoleh dari tingginya kerapatan muatan atau tingginya

mobilitas. Untuk logam, mobilitas elektron relatif rendah, sehingga konduktivitas

yang tinggi dari logam adalah sebagai akibat tingginya kerapatan elektron bebas.

Hukum Ohm berlaku secara teliti untuk hampir semua logam. Harga tipikal

e= 5 x 10-3 m2v-1s-1 yang akan memberikan kecepatan drift VD = 5 x 10-3 m/s

untuk medan listrik sebesar 1 V/m.

Contoh soal:

Tembaga mempunyai konduktivitas 5 x 107 s/m, ( e = 0,0032 m2v-1s-1). Medan

listrik 1 V/m diberikan pada tembaga dengan penampang 1 cm2.

Tentukan:

a. rapat arus d. kecepatan drift

b. arus e. kerapatan elektron





c. kerapatan muatan

Jawab:

a. rapat arus J = E = 5,8 x 107

x 1 = 58 MA/m2

b. Arus I = JS = 5,8 x 107. 10-4 = 5,8 kA

c. Rapat muatan = / e = 18 GC/m3

d. Kecepatan drift Vd = - eE = -0,0032.1 = -0,0032 m/s = -0,32 cm/s

e. Kerapatan elektron: /e = 1,124 x 1029 / m3

3.3. KONDUKTIVITAS DAN TEMPERATUR

Resistansi elektrik dari suatu bahan adalah akibat adanya gangguan pada

perjalanan elektron-elektron (karena adanya ketidaksempurnaan ).

Ketidaksenpurnaan ini terdiri atas 3 macam :

- phonon ( ph)

- ketidaksmpurnaan kimia (impurity) ( imp)

- ketidaksempurnaan kristal akibat perubahan bentuk mekanis ( def).

Maka konstanta probabilitas sebuah elektron dikenai benturan dalam waktu 1

detik:

= ph + imp + def (3.6)

Waktu benturan :

ph = 1/ ph; imp = 1/ imp ; def = 1/ def

1 =

ph

1+

imp

1 +

def

1





Dari =n

2

m

ne didapat :

1= =

2

n

ne

m, maka = ).

111(

ne

m

defimpph2

n

ph + imp + def (3.7)

dari percobaan: imp dan ef f (temperatur)

dengan catatan bahwa banyaknya default / volume tetap kecil, temperatur tidak

terlalu besar.

Didapat bahwa : lim ph = O (3.8)

T 0O K

Di atas suatu temperatur dimana ph imp + def

Terdapat perubahan linear dari ph fungsi temperatur. Untuk temperatur

dimana besarnya = temperatur kamar; secara aproksimatik ;

( ) = ( = 0 ) [ 1 + ] , dimana adalah koefisien temperatur dari =

4 x 10 3 c

= temperatur

( ) = ( = 0 ) (3.9)

[ 1 + ]

3.3.1. Perubahan konduktivitas logam akibat deformasi

Konduktivitas logam dapat berubah akibat deformasi elastis, yang dihasilkan

akibat perubahan amplitude vibrasi kisi-kisi kristal. Amplitude vibrasi meningkat

karena stres tekanan keluar dan berkurang dengan stres komprensif. Vibrasi kisi





yang meningkat menyebabkan mobiltas pembawa-pembawa muatan pun

berkurang, akibatnya konduktivitas ( ) menurun, demikian sebaliknya

konduktivitas bertambah .

Deformasi plastik biasanya menurunkan konduktivitas logam akibat distorsi

kisi kristal. Perubahan konduktivitas logam akibat pemuluran atau pengerutan

elastis ditunjukkan hubungannya dalam persamaan berikut :

)ns1(0

(3.10)

Dimana o = konduktivitas logam dalam keadaan tanpa stress .

s = stress mekanis

n =faktor stress masing-masing jenis logam .

3.3.2. Benturan elektronik dan hukum joule

Mengalirnya arus pada suatu konduktor akan diikuti dengan suatu

kehilangan enersi :

P = E (3.11)

Daya ini melalui benturan elektron di transfer kepada bahan.

Bukti : Misal suatu medan EX dipakai untuk arah x, pada suatu bahan dengan

persamaan kecepatan setelah benturan :

v = vx + vy + vz

Dengan adanya Ex maka :

v = vx - nm

e Ex t + vy + vz ; ax =nm

e Ex

perubahan enersi kinetis setelah benturan :

Ekin (t) = ½ m n (v 2 )2 - (v 1 )2





= ½ m n (v x (e/m n ) E x t )2 - v x

2

= ½ m n (nm

eEx t )

2 - nm

e2v x Ex t

Bila ada N buah elektron, masing-masing mempunyai waktu benturan yang sama

bersama-sama E kin naik. Perubahan enersi kinetik dari N buah elektron :

E kin ( t ) =N

1 N

1i

1/2 m n tEvm

e2)tE

m

e( xxi

n

2x

n

vxi adalah harga v x untuk elektron yang ke i.

Karena benturan ini sama maka :

xi

N

1i

v = 0 ;

E kin(t) = ½ m n (nm

eE xt)

2

Dengan melihat rumus : exp (- t) dt = - dn

nto

probabilitas sebuah elektron mendapat benturan pertama pada t t + dt.

Maka : kenaikan rata-rata dari enersi elektron antara 2 benturan :

kinE =

~

0t n

222

kinm

Eedt)texp()t(E (3.14)

Bila n elektron berada dalam volume 1 dm2 akan mendapatkan

benturan, dalam

waktu 1 detik, maka :

2

n

2

kinJ Em

neE

nP

= E2 (3.15)





3.3.3. Konduktivitas Termal

Perpindahan panas pada metal terutama dilakukan oleh elektron bebas

yang sama dengan elektron konduksi. Hubungan antara konduktivitas termal ( )dengan konduktivitas listrik ( ) ditunjukkan oleh persamaan Wiedeman Franz

Lorentz :

TL0 (3.16)

dimana T = temperatur absolut

L0 adalah bilangan Lorentz:

L0 = 2,45 x 10-18 v2 /K2

Hukum Wiedemann Franz Lorentz berlaku pada temperatur normal atau pada

kenaikan temperatur tertentu.

Tabel 3.1. Konduktivitas Berbagai Bahan pada Temperatur Ruang

Bahan Konduktivitas(S/m)

Klasifikasi

Emas (Siver) 6,17 x 107 Konduktor

Tembaga (Copper) 5,8 x 107 Konduktor

Aluminium 3,82 x 107 Konduktor

Brass 2,56 x 107 Konduktor

Tungsten 1,83 x 107 Konduktor

Nikel (Nickel) 1,45 x 107 Konduktor

Besi (Ion) 1,03 x 107 Konduktor

Mercury 1,0 x 107 Konduktor

Graphite ~ 3,0 x 104 Konduktor

Air Laut ~ 4,0 Konduktor

Germanium intrinsik ~ 2,2 Semikonduktor intrinsik

Ferrite ~ 1,0 x 10-2 Semikonduktor intrinsik

Silikon intrinsik ~ 0,44 x 10-3 Semikonduktor intrinsik

Akuades (destiled water) ~ 1,0 x 10-4 Isolator

Bakelit ~ 1,0 x 10-9 Isolator

Glass ~ 1,0 x 10-12 Isolator

Mika ~ 1,0 x 10-15 Isolator

Kuarsa (Quartz) ~ 1,0 x 10-17 Isolator





3.3.4. Pengaruh temperatur

Konduktivitas listrik dari logam bervariasi, tergantung dari temperatur

mengikuti suatu perilaku tertentu. Variasi ini biasanya didiskusikan denganhubungan antara resistivitas ( ) terhadap temperatur T.

Gambar 3.3. Hubungan antara resistivitas terhadap temperatur

Pada T = 0 K, berharga konstan yang kecil. Bila T dinaikkan juga naik.

Mula-mula naik secara pelan-pelan terhadap T dan pada temperatur yang lebih

tinggi naik secara linear terhadap T. Perilaku linear berlaku hingga titik leleh

dicapai dan ditemukan pada hampir semua logam. Pada suhu ruang biasanya

logam menunjukkan perilaku linear ini.

Konduktivitas elektrik telah diturunkan sebagai :

=m

eN 2e (3.17)

sehingga resistivitas

=1

eN

m2

e

(3.18)

adalah waktu rata-rata antara dua tumbukan dan 1/ adalah probabilitas elektron

menderita tumbukan perunit waktu sehingga bila = 10-14 s, maka hal itu berarti

ada 1014 elektron mengalami tumbukan tiap detik.

Temperatur (T)

R e s i s t i v i t a s (

)

o

0





Terjadi tumbukan antara elektron dengan atom terjadi karena susunan

atom-atom yang tidak teratur secara sempurna. Hal ini disebabkan oleh dua hal,

yaitu :

a. Getaran kisi-kisi atom dari sekitar keseimbangan akibat eksitasi termal

(phonon)

b. Ketidaksempurnaan kisi akibat ketidakmurnian

Probabilitas elektron terhabrul oleh getaran kisi dan ketidakmurnian bersifat saling

memperkuat sehingga ditulis sebagai berikut.

1ph

111(3.18)

dimana suku pertama ruas kanan adalah akibat phonon oleh getaran atom yang

sangat dipengaruhi oleh temperatur dan suku kedua akibat ketidakmurnian kristal.

ph2

ei2

e

ph1

1

eN

m1

eN

m(3.19)

Dari persaamaan ini terlihat baahwa dapat dipisahkan menjadi dua

bagian, yaitu :

a. i akibat ketidakmurnian yang praktis tidak tergantung oleh T

b. ph (T) akibat phonon yang tergantung dari T dan sering dusebut harga

resistivitas ideal mengingat harga ini terjadi pada saat tak ada

ketidakmurnian dalam bahan. Pemisahan resistivitas menjadi dua

komponen disampaikan oleh Matthiessen.

Pada temperatur yang sangat rendah pengaruh phonon dapat diabaikan

karena osilasi atom kecil. Pada kondisi ini ph besar sekali dan ph mendekati nol,sehingga = i yaitu suatu konstanta. Bila T naik maka pengaruh photon menjadi

besar sehingga ph (T) juga naik. Hal ini yang menyebabkan kenaikan . Pada

temperatur yang lebih tinggi maka pengaruh photon ndah i sebanding dengan





konsentrasi ketidakmurnian N i. Namun demikian perlu dicatat bahwa untuk Ni yang

kecil ph >> i kecuali untuk temperatur yang sangat rendah.

Koefisien temperatur

Untuk mengetahui pengaruh temperatur pada konduktivitas/resistivitas

maka akan dilihat pertama-tama pengaruh temperatur pada jarak bebas. Jarak

bebas akan menentukan mobilitas yang akhirnya menentukan konduktivitas. Suatu

elektron yang bergerak dengan kecepatan u akan mengalami scattering

(hambluran) pada daerah seluas S berupa lingkaran dengan radius a. Pusat

scattering bisa berupa atom, ketidakmurnian atau defect. Bila adalah waktu rata-

rata scattering dan Ns adalah konsentrasi pusat scattering maka

=SNuS

1

Atom bervibrasi secara random pada daerah seluas S = a2 dimana a adalah

amplitudo vibrasi. Vibrasi termal atom dapat diidentikan dengan vibrasi harmonik

suatu massa M yang terikat pada suatu pegas. Energi kinetik rata-rata dari osilasi

adalah

22aM4

1

dimana adalah frekuensi vibrasi/osilasi. Energi ini setara dengan energi termal

(1/2 kT) sehingga

M a2 2 = 2 kT (3.20)

Dengan demikian a2 sebanding dengan T. kenyataan ini dapat diterima secara

intuisi karena dengan menaikkan temperatur maka amplitudo vibrasi akan naik

juga. Dengan demikian maka waktu bebas rata-rata

T

1

a

12

atauT

C





dimana C adalah suatu konstanta. Dengan memasukkan harga dalam mobilitas

didapatkan

= mT

eC

Dengan demikian resistivitas logam menjadi

=Cne

mT

ne

112

(3.21)

atau dapat disederhanakan menjadi

= A T

Disini A adalah suatu konstanta. Dengan demikian untuk logam murni maka

resistivitas naik secara linier terhadap temperatur.

Dengan kehadiran ketidakmurnian di dalam material maka secara umum

resistivitas dapat dinyatakan sebagai

= A T + B (3.22)

Dengan A dan B suatu konstanta

Secara praktis untuk menyatakan ketergantungan resistivitas terhadap

temperatur diperkenalkan koefisien temperatur yaitu

oTTo

oT

1(3.23)

dimana o adalah resistivitas pada To yang biasanya diambil 273 oK atau 0 °C atau

293 oK (20° C).

Resistivitas pada temperatur tertentu dapat dicari dari persamaan yang

sudah sangat kita kenal yaitu:

(T) = o [ 1 + o (T - To) ] (3.24)





Harga o dan o untuk berbagai material pada 273 oK tertera pada tabel berikut .

Tabel 3.2

Harga O dan O untuk berbagai material pada 273 oK

Material o (n m) o (1/oK)

Aluminium, Al 25,0 1/233

Antimony, Sb 38,0 1/195

Tembaga, Cu 15,7 1/232

Emas, Au 22,8 1 /251

Indium, In 78,0 1/196

Platina, Pt 98,0 1/255

Perak, Ag 14,6 1/244

Tantalum 117,0 1/294

Timah, Sn 110,0 1/247

Wolfram, W 50,0 1/202

Besi, Fe 84,0 1/152

Nikel, Ni 59,0 1/125

Contoh soal:

Diketahui kecepatan gerak elektron rata-rata dalam tembaga 1.25 x 106 m/s dan

frekuensi vibrasi 4 x 1012 Hz. Kerapatan tembaga adalah 8,96 g/cm dan massa

atom adalah 63,56 g/mol. Tentukan mobilitas dan konduktivitas.

Jawab:

Karena ditentukan oleh vibrasi atom maka :

Ns = 3283

233

A m / 105,81056,63

1002,6.1096,8M

dN

dengan persamaan vibrasi atom didapat

S = 222

2

2 m104M

kT2a





Sehingga

= s1035,2NuS

1 14

s

Mobilitas adalah

= 1123 sVm1013,4m

e

dan konduktivitas adalah

= 115s cm106,5Ne

3.4. EFEK HALL

Timbulnya suatu arus listrik bila suatu bahan konduktor diinduksikan oleh

medan magnet, fenomena ini sering dikaitkan dengan elektron sebagai partikel

adalah efek Hall, seperti diilustrasikan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Terjadinya Medan Hall

Dengan adanya arus (J) dengan arah berlawanan sumbu y, maka material akan

mengalami induksi magnet B dengan arah sumbu x, yang akan menimbulkan gaya

Lorentz F pada elektron (arah sumbu z).

F = - q (vd x B) (3.25)

Ix

y

z

B

EH

++

++

++

++

++

++

++

++

- - - - --

--

------

B

F

vd

V





Adanya F akan membentuk akumulasi elektron pada permukaan atas dari material,

pada bagian permukaan bawah terjadi pengurangan elektron. Akibat terjadinya

medan listrik baru EH disebut sebagai Medan Hall. Efek EH berlawanan dengan

efek B.

Suatu keseimbangan akan terjadi bila:

q EH = q ( Vd x B )

Bila J = - n q vd maka :

)Bxnq

J(EH

)BxJ(RE HH (3.26)

Dengan RH =nq

1adalah konstanta HALL

RH negatif dalam konduktor metalik hanya ada satu pembawa muatan (elektron).

Dalam semikonduktor ada dua pembawa muatan

RH = 1/nq untuk hole.

Penggunaan effek HALL:

Dipakai untuk mengukur besaran besaran seperti:

mobilitas,

banyaknya muatan persatuan volume,

medan magnet.

Mobilitas didapatkan sebagai berikut :

EH = BxEnq1

n =nq

Sehingga n =BxE

EH





3.5. EFEK TERMOELEKTRIK

Bahan konduktor logam/metal yang berlainan jenis dibuat kontak, maka

timbul perbedaan potensial antara kedua bahan logam ini. Fenomena ini dapatterjadi karena perbedaan fungsi kerja untuk bahan metal yang tidak sama dan

juga karena perbedaan kerapatan elektron bebas.

Bila temperatur pada tit ik tit ik kontak metal ini sama dengan nol.

Kesetimbangan akan berubah apabila satu junction (kontak) kedua metal memiliki

temperatur (T1) yang lebih tinggi dari junction yang lain (T2 , T1 >T2 ) gaya gerak

listrik (emf, V) akan timbul antara kedua junction :

V =B

A21

nnln)TT(

qk (3.19)

k = konstanta Boltzman

q = muatan elektron

nA , nB = kerapatan elektron bebas masing masing logam.

Pemanfaatan efek termolektrik dikenal dengan termokopel 2 material

konduktor logam yang berlainan jenis dibuat junction. Bila junction dipanaskan

maka diperoleh perbedaan potensial di antara kedua logam.

3.6. POTENSIAL KONTAK

Setiap metal mempunyai fungsi kerja masing-masing. Fungsi kerja

merupakan energi yang diperlukan oleh suatu elektron untuk terlepas daripermukaan logam. Dalam diagram energi merupakan perbedaan antara Fermi

Level dengan Vacum Level. Potensial kontak muncul apabila dua buah metal yang

berbeda fungsi kerja disambungkan.





elektron

Vacuum Level

Fermi Level

5,63 eV

Pt

---

+

+

+

1,16 eV

elektron

4,20

Mo

Fermi Level++

Gambar 3.5. Ilustrasi potensial kontak antara Pt dan Mo

Sebagai ilustrasi bila Platina (Pt) yang mempunyai fungsi kerja 5,36 eV dan

Molibdenium (Mb) dengan fungsi kerja 4,20 dihubungkan. Dalam metal tingkat

energi hingga level Fermi terisi secara penuh. Karena level Fermi Mo lebih tinggi

dari level Fermi Pt maka berarti elektron di dalam Mo lebih energik (mempunyai

energi lebih besar). Sehingga elektron dari Mo akan pindah ke permukaan Pt

karena level energi lebih rendah. Perpindahan elektron dari Mo ke Pt menyebabkan

daerah permukaan Pt menjadi lebih negatif dan daerah permukaan Mo menjadi

lebih positif. Keadaan setimbang dicapai bila Fermi Level kedua metal telah

menjadi satu (Gambar 3.5b). Sebagai akibat perpindahan elektron dari Mo ke Pt

maka pada keadaan setimbang didaerah sambungan terjadi perbedaan potensial.

Potensial inilah yang disebut dengan potensial kontak.

elektron elektron

Vacuum

Fermi Level

5,63 eV4,20

Pt Mo

Fermi Level

a. sebelum kontak

Vacum level

b. setelah kontak





baja paduan

aluminium

aluminium

ACSR ACAR

Gambar 3.6. Penampang penghantar dari aluminium

Potensial kontak yang terjadi tergantung dari perbedaan fungsi kerja kedua

matel yaitu

e V = W1 W2 = W pt W Mo = 1,16 eV

Dengan demikian potensial kontak antara Pt dan Mo adalah 1,16 Volt.

Pada daerah didalam mo yang jatuh dari kontak masing berlaku fungsi

kerja sebesar W = 4,20 eV begitu pula didalam Pt tetap berlaku W = 5,36 eV.

3.7. FUNGSI DAN SIFAT MATERIAL KONDUKTOR

Fungsi penghantar pada teknik listrik adalah untuk menyalurkan energi

listrik dari satu titik ke titik lain. Penghangtar yang lazim digunakan adalah

alumunium dan tembaga.

a. Alumunium

Alumunium murni (Al) mempunyai massa jenis 2,7 g/cm3, titik leleh 658 oC dan

tidak korosif. Daya hantar Al sebesar 35 m/ohm.mm2 atau kira-kira 61,4% daya

hantar tembaga.

Al murni mudah dibentuk karena lunak, kekuatan tarikya hanya 9 kg/mm2. Untuk

itu jika Al digunakan sebagai penghantar yang dimensinya cukup besar, selalu

diperkuat dengan baja atau paduan Al. Penggunaan yang demikian misalnya

pada: ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced ), ACAR (Aluminium

Conductor Alloy Reinforced ). Konstruksi penghantar-penghantar dari Al seperti

terlihat pada Gambar 3.6.





Penggunaan aluminium yang lailn adalah untuk busbar dan karena alasan tertentu

misalnya, karena alasan ekomomi, dibuat penghantar aliminium yang berisolasi,

misalnya : ACSR OW.

b. Tembaga

Tembaga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi 57 .mm2 /m pada suhu 20

0C. Koefisien suhu ( ) tembaga 0,004 per 0C.

Pemakaian tembaga pada teknik listrik yang terpenting adalah sebagai

penghantar, misalnya:

kawat berisolasi (NYA, NYAF)kabel (NYM,NYY,NYFGbY)

busbar, lamel mesin dc, cincin seret pada mesin ac.

Tembaga mempunyai ketahanan terhadap korosi, oksidasi. Massa jenis

tembaga murni pada 20 0C adalah 8,96 g/cm3, titik beku 1083 oC. kekekuatan tarik

tembaga tidak tinggi yaitu berkisar antara 20 hingga 40 kg/mm2, kekuatan tarik

batang tembaga akan naik setelah batang tembaga diperkecil penampangnya

untuk dijadikan kawat berisolasi atau kabel.

Untuk penghantar yang penampangnya lebih kecil dari 16 mm2 digunakan

penghantar pejal, sedangkan untuk penghantar yang penampangnya 16 mm2

digunakan penghantar serabut yang dipilih.

c. B a j a

Baja merupakan logam yang terbuat dari besi dengan campuran karbon.

Berdasarkan campuran karbonnya, baja dikategorikan menjadi 3 yaitu: baja

dengan kadar karbon rendah (0 - 0,25%), baja dengan kadar karbon menengah(0,25 - 0,55%), ba ja dengan kadar karbon tinggi (> 0,55 %).





Meskipun konduktivitas baja rendah yaitu 7,7 m/ mm2 tetapi digunakan pada

penghantar transmisi yaitu ACSR, fungsi baja dalam hal ini adalah untuk

memperkuat konduktor aluminium secara mekanis setelah digalvanis dengan seng.

Keuntungan dipakainya baja pada ACSR adalah menghemat pamakaian

aluminium. Berdasarkan pertimbangan tersebut dibuat penghantar bimetal seperti

ditunjukkan pada Gambar 3.7 (jangan dikacaukan dengan termal bimetal yang

biasanya untuk pengaman).

Gambar 3.7. Penampang kawat Bimetal

Dua hal yang menguntungkan dari penghantar bimetal, yaitu :

a. Pada arus bolak balik ada kecenderungan arus melalui bagian luar konduktor

(efek kulit ).

b. Dengan melapisi baja menggunakan tembaga maka, baja sebagai penguat

penghantar terhindar dari korosi.

Pemakain penghantar bimetal selain untuk kawat penghantar adalah untuk:

busbar, pisau hubung.

d. W o l f r a m

Logam ini berwarna abu-abu keputih-putihan, mempunyai massa jenis 20 g/cm3,

titik leleh 3410 oC, titik didih 5900 oC, 4,4. 10-6 per oC, tahanan jenis 0,055

.mm2 /m.

Wolfram diperoleh dari tambang yang pemisahnya dari penambangan

dengan menggunakan magnetik atau proses kimia. Dengan reaksi reduksi asam

wolfram (H2WO4) dengan suhu 700 oC diperoleh bubuk wolfram. Bubuk wolfram

tersebut kemudian dibentuk menjadi batangan dengan suatu proses yang disebut

metalurgi bubuk yang menggunakan tekanan dan suhu tinggi (2000 atmosfir, 1600

tembaga

ba a





oC) tanpa terjadi oksidasi. Dengan menggunakan mesin penarik, batang wolfram

diameternya dapat dikecilkan menjadi 0,01 mm ( penarikannya dilakukan pada

keadaan panas).

Penggunaan wolfram pada teknik listrik antara lain: filamen (lampu pijar,

lampu halogen, lampu ganda), elektroda, tabung elektronik.

e. Molibdenum

Logam ini mirip dengan wolfram dalam hal sifatnya, demikian pula cara

mendapatkannya. Molibdernum mempunyai massa jenis 10,2 g/cm3, titik leleh

2620 oC, titik didih 3700 oC, 53.10-17 per oC, resistivitasnya 0,048 .mm2 /m

koefisien suhu 0,0047 per

o

C.Di antara penggunaan Molibdenum adalah pada: tabung sinar X, tabung

hampa udara, karena molibdenum dapat membentuk lapisan yang kuat dengan

gelas. Sebagai campuran logam yang digunakan untuk keperluan yang keras,

tahan korosi, bagian-bagian yang digunakan pada suhu tinggi.

f. Platina

Platina merupakan logam berat, berwarna putih keabu-abuan, tidak korosif, sulit

terjadi peleburan dan tahan terhadap sebagian besar bahan kimia. Massa jenisnya

21,4 g.cm3, nya 9.10-6 per oC, titik leleh 1775 oC, titik didih 4530 oC,

resistivitasnya 0,1 .mm2 /m, koefisien suhu 0,0037 per oC.

Platina dapat dibentuk menjadi filamen yang tipis dan batang yang t ipis-

tipis. Penggunaan platina pada teknik listrik antara lain untuk elemen pemanas di

laboratorium tentang oven atau tungku pembakaran yang memerlukan suhu tinggi

diatas 1300 oC, untuk termokopel platina-rhodium (diatas 1600 oC), platina dengan

diameter ± 1 mikron digunakan untuk menggantung bagian gerak pada meter listrik

dan instrumen sensitif lainnya, bahan untuk potensiometer.

g. Bimetal Bahan yang umum digunakan untuk bimetal adalah invar (63,1% Fe + 36,1% Ni

+0,4% Mn + 0,4% Cu) sebagai logam yang mempunyai kecil yaitu 1,5. 10-6 per





oC untuk suhu 0 hingga 100 oC. Sedangkan untuk logam kedua dengan yang

lebih besar dapat digunakan: besi, nikel, konstantan, tembaga dengan proses

dingin, perunggu atau monel ( 66% Ni + 28% Cu +Fe, Mn) atau baja non magnetik.

Penggunaan bimetal pada teknik listrik adalah untuk rele-termal misalnya

pada: Miniature Circuit Breaker (MCB), Over Load Relay (OLR). Bimetal sebagai

rele-termal tidak selamanya dilewati arus, kecuali arus yang tidak terlaku besar.

Untuk memutuskan arus besar, pada rele ada belitan pemanas khusus yang

ditempatkan di sekeliling bimetal. Pengaruh panas dari lilitan inilah yang digunakan

untuk mempengaruhi pembegkokan bimetal. Hal ini ditempuh sebab bila bimetal

langsung dilewati arus besar dan sekaligus sebagai pemutus, bimetal cepat arus.

h. Bahan-bahan Resistivitas Tinggi

Bahan-bahan resistivitas tinggi yang digunakan untuk peralatan yang memerlukan

resistansi yang besar agar bila dialiri arus akan terjadi tegangan anjlok yang besar.

Contoh penggunaan bahan-bahan resistivitas yang tinggi antara lain pada

pemanas listrik, rheostat dan resistor.

Bahan-bahan ini harus mempunyai koefisien suhu yang rendah. Untuk

elemen pemanas, pada suhu yang tinggi untuk waktu lama tidak boleh teroksidasi

dan meleleh.

Bahan-bahan yang resistivitasnya tinggi antara lain: konstanta, manganin,

nikrom dan fehral yang komposisinya ditunjukkan pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3. Bahan resistivitas tinggi

Nama paduan Komposisi (%) Massa jenis Resistivitas

. mm2 /m

Koefisien Suhu 10-5

/ oC

KonstantanKromel

Manganin

Nikron

Fechral

Nikelin

60 Cu, 40 Ni 0,7 Mn, 0,6 Ni, s/d 27 Cr, 4,5s/d 6,5 Al + Fe

86 Cu, 12 Mn, 2Ni

1,5 Mn, 75 s.d 78 Ni 20 s/d23 Cr sisanya Fe

0,7 Mn, 0,6 Ni, 12 s/d 15 Cr,3,5 s/d 5 Al, sisanya Fe 54 Cu, 26 Ni, 20 Zn

8,9 6,9 s/d 7,3

8,4

8,4 s/d 8,5

7,1 s/d 7,5 -

0,48 0,526,5

0,42 s/d 0,48

1 s/d 1,1

1,2 s/d 1,35

0,4 s/d 0,47

5,256,5

5,3

10 s/d 20

10 s/d 12

23





i. Karbon

Peranan karbon pada teknik listrik juga sangat penting jika dilihat kegunaannya

sebagai berikut; sikat sikat pada mesin listrik, resistor dan rheostat, elektroda

pada tungku pembakaran (tanur ) busur kolam galvanis. Beberapa perangkat

elektronik dan telekomunikasi juga terbuat dari karbon.

Untuk penggunaan karbon sebagai sikat pada mesin listrik, fungsinya adalah

sebagai jembatan yang harus dilalui arus.

Beberapa jenis yang digunakan sebagai sikat adalah: karbon-grafit, grafit

elektro-grafit, grafit-tembaga, dan grafit-kuningan. Grafit-tembaga dan grafit-

kuningan paling banyak digunakan karena resistivitasnya rendah, tegangan anjlok

pada persinggungan antara sikat dengan komutator atau cincin seret adalahrendah.

Pada tungku pembakaran busur, elektroda yang digunakan diantaranya

adalah grafit dan karbon. Pertimbangan penggunaan karbon atau grafit adalah

karena; tidak lumer, menghantarkan listrik, sifat tidak larut, kemurnian kimianya,

kekuatan mekanis dan tahan terhadap kejutan termal. Secara kimia, karbon dan

grafit adalah sama, tetapi secara fisis dan elektris banyak perbedaanya.

Sebagai sikat pada bagian berputar pada mesin listrik, karbon mempunyai

kelebihan karena :

a. Tahan terhadap efek yang disebabkan suhu tinggi. Hal ini karen sikat karbon

mampu menahan suhu hingga 3000o C.

b. Kepadatannya renda. Karbon lebih ringan dibanding logam pada umumnya

(kecuali magnesim). Hal ini memudahkan adaptasi dengan permukaan yang

tidak beraturan.

c. Tidak terjadi pengelasan (menyatu) dengan logam pada kondisi yang sama jika

logam-logam menyatu satu sama lain, misalnya karena panas.

Untuk kebutuhan sikat sikat komutator atau slip-ring pada mesin listrik bubuk

karbon dicampur dengan bubuk konduktor antara lain : tembaga, perunggu.

Berdasarkan tingkatannya, sikat karbon dibedakan seperti pada tabel 3.4.





Tabel 3.4. Jenis- jeni sikat Karbon

Jenis Kekerasan (vickers)

Resistivitas

10-3 . cm Rugi

kontak Aplikasi

Karbon resistivitas tinggi

Karbon resistivitas rendah

Elektrografit

Elektrogafit Kecepatantinggi

Grafit tembaga

-

30

15

15

10 s/d 20

5 hingga 30

4

4

6

0,5 s/d 0,003

Tinggi

Rendah

Sedang

sedang

rendah

Motor kecil,

daya < 1 HP. Crane

Mesin dc

Generatorturbo

Mesin ac & dc.

j. Timah Hitam

Timah hitam mempunyai massa jenis 11,4 g/cm3, agak lunak , meleleh pada suhu

327 oC , titik didih 1560 oC, warna abu-abu dan sangat mudah dibentuk.

Merupakan bahan tahan korosi dan mempunyai konduktivitas 4,5 m/ .mm2.

Pemakaian timah hitam pada teknik listrik antara lain; sel akumulator, selubung

kabel tanah disamping digunakan sebagai pelindung pada industri nuklir.

Timah hitam tidak tahan terhadap pengaruh getaran dan mudah mengikat

sisa asam. Pemakaiannya sebagai pelindung kabel tanah jika ditanam pada

tempat tempat tersebut, diperlukan perlindungan tambahan. Kapur basah, air laut

dan semen basah dapat bereaksi dengan timah hitam. Itulah sebabnya disamping

timah hitam sebagai pelindung kabel tanah, digunakan paduan dari timah hitam

yang mempunyai struktur kristal yang lebih luas, kuat, tahan getaran. Tetapi lebih

mudah korosi. Timah dan komponennya mengandung racun.

k. Material Konduktor Bentuk Cair

Air raksa adalah satu-satunya logam yang berbentuk cair pada suhu ruang.Resistivitasnya adalah 0,95 .mm2 /m, koefisien suhu 0,00027 per oC.

Pada pemanasan di udara air raksa sangat mudah terjadi oksidasi. Air raksa dan

campurannya khususnya uap air raksa adalah beracun.





Penggunaan air raksa antara lain: gas pengisi tabung tabung elektronik,

penghubung pada saklar air raksa, cairan pada pompa diffusi, elektroda pada

instrumen untuk mengukur sifat elektris bahan dielektrik padat.

Logam-logam lain yang juga banyak digunakan pada teknik listrik di

antaranya adalah tantalum dan niobium. Tantalum dan niobium dipadukan dengan

aluminium banyak di gunakan sebagai kapasitor elektronik.

l. Material Konduktor Bentuk Gas

Pada umumnya gas digunakan dalam lampu penerangan. Tidak semua berfungsi

sebagai penghantar, misalnya pada lampu pijar. Dahulu lampu pijar tidak berisi

gas atau hampa, tetapi sekarang umumnya berisi gas. Beberap jenis gas yangbanyak digunakan antara lain: Argon, kripton, neon, helium dan sebagainya. Gas

yang berfungsi penghantar pada lampu fluorescent yaitu waktu sakelar

dihubungkan (start) arus mengalir, setelah menyala starter terbuka sehingga arus

mengalir melalui gas.



This document was created with Win2PDF available at http://www.daneprairie.com.The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only.

http://www.daneprairie.com/




3 material

Documents