5)- sifat listrik bahan

04/12/23 Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

1

Sifat listrik bahan

4 dan 3 sks : 1 jam tatap muka

4 sks : nomor 2-13; 14-21, 23-26.

slide opsional 8 eks. : nomor 1, 22, 27-31, 32.


2

Jenis bahan/material :

Murni unsur - logam [Fe, Hg]- nonlogam [C (grafit, intan), Si, S]

Senyawa- oksida / keramik [tanah liat, SiO2]- polimer [kayu, karet, plastik]

Sifat bahan di atas : padat atau cair.

Sifat bahan lainnya : cair atau gas.


3

Jenis ikatan-kuat antar atom : Ikatan logam : ~ 1 elektron terluar

dilepas oleh atom, lalu ‘dimiliki bersama’, berupa ‘gas’ elektron yang bergerak bebas, mengikat semua ion +.

Ikatan kovalen : 1 elektron ’dimiliki bersama’ oleh 2 atom, elektron hanya bergerak di sekitar 2 atom itu, mengikat 2 atom itu.

Ikatan ionik : 1/beberapa elektron pindah ke atom lain, terjadi ion + dan – yang lalu saling menarik.


4

Sifat listrik bahan :

Jika elektron bergerak bebas, mudah terjadi arus listrik; “konduktor”, penghantar listrik [logam].

Ada pula konduktor ion positif/negatif [keramik].

Jika elektron terikat pada atom, tidak mudah terjadi arus listrik; “isolator”, non-konduktor, insulator listrik [semua jenis bahan lainnya].

Hanya jika diberi medan listrik cukup kuat, > “kekuatan dielektrik” bahan, isolator menjadi konduktor.


5

Data hambat-jenis beberapa bahan : Perak (Ag) 16 n m Tembaga (Cu) 17 n m Kuningan (Cu + ~30% Zn)

70 n m Nichrom (Ni + Cr) 1 m Grafit (C; semikond.) 35 m Silikon (Si) 2 k m Karet (C-isolator) ~1 M m Kaca (SiO2) ~1 T m Teflon (PTFE) ~100 T m


6

Data kekuatan dielektrik beberapa bahan : Udara (N2, O2) 3 MV/m Lilin (C, H) 10 MV/m Kaca (SiO2) 14 MV/m Kertas 16 MV/m Polistirena (styrofoam) 24 MV/m Teflon 60 MV/m

Jika tubuh manusia menjadi konduktor, dan dialiri > 1 mA, jantungnya dapat kacau denyutnya, di samping terjadi konversi energi listrik menjadi energi termal.


7

Isolator dapat jadi semikonduktor : Jika atom agak mudah melepas elektron

(misalnya oleh naiknya suhu), atau hadir atom asing yang agak mudah dapat menangkap elektron.

Bahan itu lalu disebut “semikonduktor” yang ‘intrinsik’, atau ekstrinsik n (jika ada pelepasan elektron), ekstrinsik p (jika ada penangkapan elektron, dan pergeseran elektron lain mengesankan ada muatan positif, ‘lubang’ bergerak).


8

Isolator listrik :

Atomnya dapat terpolarisasi oleh medan listrik dari luar; “terjadi muatan (ter)induksi”; disebut “bahan dielektrik”.

Atom-atomnya dapat membentuk gugus terpolarisasi permanen :- jika orientasi dipol listriknya acak, bahannya “para-elektrik”; dapat agak diorientasikan oleh medan listrik luar.- jika orientasi dipol listrik antar-tetangga saling menyejajarkan, bahannya “fero-elektrik”; orientasinya amat mengurangi pengaruh medan listrik luar dalam bahan.


9

Data koefisien dielektrik/ permitivitas relatif r beberapa bahan isolator Vakum 1 Udara 1,000 54 Lilin, teflon ~2 Polistirena 2,5 Kertas 3,7 Kaca biasa ~4 Kaca pireks 4 – 6


10

Sifat bahan fero-elektrik

Bersifat juga “piezo-elektrik” : - jika diberi medan listrik, terorientasi sambil mengkerut / mengembang (“elektro-striksi”, “electrostriction”); - jika ditekan, terjadi beda potensial listrik padanya.

Manfaat : untuk mikrofon, sonar, pengukur regangan & tekanan darah, akselerometer, peng-emulsi & peng-homogen susu & cat.

Jika dipanaskan ke atas “suhu Curie”nya, menjadi para-elektrik.


11

Contoh bahan fero-elektrik : Barium titanat (BaTiO3) Suhu Curie nya ~125oC Di atas TC, struktur BaO3 nya kubik, dengan

Ti4+ di posisi oktahedralnya, yang lapang akibat besarnya ukuran Ba, menghasilkan gejala para-elektrik yang kuat.

Di bawah TC, struktur kubik berubah menjadi tetragonal, dengan Ti di posisi asimetrik, menghasilkan dipol listrik permanen.

Makin banyak keramik ditemukan bersifat fero-elektrik.


12

Sifat “superkonduktif” :

Sejumlah logam, pada suhu ~ 5 kelvin, elektronnya bergerak berpasangan, dan mengakibatkan tiadanya hambatan listrik lagi. “Tipe 1”. Bersifat “diamagnetik” sempurna. Ditemukan awal abad ke 20.

Medan magnet dapat meniadakan superkonduktivitas bahan tipe 1 ini, besarnya pada suhu 0 kelvin adalah ~ 200 – 400 tesla.


13

Sifat superkonduktif (lanjutan) : Sejumlah paduan logam, pada suhu ~ 20

K, idem. “Tipe 2”.Dikembangkan awal abad ke 20.Tipe ini bersifat cukup diamagnetik.

Sejumlah isolator tembaga oksida plus unsur sisipan lain, pada suhu 30 – 120 K, menjadi “superkonduktor tipe 3”, yang dikembangkan sejak tahun 1987. Masih sedang diselidiki mekanisme elektroniknya.


14

Daftar pustaka :

W D Kingery, H K Bowen, D R Uhlmann. Introduction to Ceramics. 2nd ed. Wiley. 1976, 1991.

C Kittel. Introduction to Solid State Physics. 6th ed. Wiley. 1986.

P M Fishbane, S Gasiorowicz, S T Thornton. Physics for Scientists & Engineers. Prentice-Hall. 1993.

D C Giancoli. Physics : Principles with Applications. 3rd ed. Prentice-Hall. 1980.

J P Schaffer, dkk. The Science & Design of Engineering Materials. 2nd ed. McGraw-Hill. 1999.

5)- sifat listrik bahan

Documents