fix

BAB I PENDAHULUAN

Diktat Kuliah Material Elektroteknik 1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Sejarah peradaban manusia dapat dibagi menjadi tiga zaman, yaitu zaman

batu, zaman perunggu dan besi. Batu, perunggu dan besi ternyata merupakan

material yang melambangkan penggunaan populer di zaman-zaman tersebut.

Material-material terdapat disekitar kita telah menjadi bagian dari kebudayaan dan

pola pikir manusia bahkan telah menyatu dengan kehidupan manusia, dan tidak

saja merupakan bagian gaya hidup melainkan turut memegang peran penting

dalam kesejahteraan dan keselamatan bangsa.

Apakah hakekat material itu? Bagaimana memahami, mengolah dan

menggunakannya? Material dengan sendirinya merupakan bagian dari alam

semesta, akan tetapi lebih terinci bahwa material-material adalah benda yang

dengan sifat-sifatnya yang khas dimanfaatkan dalam bagunan, mesin, peralatan

atau produk. Termasuk di dalamnya logam, keramik, semi konduktor, polimer

(plastik), gelas, dielektrik, serat, kayu pasir, batu dan berbagai komposit.

Material-material yang digunakan manusia mengikuti siklus bahan mulai dari

ekstraksi, pembuatan sampai pelapukan. Material mentah diambil dari bumi

melalui penambangan, pengeboran, penggalian; kemudian diolah menjadi bahan

baku seperti logam, batu belah, material petrokimia, kayu gelondongan; kemudian

diolah menjadi material-material teknik seperti kawat listrik, besi beton, plastik dan

kayu lapis, untuk memenuhi kebutuhan masyarakat. Akhirnya stelah digunakan

selama beberapa waktu, material-material tersebut kembali ke aslinya, ke bumi

sebagai material bekas/sisa (scrap) atau memasuki siklus untuk diolah kembali dan

digunakan lagi sebelum dibuang.

BAB I PENDAHULUAN


Suatu aspek yang sangat penting dalam konteks siklus material adalah

kaitan yang erat antara material, energi dan lingkungan. Hal ini berarti bahwa

ketiga-tiganya harus diperhitungkan dalam perencanaan nasional dan penkajian

teknologi. Pertimbangan-pertimbangan ini menjdi sangat penting karena

meningkatkan kelangkaan energi dan material, pada saatnya dimana penduduk

bumi mulai sadar akan arti lingkungan hidup yang baik. Sebagai contoh, bila

aluminium bekas dapat diolah kembali secara efektif, maka hanya diperlukan

seperdua puluh dari energi untuk mengolah aluminium primer dari biji setiap

atomnya, dan bumi tidak perlu dikeruk penambangan.

Penemuan material baru yang diikuti dengan aplikasi akan memberikan

perubahan dalam masyarakat. Kebenaran hal ini dapat diamati dari kemajuan yang

pesat dari berbagai bidang seperti energi, telekomunikasi, multimedia, komputer,

kontruksi dan tranportasi. Kita tidak mungkin naik pesawat jet jarak jauh bila tidak

ditemukan material baru untuk pembuatan mesin jet yang berada dengan mesin

lainnya. Juga aplikasi komputer dalam segala bidang tak mungkin ada bila

teknologi material untuk rangkaian mikrolelektronik tidak mengalami kemajuan

pesat seperti sekarang.

Pada saat ini dimana dunia terasa semakin kecil, faktor jarak hampir tidak

berpengaruh dalam komunikasi. I tupun tidak luput dari pesatnya perkembangan

aplikasi material dalam telekomunikasi. Pendek kata penemuan dan aplikasi

material baru dapat membuat dunia baru yang boleh jadi tidak pernah

dibayangkan oleh si penemunya sendiri. Penemuan semikonduktor tidak pernah

membayangkan sebelumnya bahwa dengan semikonduktor akan terjadi revolusi

komunikasi. Dalam memasuki milenium ketiga perlu juga diantisipasi material baru

apa yang akan diaplikasikan sehingga terjadi sesuatu yang baru di alam global.

Jelaslah, bahwa dalam perkembangan pengetahuan, orang melihat bahwa

ilmu dan teknologi material melangkah maju dalam perbendaharawan ilmu. Secara

ringkas, ilmu dan teknologi material, meliputi pengembangan dan penerapan

BAB I PENDAHULUAN


pengetahuan mengenai hubungan antara komposisi, struktur dan pemrosesan

material dengan sifat-sifat dan pemakaiannya.

Seorang ahli teknik (insinyur) mengadaptasi material dan energi untuk

keperluan masyarakat. Profesi sebagai insinyur harus dibekali dengan

pemahaman tentang material. Dalam menjalankan tugas kereyakasaan selalu

dihadapkan dengan pemilihan material yang cocok dan tidak jarang harus

melakukan modifikasi atau proses supaya memenuhi syarat-syarat tekno-

ekonomis. Seorang insinyur elektro harus berbekal diri dengan pemahaman

material-material yang terkait dengan dunia elektroteknik.

Gambar 1.1 berikut ini memperlihat kaitan yang erat antara struktur, sifat,

proses, fungsi dan kinerja material.

Gambar 1.1. Gambaran unsur ilmu dan teknologi material dan kaitannya dengan

aliran pengetahuan ilmiah dan pengetahuan empiris

I lmu dasar dan keteknikan sangat diperlukan untuk mengetahui struktur material.

Dan pihak masyarakat sebagai pengguna memerlukan suatu kinerja (performance)

tertentu dari material tersebut. Dari kedua arah ini dilakukan investigasi sifat

(properties) material dan selanjutnya dilakukan pemrosesan untuk memenuhi

kebutuhan masyarakat. Dalam siklus proses di atas maka baik pengalaman ilmiah

(scientific) maupun pengalaman empiris sangat diperlukan.

Ilmu Dasar dan

Keteknikan

Struktur ------ Sifat ------- Kinerja

Pemrosesan

Kebutuhan Masyarakat

dan Pengalaman

Pengetahuan Ilmiah

Pengetahuan Empiris

BAB I PENDAHULUAN


Teknologi material mencakup sintesa dan penerapan ilmu dasar maupun

ilmu empiris untuk pengembangan, persiapan, modifikasi dan memanfaatkan

material untuk memenuhi kebutuhan tertentu. Jelas bahwa perbedaan antara ilmu

material dan teknologi material terletak pada cara pendekatan atau titik berat

perhatian; tidak ada garis pemisah antara kedua daerah tersebut dan akan lebih

masuk akal bila keduanya digabungkan dan disebut ilmu dan teknologi material.

Jadi jelas bahwa ilmu dan teknologi material merupakan suatu bidang yang

serba guna dan sangat luas, mulai dari atom dan elektron dalam alam mikro

hingga pengetahuan mengenai fungsi dan penggunaan material untuk memenuhi

kebutuhan masyarakat. Bagian lingkar dalam gambar 1.2 melukiskan pengetahuan

manusia, mulai dari pengetahuan dasar (bagian inti), meluas ke pengetahuan

terapan (bagian tengah) hingga ke berbagai bidang teknologi (bagian kulit luar). Di

pusat terdapat fisika dan kimia diapit oleh matematika dan mekanika; dan bila

bergeser ke luar kita jumpai berbagai disiplin terapan. Bagian dari bagian ini yang

berwarna semu gelap di sebelah kanan adalah sektor ilmu dan teknologi material,

yang dapat dibandingkan dengan sektor lainnya.

REKAYASA

KEDOKTERAN

ILMU TERAPAN

BIOLOGI

ILMU BUMI ALAM

ILMU DASAR

MEKANIKA FIFIKA KIMIA

MATEMATIKA

PERTAMBANGAN TEKNOLOGI

MINERAL DAN GEOLOGI

RUANG ANGKASA

NUKLIR

LISTRIK

MESIN

KIMIA

SIPIL

METALURGI KERAMIK

POLIMER

ILMU DAN TEKNOLOGI

BAHAN

Gambar 1.2. I lmu dan

teknologi material yang

menggambarkan antara

material dengan sifat

yang penting bagi ahli

teknik.

BAB I PENDAHULUAN


Ilmu dan teknologi material bersifat antar-disiplin yang mecakup beberapa

disiplin (seperti metalurgi dan keramik) dan sub disiplin (seperti fisika zat padat

dan kimia polimer) lainnya dan mungkin tumpang-tindih dengan beberapa disiplin

teknik.

Dengan sendirinya banyak ilmuwan dan ahli teknik yang menjadi ahli

material - ahli metalurgi, keramik dan ahli kimia polimer

kemudian melibatkan

diri dalam ilmu dan teknologi material.

Perlu dicatat, menurut data statistik pemerintah Amerika terbukti bahwa

satu diantara enam jam kerja ahli teknik tercurahkan pada permasalahan dan

penggunaannya. Perbandingan ini makin besar untuk ahli kimia dan fisika.

Akibatnya, sekitar setengah juta ilmuwan dan ahli teknik (seluruhnya kurang lebih

dua juta orang) menghasilkan karya dibidang ini demi peningkatan produk dan

kesejahteraan nasional.

Ilmu dan teknologi material merupakan bidang kerja para ahli dalam

berbagai disiplin, mereka menyelidiki proses alam dan bersamaan dengan itu

memajukan pengetahuan memenuhi tantangan kebutuhan manusia yang semakin

meningkat. Sifat-sifat material yang diinginkan sangat banyak, termasuk sifat

mekanik (kekuatan, kekerasan, kekakuan, keliatan, keuletan, kekuatan impak dsb),

sifat-sifat listrik (daya hantar, dielektrik, dsb), sifat magnetik (permeabilitas,

koersivitas, histerisis, dsb), sifat-sifat termal (panas jenis, pemuaian, konduktivitas,

dsb); sifat-sifat kimia (reaksi kimia, kombinasi, korosi, dsb), sifat-sifat fisik (ukuran,

massa jenis, struktur, dsb) dan masih banyak lainnya. Kebanyakan sifat-sifat

tersebut ditentukan oleh jenis dan perbandingan atom yang membentuk material,

yaitu unsur dan komposisinya.

BAB I PENDAHULUAN


1.2. MATERIAL ELEKTROTEKNIK

Material-material yang digunakan dalam peralatan elektroteknik dapat dibagi

dalam dua kelompok:

Pertama, adalah material-material konstruksi yang digunakan untuk membuat

bagian mekanis.

Contoh: knop, dial, chasis, roda gigi pada variabel kapasitor, sekrup, ring

dan lain-lain.

Kedua, adalah material-material yang menentukan kinerja (performance) dari

peralatan/komponen listrik elektronika dan sistem insolasinya, seperti dalam

membangkitan, mentransmisikan, meyearahkan, memperkuat modulasi

sinyal listrik.

Dalam pengoperasian peralatan dan komponen listrik/elektronik, material-

material tersebut diterpa medan listrik atau medan magnetik. Berdasarkan sifat

material-material listrik dalam medan listrik dan medan magnetik, material elektrik

dapat digolongkan ke dalam material konduktor, semikonduktor, dielektrik,

material magnetik dan nonmagnetik.

Sifat dasar material-material terhadap medan listrik adalah tergantung

konduktivitas listriknya, yaitu sifat mengantarkan arus listrik terhadap adanya

pengaruh tegangan listrik. Berikut ini dapat dibedakan sifat dasar yang dimiliki dari

empat golongan material tersebut:

a. Material konduktor, bersifat menghantarkan arus listrik karena memiliki

konduktivitas yang tinggi (resistivitas relatip rendah). Yang juga termasuk

dalam material-material ini adalah superkonduktor dan cryakonduktor dan

material-material resistip.

BAB I PENDAHULUAN


b. Material semikonduktor, sifat hantaran listrik dipengaruhi oleh adanya

energi dari luar, seperti tegangan, temperatur, iluminasi dan faktor-faktor

lain. Pada temperaur 0 oK material ini bersifat sebagai material isolator.

Sedangkan pada temperatur di atas 0 oK seperti pada temperatur ruang

(300 oK) bersifat sebagai konduktor.

c. Material insolator atau dielektrik, bersifat tidak menghantarkan (isolasi)

arus listrik.

d. Material magnetik, material yang dapat dimagnetisasi bila ditempatkan

dalam pengaruh medan megnetik. Beberapa diantaranya tetap memiliki

sifat magnetik setelah tidak dipengaruhi medan magnet lagi. Sedangkan

material non-magnetik tidak dapat dimagnetisasi bila ditempatkan dalam

suatu medan magnetik.

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

BAB II STRUKTUR ATOM DAN STATISTIK ELEKTRON


BAB II

STRUKTUR ATOM DAN STATISTIK ELEKTRON

Untuk dapat mengerti secara kualitatif maupun kuantitatif tentang material-

material di alam khususnya material listrik perlu diingatkan kembali beberapa sifat

penting material yang tergantung dari susunan geometrik atom dan juga interaksi

antara atom dan molekul-molekul. Akibat interaksi antar atom dan molekul maka

muncullah teori pita energi yang ternyata sangat berguna dalam menjelaskan sifat-

sifat material. Aplikasi material dalam berbagai bidang dan divais sebagian besar

dirancang dengan memanfaatkan teori pita energi dalam analisa mobilitas

pembawa muatan.

Pada bab ini akan memberikan pengenalan struktur atom yang akan dimulai

dari konsep dasar struktur atom, model atom, struktur kristal, ikatan kimia dan

model jalur energi.

2.1. STRUKTUR ATOM

Tiap atom terdiri dari suatu nukleus yang sangat kecil mengandung proton

dan neutron yang dikelilingi oleh perputaran elektron. Baik elektron maupun

proton adalah bermuatan listrik, besarnya muatan listrik tersebut adalah 1,6 x 10-19

Coulomb. Elektron bermuatan negatip, proton bermuatan positip sedangkan

neutron bermuatan netral. Massa partikel subatom tersebut sangatlah kecil, proton

dan neutron memiliki massa yang hampir sama sebesar 1,6 x 10-27 kg, massa

tersebut lebih besar dari massa elektron sebesar 9,1 x 10-37 kg.

Tiap unsur kimia dikarekterisasi dengan jumlah proton dalam nukleus atau

nomor atom (Z). Untuk atom netral atau atom kompleks, nomor atom sama

dengan jumlah elektron. Setiap unsur memiliki nomor atom tersendiri, khususnya



elektron yang paling luar menentukan sifat-siafat yang diutamakan dalam teknik,

yaitu:

Menentukan sifat-sifat kimia,

Menentukan ikatan antara atom-atom, dengan demikian menentukan

karakteristik mekanik dan kekuatan,

Menentukan ukuran atom dan mempengaruhi konduktivitas listrik material,

Mempengaruhi karakteristik optik.

Massa atom A dari atom spesifik dinyatakan sebagai jumlah massa proton

dan neutron dalam nukleus. Walaupun jumlah proton sama untuk semua atom dari

suatu elemen, jumlah neutron N dapat menjadi variabel. Sehingga, atom dari

beberapa elemen mempunyai dua atau lebih massa atom yang berbeda disebut

isotop. Berat atom berkaitan dengan rata-rata berat massa atomik dari atom

secara alamiah menjadi isotop. Satuan massa atom, amu (atomic mass unit)

digunakan untuk perhitungan berat atom. 1 amu didefinisikan sebagai 1/12 massa

atom dari isotop karbon, karbon 12 (12C): (A = 12,00000). Massa proton dan

neutron adalah sedikit lebih besar dari satu, dengan persmaan

A

Z + N (2.1)

Berat atom suatu elemen atau berat molekul dari suatu campuran secara spesifik

berdasarkan amu per atom (molekul) atau massa per mole material. Dalam satu

mole zat adalah 6, 023 x 1023 (bilangan Avogadro) atom atau molekul. Perhitungan

berat dua atom berkaitan dengan persamaan berikut,

1 amu/atom (atau molekul) = 1 g/mole

Contoh, berat atom besi adalah 55,85 amu/atom atau 55,85 g/mole. Kadang-

kadang menggunakan amu per atom atau molekul dikonversi dengan cara lain g

(atau kg)/mole.



2.2. MODEL ATOM

Menurut model atom Bohr, suatu atom terdiri atas sebuah inti yang

bermuatan positip, yang dikelilingi oleh sebuah inti yang bermuatan positip, yang

dikelilingi oleh sebuah atau lebih elektron yang bermuatan negatip sehingga atom

tersebut netral (muatan inti + muatan elektron

neutron = 0).

Tempat-tempat kedudukan elektron sudah tertentu dan terdiri dari

beberapa kulit (shell) yang masing-masing disebut K, L, M, N dan seterusnya,

dengan konfigurasi sebagai berikut:

Gambar 2.1. Model atom Bohr, beserta tempat-tempat kedudukan elektron

K u l i t:

Pertama : K dapat menampung maksimum 2 elektron

Kedua : L dapat menampung maksimum 8 elektron

Ketiga : M dapat menampung maksimum 18 elektron

Keempat : N dapat menampung maksimum 32 elektron

: :

Ke X : X dapat menampung maksimum 2 X2 elektron

Susunan dan konfigurasi elektron atom unsur-unsur pada setian kulit dan

subkulit seperti diperlihatkan pada Tabel 2.1.

K

L

M

N

inti



TABEL 2.1. KONFIGURASI ELEKTRON ATOM UNSUR-UNSUR YANG DIISOLIR

Nomor Unsur Jumlah Elektron Nomor Unsur Jumlah ElektronAtom K L M N Atom O P

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 7s

1 H 1 51 Sb 10 - 2 3 - - - - - - - -2 He 2 52 Te 10 - 2 43 Li 2 1 53 I 10 - 2 54 Be 2 2 54 Xe 10 - 2 65 B 2 2 1 55 Cs 10 - 2 6 16 C 2 2 2 56 Ba 10 - 2 6 27 N 2 2 3 57 La 10 - 2 6 1 28 O 2 2 4 58 Ce 10 2 2 6 - 29 F 2 2 5 59 Pr 10 3 2 6 - 210 Ne 2 2 6 60 Nd 10 4 2 6 - 211 Na 2 2 6 1 61 Pm 10 5 2 6 - 212 Mg 2 2 6 2 62 Sm 10 6 2 6 - 213 Al 2 2 6 2 1 63 Eu 10 7 2 6 - 214 Si 2 2 6 2 2 64 Gd 10 7 2 6 1 215 P 2 2 6 2 3 65 Tb 10 8 2 6 1 216 Si 2 2 6 2 4 66 Dy 10 9 2 6 1 217 Cl 2 2 6 2 5 67 Ho 10 10 2 6 1 218 A 2 2 6 2 6 68 Er 10 11 2 6 1 219 K 2 2 6 2 6 - 1 69 Tm 10 12 2 6 1 220 Ca 2 2 6 2 6 - 2 70 Yb 10 13 2 6 1 221 Se 2 2 6 2 6 1 2 71 Lu 10 14 2 6 1 222 Ti 2 2 6 2 6 2 2 72 Hf 10 14 2 6 2 223 V 2 2 6 2 6 3 2 73 Ta 10 14 2 6 3 224 Cr 2 2 6 2 6 5 1 74 W 10 14 2 6 4 225 Mn 2 2 6 2 6 5 2 75 Re 10 14 2 6 5 226 Fe 2 2 6 2 6 6 2 76 Os 10 14 2 6 6 227 Co 2 2 6 2 6 7 2 77 Ir 10 14 2 6 9 028 Ni 2 2 6 2 6 8 2 78 Pt 10 14 2 6 9 129 Cu 2 2 6 2 6 10 1 79 Au 10 14 2 6 10 130 Zn 2 2 6 2 6 10 2 80 Hg 10 14 2 6 10 231 Ga 2 2 6 2 6 10 2 1 81 TI 10 14 2 6 10 2 132 Ge 2 2 6 2 6 10 2 2 82 Pb 10 14 2 6 10 2 233 As 2 2 6 2 6 10 2 3 83 Bi 10 14 2 6 10 2 334 Se 2 2 6 2 6 10 2 4 84 Po 10 14 2 6 10 2 435 Br 2 2 6 2 6 10 2 5 85 At 10 14 2 6 10 2 536 Kr 2 2 6 2 6 10 2 6 86 Rn 10 14 2 6 10 2 637 Rb 2 2 6 2 6 10 2 6 - - 1 87 Fr 10 14 2 6 10 2 6 138 Sr 2 2 6 2 6 10 2 6 - - 2 88 Ra 10 14 2 6 10 2 6 239 Y 2 2 6 2 6 10 2 6 1 - 2 89 Ac 10 14 2 6 10 2 6 1 240 Zr 2 2 6 2 6 10 2 6 2 - 2 90 Th 10 14 2 6 10 2 6 2 241 Nb 2 2 6 2 6 10 2 6 3 - 1 91 Pa 10 14 2 6 10 2 6 3 242 Mo 2 2 6 2 6 10 2 6 4 - 1 92 U 10 14 2 6 10 2 6 4 243 Tc 2 2 6 2 6 10 2 6 5 - 1 93 Np 10 14 2 6 10 5 2 6 - 244 Ru 2 2 6 2 6 10 2 6 6 - 1 94 Pu 10 14 2 6 10 5 2 6 1 245 Rh 2 2 6 2 6 10 2 6 7 - 1 95 Am 10 14 2 6 10 6 2 6 1 246 Pd 2 2 6 2 6 10 2 6 8 - - 96 Cm 10 14 2 6 10 7 2 6 1 247 Ag 2 2 6 2 6 10 2 6 10 - 1 97 Bk 10 14 2 6 10 8 2 6 1 248 Cd 2 2 6 2 6 10 2 6 10 - 2 98 Cr 10 14 2 6 10 9 2 6 1 249 In 2 2 6 2 6 10 2 6 10 - 2 1 99 Es 10 14 2 6 10 10 2 6 1 250 Sn 2 2 6 2 6 10 2 6 10 - 2 2 100 Fm 10 14 2 6 10 11 2 6 1 2



Jika diteliti lebih lanjut konfigurasi elektron ini terpecah lagi menjadi grup-grup

kwantum menurut notasi spektroskopi sebagai berikut:

K menjadi 1 s

L menjadi 2 s, 2 p

M menjadi 3 s, 3 p, dan 3 d

N menjadi 4 s, 4 p, 4 d dan 4 f

Dimana subkulit:

s dapat menampung maksimum 2 elektron

p dapat menampung maksimum 6 elektron

d dapat menampung maksimum 10 elektron

f dapat menampung maksimum 14 elektron.

2.3. STRUKTUR KRISTAL

Wujud material-material listrik dapat diklasifikasikan sebagai zat padat, cair

dan gas. Selain dari fasa-fasa wujud tersebut, terdapat tiga wujud gas terionisasi

yaitu plasma. Semua logam, sebagian besar keramik dan beberapa polimer

membentuk kristal ketika bahan tersebut membeku. Dengan ini dimaksudkan

bahwa atom-atom mengatur diri secara teratur dan berulang dalam pola 3

dimensi, struktur semacam ini disebut kristal. Struktur zat padat dapat digolongan

sebagai monokristal, polikristal, amorphous amorphous-kristal.

a. Monokristal

Zat monokristal bersifat homogen dan mempunyai susunan atom-atom

yang teratur di seluruh bagian dan membentuk sel-sel kristal yang identik dan

periodik. Sel-sel kristal tersebut sebagai sel primitif (sel satuan). Sel satuan ini

yang mempunyai volume terbatas, masing-masing memiliki ciri yang sama dengan

kristal secara keseluruhan.



Sel primitif ini dibentuk oleh tiga vektor dasar a, b, c yang tersusun secara

berulang di dalam bahan dengan vektor pergeseran (translation vektor):

R = n1 a + n2 b + n3 c (n1, n2, n3 = 0,

1,

2, ..........)

Bentuk sel-sel primitif ditentukan oleh sudut , ,

dari ketiga vektor dasar

tersebut. Ada tujuh sistem kristal, dengan karakteristik geometriknya seperti

tercantum dalam Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Sistem Kristal

Sistem Sumbu (axes) Sudut sumbu (axial angles)

Kubik a = b = c

=

=

= 90o

Tetragonal a = b

c

=

=

= 90o

Ortorombik a

b

c

=

=

= 90o

Monoklinik a

b

c

-

- 90o

Triklinik a

b

c

90o

Heksagonal a = a

c

=

= 90o;

=120o

Rombohedral a = a = c

=

=

90o

(a) (b) (c)

Gambar 2.2. Kristal bukan kubik (a) tetrogonal: a1 = b2

c; sudutnya = 90o. (b) Ortorombik a

b

c; sudutnya = 90º . (c) Heksagonal: a1 = a2

c; sudutnya 90º, dan 120o

120o

c

a

a

c

a

b

a

b

c



b. Polikristal

Bahan polikristal tersusun atas grain-grain kristal kristal yang terikat

bersama dan bermacam-macam dengan orientasi yang random. Biasanya arah

kristal berbeda-beda, tetapi bila dibuat arahnya tertentu, dikenal sebagai bahan

polikristal grainoriented atau textured .

c. Amorphous

Bahan Amorphous sama sekali tidak mempunyai susunan atom-atom yang

teratur. Berasal dari cairan yang berubah menjadi fasa padat, yaitu dengan

menurunkan temperatur yang mencegah terjadinya pembentukan dan

pertumbuhan kristal.

d. Bahan Amorphous-Kristal

Bersifat amorphous tetapi terdapat keadaan kristal di beberapa bagian.

2.4. IKATAN ATOM DAN MOLEKUL

Ikatan kimia terjadi untuk mendapatkan kondisi lebih stabil dibanding bila

berdiri sendiri-sendiri. Secara umum ikatan kimia dibagi dua menjadi kelompok

yaitu ikatan primer atau ikatan kuat dan ikatan sekunder atau ikatan lemah. Ikatan

primer terdiri dari tiga macam yaitu ikatan ionik, ikatan konvalen dan ikatan logam.

(a) Ikatan Ionik

Ikatan atom yang paling mudah dijelaskan adalah ikatan ionik, yang

terbentuk oleh adanya gaya tarik menarik antara muatan positip dengan muatan

negatip melalui gaya Coulomb. Atom-atom unsur Na dan Ca yang masing-masing

mempunyai satu dan dua elektron pada orbital valensinya, dengan mudah

melepaskan elektron luarnya dan menjadi ion positip. Atom Cl dan O dengan

mudah menerima tambahan elektron pada orbital valensinya sampai mencapai



delapan buah elektron. Dengan menerima satu atau dua elektron, keduanya

menjadi ion bermuatan negatip. Gaya elektrostatik antara ion positif dengan ion

negatif mencirikan ikatan yang banyak dimiliki bahan dielektrik, inorganik dimana

komposisinya terdiri dari ion bukan sejenisnya.

Muatan negatip dapat menarik semua muatan positip dan muatan positip

dapat menarik semua muatan negatip. Akibatnya, ion natrium dikelilingi oleh

sejumlah ion Cl dikelilingi oleh sejumlah ion Na positip. Gaya tarik menarik merata

kesegala jurusan. Persyaratan utama dalam material dengan ikatan ion ialah

bahwa jumlah muatan positip harus sama dengan jumlah muatan negatip. Jadi

komposisi natrium klorida adalah NaCl. Magnesium klorida mempunyai komposisi

MgCl2, karena atom magnesium dapat memberikan dua elektron dari kulit

valensinya, sedang atom klor hanya dapat menerima satu saja.

Karena gaya tarik menarik Coulomb ini melibatkan semua tetangga, bahan

dengan ikatn ion sangat stabil, khususnya bila menyangkut ion valensi ganda.

Sebagai contoh, bila magnesium dan oksigen bergabung membentuk MgO, energi

yang dilepaskan adalah 570 kJ/mol (136.000 kalori) per 0,6 x 1024 ion Mg2+ dan

0,6 x 1024 ion O2-. Jadi MgO harus dipanaskan sampai sekitar 2800 oC sebelum

mempunyai cukup energi dan mencair.

(b) Ikatan Kovalen

Ikatan kovalen terbentuk dengan adanya pemakaian bersama elektron-

elektron. Jenis ikatan ini dimiliki oleh atom-atom material semikonduktor dan

banyak ditemui pada atom diatomik seperti H2, O2, N2, F2, karbon, Si, Ge dan

kebanyakan polimer. Sebagai contoh atom oksigen yang mempunyai nomor atom

8 mempunyai konfigurasi elektron 1s1 2s2 2p4. Konfigurasi elektron ini dapat

menjadi stabil seperti konfigurasi Neon dengan saling memakai 2 elektron pada

2p4 menjadi 2p6.

Dalam ikatan kovalen makin banyak elektron dipakai bersama maka energi

ikatan akan semakin besar dan hal ini menyebabkan panjang ikatan semakin



pendek. Sebagai contoh karbon dengan satu ikatan C-C mempunyai energi ikatan

370 kJ/mol dengan panjang ikatan 1,54 A sedangkan untuk ikatan rangkap C=C

melibatkan energi 680 KJ/mol dengan panjang ikatan 1,3 A. harga energi dan

panjang ikatan untuk beberapa material dapat dilihat pada tabel berikut:

Tabel 2.3. Energi dan panjang ikatan beberapa material

Ikatan Energi Ikatan (kJ/mol)

Panjang Ikatan (A)

C-C 370 1,54 C=C 680 1,3 C=C 890 1,2 C-H 435 1,1 C-N 305 1,5 C-O 360 1,4 C=O 535 1,2 C-F 450 1,4 C-Cl 340 1,6 O-H 500 1,0 O-O 220 1,5 N-O 250 1,2 N-H 430 1,0 F-F 160 1,4

(c) Ikatan Logam

Ion-ion logam berikatan yaitu antara ion positif dan elektron valensi yang

telah terlepas dari atomnya. Ikatan logam lebih lemah daripada ikatan kovalen

bahan semikonduktor.

Ikatan logam dijumpai pada logam. Atom-atom logam tersusun secara

teratur membentuk suatu pola tertentu. Elektron terluar (elektron valensi) dari

suatu atom mengalami gaya atraksi dari inti atom beberapa atom lain di sekitarnya.

Sehingga elektron-elektron ini tidak menjadi milik suatu atom secara spesifik

akan tetapi membentuk suatu awan elektron milik bersama atom-atom. Sebagai

contoh setiap atom tembaga (Cu) yang mempunyai struktur face centered cubic



(FCC) bertetangga dengan 12 atom lain dan awan elektron dapat terbentuk dari

kelompok atom-atom ini.

(d) Ikatan van der Waals

Disamping ketiga ikatan primer di atas masih ada lagi ikatan sekunder yaitu

ikatan van der waals dan ikataan hidrogen. Ikatan van der waals muncul pada

atom atau molekul yang mempunyai dipol baik permanen atau tidak permanen.

Ikatan antara molekul yang ditimbulkan oleh gaya tarik menarik

elektrostatik diantara muatan-muatan yang tidak sejenis dari molekul-molekul.

Ikatan ini yang mengikat molekul-molekul dari hidrogen, nitrogen, CO2, dan

bahan-bahan organik. Sifat ikatan molekul adalah lemah, sehingga titik didih dan

leleh material-material ini adalah rendah.

2.5. MODEL JALUR ENERGI

Bila model atom Bohr pada Gambar 2.1 diperbesar, maka yang terlihat

hanya sebagian dari lintasan elektron seperti terlihat pada Gambar 2.3 (a). Untuk

mempermudah, maka lintasan elektron pada model atom Bohr dibuat menjadi

garis-garis horizontal seperti terlihat pada Gambar 2.3 (b) dan disebut tingkat

energi.

Gambar 2.3 (a) Sebagian dari model atom Bohr, (b) tingkat energi atom

R3

R2

R1

Inti atom

Lintasan 1

Lintasan 2

Lintasan 3

(a)

ER1

ER2

ER3

Tingkat Energi

tepi inti

(b)



Jadi lintasan K disebut tingkat energi 1 dan seterusnya. Setiap tingkat

energi mempunyai energi yang berbeda-beda. Makin besar jarak lintasan (tingkat

energi) dari inti atom, makin besar energi yang dipunyai elektron. Jadi bila atom

tersebut mendapatkan tambahan energi, maka elektron dapat pindah ke tingkat

energi yang lebih besar.

Lintasan-lintasan elektron atau tingkat tingkat energi pada zat, tidak hanya

dipengaruhi oleh atom masing-masing lintasan, tetapi juga oleh atom-atom

lainnya. Karena setiap elektron pada kristal berada pada posisi berlainan, maka

energi dari elektron elektron tersebut tidak sama. Tingkat tingkat energi dari zat

padat akan membentuk jalur energi seperti terlihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Model jalur energi bahan-bahan.

Elektron elektron di jalur energi lebih dalam dari jalur energi valensi karena

ikatannya yang kuat dengan inti atom tidak memberikan arti apa-apa pada sifat

konduksi material.

Elektron elektron di jalur energi valensi apabila memperoleh eksitasi energi

luar maka akan meninggalkan jalur energi valensi dan berlaku sebagai elektron

bebas. Elektron bebas ini akan bersifat menghantarkan arus listrik. Terdapatnya

elektron bebas ini bahan bersifat konduktif.

ER1

ER2

ER3

Energi

Jalur pertama

Jalur kedua

Jalur ketiga



Dalam model jalur energi elektron bebas melakukan konduksi listrik dalam

suatu jalur energi yaitu jalur energi konduksi.

Karena jalur energi lebih rendah dari jalur energi tidak memberikan arti apa-

apa bagi sifat konduksi listrik material, maka model jalur energi material

disederhanakan dengan hanya terdiri atas jalur energi valensi dan jalur energi

konduksi.

Pada Gambar 2.5 di bawah ini diperlihatkan model jalur energi material.

Antara jalur energi valensi dengan jalur energi konduksi terdapat celah energi

(energy gap, Eg). Celah energi menggambarkan berapa energi eksitasi yang

diperlukan untuk mengeksitasi elektron valensi menjadi elektron bebas yang

memberikan sifat konduksi listrik material.

Gambar 2.5. Model jalur energi suatu bahan (semikonduktor atau Insulator)

Model jalur energi pada Gambar 2.5 menggambarkan keadaan tingkat energi

velensi dan konduksi bahan semikonduktor atau insulator, dimana terdapat celah

energi Eg > 0. Dalam pembahasan selanjutnya model jalur energi material-

material akan jelas perbedaan kedua bahan tersebut.

Elektron-elektron pada material-material konduktor maupun semikonduktor

dapat diemisikan ke luar (Evac) material-material tersebut.

WF

EF

EC

EV

EVdc

Asumsi: EF = EC

EF = tingkat energi Fermi



EC

Jalur kenduksi

Jalur valensi

Terdapat tingkat energi acuan ruang hampa (Evac) di mana perbedaannya

dengan tingkat energi Fermi material EF, menyatakan fungsi kerja (work function

WF) material tersebut. Fungsi kerja menyatakan berapa energi yang diperlukan

bagi elektron bebas di dalam material untuk menjadi elektron bebas di ruang

hampa.

Pada Gambar 2.6 memperlihatkan model jalur energi dari insulator,

semikonduktor, dan konduktor. Untuk insulator dan semikonduktor, masing-

masing terdiri dari jalur energi valensi, jalur energi terlarang dan jalur energi

konduksi. Sedangkan untuk konduktor, hanya terdiri dari jalur energi valensi dan

jalur energi konduksi saja.

Bahan-bahan insulator memiliki celah energi yang lebar dengan Eg biasanya

> 6 eV.

Bahan-bahan semikonduktor memiliki celah energi yang lebih sempit yaitu

Eg < 6 eV, biasanya disekitar 1 eV (Si memiliki Eg = 1,1 eV). Sedangkan bahan

konduktor tidak memiliki celah energi. Jalur energi konduksi bahan ini berimpit

(over lapping) dengan jalur energi valensi jadi tidak ada perbedaan tingkat energi

elektron valensi dengan elektron bebas.

Gambar 2.6. Model jalur energi dari :

(a) Isolator; (b) Semikonduktor; (c) Konduktor

Energi

Jalur kenduksi

Jalur terlarang

EV

Energi

Energi

Eg

6 eV

Eg

1 eV

EC

EV

EC

EV

(a)

(b)

(c)

BAB III MATERIAL KONDUKTOR


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 juga

akan 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 = Eme

(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 tumbukan dengan atom

Waktu (t)

Kecepatan rata-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

mne

didapat :

1

=

=

2n

ne

m , maka = ).

111(

ne

m

defimpph2n

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 =

nme

Ex

perubahan enersi kinetis setelah benturan :

E kin (t) = ½ m n (v 2 )2 - (v 1 )

2



= ½ m n (v x

(e/m n ) E x t )

2 - v x2

= ½ m n ( nm

e E x t )

2 - nme2

v x E x 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

me

( xxin

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

kin mEe

dt)texp()t(E (3.14)

Bila n elektron berada dalam volume 1 dm2 akan mendapatka n

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 dengan

hubungan 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 :

= meN 2

e

(3.17)

sehingga resistivitas

= 1

eNm

2e

(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)

Res

istiv

itas

()

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.

ph

2ei

2e

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 Ni. 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

22aM41

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

T1

a

12

atau T

C



dimana C adalah suatu konstanta. Dengan memasukkan harga

dalam mobilitas

didapatkan

=

mT

eC

Dengan demikian resistivitas logam menjadi

= Cne

mTne11

2

(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

oTToo T

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

233A m/105,8

1056,63

1002,6.1096,8M

dN

dengan persamaan vibrasi atom didapat

S = 2222

2 m104M

kT2a



Sehingga

= s1035,2NuS

1 14

s

Mobilitas adalah

= 1123 sVm1013,4me

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)

I

x

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 = nq1

adalah 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 dapat

terjadi karena perbedaan fungsi kerja untuk bahan metal yang tidak sama dan

juga karena perbedaan kerapatan elektron bebas.

Bila temperatur pada titik titik 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 n

nln)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 dari

permukaan 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 eV

4,20

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%), baja 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

baja



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 oC.

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 tipis-

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 Konstantan Kromel

Manganin

Nikron

Fechral

Nikelin

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

86 Cu, 12 Mn, 2Ni

1,5 Mn, 75 s.d 78 Ni 20 s/d 23 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

0,52 6,5

0,42 s/d 0,48

1 s/d 1,1

1,2 s/d 1,35

0,4 s/d 0,47

5,25 6,5

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 adalah

rendah.

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 Kecepatan tinggi

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

Generator turbo

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 yang

banyak 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.

BAB IV SEMIKONDUKTOR


BAB IV

SEMIKONDUKTOR

Perkembangan kemajuan elekronika sangat pesat dan telah menjadi tulang

punggung dalam dunia modern. Kemajuan yang sangat cepat terjadi setalah

ditemukannya komponen semikonduktor (zat padat) yang memberikan bayak sifat-

sifat listrik yang unik yang hampir dapat memecahka semua persoalan elektronika.

Dengan ditemukannya semikonduktor maka komponen menjadi sangat ringan,

murah dan sangat kompak, inilah dan persatuan luas mempunyai kepadatan

rangkaian yang sangat tinggi, inilah yang mendorong penggunaan semikonduktor

secara meluas, seperti teknologi komputer. Dalam bab ini menjelaskan secara

sederhana mengenai material semikonduktor.

4.1. SEMIKONDUKTOR INTRINSIK

Semikonduktor dan Isolator dibedakan berdasarkan ukuran sela energi

terlarang dalam semikonduktor, besar sela energi sedemikian sehingga jumlah

elektron yang berarti dapat melompat melalui sela antara pita valensi yang terisi

ke pita konduksi yang kosong (Gambar 4.1). Dalam semikonduktor sebagian

elektron velensi melompati sela energi terlarang. Elektron adalah pembawa

muatan negatif dalam pita konduksi. Lubang elektron merupakan pembawa

muatan positif dalam pita valensi.

Elektron dengan energi tambahan sekarang dapat membawa muatan ke

elektron positif, disamping itu lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi

dapat menghantarkan muatan karena elektron yang terletak di bagian yang lebih

dalam dari pita dapat bergerak ke atas mengisi level yang dikosongkan tadi.



Gambar 4.1 Pita valensi dan pita konduksi dalam Semikonduktor.

Tabel 4.1 Sela energi dalam unsur semikonduktor

Pada 20o C Sela energi (energi gap) Bagian dari konduktivitas

elektron valensi ohm-1.m-1

Unsur 10-18 J eV dengan energi > Eg

C (intan) 0,96 ~ 6 ~ 1/30 x 1021 < 10 -16

Si 0,176 1,1 ~ 1/1013 5 x 10-4

Ge 0,112 0,7 ~ 1/1010 2 Sn(kelabu) 0,016 0,1 ~ 1/5000 106

Pada Gambar 4.2 terlihat sela energi untuk C (intan), Si, Ge, dan Sn

(kelabu). Sela dalam intan terlalu besar untuk dapat menghasilkan sejumlah

pembawa muatan, sehingga intan termasuk kelompok isolator (Tabel 4.1). Jumlah

pembawa muatan meningkat kalau kita lihat dari kelompok IV susunan periodik ke

silikon, germanium, dan timah putih; akibatnya konduktivitas meningkat.

Konduktivitas ini merupakan sifat dasar dari bahan dan tidak ditimbulkan oleh

ketidakmurnian. Oleh karena itu disebut semikonduktivitas intrinsik.

Elektron Konduksi Lubang elektron

E = Eg

Pita Konduksi

Pita Valensi

Sela

E = 0



4

3a

Struktur kristal intan diulangi dalam Gambar 4.3 (a). Setiap atom karbon

mempunyai bilangan koordinasi 4 dan setiap pasangan atom tetangga membawa

sepasang elektron. Semua unsur ini dapat mempunyai struktur yang sama dan

mempunyai pita yang terisi. Karena timah putih memiliki sela energi yang terkecil,

pada suhu ruang, ia mempunyai elektron yang terbanyak dalam pita konduksi

(CB), oleh karena itu mempunyai konduktivutas tertinggi (lihat Tabel 5

4.1.).

Gambar 4.2. Sela energi dalam unsur kelompok IV (Skematik).

Gambar 4.3. Struktur kristal dari semikonduktor yang terkenal. (a) Intan, Silikon, germanium, dan timah putih. (b) ZnS, GaP, GaAs, InP dsbnya. Kedua struktur ini serupa, kecuali ada dua jenis atom pada kedudukan yang berlainan dalam senyawa semikonduktor valensi per atom dan dua elektron per ikatan.

6 eV

CB

VB

Karbon (a)

1,1 eV

Silikon (b)

0,7 eV

Germanium (c)

Germanium (c)

0,1eV

Timah putih (kelabu) (d)

(a) (b)



Silikon, germanium dan timah kelabu mempunyai struktur yang sama.

Timah putih adalah polimorf yang dikenal. Stabil di atas suhu 13o C (tetapi dapat

mengalami pendinginan lanjut). Timah putih (tpr) lebih padat daripada timah

kelabu ( w = 7,3 Mg/m3 = 7,3 g/cm3 , sedang g = 5,7 Mg/m3); oleh karena itu

pita energi timah putih saling tumpang tindih dan fase ini merupakan konduktor

logam. Pada Gambar 4.4. terlihat secara skematis mekanisme semikonduktivitas

untuk germanium.

Keempat unsur Kelompok IV tersebut di atas merupakan satu-satunya unsur

yang bersifat semikonduktor dengan struktur seperti Gambar 4.3(a). Beberapa

senyawa I I I IV mempunyai struktur yang sama (Gambar 4.3b). Atom-atom unsur

kelompok II I dari tabel periodik (B, Al, Ga, In) bertukar letak dengan atom-atom

Kelompok V (N, P, As, Sb). Hampir semua senyawa unsur dari ke-16 senyawa I I I

V merupakan semikonduktor karena setiap atom memiliki empat tetangga, dan

jumlah rata-rata elektron valensi yang terbagi adalah empat.

Gambar 4.4. Semikonduktor intrisik (germanium). (a) Gambaran skematik. Menampilkan elektron dalam ikatan kovalen ( dan pita valensinya) (b) pasangan elektron hole (c) Sela energi, suatu elektron harus ditingkatkan energinya sehingga menghasilkan konduksi

Ge

Ge

(b)

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

(a)

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Sela

Pita Konduksi

Pita Valensi

0,7eV

0

(c)



4.1.1 Mobilitas Muatan

Rumus mengenai konduktivitas harus diubah sehingga memenuhi Gambar

4.1 karena semikonduktor intrinsik mempunyai pembawa negatip dan positip.

Elektron yang melompat ke pita konduksi disebut pembawa muatan jenis

negatif. Konduktivitas yang dihasilkan tergantung pada mobolitas n dalam pita

konduksi semikonduktor. Lubang elektron yang terjadi dalam pita valensi

merupakan pembawa muatan jenis-positif. Konduktivitas yang dihasilkan

tergantung pada mobilitas p dalam pita valensi semikonduktor. Konduktivitas

seluruhnya merupakan gabungan dari keduanya.

.qnqn ppnn

(4.1)

Dengan sendirinya, baik lubang maupun elektron membawa muatan dasar yang

sama yaitu 0,16 x 10-18 Coulomb.

Dalam semikonduktor intrinsik, dimana terdapat perbandingan

pembentukan elektron konduksi dan lubang, sama banding satu; nn = np ; pers.

(4.1) dapat disederhanakan. Untuk semikonduktor ekstrinsik nn tidak sama dengan

np sehingga bentuk pers. (4.1) tetap digunakan. Pada tabel 4.2 terdapat sifat-sifat

dari beberapa semikonduktor. Kita dapat membuat dua pernyataan umum.

1. Besar sela energi biasanya berkurang bila kita bergerak dari (C

Si

Ge

Sn) atau (GaP

GaAs

GaSb), atau (AISb

GaSb

InSb) dalam Tabel

periodik.

2. Mobilitas elektron dalam suatu semikonduktor lebih besar daripada mobilitas

lubang elektron dalam semikonduktor yang sama ).

Hubungan ini berlaku untuk semua semikonduktor yang ada di tabel 4.2, dengan

kemungkinan pengecualian AlSb, karena data mobilitas belum dapat ditentukan

dengan teliti.

Perbedaan ini penting artinya ketika membahas kegunaan semikonduktor

jenis - n dibandingkan dengan semikonduktor jenis - p .



Tabel 4.2. Sifat beberapa semikonduktor umum (20o C)*

Mobilitas M2 /Volt/detik

Bahan Sela Energi Eg , Konduktivitas Konstanta 10-18 J eV n p intrinsik kisi

ohm-1.m-1 a,nm Unsur

C(intan) 0,9 ~6 0,17 0,12 <10-16 0,357

Silikon 0,176 1,1 0,19 0,0425 5 x 10-4 0,543

Germanium 0,112 0,7 0,36 0,23 2 0,566

Timah putih 0,016 0,1 0,20 0,10 106 0,649

Senyawa

AlSb 0,26 1,6 0,02

0,613

GaP 0,37 2,3 0,019 0,012

0,545

GaAs 0,22 1,4 0,88 0,04 10- 6 0,565

GaSb 0,11 0,7 0,60 0,08

0,612

InP 0,21 1,3 0,47 0,015 500 0,587

InAs 0,058 0,36 2,26 0,026 104 0,604

InSb 0,029 0,18 8,2 0,17

0,648

ZnS 0,59 3,7 0,014 0,0005

SiC(heksagonal) 0,48 3 0,01 0,002

* dikumpulkan oleh B. Matters.

4.1.2 Semikonduktivitas (intrinsik) sebagai fungsi dari suhu

Tidak seperti logam, yang mengalami kenaikan tahanan dalam penurunan

konduktivitas bila suhu lebih tinggi, konduktivitas semikonduktor intrinsik

meningkat dengan naiknya suhu. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: jumlah

pembawa muatan, n, bertambah sebanding dengan jumlah elektron yang dapat

melompati sela. Pada suhu 0o K, tidak ada elektron yang mampunyai cukup energi

untuk melompat; akan tetapi dengan naiknya suhu, energi; elektron bertambah.



Pada 20o C, sejumlah elektron valensi dalam silikon, germanium dan timah memilki

energi melebihi Eg , yaitu energi sela. Hal yang sama terjadi pada semikonduktor

senyawa.

Distribusi elektron yang mendapat energi termal adalah

.en E)/kT(gi

(4.2a)

dimana, ni adalah jumlah elektron/m3 dalam pita konduksi (atau jumlah lubang/m3

dalam pita valensi). Dalam sela energi terlarang dari semikonduktor intrinsik.

Energi rata-rata E terdapat ditengah-tengah sela, Eg/2. Oleh karena itu

.en Eg/2kTi

(4.2b)

T adalah suhu absolut (K) dan k adalah konstanta Bolztman dan dinyatakan dalam

86,1 x 10- 6 eV/K dan bukan 13,8 x 10

24 J/K.

Konduktivitas berbanding lurus dengan jumlah pembawa muatan, n ; oleh

karena itu;

.2/0

kTEge

(4.3a)

dimana

0 adalah konstanta pembanding yang mencakup faktor-faktor, q dan . Mobilitas

memang tergantung pada suhu akan tetapi perubahan tersebut berada dalam

batas-batas daerah kerja semikonduktor umumnya dan kecil dibandingkan dengan

perubahan eksponensil dari jumlah pembawa muatan n. Jadi kita dapat

menuliskan kembali persamaan terakhir dalam bentuk Arrhenius;

.2/0 kTEInIn g

(4.3b)

Bila konduktivitas (atau tahanan) semikonduktor diukur di laboratorium maka Eg

dapat ditentukan dari kemiringan kurva, InT terhadap Eg yaitu kemiringan =-Eg/2k.

Sebaliknya bila diketahui Eg dan , kita dapat menghitung pada suhu tertentu.



4.1.3 Foto Konduksi

Kemungkinan bagi suatu elektron pita valensi silikon untuk memperoleh

energi tambahan dengan agitasi termal sehingga dapat melompati sela energi dan

masuk ke pita konduksi adalah kecil sekali (~ 1 dalam 1013 , sesuai tabel 4.1).

Sebaliknya, foton sinar merah ( = 660 nm) mempunyai energi sebesar 1,9 eV

yang jauh lebih besar dari energi yang diperlukan suatu elektron untuk melompati

sela energi 1.1 eV dalam silikon (Gamb. 4.5). Jadi konduktivitas silikon meningkat

dengan menyolok karena aktivitas foto bila terkena cahaya.

Gambar 4.5. Fotokonduksi, Suatu foton (yaitu energi cahaya) memacu elektron agar melompati sela energi. Mengahasilkan sepasang elektron konduksi dan lubang Valensi atau pasangan pembawa muatan. Penggabungan Kembali terjadi ketika elektron masuk Kembali ke dalam pita valensi.

4.1.4 Penggabungan kembali

Reaksi yang menghasilkan pasangan elektron-lubang, sebagaimana terlihat

pada Gambar 4.5 dapat ditulis sebagai:

E

n + p (4.4a)

Dimana E adalah energi, n adalah elektron konduksi dan p adalah lubang dalam

pita valensi. Dalam hal ini energi berasal dari cahaya, akan tetapi dapat pula

berasal dari sumber energi lain seperti panas atau elektron berkecepatan tinggi.

Pita Konduksi

Pita Valensi

Sela

Eg

0 Foton



Karena semua bahan lebih stabil bila energi berkurang, pasangan elektron

lubang, cepat atau lambat akan menggabung kembali:

n + p

E (4.4b)

Elektron masuk kembali ke pita valensi dari pita konduksi, terjadi kebalikan

dari Gambar 4.4(c). Karena cahaya atau sumber energi lainnya terus-menerus

menghasilkan pasangan elektron-lubang tambahan, pita konduksi tidak kehabisan

pasangan.

Waktu yang diperlukan untuk penggabungan kembali berbeda dari bahan

ke bahan. Namun mengikuti pola yang sama, dalam bahan tertentu, setiap

elektron konduksi mempunyai kemungkinan yang sama untuk bergabung kembali

dalam batas tertentu (detik atau menit).

Hal ini menghasilkan persamaan :

/

0teNN

(4.5a)

yang dapat disusun kembali menjadi :

/)/( 0 tNNIn

(4.5b)

Pada persamaan ini, No adalah jumlah elektron dalam pita konduktor pada

saat tertentu (misalkan, saat cahaya dipadamkan). Setelah waktu t tertentu jumlah

elektron konduksi yang tersisa adalah N.

disebut waktu relaksasi atau waktu

penggabungan kembali merupakan karakteristik beban.

4.1.5 Perpendaran cahaya

Energi yang dilepaskan pada pers. (4.4b) dapat berbentuk kalor atau

cahaya. Bila demikian halnya, maka disebut perpendaran cahaya (Gambar 4.6)

Kadang kadang perpendaran cahaya dibagi dalam beberapa kelompok.



Perpendaharaan cahaya foto adalah cahaya yang dipancarkan setelah

elektron di aktivi oleh foton cahaya dan memasuki pita konduksi. Istilah

perpendaraan cahaya kimia digunakan bila aktivasi mula berasal dari reaksi kimia.

Perpendaraan cahaya elektro terjadi pada tabung TV, disini suatu berkas elektron

(berkas sinar katoda ) menyusuri layar, mengaktivi elektron dalam fosfor sehingga

memasuki pita konduksi. Pada saat yang bersamaan, elektron dan lubang

bergabung kembali, memancarkan energi dalam bentuk cahaya tampak.

Gambar 4.6. Perpendaran cahaya. Tiap detik, sebagian dari elektron yang memperoleh energi tambahan dan mencapai pita konduksi kembali ke pita valensi. Pada saat elektron turun melalui sela, energi dibebaskan dalam bentuk toton cahaya.

Karena laju penggabungan kembali sebanding dengan jumlah, elektron

yang diaktivi, intensitas perpendaran cahaya memenuhi persmaan 4. 5b:

In(Io /I) = t/

(4.7)

Untuk tabung TV, ahli teknik memilih fosfor dengan waktu relaksasi

sedemikian sehingga cahaya dipancarkan terus menerus sampai penyusuran

berikutnya. Jadi mata kita tidak akan mengamati kilauan terang-gelap. Namun,

Pita Konduksi

Pita Valensi

Sela

Eg

0

Foton



identitas cahaya dari runutan sebelumnya harus lemah sehingga tidak melebihi

runutan berikutnya dengan selang waktu 1/30 detik.

Sarana pembantu belajar (semikonduktor intrinsik). Dalam buku study Aids

for Introductory Material Courses terdapat satu bagian mengenai semikonduktor

intrinsik dimana dibahas pita energi, konduktor, semikonduktor, Isolator,

hubungan antara konduktivitas dengan ukuran sela dan suhu. Beberapa gambar

tambahan menjelaskan cara kerja beberapa alat semikonduktor intrinsik.

4.2. SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIK

4.2.1 Semikonduktor jenis n

Ketidakmurnian mempengaruhi karakteristik bahan semikonduktor dengan

menimbulkan elektron dan lubang elektron tambahan. Ambillah silikon yang

mengandung fosfor sebagai contoh. Fosfor mempunyai lima elektron valensi

sedang silikon memiliki empat elektron. Pada Gambar 4.7(a), elektron tambahan

tetap ada, terpisah dari pasangan elektron yang merupakan ikatan antara atom

yang berdekatan elektron ini dapat membawa muatan ke arah elektroda positif

(Gambar 4.7b). Sebaliknya, dalam Gambar 4.7(c) elektron tambahan yang tidak

dapat tinggal dalam pita valensi karena pita ini sudah penuh menempati

kedudukan dekat puncak sela energi.

Dari tempat ini yaitu level donor Ed elektron tambahan tadi dengan

mudah dapat diaktivitasikan memasuki pita konduksi. Tanpa mengindahkan jenis

model yang digunakan, Gambar 4.7(b) atau 4.7(c), Atom-atom kelompok V (N, P,

As dan Sb) dari tabel periodik dapat menghasilkan pembawa muatan negatif, atau

jenis n, untuk semikonduktor.



Gambar 4.7. Semikonduktor ekstrinsik (jenis-n). Atom grup V merupakan elektron valensi tambahan disamping keempat lainnya, seperti terlihat pada Gamb. 4.3 Elektron yang kelima dapat terlepas dari atom induk dengan energi tambahan sedikit saja, dan diberikan pada pita konduksi sebagai pembawa muatan. Level energi donor, Ed, sedikit dibawah puncak sela Energi. (a) jenis n, seperti fosfor. (b) Atom fosfor yang terionisir (elektroda positif berada disebelah kiri).(c) Model pita.

4.2.2 Semikonduktor jenis p

Kelompok I I I (B, Al, Ga dan In) hanya mempunyai tiga elektron valensi.

Oleh karena itu bila unsur tersebut ditambahkan pada silikon sebagai ketidak-

murnian, terjadilah lubang elektron. Pada Gambar 4.8(a) dan (b) terlihat bahwa

setiap atom aluminium dapat menerima sebuah elektron. Dalam proses ini, suatu

muatan positif bergerak mendekati elektrode negatif. Menggunakan pita Gambar

4.8(c) tercatat bahwa perbedaan enersi untuk elektron agar dapat pindah dari pita

valensi ke level akseptor, Ea, jauh kurang dari sela energi penuh. Oleh karena itu,

elektron lebih mudah diaktivasikan untuk menduduki tempat akseptor

(b)

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Pita konduksi

Level donor

Pita valensi (c)

Sela

Ed

Eg

+

0

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

(a)

Si



dibandingkan dengan pita konduksi. Lubang elektron yang tertinggal dalam pita

valensi dapat menjadi pembawa muatan positif untuk semikonduktor jenis

p.

Gambar 4.8. Semikonduktor ekstrinsik (jenis-p). Atom-atom unsur kelompok I I I kurang satu elektron valensi dari rata-rata empat elektron seperti terlihat pada Gamb. 4.3. Atom ini dapat menerima sebuah elektron dari pita valensi, sehingga meninggalkan sebuah lubang elektron sebagai pembawa muatan. Level energi akseptor,Ea, sedikit di atas bagian bawah sela energi. (a) ketidakmurnian jenis-p seperti aluminium yang teriosinir (elektroda negatif di sebelah kanan), (c) Model pita.

4.2.3 Kehabisan donor (dan kejenuhan ekseptor)

Karena elektron donor hanya memerlukan lompatan kecil saja untuk

memasuki pita konduksi, mereka menimbulkan konduktivitas ekstrinsik pada suhu

yang relatif rendah. Bila suhu ditingkatkan, kemiringan kurva Arrhenius menjadi

(Eg

Ed )/k sebagai mana terlihat pada Gambar 4.9.

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Al

(a) (b)

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Al

Pita konduksi

Akseptor level

Pita valensi (c)

Sela

Ea

Eg

0



Bila ketidak-murnian donor terbatas (misalnya: 1021 P/m3 dalam silikon),

hampir semua elektron donasi bergerak memasuki pita konduksi pada suhu di

bawah suhu pemakaian biasa. Persediaan ini telah terkuras habis.

Persediaan telah habis terkuras. Pada contoh 1021/m3 di atas, konduktivitas

ekstrinsik adalah :

ex = (1021 /m3) (0,16 x 10-18 A.sek) (0,19 m2 /V.sek)

= 30 ohm -1.m-1.

Gambar 4.9. Kehabisan donor. Konduktor intrinsik (kurva sebelah kiri) dan ekstrinsik (kurva sebelah kanan ) masing- masing memerlukan energi Eg dan (Eg-Ed), untuk meningkatkan elektron ke pita konduksi. Pada suhu yang lebih rendah, elektron donorlah yang menjadi penghantar. Pengurasan terjadi bila semua elektron donor telah memasuki pita konduksi, dan suhu belum cukup tinggi untuk memungkinkan elektron valensi melompati sela energi. Konduktivitas hampir tetap pada daerah suhu ini.

Konduktivitas ekstrinsik tidak akan naik terus menerus dengan naiknya suhu

dan akan dijumpai dataran konduktivitas.

Sementara itu, konduktivitas intrinsik sangat rendah pada semikonduktor

seperti silikon (5x10 4 ohm 1, m 1 pada 20 oC sesuai Tabel 4.1). kurva

Arheniusnya terdapat disebelah kiri Gamb. 4.50, dengan kemiringan intrinsik -Eg

Rendah

Suhu, Skala 1/ T

Tinggi 1/293 K

Pembawa ketidak-murnian

Kemiringan ( Eg Ed ) /k Pembawa

Intrinsik Pembawa Intrinsik

Jangkau terkuras

Kemiringan Eg /zk

Kon

dukt

ivita

s, I

n



/2k, yaitu, 1,1 eV/2k = 6400 K. Hanya pada suhu tinggi saja konduktivitas

keseluruhan naik mencapai nilai diatas dataran terkuras.

Pengurasan donor semikonduktor jenis n mirip dengan penjenuhan

akseptor semikonduktor jenis p (Pembaca dipersilahkan merujuk pada pasal-

pasal sebelumnya untuk analogi kejenuhan). Pengurasan donor dan penjenuhan

akseptor penting bagi ahli teknik bahan dan listrik, karena keadaan ini

menghasilkan daerah dimana konduktivitas dapat dianggap konstan. Hal ini berarti

bahwa tidak perlu diadakan kompensasi untuk perubahan suhu dalam rangkaian

listrik kecuali jika karakteristik log terhadap 1/T mengikuti garis yang terus

menerus naik.

4.2.4 Semikonduktor cacat

Oksida besi memilki ion Fe3+ disamping ion Fe2+. Hal yang sama terdapat

pada Gambar 4.10(a) dimana NiO teroksidasi membentuk ion Ni3+, suatu hal yang

lazim pada oksidasi logam transisi yang memiliki valensi ganda. Pada oksida nikel,

tiga Ni2+ digantikan oleh dua Ni3+ dan satu kekosongan . Dengan demikian

keseimbangan muatan terpelihara; dan difusi lebih mudah demikian pula

konduktivitas ion. Akan tetapi hal lebih penting adalah kenyataan bahwa elektron

dapat melompat dari ion Ni2+ ke letak akseptor dalam ion Ni3+.

Sebaliknya, suatu lubang elektron bergerak dari ion nikel yang satu ke ion

lainnya dalam pergerakannya ke elektroda negatif. Oksida nikel dan oksida lainnya

dengan struktur M1 x

O yang tercatat adalah semikonduktor jenis p .

Selain itu terdapat pula oksida jenis n. Oksida seng, bila berada dalam

atmosfir reduksi, menjadi Zn1+yO dengan hilangnya oksigen. Akan tetapi dalam

hal ini kekosongan oksigen tidak terbentuk. Ion seng menduduki letak interstisi

(Gamb. 4.10b). Ion Zn+ yang timbul untuk mengimbangi muatan memiliki

kelebihan satu elektron dibandingkan dengan ion-ion Zn2+ lainnya. Ion-ion lainnya

ini dapat memberikan elektron pada pita konduksi menghasilkan semikonduktivitas

jenis n.



Gambar 4.10. Semikonduktor cacat. (a) Ni1-xO. Ion Ni3+ menjadi akseptor elektron, sehingga lubang O terbentuk dalam pita valensi. (b) Zn1+yO. Ion Zn+ merupakan donor elektron, , pada pita konduksi untuk semikonduktor jenis n.

4.3 PERANGKAT SEMIKONDUKTOR(SEMICONDUCTOR DEVICES)

Semikonduktor banyak digunakan dalam alat-peralatan elektronika. kita

akan membahas beberapa diantaranya

4.3.1 Alat konduksi dan tahanan

Telah kita ketahui bahwa konduktivitas dari foto konduktor tergantung pada

jumlah sinar datang. Kemampuan inilah yang digunakan dalam alat penginderaan

cahaya. Radiasi tidak perlu dapat dilihat dapat berupa sinar ultraviolet atau

(b)

O2-

Donor

Zn2+

Zn+

CB

VB

(a)

O2-

Ni3+

Ni3+

Kekosongan

Akseptor



inframerah, asalkan foton memiliki energi yang setara atau lebih besar daripada

sela energi.

Alat jenis kedua adalah termistor, yaitu suatu semikonduktor dengan

tahanan yang telah dikalibrasi terhadap suhu. Bila sela energi besar, sehingga

kurva In terhadap 1/T terjal , maka dapat dirancang suatu termistor yang dapat

mencatat perubahan bahan suhu sebesar 10 40

oC.

Karena banyak bahan semikondktor mempunyai faktor tumpukan yang

rendah, mereka memiliki kompresibilitas yang tinggi. Percobaan menunjukkan

bahwa bila volum ditekan, ukuran sela energi turun; hal ini dengan sendiirinya

meningkatkan jumlah elektron yang dapat melompati sela energi. Dengan

demikian tekan dikalibrasikan terhadap tahanan untuk alat pengukur tekanan.

Alat foto multiflier bekerja berdasarkan aktivitas elektron, pertama oleh

foton dan kemudian oleh elektron-elektron sendiri. Sebagai contoh, misalkan ada

sumber cahaya yang sangat lemah, berupa sebuah foton yang mengenai elektron

valensi. Mata kita tidak mungkin dapat mengamatinya. Akan tetapi bila elektron

tadi ditingkatkan sampai pita konduksi dan sekaligus berada dalam medan listrik

yang kuat sekali, elektron itu akan dipercepat sampai mencapai kecepatan tinggi

dan energi tinggi. Elektron ini juga dapat mengaktivasi elektron atau beberapa

elektron lainnya yang juga dapat dipengaruhi oleh medan yang kuat. Efek

penggandaan ini dapat dimanfaatkan.

Suatu signal cahaya yang sangat lemah dapat diperbesar. Melalui

pengfokusan yang baik, suatu benda dalam kegelapan akan dapat dilihat.

4.3.2 Alat junction (dioda)

Beberapa peralatan menggunakan sambungan antara semikonduktor

jenis n dan jenis p, yang paling sering digunakan adalah LED (dioda pemancar

cahaya) LED ini digunakan pada display digital (merah) yang ditempatkan di

kalkulator. Prinsip kerja LED terlhat pada Gambar 4.11. Pembawa muatan pada



sisi-n dan sisi p dari junction adalah elektron dan lubang. Bila arus melalui alat

dalam arah seperti terlihat pada gambar, lubang dalam pita valensi bergerak

melalui junction kedalam bahan jenis n, sebaliknya elektron pita konduksi

memasuki bahan jenis p, Berdekatan dengan junction terdapat pembawa muatan

yang berlebihan yang bergabung kembali dan menghasilkan perpendaran cahaya.

n + p foton (4.8)

Bila digunakan GaAs, foton yang dikeluarkan dalam daerah penggabungan kembali

berwarna merah; GaP akan menghasilkan foton hijau.

Gambar 4.11. Dioda

pemancar cahaya, (a) suatu LED adalah alat yang terdiri dari junction antara semikonduktor jenis n dan jenis p, (b) Bila terdapat kecenderungan kemuka pada pada junction, kedua jenis pembawa muatan melintasi junction dimana keduanya bergabung dan menghasilkan sebuah foton.

Junction pada Gambar 4.11 dapat juga digunakan sebagai penyearah arus

(rectifier); yaitu menjadi suatu check valve yang dapat melakukan arus dalam

suatu arah dan tidak sebaliknya. Dengan bias maju sesuai Gambar 4.12(a), arus

dapat lewat karena pembawa muatan baik elektron maupun lubang bergerak

melalui junction. Dengan bias balik sesuai Gambar 4.12(b), pembawa muatan

(a)

n

p n

p n

p

(b)

foton

Elektron

Arus

Daerah penggabungan kembali



tertarik menjauhi kedua sisi junctin, meninggalkan daerah yang kekurangan

pembawa muatan atau daerah isolasi pada pada junction.

Bila tegangan ditingkatkan daerah yang kosong betambah besar. Arus

hanya dapat mengalir pada bias maju.

Gambar 4.12. Penyearah arus (rectifier). (a) Arus mengalir denga bias maju karena pembawa muatan melalui junction. (b) Dengan bias terbalik, pembawa muatan meninggalkan daerah junction. konduktivitas ekstrinsik menghilang dari daerah junction dan hanya tersisa sejumlah kecil konduktivitas Intrinsik.

Hal ini berlaku untuk jangkau tegangan balik yang cukup besar. Akan tetapi,

ada suatu titik, di mana arus dapat lewat karena terjadi suatu hubung-singkatan

ada di daerah kosong. Khususnya, beberapa pembawa muatan yang ada di daerah

kosong dipercepat hingga mencapai kecepatan tinggi oleh perbedaan potensial

yang tajam. Sama halnya dengan alat fotomultilflier yang telah diuraikan tadi,

elektron berenergi tinggi dapat melepaskan elektron lainnya. Terjadi banjir yang

menghasilkan arus yang besar. Pada hakikatnya, kita-kini memiliki katup

pengaman yang terbuka pada tegangan tertentu.

Daerah Isolasi

(b) Bias terbalik.

n p Elektron Arus

Daerah penggabungan kembali (recombination zone)

(a) Bias maju.



Dioda, berdasarkan prinsip tersebut di atas, dapat dirancang untuk

tegangan tembus antara 1 atau 2 Volt hingga beberapa ratus volt dengan arus

yang berkisar dari milliamper hingga beberapa amper. Dioda yang disebut dioda

zener, dapat digunakan sebagai filter, gate dan pengontrol voltage tetap.

4.3.3 Transistor

Transistor adalah alat junction yang dapat memperkuat sinyal yang lemah

menjadi besaran yang lebih kuat dan dapat dimanfaatkan. Transistor paling

sederhana memanfaatkan daerah yang kekurangan pembawa-muatan untuk

memperkuat keluaran (output) suatu rangkaian. Ini disebut transistor-efek medan

(FET. field-effect-transistor ). Pada Gambar 4.13, junction p-n, oleh sinyal masuk

menjadi bias balikan. Dengan perubahannya sinyal, daerah yang kekurangan

pembawa-muatan berubah dan dengan demikian mengubah resistivitas antara

sumber dan penerima. Sebalikya, arus yang mangalir ke luar berubah secara

terkendali. Sinyal yang lemah dapat menghasilkan fluktuasi arus yang berarti.

Gambar 4.13. Transistor (efek-medan). Di sini digunakan junction n-p tunggal. Tegangan pada gate yang bersifat bias-balikan mengubah lebar daerah yang kekurangan dan kerenanya penampang saluran konduksi antara sumber dan penerima. Perubahan kecil saja pada tegangan masuk menghasilkan perubahan besar pada arus yang melalui saluran konduksi.

Daerah yang kekurangan

Saluran konduksi

n Masukan

p

Penerima

Sumber

Gate



Dikenal transistor umum dengan dua junction yang dihubungkan secara

seri. Jenisnya adalah p-n-p atau n-p-n dan disebut transistor junction. Jenis

pertama banyak digunakan pada waktu dahulu ; akan tetapi, kita akan membahas

transistor n-p-n, karena lebih mudah menggambarkan pergerakan elektron

dibandingkan dengan pergerakan lubang. Namun prinsipnya sama saja.

Sebelum membahas susunan transistor, perlu diingat kembali bahwa jika

lubang bergerak melintasi junction dengan bias maju (Gambar 4.12a), mereka

akan bergabung kembali dengan elektron dalam bahan jenis-n sesuai pers. (4.4b).

Elektron bergabung dengan lubang ketika elektron melintasi junction dan

memasuki bahan jenis-p. Namun, reaksi Pers. (4.4b) tidak terjadi seketika itu.

Sebenarnya, kelebihan jumlah pembawa-muatan positif dan negatif dapat

bergerak cukup jauh melewati junction, Jumlah pembawa-muatan yang tidak

bergabung kembali yang berlebihan merupakan fungsi eksponensial dari tegangan

terpasang dan penting untuk operasi transistor.

Gambar 4.14. Transistor (n p n) jumlah elektron yang melintas dari junction pemancar sangat peka terhadap tegangan pemancar. Bila basis sempit, pembawa muatan ini bergerak ke junction basis kolektor dan lebih jauh lagi sebelum menggabung kembali. Jumlah arus fluks total, dari pemancar ke basis, dibesarkan oleh fluktuasi dalam tegangan pemancar.

n

n

p

n

n

p

Pemancar Basis Kolektor

Ve

Ve



Suatu transistor terdiri dari pemancar, basis, dan kolektor. (Gambar. 6.14).

Untuk sementara, baiklah ditinjau junction pemancar saja yang biased

sedemikian rupa sehingga elektron bergerak ke basis (dan menuju ke kolektor).

Sebagai mana telah diuraikan sebelumnya, jumlah elektron yang melintasi junction

ini dan memasuki bahan jenis p merupakan fungsi eksponensil dari tegangan

pemancar, Ve. Dengan sendirinya, elektron-elektron tersebut serentak mulai

bergabung dengan lubang-lubang dalam basis, akan tetapi bila base sempit, atau

bila waktu penggabungan kembali lama (

pada pers. 4.5). elektron akan terus

bergerak bebas kerena kolektor merupakan semikonduktor jenis n, Arus total

yang mengalir melalui kolektor dikendalikan oleh tegangan pemancar, Ve. Bila

tegangan pemancar berubah-ubah, arus kolektor, lc berubah secara eksponensil.

Secara logaritmis dapat ditulis sebagai berikut :

In Ic In Io + Ve /B, (4.9a)

atau

,eII /BVOC

e

(4.9b)

dimana Io dan B merupakan konstan. Jadi, bila tegangan dalam pemamcar

dinaikkan sedikit saja, pertambahan arus cukup besar. Hubungan inilah yang

menyebabkan mengapa transistor digunakan sebagai amplifier.

4.4 PEMROSESAN SEMIKONDUKTOR

Komposisi semikonduktor sangat menentukan. Beberapa jenis

ketidakmurnian merupakan pembawa donor dan pembawa negatif (jenis-n); jenis

lain lagi merupakan pembawa akseptor dan pembawa negatif (jenis-p). Dopant ini

meskipun sengaja ditambahkan, jumlahnya harus terkontrol dengan ketat hingga

level perjutaan (ppm) bahkan kurang. Oleh karena itu, biasanya silikon dimurnikan



(atau semikonduktor lainnya) semurni mungkin, kemudian baru ditambahkan

dopant tepat sesuai diinginkan.

4.4.1 Pertumbuhan kristal

Untuk sebagian besar pemakaian semikonduktor diperlukan kristal tunggal,

karena batas butir mengurangi mobilitas pembawa muatan dan mengurangi waktu

rekombinasi pembawa muatan terlebih. Pengurangan waktu rekombinasi

mempengaruhi daya guna sejumlah peralatan junction. Penumbuhan kristal

biasanya memanfaatkan salah satu dari dua teknik yang dikenal dalam teknologi

semikonduktor, yaitu metode penarikan kristal dan metode zona-mengambang

(Gambar 4.15).

Gambar 4.15. Pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor (a) metode penarikan kristal, benih berupa kristal tunggal ditarik ke atas perlahan-lahan. Cairan berkristalisasi pada permukaan bawah, (b) Prosedur zona mengambang. Zona atau daerah cair diangkat sepanjang semikonduktor yang membeku pada bagian bawah sebagai suatu kristal tunggal. Cairan tetap berada pada posisinya oleh tegangan permukaan dan tidak bersinggungan dengan wadahnya.

Pertama-tama bahan semikonduktor lebur; kemudian benih kristal tunggal

dikenakan kepermukaan dan ditarik keatas dengan perlahan-lahan (~ 1 mm/menit)

sambil diputar (~ 1/det). Bila cairan sedikit di atas titik cairnya, maka akan

(a) (b)



membeku pada kristal benih ketika benih ditarik ke atas. Atom bersolidifikasi

sesuai dengan struktur kristal benih. Dapat ditambahkan bahan dopant kelompok

I I I atau kelompok V pada bahan cair dalam jumlah (~ 10 6

% atom) yang

diperlukan untuk menghasilkan produk jenis-p dan n.

Teknik tersebut (Gambar 4.15a) cukup memuaskan untuk germanium dan

bahan lain yang mencair di bawah 1000 oC. Namun, kurang sesuai untuk silikon.

Silikon mencair di atas 1400 oC dan, oleh karena itu lebih mudah terkena kotoran

yang berasal dari tempat dan dinding dapur. Selain itu, dopant mudah menguap

hingga pengendalian komposisi lebih sulit, oleh karena itu digunakan proses

daerah mengambang.

Zona mengambang diawali dengan batang (diameter > 5 cm ) dari silikon

polikristalin yang telah dimurnikan. yang berada di atas piring kristal tunggal yang

telah dipersiapkan. Keduanya mencair ditempat bersinggungan dengan pemanasan

r-f. kumparan r-f diangkat perlahan-lahan (Gambar 4.15b) untuk menggerakkan

daerah yang cair ke arah atas. Bahan polikristal mencair mengikuti pergerakan ke

atas dan mengumpan zona cair. Kristal tunggal awal tumbuh ke atas mengikuti

pergerakan daerah bawah yang cair yang kemudian mencair. Sama dengan proses

penarikan kristal, pergerakan ke atas dari zona cair adalah sekitar ~1 mm/menit.

Kemudian batang dipotong-potong menjadi keping yang halus (~ 0,25 mm).

keping tersebut dipolis dan diberikan secara kimia, kemudian ditambahkan dopant

pada lapisan epitaksial. Lapisan ini adalah lapisan yang tumbuh pada permukaan

sebagai kelanjutan kristal yang berada di bawahnya. Pertumbuhan berasal dari

campuran gas dengan komposisi sedemikian rupa sehingga lapisan jenis-n atau

jenis-p. SiCl4H2 dan PH3 untuk silikon jenis-n, dan SiCl4, H2, dan B2H6 untuk silikon

jenis-p.



4.5. CONTO-CONTOH SOAL

1. (a) Beberapa bagian dari muatan dalam silikon intrinsik berasal dari elektron ?

(b) Dari lubang elektron ?

Jawab:

Dari Pers. (4.1) dan tabel 4.2 dengan nn = nP untuk semikonduktor intrinsik

n / = n / ( n + p)

= (0,19 m2 /V. det )/(0,2325 m2 /V .det) = 0,82

p /

= 0,18.

Catatan: Konduktivitas dalam pita konduksi lebih tinggi dari konduktivitas

lubang elektron dalam pita valensi.

2. Dari Tabel 4.2, diketahui bahwa senyawa arsen gallium mempunyai

konduktivitas intrinsik sebesar 10 6 ohm-1.m-1 pada 20 0C. Berapa jumlah

elektron yang melompati celah energi ?

Jawab : Dari pers. (4.1.).

n = (10-6 ohm-1 m-1)/(0,16 x 10-18 amp.detik)(0,88+0,04 m2/V. detik)

= 6,8 x 1012 /m3

Catatan: Terdapat 1,36 x 1013 pembawa /m3 kerena untuk setiap elektron

yang diaktivir melompati sela energi tersedia satu lubang elektron.

3. Setiap atom timah kelabu memiliki 4 elektron valensi. Ukuran sel satuan

(Gamb. 4.3a) adalah 0,649 nm. Perhitungan tersendiri menunjukkan bahwa

ada 2x 025 elektron konduksi perm3. Berapa bagian dari elektron telah diaktivir

hingga pita konduksi ?

Jawab: Menurut Gamb. 4.3. terdapat 8 atom per sel satuan

Elektron valensi /cm3 = selsatuan/)cm10x649,0(

)atom/cl4)(selsatuan/atom8(39



= 1,17 x 1029 /m3.

Bagian yang diaktivir = 0002,01017,1

10229

25

x

x

4. Tahanan germanium pada 20 0C adalah 0,5 ohm.m. Berapa tehanannya pada 400 C ?

Jawab : berdasarkan Pers. (4.3) dan sela energi sebesar 0,7 eV (Tabel 4.2):

.1

2

2/0

2/0

2

1

1

2kTEg

kTEg

e

e

.11

2/

2121 TTk

EIn

g

= .9,0K3I3

1

K293

1

)K/eV101,86(,2

eV7,06

2 / 1 = ~ 2,5.

Jadi bila 20 = 0,5 0hm.m. C040

= 0,2 ohm.m.

5. Berkas tabung TV menyusuri layar dengan kecepatan 30 rangka per detik.

Berapa waktu relaksasi dari elektron fosfor yang diaktivir bila intensitas sisa

adalah 20% pada penyusuran berikutnya ?

Jawab : Dari pers. (4.7).

In(1,00/0,20) = (0,033 detik )/

= 0,02 detik.

Catatan: Kita gunakan istilah pendar fluor bila waktu relaksasi pendek

dibandingkan dengan waktu relaksasi visual kita. Bila perpendaran cahaya memiliki

waktu pijar sisa yang berarti, kita menggunakan istilah pender fosfor.



6. Sesuai dengan Tabel 4.2. silikon mempunyai konduktivitas sebesar 5x10 4

ohm 1.m 1

dalam keadaan murni. Seorang ahli teknik ingin menghasilkan

konduktivitas sebesar 200 ohm 1.m 1

bila ditambahkan aluminium sebagai

ketidakmurnian. Berapa jumlah atom aluminium per m3 ?

Jawab: Karena konduktivitas intrinsik rendah dibandingkan dengan 200

ohm 1,m 1, hampir semua konduktivitas dihasilkan oleh lubang yang berasal

dari atom akseptor :

np = (200 ohm 1,m 1)/(0,16 x 10 18

amp sek )(0,0425 m2/volt sek)

= 3 x 1023 /m3 .

Catatan : setiap aluminium menghasilkan satu letak akseptor dan satu lubang

elektron. oleh karena itu diperlukan 3x1022 atom aluminium perm3. Jumlah

yang cukup besar, akan tetapi masih kecil (0,6 ppm) dibandingkan dengan

jumlah atom silikon per-m3 (lihat soal 1a).

7. Transistor terdahulu menggunakan germanium dengan tahanan ekstrinsik

sebesar 0,02 ohm.m dan konsentrasi elektron konduksi sebesar 0,87x1021 /m3

(a) Hitunglah mobilitas elektron dalam germanium (b) Sebutkan unsur ketidak

murnian yang dapat ditambahkan pada germanium agar menghasilkan

elektron konduksi.

Jawab: Karena kita sedang membahas konduktivitas ekstrinsik elektron, yaitu

jenis-n.

a) n = 1/(0,02 ohm.m) (0,87 x 1021 /m3 ) (0,16 x 10 18

amp sek)

= 0,36 m3 /volt.sek

b) Unsur Kelompok V: N, P,As, Sb.

Catatan: Mobilitas elektron tidak tergantung pada unsur kelompok V yang

ditambahkan karena elektron, sekali mamasuki pita konduksi, bergerak melalui

kisi silikon tidak tergantung pada donor.



Unsur Kelompok VI dapat juga ditambahkan. Karena mereka memiliki elektron

tambahan kedua (disamping empat lainnya utuk ikatan ), hanya dipulukan

0,4x1021/m atom untuk menghasilkan 0,8x1021/m3 elektron konduksi.

8. Terdapat 1022 Al/m3 dalam silikon untuk menghasilkan semikonduktor jenis-p.

Pada suhu berapa konduktivitas intrinsik silikon akan sama dengan konduktivitas

ekstrinsik maksimum.

Jawab: Pada saat jenuh

ex = (1022 /m3)(0,16 x 10 18

A. sek)(0,0425 m2 / v. sek)

= 68 ohm 1,m 1

dari Tabel 2.

In = 5 x 10 4

ohm 1.m 1

pada 20oC

pers (3) ;68

1052/1.1

)293(2/1,1

11

114

kTo

Kko

e

e

mohm

mohm

In (5 x 10 4

/68) = 11,8 = :1

293

1

)/101,86(2

1,16 TKKeV

eV

T = 640 K (atau 367o C).

catatan :Persamaan umum untuk konduktivitas dalam semikonduktor adalah:

= In + ( n)ex + ( p)ex

= (nInq)( n + p ) + (nnq n)ex + (npq p)ex

Biasanya, hanya satu dari ketiga suhu tersebut yang penting pada suatu waktu

tertentu dan lainnya dapat diabaikan. Pada contoh ini , hanya ( p)ex yang penting

pada 20oC.

9. Sulfida seng digunakan sebagai termistor. Berapa tingkat ketelitian,

pengukuran tahanan agar dapat dicatat perubahan suhu 0,001 oC ?

Jawab: karena ukuran konstan



;11

2

1

1

2

1

21

1

21

R

RR

;1)001,0(2/7,3

2/7,3

2

1TkeV

O

kTeVO

e

e

In .10

11

)/101,86(2

7,3)1(

36 TTKeV

eV

karena

)10(

)10(

10

113

3

3 TT

TT

TT~ .

102

3

T

In (1

) = ( 21,500 K) (10-3 K/[293 K]2 )

= 2,5 x 10 4

= 0,00025 (atau 0,025%)

Catatan : diperlukan alat pengukur jenis jembatan.

10. Suatu transistor mempunyai arus kolektor sebesar 4,7 miliamper bila tegangan

pemancar = 17 milivolt. Pada 28 milivolt arus besarnya 27,5 miliamper. Bila

diketahui bahwa tegangan pemancar = 39 milivolt, berapa besar arus ?

Jawab: Berdasarkan (4.9).

In 4,7 In Io + 17/B = 1,55

In 27,5

In Io + 28/B = 3,31

Penyelesaian memberikan : In Io

1,17

dan B

6,25

Pada 39 milivolt. In Ic

1,17 + 39/6,25

5.07.

I c

160 miliamp.

Catatan: Seorang ahli listrik mengubah Pers. (4.9) untuk menentukan efek arus

tambahan. Hal ini ternyata tidak merubah hubungan dasar: Variasi arus kolektor

jauh lebih besar dibandingkan dengan perubahan tegangan sinyal.

BAB V MATERIAL DIELEKTRIK


BAB V

MATERIAL DIELEKTRIK

Konsep penting dalam permasalahan dielektrik adalah momen dipol listrik

yang merupakan ukuran pengaruh medan listrik pada sepasang muatan listrik

yang besarnya sama tapi berlawanan tanda. Ketika medan listrik diberikan kepada

material maka fenomena populasi muncul. Bahkan dielektrik dipergunakan

terutama terkait dengan kemampuannya menyimpan muatan atau energi

elektrostatik. Dalam kaitan ini diperkenalkan beberapa konstanta material dielektrik

berkaitan dengan interaksinya dengan medan listrik diantaranya adalah

permitivitas dan susceptibilitas untuk besaran makro dan konstanta polarisasi

untuk skala mikro. Di lain pihak material dielektrik juga sangat luas dipakai sebagai

isolasi tegangan/medan tinggi. Dalam keadaan demikian maka fungsi utama

material adalah untuk menahan medan listrik. Sebagai isolasi dikenal kekuatan

dielektrik/isolasi dan suatu konstanta penting yaitu rugi rugi dielektrik.

Baik fungsinya sebagai dielektrik maupun sebagai isolasi, materil dielektrik

memegang peranan sangat penting dalam elektroteknik. Komponen komponen

seperti kapasitor, hingga isolasi pada peralatan listrik seperti motor motor listrik,

generator, peralatan listrik rumah tangga adalah beberapa contoh peran material

dielektrik dalam kehidupan sehari hari.

Pada Bab ini akan dibahas mengenai material dielektrik sebagai dielektrik

maupun sebagai isolasi. Bertitik tolak dari polarisasi dan macam macamnya,

konstanta dielektrik serta pengaruh frekuensi dielektrik hingga kekuatan dielektrik

serta macam macam tembus isolasi.



5.1. KAPASITANSI

Jika tegangan searah (dc) diberikan pada suatu kapasitor, antara kedua plat

yang satu bermuatan positip dan yang lainnya bermuatan negatip tergantung

polaritas medan listrik positip dan negatip. Besarnya kapasitansi C tergantung

muatan Q yang tersimpan antara kedua plat.

C = Q/V (5.1)

Dimana V adalah tegangan yang diberikan pada kapasitor. Satuan kapasitansi

coulomb per volt atau Farad.

Suatu kapasitor plat sejajar yang berisi udara antara kedua plat seperti

pada Gamber 5.1, maka kapasitansi dapat diketahui dengan persamaan,

A

C o

(5.2)

Dimana A luas plat, l jarak antara kedua plat, o permitivitas udara (kapasitansi

dalam vakum) dengan nilai 8,854x10-12 Farad/m.

Jika material dielektrik dimasukkan diantara kedua plat (lihat Gambar 5.1a),

maka kapasitansi adalah,

A

C

(5.3)

Dimana

adalah permitivitas material dielektrik yang biasanya lebih besar o.

Prmitivitas relativ adalah r juga sering disebut konstanta dielektrik, yaitu rasio

antara permitivitas material dielektrik dengan permitivitas udara,

o

r

(5.4)

Jika nilai r lebih besar dari satu, menunjukkan lebih tinggi kapasitas muatan

material dielektrik dari udara antara kedua plat. Konstanta dielektrik merupakan

salah satu sifat material yang dijadikan pertimbangan dalam mendesain kapasitor

dan isolator. Nilai r dari beberapa material dielektrik dapat diihat pada Tabel 5.1.



Gambar 5.1. Kapasitor plat sejajar (a) antara kedua plat berisi udara (vakum), (b) antara kedua plat berisi material dielektrik.

Tabel 4.1 Konstanta dan Kekuatan Dilektrik Beberapa Material

Material Konstata Dielektrik Kekuatan Dielektrik 60 Hz 1 MHz (V/mil)*

Keramik Keramik Titanium - 15-10.000 50-300 Mika - 5,4 8,7 1000-2000 Steatite (MgO-SiO2) - 5,5-7,5 200-350 Soda-Lime Galas 6,9 6,9 250 Porselen 6,0 6,0 40-400 Silika Fuse 4,0 3,8 250

Polimer Phenol-Formaldehyde 5,3 4,8 300-400 Nylon 6,6 4,0 3,6 400 Polystyrene 2,6 2,6 500-700 Polyethylene 2,3 2,3 450-500 Polytetrafluoroethylene 2,1 2,1 400-500 * 1 mil = 0,001 in



5.2. POLARISASI (P) DAN KONSTANTA DIELEKTRIK )( r

Bila suatu material ditempatkan pada medan listrik maka terjadilah momen

dipol didalam material. Peristiwa ini dapat diilustrasikan dengan penempatan

material di antara dua pelat kapasitor yang diberi medan listrik E seperti pada

Gambar 5.2. Pada Gambar 5.2a material terpolarisasi dan pada pelat terinduksi

muatan yang berlawanan tanda. Gambar 5.2b menunjukkan bagian material saja

di mana dalam material terdapat untaian muatan positif

negatif secara berantai.

Dengan demikian dilihat secara ruah (bulk) maka tidak ada muatan netto. Namun

demikian pada permukaan perbatasan dengan pelat terdapat muatan terikat

masing masing -Qp dan + Qp. Dua muatan inilah yang mewakili peristiwa polarisasi

secara bulk yang dialami oleh material akibat kehadiran medan listrik yang

diekspresikan dengan Gambar 5.2c.

Gambar 5.2: Ilustrasi polarisasi material dielektrik

Polarisasi di dalam material direpresentasikan dengan besaran polarisasi P

yang menyatakan momen dipol per satuan volume. Bila momen dipol per dipol p =

q.d, dan kerapatan dipol N per meter kubik maka polarisasi dapat dinyatakan

sebagai :

(a)

(b)

(c)



P = Np (5.5)

Polarisasi tergantung dari besarnya medan listrik yang diberikan. Untuk material

yang bersifat homogen dan isotropik maka

P = e0 E (5.6)

Dimana 0

= permitivitas ruang hampa dan E = kuat medan listrik, e

adalah

susceptibilitas listrik material. Dengan demikian maka

P = P/N = e0 E/N atau P = N E

Dimana

= e0 / N disebut sebagai konstanta polarisasi.

Bila dibandingkan dengan sebelum ditempatkannya material dielektrik di

antara dua pelat maka pada saat tidak dielektrik (ruangan diisi ruang hampa

/udara ) berlaku hubungan

D = O E (5.7)

Dimana D = kerapatan fluk listrik.

Pada saat ruang hampa diganti dengan bahan dielektrik maka hubungan

menjadi

D = E = Or E (5.8)

Dimana = permitivitas dielektrik dan r = permitivitas relatif = O/

Perubahan pada D dengan kehadiran dielektrik disebabkan oleh

munculnya polarisasi di dalam dielektrik.

D = E = O E + P

Dengan demikian polarisasi

P = ( EE)1 eOOr (5.9)



5.3. MACAM MACAM POLARISASI

Polarisasi dibedakan atas polarisasi elektronik, polarisasi atomik/ionik,

polarisasi dipolar dan polarisasi interfacial. Deskripsi dari masing masing polarisasi

adalah sebagai berikut:

5.3.1 Polarisasi Elektronik

Teori atom menyatakan bahwa suatu atom tersusun atas inti atom

bemuatan positif dan elektron yang mengitari inti bermuatan negatif. Muatan neto

dalam atom adalah netral. Dalam keadaan tidak ada pengaruh medan luar maka

pusat muatan positif inti atom terimpit dengan pusat muatan negatif elektron.

Dengan demikian tidak ada momen dipol dalam atom. Namun bila atom berada

pada daerah dengan medan listrik maka muatan akan berinteraksi dengan medan

dan terjadilah pergeseran pusat muatan baik positif maupun negatif. Munculah

polarisasi. Polarisasi demikan disebut dengan polarisasi elektronik seperti

diilustrasikan pada gambar berikut.

Gambar 5.3. Polarisasi elektronik



Pergeseran pusat muatan sejauh x akan oleh medan E menimbulkan gaya atraksi

antar pusat muatan yang cenderung untuk mendekat. Bila atom mempunyai

nomor Z yang berarti mempunyai Z elektron maka gaya yang mendorong elektron

menjauh dari inti atom akibat medan listrik adalah ZeE. Di lain pihak gaya yang

mendorong elektron untuk mendekati inti adalah sebanding dengan pergeseran x

yaitu xFr . Di sini

adalah konstanta dan tanda negatif menunjukkan bahwa

gaya berarah ke inti atom. Dalam keadaan seimbang maka berlaku

ZeE = x

Dengan demikian besar momen dipol induksi elektronik adalah

EeZ

ZeEp22

e (5.10)

momen dipol ini akan tetap bila medan yang diberikan adalah DC dan konstan. Bila

tiba tiba medan hilang gaya atraksi berperan. Pergerakan pusat muatan negatif

dapat dinyatakan dengan persamaan

2

2

e dtxd

Zmx (5.11)

Penyelesaian dari persamaan diferensial ini kan menghasilkan persamaan posisi

yaitu

t)cos(xx(t) oo (5.12)

dimana

1/2

eo Zm



Adalah frekuensi osilasi awan elektron disekitar inti atom dan xo merupakan jarak

sebelum medan dihilangkan. Konstanta polarisasi elektronik dapat dinyatakan

sebagai

2oe

2

em

ZeEp

(5.13)

5.3.2. Polarisasi Ionik

Yaitu polarisasi pada molekul/ ion yang disusun beberapa atom dengan

kehadiran medan listrik. Kristal ionik seperti NaCl, KCl dan sebagainya mempunyai

susunan rantai ion positif dan negatif. Sebagai contoh kita lihat untuk NaCl. Pada

saat tidak ada medan luar maka NaCl tidak terjadi polarisasi karena rantai tersusun

oleh momen dipol yang sama besar dan berlawanan arah seperti pada Gambar

(5.4a. Namun dengan kehadiran medan luar maka posisi ion positif dan negatif

sedikit bergeser dan terjadilah polarisasi netto seperti ditunjukkan oleh Gambar

(5.4b.

Gambar 5.4. Ilustrasi polarisasi ionik pada NaCl (a) tidak ada medan (b) ada medan

Sebagaimana pada polarisasi elektronik maka dikenal adanya konstanta

polarisasi ionik/atomik.



lokale E

p

Besar konstanta polarisasi ionik dapat dicari dengan persamaan Clasium Mossotti

yang akan dibicarakan kemudian.

5.3.3. Polarisasi Orientasi (dipolar)

Yaitu polarisasi akibat dipol dipol di dalam bahan dielektrik mengalami

perubahan orientasi akibat medan listrik. Polarisasi ini terjadi di dalam material

dielektrik yang mempunyai dipol permanen (dipolar) seperti HCl. Pada saat tidak

ada medan luar maka dipol dipol terorientasi secara acak dan tidak ada polarisasi

netto. Gambar a dan b menunjukkan momen dipol permanen HCl dan orientasi

random dari dipol pada saat tidak ada medan.

Kehadiran akan membuat orientasi dipol dipol mengarah pada medan dan

muncullah polarisasi netto seperti ditunjukkan Gambar (5.5c dan (5.5d.

Gambar 5.5 : I lustrasi polarisasi orientasi (dipolar)



Konstanta polarisasi orientasi tergantung dari temperatur dan dapat dihitung

dengan menggunakan statistik Boltzmann dan diperoleh

kT3

1 2

o (5.14)

dimana adalah dipol permanen, k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah

temperatur.

5.3.4. Polarisasi Interfacial

Yaitu polarisasi akibat terjadi penumpukan muatan pada perbatasan bahan

dielektrik yang tidak homogen.

Dengan mempertimbangkan tiga macam polarisasi yaitu elektronik, ionik

dan orientasi maka polarisasi dapat diuraikan menjadi :

P = Pe + Pi + PO (5.15

Dengan

Pe = e NE

Pi = i NE

Po = o NE

Dengan demikian

= e + i + o

Yaitu total koefisien polarisasi merupakan penjumlahan dari komponen koefisien

polarisasi. Koefisien polarisasi total menjadi :

= e + i + 2 / (3kT) (5.16)

dan

e + i + 2 /(3kT) = o ( r

1 )/N



Tabel 5.1

Permetivitas relatif beberapa material dan jenis polarisasi

Material Polarisasi Permitivitas Statik

Gas Argon Elektronik 1,0005

Argon Cair Elektronik 1,53

Si Elektronik 11,9

NaCl Ionik 5,9

CsCl Ionik 7,2

Air Orientasi / dipolar 80

PVC Orientasi / dipolar 7

5.4. POLARI SASI PADA ZAT PADAT DAN PERSAMAAN

CLAUSIUS MOSSOTTI.

Pada zat pada antar atom berinteraksi sehingga antar dipol juga

berinteraksi. Dalam nengevaluasi koefisien polarisasi maka pengaruh dipol

disekitarnya perlu dipertimbangkan. Bila medan E diberikan ke dalam dielektrik

maka suatu titik di dalam dielektrik akan mengalami medan tambahan akibat

interaksi dipol seperti digambarkan berikut.

Gambar 5.6. Medan luar dan medan lokal

-

+

+

+

-

-

E1

E

P



Medan lokal di dalam dielektrik adalah E* = E + E1

Medan akibat dipol E1 dapat dihitung dengan penjumlahan seluruh pengaruh dipol

dan akan menghasilkan

E1 = P/3 O

Dengan demikian medan total dapat dituliskan sebagai ;

E* = E + P/3 O (5.17)

dan konstanta polarisasi menjadi

a = P/NE* = P/N (E + E1)

Dengan subtitusi persamaan sebelumnya akan didapat

N /3 O = ( r

1)/( r + 2) (5.18)

Pada frekuensi optik maka yang ada hanyalah polarisasi elektronik maka

persamaan dapat dituliskan menjadi

N e / 3 O = ( re

1)/( re +2) (5.19)

Pada kondisi ini dipenuhi hubungan bahwa re = n 2 dimana n adalah indek bias

bahan dielektrik. Subtitusi n ke dalam persamaan sebelumnya diperoleh

persamaan Clausius Mossotti yaitu

N e / 3 O = (n2

1)/(n2 + 2) (5.20)

Bila Polarisasi orientasi tidak ada maka

N( e + i )/ 3 O = ( r

1)/( r +2) (5.21)

Karena N = Na x /M dimana Na = bilangan Avogadro dan kerapatan maka

/M x Na ( e + i )/3 O = ( r

1)/( r +2) (5.22)

Didefinisikan konstanta polarisasi molar yaitu besar polarisasi per satu molar

dielektrik yaitu:

Na( e + I )/3 O = M/ x ( r

1)/( r +2) (5.23)



5.5. PENGARUH FREKUENSI

Konstanta dielektrik statik adalah konstanta dielektrik akibat polarisasi

dalam keadaan DC. Bila signal/medan yang diberikan adalah sinusoidal maka

konstanta dielektrik dalam keadaan sionusoidal ini akan berbeda dengan pada

keadaan DC. Kehadiran medan sinusoidal akan membuat besar dan arah

polarisasi berubah secara periodik mengikuti perubahan medan. Jika momen dipol

dapat mengikuti perubahan medan secara sempurn maka

Ep d (5.24)

dengan konstanta polarisasi maksimum

3kTp

a2

od (5.25)

Kehadiran medan sinusoidal akan membawa kepada kondisi dimana tidak semua

dipol dapat mengikuti perubahan medan. Hal ini disebabkan oleh dua faktor.

Faktor pertama adalah agitasi thermal yang cenderung membuat orientasi dipol

menjadi random. Faktor kedua adalah friksi dengan atom/kisi/dipol di sekitarnya

yang cenderung untuk menghambat terjadinya orientasi untuk mengikuti medan.

Bila medan berubah dengan cepat maka dipol tidak dapat lagi mengikuti

perubahan medan dan sebagai akibatnya sebagian besar dipol tetap berada pada

kondisi random. Pada frekuensi yang sangat tinggi maka ad akan cenderung

menjadi nol. Dengan demikian maka ad maksimum pada kondisi DC dan

mengecil menuju pada frekuensi tinggi.

Anggap pada suatu dielektrik gas diberikan medan DC untuk waktu lama

dan tiba

tiba medan diturunkan dari Eo menjadi E seperti pada Gambar (5.7.

Karena E menjadi lebih kecil maka dipol induksi DC juga mengecil dan dapat

dinyatakan sebagai

(0)Ed (5.26)



dimana )0(d

adalah konstanta polarisasi pada frekuensi = 0. dengan demikian

momen dipol induksi per molekul akan berkurang atau mengalami relaksasi dari

Od E)0( ke E)0(d .

Bila

adalah waktu relaksasi rata rata di antara dua tumbukan / gesekan selama

proses relaksasi maka waktu yang diperlukan sehingga dipol induksi menjadi

random adalah . Bila momen induksi sesaat adalah p maka p - E)0(d adalah

momen dipol induksi sisa yang harus menjadi random selama relaksasi untuk t

mendekati tak hingga. Kecepatan perubahan momen dipol dapat dituliskan sebagai

(0)Ep

dtdp d (5.27)

Gamba 5.7. perubahan polarisasi akibat perubahan medan pada DC

Untuk kondisi AC, dapat diasumsikan mempunyai bentuk

)( tsinEE O

atau dalam bentuk eksponensial t)(j expEE o , didapat

t)(jexp(0)p

dtdp d

(5.28)



Solusi dari persamaan ini diperoleh momen dipol induksi sesaat sebagai

)tjexp(E)(p Od (5.29)

dimana

j1

)0()( d

d (5.30)

yang menyatakan konstanta polarisasi pada keadaan AC. Konstanta polarisasi pada

keadaan AC merupakan bilangan kompleks yang menyatakan bahwa dalam

keadaan AC antara p dan E berbeda phasa.

Bila N adalah jumlah molekul per unit volume maka P = Np. Pada frekuensi

rendah maka )(,1t d

mendekati )0(d

dan p sephasa dengan E. Pada

frekuensi tinggi ,1t kecepatan relaksasi 1/

jauh lebih lambat dari kecepatan

perubahan medan sehingga tidak bisa mengikuti.

Gambar 5.8 (a) Medium dipolar dengan medan AC

(b) Permitivitas relatif kompleks.

Untuk kerapatan molekul N per satuan volume maka konstanta dielektrik dapat

dinyatakan sebagai



O

dr

N1 (5.31)

Dalam bentuk kompleks dituliskan sebagai

2

O

d

Orrr )(1

j1)0(N1

j1

)0(N1"j

(5.32)

Besaran N )0(d

merupakan konstanta dielektrik DC sehingga

o

dr

)0(N1)0(

(5.33)

Pemisahan bagian riil dan imajiner didapatkan

2

rr )(1

1)0(1'

2

rr )(1

1)0(" (5.34)

Persamaan ini disebut dengan persamaan Debye yang menggambarkan perilaku

konstanta dielektrik kompleks terhadap frekuensi.

Gambar 5.9. Ketergantungan terhadap frekuensi dari komponen ril dan imajiner dari konstanta dielektrik untuk berbagai polarisasi



5.8. RUGI RUGI DIELEKTRIK

Konstanta dielektrik kompleks merupakan konstanta material. Dalam aplikasi

kerekayasaan kita meminimasi komponen imajiner untuk suatu harga komponen

riil. Didefinisikan konstanta rugi rugi dielektrik (loss tangent, loss factor, fektor

rugi rugi) sebagai tan /"

yang tergantung dari frekuensi dan mencapai

maksimum disekitar /1 .

Untuk medan sinusoidal maka rugi

rugi dielektrik per satuan volume adalah

tanEW ro2

vol (5.35)

Dengan demikian rugi rugi dielektrik per satuan volume ditentukan oleh tiga faktor

yaitu:

- Frekuensi, makin tinggi frekuensi makin tinggi pula rugi rugi

- Medan, makin tinggi medan listrik makin tinggi pula rugi rugi

- Konstanta rugi rugi, makin tinggi konstanta rugi rugi makin tinggi pula

rugi rugi dielektrik.

Sebagai contoh untuk bahan cross linked polyethylene (XLPE) yang banyak

digunakan untuk kabel dan alumina yang banyak digunakan untuk komponen

elektronik pada frekuensi 60 Hz dan 1 MHz dan pada medan sebesar 100 kV/cm

dapat dihitung losses per cm kubik (silakan coba) seperti pada tabel berikut:

Tabel 5.2

Rugi rugi dielektrik untuk XLPE dan Alumina

Material

60 Hz 1 MHz

r

tan

W (W/cm3) r

tan

W (W/cm3)

XLPE 2,3 3 10-4 0,23 2,3 40 10-4 5,12

Alumina

8,5 10 10-4 0,84 8,5 10 10-4 47,3



5.7. RANGKAIAN EKIVALEN DIELEKTRIK

Apabila kepada suatu kapasitor yang berisi dielektrik diberikan tegangan AC

dengan frekuensi maka akan mengalir arus listrik sebesar

I = VCjdV/dtC OOr r (5.36)

Dengan memasukkan permitivitas kompleks dielektrik yaitu "j' rrr

maka

didapat

)V'j"(CI rrO (5.37)

Co adalah kapasitansi kapasitor bila tidak diisi dengan bahan dielektrik (berisi ruang

bebas.

Gambar 5.10. (a) Dielektrik dengan arus AC

(b) Diagram phasor arus

Dielektrik yang diberi tegangan AC dapat dinyatakan dengan rangkaian ekivalen

seri atau pararel seperti pada Gambar 5.10 berikut:

(a) (b)



(a) (b)

Gambar 5.11. Rangkaian ekivalen dielektrik (a) pararel (b) seri

Pada rangkaian ekivalen pararel komponen permitivitas relatif kompleks terdiri dari

O

p

C

C"

CR1

'Op

(5.38)

Dengan demikian konstanta rugi rugi dielektrik menjadi

tan CR1

'"

Op

(5.39)

Selain rangkaian pararel ini dapat juga dipergunakan rangkaian ekivalen seri

seperti Gambar 5.10(b). Hubungan hubungan yang dapat diturunkan adalah

2p

2p

2

pS

CR1

RR

p

2p

2

2p

2p

2

SCR

CR1C (5.40)

Konstanta rugi rugi dinyatakan sebagai tan CR SS



5.8. KEKUATAN DIELEKTRIK DAN TEMBUS DIELEKTRIK

Material dielektrik banyak dipakai sebagai isolasi tegangan tinggi. Sebagai

isolasi maka kekuatan menahan medan listrik yang besar merupakan syarat. Suatu

bahan dielektrik mampunyai kekuatan menahan medan listrik tertentu. Kekuatan

menahan medan listrik tertentu disebut dengan kekuatan isolasi (satuan kV/cm

dll.). Setiap bahan isolasi mampunyai harga kekuatan isolasi masing masing.

Banyak faktor yang berpengaruh terhadap kekuatan isolasi seperti struktur

molekul, kehadiran ketidakmurnian, temperatur dan kelembaban. Secara umum

material isolasi padat mempunyai kekuatan isolasi paling tinggi dan isolasi gas

mempunyai harga yang paling rendah.

Bila kepada bahan dielektrik tersebut diberikan medan listrik melebihi

kemampuannya maka isolasi akan mengalami kegagalan berupa tembus

(breakdown). Tembus pada zat padat bersifat permanen sedangkan tembus pada

isolasi cair dan terutama gas pada umumnya bersifat sementara. Kejadian tembus

isolasi diikuti oleh kenaikan arus yang sangat tinggi. Ini dapat dilihat pada diagram

karakteristik arus tegangan ditandai dengan kenaikan arus yang sangat tajam.

Gambar 5.12. Karakteristik arus tegangan

Ib Tegangan

Aru

s



5.8.1. Tembus pada dielektrik gas

Dielektrik gas mempunyai susunan molekul/atom yang relatif jarang

dibandingkan dengan dielektrik cair atau padat. Untuk terjadinya tembus perlu ada

elektron awal. Elektron awal dapat muncul dalam gas melalui berbagai cara seperti

akibat radiasi kosmik, eksitasi termal atau elektron dari permukaan katoda akibat

berbagai proses seperti radiasi atau emisi medan.

Bila suatu elektron awal telah tersedia di dalam gas maka bila medan listrik

dalam gas cukup besar maka elektron akan bergerak dipercepat dan akan

memperoleh energi kinetik yang besar pula. Energi kinetik yang besar yang dimiliki

elektron memungkinkan mengionisasi molekul/atom gas bila bertumbukan.

Dengan adanya ionisasi gas ini maka muncul elektron kedua. Kedua elektron akan

memulai proses serupa untuk menghasilkan dua elektron baru dan seterusnya.

Sehingga didalam gas akan terjadi multiplikasi elektron secara eksponensial.

Peristiwa ini disebut dengan Avalanche. Bila kenaikan elektron berjalan terus maka

suatu ketika kedua elektroda akan dijembatani oleh avalanche elektron dan

terjadila tembus.

Tembus gas dipengaruhi oleh tekenan gas. Makin tinggi tekanan gas maka

kerapatan juga makin tinggi. Hal ini mengakibatkan jarak rata rata antara molekul

atau atom semakin kecil dan sebagai akibatnya energi kinetik elektron lebih kecil

dan ionisasi molekul/atom gas semakin sulit. Dengan demikian secara umum maki

tinggi tekanan gas makin tinggi pula kekuatan tembus.

Tembus gas juga dipengaruhi oleh tingkat kemurnian gas tersebut.

Kandungan zat pengotor dan kelembaban dapat menurunkan kekuatan dielktrik.

Temperatur juga dapat mempengaruhi kekuatan dielektrin cair namun biasanya

terkait dengan parameter phisik yang lainnya.

Pada tekanan 1 atm dan frekuensi 60 Hz maka kekuatan tembus udara

adalah 31 kV/cm. Pada saat ini telah ditemukan dielektrik gas dengan kekuatan

isolasi tinggi misalnya SF6. Yang mempunyai kekuatan pada 1 atm 79,3 kV/cm,



CHCl3 dengan kekuatan sekitar 150 kV/cm, CCl4 dengan kekuatan yang lebih tinggi

yaitu sekitar 215 kV/cm.

5.8.2. Tembus pada dielektrik cair

Kejadian tembus pada dielektrik cair masih menyimpan banyak misteri dan

tidak sejelas dielektrik gas. Kehadiran gelembung gas (buble) dan partilek

konduktif di dalam dielektrik cair dianggap sebagai bertanggungjawab atas

terjadinya tembus pada dielektrik cair. Gelembung gas akan tembus walaupun

dielektrik cair masih sehat karena kekuatan tembus dielektrik cair lebih tinggi dari

gas. Tembus didalam gelembung gas akan menghasilkan gas baru yang akan

memperbanyak jumlah gelembung atau memperbesar ukuran gelembung gas.

Juga dapat timbul partilek konduktif akibat oksidasi selama tembus gas dalam

gelembung berlangsung. Emisi elektron dari permukaan elektroda juga mungkin

terjadi. Bila kejadian ini berlangsung terus

menerus maka suatu saat dapat

menjembatani kedua elektroda dan terjadilah tembus dielektrik cair.

Tabel 5.3

Kekuatan dielektrik cair

Material dielektrik Cair Kekuatan dielektrik (kV/cm)

exana 130

Benzena 110

Nitrogen cair 170

Oksigen cair 240

Minyak trasformator 150

Minyak kapasitor 200

Askarel 200



5.8.3 Tembus pada dielektrik padat

Secara umum kekuatan dielektrik padat lebih besar dari dielektrik gas dan

cair. Tembus dielektrik padat dibagi atas :

tembus interisik (intrinsic breakdown)

tembus thermal (thermal brekdown)

tembus elektomekanik (electromechanical breakdown)

tembus peluahan (discharge breakdown)

a. Tembus intrisik

Bila ke dalam dielektrik diberikan tegangan tinggi maka munculah medan

tinggi. Bila di dalam bahan dielektrik terdapat elektron konduksi maka elektron

akan dipercepat. Percepatan elektron berbanding lurus dengan kuat medan listrik.

Elektron yang dipercepat akan mendapatkan energi kinetik dalam perjalanannya

karena kecepatan makin bertambah. Elektron ini bergerak diantara atom atom

dielektrik. Bila selama tumbukan dengan atom semua energi elektron tidak dapat

diserap oleh atom maka elektron mengionisasi atom dan munculah elektron baru

yang siap mengalami proses yang sama. Dengan demikian sepanjang perjalanan

muncul elektron makin banyak. Terjadilah konduksi elektron yang sangat besar

disebut dengan elektron avalanche. Tembus intrisik sering disebut juga dengan

tembus elektronik. Hal ini karena proses terjadinya tembus yang disominasi oleh

proses elektronik.

Kekuatan tembus intrinsik bahan isolasi berharga sangat tinggi dan biasanya

diperoleh dengan pemberian tagangan yang sangat cepat (impuls). Polyethylene

mempunyai harga mencapai 500 Mega Volt per meter.

b. Tembus thermal

Tembus jenis ini muncul bila isolasi beroperasi pada kondisi yang

memanaskan kisi kisi bahan. Pemanasan bisa terjadi karena dielectric losses.



Sebagian panas dapat disalurkan ke lingkungan, Sebagian lagi akan memanaskan

isolasi. Persamaan keseimbangan kalor/panas memenuhi hubungan.

Kalor yang dihasilkan Laju penambahan kalor Laju disipasi kalor Oleh pemanasan listrik dalam bahan berupa kenaikan ke lingkungan

Temperatur bahan

Secara sistematis persamaan dapat dinyatakan sebagai

T).(dtdT

CE2

(5.41)

dimana

adalah konduktivitas panas dan CV adalah kapasitas kalor bahan.

Bila kalor yang dihasilkan oleh pemanasan listrik sedikit dan dapat diatasi

dengan disipasi ke lingkungan maka temperatur meterial akan tetep stabil. Akan

tetapi bila pemanasan listrik membesar maka suatu saat kalor tidak lagi dapat

dibuang ke lingkungan dan sebagai akibatnya temperatur kisi kisi material akan

naik dan mencapai harga kritis Tc.

Bila pemanasan lebih hebat lagi maka temperatur akan lebih tinggi lagi.

Akibat pemanasan ini maka atom akan lebih mudah terionisasi oleh tumbukan

elektron. Dengan demikian dapat diperkirakan tegangan tembus jenis ini akan jauh

lebih kecil dibandingkan dengan tegangan tembus intrinsik. Sebagai contoh untuk

polyethylence tegangan tembus dapat turun menjadi hanaya mega 5 Volt per

meter pada daerah frekuensi relaksasi (losses tinggi).

Gambar 5.13 : ilustrasi kesetimbangan thermal dan tembus termal

=

+

Waktu, t

Tem

pera

tur

kisi

tert

ingg

i da

lam

mat

eria

l, T



c. Tembus elektromekanik

Ketika dielektrik padat dikenai medan listrik tinggi maka akan muncul gaya

kompresi yang menekan dieletrik tersebut. Bila tebal spesimen adalah do dan

terkompresi menjadi d akibat medan oleh suatu tegangan V maka berlaku

hubungan

d

dlnY

d2

V o2

2

ro (5.42)

dimana Y adalah modulus Young dari dielektrik.

Penyelesaian dari persamaan di (5.40

Dari eksperimen mekanik didapatkan bahwa secara empirik instabilitas mekanik

akan terjadi bila kompresi terlah menyebabkan d/do = 0,5. Dengan memasukkan

kriteria instabilitas ini sebagai awal terjadinya tembus elektromekanik maka

diperoleh besarnya medan kritis untuk terjadinya tembus elektromekanik sebagai.

2/1Y

6,0Ero

max (5.43)

Stark dan garton telah mengamati peristiwa tembus elektromekanik ini pada

dielektrik polyethylene.

d. Discharge breakdown

Bahan bahan seperti mika atau keramik atau bahan pada lainnya sering kali

ditemukan gas yang terperangkap di dalamnya. Gas mempunyai kekuatan isolasi

yang lebih kecil dari isolasi padat. Secara umum gas mempunyai konstanta

dielektrik kecil (mendekati 1) sedangkan isolasi padat mempunyai konstanta

dielektrik 2 5. Dengan demikian gas yang berada di dalam isolasi padat akan

mendapatkan kuat medan yang lebih besar dari isolasi padat. Padahal

kekuatannya lebih rendah. Dengan demikian gas akan tembus pada saat isolasi



pada masih jauh lebih tembus. Tembus ini sering disebut dengan tembus sebagian

(partial discharge).

Pada isolasi polimer seringkali ditemukan tembus sebagian ini. Dari tembus

sebagian di dalam void dapat tumbuh kanal bercabang cabang membentuk suatu

struktur menyerupai ranting pohon yang disebut dengan pepohonan listrik

(electrical treeing). Pepohonanan listrik makin lama makin makin panjang dan

jumlah cabang akan semakin banyak seperti pada Gambar 5.14. Bila pepohonanan

listrik ini telah menjembatani kedua elektroda maka biasanya isolasi padat sudah

tidak dapat lagi berfungsi untuk menahan medan normal. Terjadilah kegagalan

isolasi.

Gambar 5.14. Pepohonan (treeing) listrik di dalam isolasi polimer (a) Proses awal terbentunya treeing, (b) Treeing menjembatangi kedua elektroda

Pepohonan listrik juga dapat bermula dari medan yang sangat tinggi di

dalam isolasi padat karena adanya permukaan konduktor yang tajam atau ada

kontaminan konduktif. Medan lokal sebesar lebih dari 1 MV/m dapat muncul di

daerah seperti ini. Degradasi lokal akibat stress medan listrik seperti ini akan

menginisiasi munculnya pemohonana listrik. Daerah dengan medan sangat tinggi

(a)

(b)



ini bisa menyebabkan kegagalan lokal isolasi padat sehingga pemohonan listrik

akan timbul.

Teknik pembuatan, material dasar, pemasangan dan pengoperasian

merupakan faktor faktor penting yang dapat mempengaruhi pemunculan titik titik

isolasi yang menyebabkan bermulanya kegagalan isolasi.

Tabel 5.4 Kekuatan dielektrik material padat

Material Permitivitas Relatif

( r) Kekuatan dielektrik

(kV/cm) XLPE 2,3 217

Silicon rubber 3,7 158

Polystyrene 2,5 200-250

Polyester 3,2 175

Mika 6,9 1000

Al2O3 (keramik) 8,5 1000

5.9. PIEZOELEKTRIK

Ada penomena yang disebut dengan electrostriction yaitu keadaan dimana

polarisasi mengubah dimensi material dan sebaliknya perubahan dimensi dielektrik

menyebabkan perubahan polarisasi yang berakibat munculnya medan atau

tegangan.

Dielektrik yang menunjukkan sifat demikian disebut piezoelectric. Kejadian

ini diilustrasikan sebagai berikut :



Gambar 5.15. Efek piezoelektrik

Pada Gambar 5.15a. tidak ada tekanan makanik maupun medan sehingga

tidak ada perubaan bentuk maupun keluaran tegangan. Pada Gambar 5.15b

kepada material diberikan tekanan maka timbul polarisasi yang akan menghasilkan

tegangan. Pada Gambar 5.15c. dan 15.15d karena kepada material diberikan

tegangan maka terjadilah perubahan bentuk/ukuran hanya saja perubahan

tergantung juga oleh polaritas tegangan yang diberikan.

Kristal piezoelektrik tidak mempunyai pusat simetri. Sebagai contoh kristal

kubik mempunyai pusat simetri sehingga tidak menunjukkan sifat piezoelektrik

(Gambar 5.16). Sebaliknya kristal heksagonal tidak mempunyai pusat simetri

sehingga menunjukkan sifat piezoelektrik (Gambar 5.17).

Gambar 5.16. Kristal kubik tidak menunjukkan sifat piezoelektrik

(a) tanpa tekanan (b) dengan tekanan

Gaya

(a) (b) (c) (d)

(a) (b)

Gaya



Ganbar 5.17. Kristal heksagonal (a) tanpa tekanan (b) dengan tekanan arah vertikal (c) dengan tekanan arah horizontal

Secara umum tekanan pada arah tertentu kepada kristal piezoelektrik akan

memberikan polarisasi pada arah yang lainnya. Konstanta kristal piezoelektrik (d)

biasanya menyatakan beberapa meter pengecilan atau pembesaran dengan

pemberian tegangan satu volt. Disamping itu juga ada konstanta efisiensi (K) yang

menyatakan rasio dari input energi mekanik menjadi energi listrik atau sebaliknya

dari energi listrik menjadi energi mekanik. Harga d dan K untuk beberapa kristal

piezoelektrik diberikan pada Tabel 5.5. Aplikasi yang paling banyak dari material

piezoelektrik adalah untuk pengukuran tekanan (tekanan tegangan), transmisi

gelombang elestik dalam zat padat dan sebagainya.

Tabel 5.5

Konstanta piezoelektrik d dan K untuk beberapa kristal

Kristal Piezoelektrik KonstantaEfisiensi

(K) Konstanta piezoelektrik

d (m/V)x10-12

Quartz 0,1 2,3

BaTiO3 0,49 100

PbZrTiO6 0,27 250

Polyvinylidene ( PVD ) - 18

PbNb2O6 - 80

(a) (b) (c)

Gaya



5.10. CONTOH SOAL

1. Suatu dielektrik mempunyai konstanta 2,5 dan diberi tegangan DC. Bila

ketebalan 0,5 mm dan tegangan yang diberikan 100V, berapa polarisasi ?

Jawab:

E = V/d = 100/0,0005 = 20 kV/m

P = ( r

1) o E = 1,5 x 8,85.10-12 x 2.105 = 2,7.10-6 C/m2.

2. Suatu spesimen dielektrik padat mempunyai permitivitas relatif 4,2 dan tan

=

0,001 pada frekuensi 50 Hz. Bila kepada spesimen diberikan medan sebesar 50

kV/cm. Tentukan kalor yang timbul akibat rugi rugi dielektrik.

Jawab:

Rugi rugi dielektrik padza suatu medan dapat dituliskan sebagai

W = E2

o r tan

Dengan memasukkan harga harga yang ada didapatkan kalor sebesar 0,291

mJ/cm3 per detik.

3. Kristal LiF mempunyai konstanta dielektrik 9,27, indeks refraksi 1,395 dan

kerapatan 2,635x103 kg/m3 . Tentukan konstanta polarisasielektronik dan ionik

molar per unit volume.

Jawab :

LiF merupakan kristal ionik non polar sehingga polarisasi dipolar dapat diabaikan.

Yang adalah polarisasi ionik dan elektronik. Dengan demikian :

M

21

3N

3N

r

r

o

iA

o

eA

dimana M adalah berat molar dan NA adalah bilangan Avogadro.

Untuk komponen elektronik berlaku

M

2

1

3

N

r

r

o

iA



Sehingga untuk ionik dapat dinyatakan sebagai

M

2

1

2

1

3

N

re

re

r

r

o

iA

Diketahui indeks refraksi LiF adalah 1,395 maka re = (1,395)2 = 1,94. Dengan

demikian didapat konstanta polarisasi ionik.

9,4M

294,1

194,1

227,9

127,9

3

N

o

iA

4. Kristal CsCl tiap pasang ion ionnya mempunyai parameter a = 0,412 nm.

Konstanta polarisasi ion Cs+ dan ion Cl- adalah 3,35x10 40 Fm2 serta konstanta

polarisasi ionik 6x10 0 Fm2. Berapakah konstanta dielektrik pada frekuensi

rendah dan frekuensi tinggi ?

Jawab :

Jumlah pasangan ion per unit volume adalah

3283i m1043,1

a

1N

Ni juga merupakan kerapatan kation dan anion.

Dari persamaan Claussius Mossotti diperoleh

iieieior

r N)Cl(N)Cs(N3

1

2

1

= 12

40404028

1085,83

)101,6104,31035,3(1043,1

ro = 2,71

Jadi konstanta dielektrik pada frekuensi tinggi menjadi 2,71.



5. Suatu kabel koaksial mempunyai konduktivitas dalam dan luar a dan b. Bila

tegangan yang diberikan antara konduktor dalam dan luar adalah V, tentukan:

a. Kuat medan listrik sebagai fungsi dari jarak dari sumbu kabel.

b. Bila a = 5 mm dan isolasi antara kedua konduktor adalah XLPE dengan

ketebalan 5 mm dimana permitivitas relatif = 2,3 dan V = 220 kV, tentukan

kuat medan maksimum.

c. Bagaimana bila dalam isolasi terdapat void berisi udara ?

Jawab:

a. Dari Hukum Gaus didapat

or2

E

Medan listrik terjadi pada r = a yaitu pada permukaan konduktor dalam. Di

tempat ini kuat medan listrik adalah

ora2

E

Karena E merupakan fungsi r maka

V = rln2

Edror

Bila tegangan yang diberikan V maka

V = a

bln

2 or

b. Dari rumus sebelumnya didapat kuat medan maksimum adalah

kV2,765

10ln10.5000.22

a

blnaEV 3

maksbr

c. Bila dalam isolasi terdapat void berisi udara maka medan pada void akan

lebih besar dari medan pada isolasi. Dalam hal ini karena permitivitas relatif

isolasi (XLPE) adalah 2,3 maka kuat medan listrik dalam void akan 2,3 kali

lebih besar dari kuat medan pada isolasi sehat. Karena kuat medan listrik

pada isolasi XLPE merupakan fungsi dari posisi radial maka kuat medan



listrik di dalam void tergantung dari posisi viod. Bila void berada pada

daerah permukaan konduktor dalam maka akan mengalami kuat medan

yang sangat tinggi. Sebaliknya bila void berada di daerah permukaan

konduktor luar maka kuat medan tidak terlalu tinggi bahkan boleh jadi lebih

rendah dari kuat medan listrik XLPE di daerah permukaan konduktor

dalam.

6. Suatu kapasitor pelat sejajar berfungsi untuk menyimpan muatan sebesar 0,1

mC pada tegangan 3 kV. Ketebalan dielektrik 0,1 mm. Berapakah luas dielektrik

bila dielektrik tersebut adalah teflon, BaTiO3 dan mika ?

Jawab:

C = Q/V = 33,3 nF

A = Cd/ r

Dengan memasukkan harga harga diperoleh A = 0,7525/ r m2. Sehingga,

Untuk teflon dengan permitivitas relatif 2 didapat A = 0,35 m2.

Untuk BaTiO3 dengan permitivitas relativ 3000 didapat A = 2,5 cm2.

Untuk nika dengan permitivitas relatif 7 didapat A = 0,11 m2.

5.11. SOAL SOAL LATIHAN

1. Sebutkan jenis jenis polarisasi dan apa perbedaan masing masing.

2. Bagaimana pengaruh frekuensi terhadap polarisasi ?

3. Suatu material diberi medan listrik 2 kV/m dan timbul polarisasi didalamnya

sebesar 50 Nc/m2. Perkirakan konstanta dielektrik material tersebut.?

4. Tentukan kuat medan yang diperlukan agar di dalam polietilen terjadi polarisasi

sebesar 100 Nc/m2.

5. Berapakah tegangan diperlukan untuk menghasilkan muatan sebesar 25 nC

dalam kapasitor pelat sejajar ukuran 20 x 20 mm dan jarak pisah 0,1 mm bila

dielektrik adalah (a) vakum (b) politelin.



6. Suatu material ditempatkan di dalam medan listrik 200 V/m dan menghasilkan

polarisasi 50 nC/m2. Tentukan konstanta dielektrik material tersebut.

7. Tentukan medan yang diperlukan agar terjadi polarisasi 200 nC/m2 di dalam

polietilen. Mampukah polietilen menahan medan tersebut ?

8. Polistiren dengan ukuran 25x25x0,01 mm dipakai sebagai dielektrik kapasitor

yang beroperasi pada frekuensi 1 MHz. Berapa tegangan maksimum yang

diberikan agar losses tidak melebihi harga 0,1 W ?

9. Kristal silikon mempunyai konstanta dielektrik 11,9 dan kerapatan 5x1028/m3.

Tentukan:

a. Konstanta polarisasi elektronik.

b. Berapakah frekuensi resonansi ?

10. KCL mempunyai konstanta kristal a = 0,629 nm. Konstanta polarisasi elektronik

untuk K+ adalah 1,26x10-40 Fm2 sedangkan untuk Cl- adalah 3,4x10-40 Fm2 .

Tentukan permitivitas relatif padas frekuensi optik. Bandingkan harganya

dengan hasil pengukuran 2,2.

BAB VI MATERIAL MAGNETIK

Diktat Kuliah Material Elektroteknik

111


6.1. PENDAHULUAN

Banyak devais elektronik seperti induktor, tranformator, mesin–mesin listrik,

antena ferrit, audio visual recording dan lain–lain memanfaatkan sifat–sifat

magnetik material, juga banyak contoh dimana magnet permanen dimanfaatkan

seperti pada mesin listrik dengan kutub permanen atau pengeras suara (loud

speaker).

Material magnetik telah berkembang sejak lama. Penemuan Alnico pada

awal abad ke-20 telah membawa pada era baru dimana kekuatan magnet

permanen meningkat drastis lebih dari 10 kali dari material sebelumnya.

Penemuan campuran Cobalt-Elemen tanah jarang pada tahun 60-an telah

meningkatkan lagi kemampuan magnet permanen dengan faktor 10 kali dari

sebelumnya pada tahun 70-an. Peningkatan kekuatan magnetik material baru

telah dapat menurunkan ukuran motor–motor listrik dan mempengaruhi desain

teknik yang memanfatkan sifat–sifat magnetik material.

Secara umum kita beranggapan bahwa bahan magnetik adalah logam,

namun demikian ferrit magnetik yang termasuk dalam golongan keramik banyak

dipakai terutama untuk aplikasi frekuensi tinggi dimana rugi–rugi eddy akan sangat

besar bila dipakai logam.

Teknologi magnet untuk menghasilkan material magnetik dengan kualitas

tinggi sangat ditentukan oleh teknologi proses material. Kemajuan teknik

memproses material dalam skala molekuler/atomik dan pengaturan material dalam

level mikro sangat menentukan perkembangan material magnetik.



112

6.2. DIPOL MAGNETIK

Dipol magnetik sering dilambangkan sebagai batangan magnet dengan

kutub utara dan selatan. Ditemukan didalam bahan–bahan magnetik. Dipol

magnetik dapat muncul secara permanen di dalam material dan dapat pula muncul

pada saat diberikan medan magnet luar. Di dalam pembahasan material dielektrik

maka dipol magnetik analog dengan dipol listrik. Momen dipol manetik

didefinisikan sebagai:

μm = I A an (6.1)

dimana I adalah loop arus listrik, A adalah luas loop dimana arus mengalir dan

an adalah vektor normal terhadap lias loop.

Gambar 6.1. Loop arus dan momen dipol magnetik

Bila ke dalam bahan magnetik diberikan madan magnet maka dipol akan

berinteraksi dengan medan magnet dan munculah torsi magnetik. Interaksi ini

dapat menyebabkan orientasi dipol–dipol berubah mengikuti arah medan magnet.

Gambar 6.2. Dipol magnetik mengikuti arah medan magnetik



113

Suatu momen dipol merupakan loop arus maka akan meninbulkan juga

medan magnetik di sekitarnya sebagaimana suatu batangan magnet.

Gambar 6.3. Dipol magnetik dan garis medan magnet

6.3. MOMEN MAGNET ATOMIK

Suatu atom tersusun oleh inti atom positif dan elektron yang mengorbit di

sekitar inti atom. Elektron yang mengorbit berperilaku selayaknya loop arus dan

menghasilkan momen dipol magnetik. Momen ini disebut sebagai momen

magnetik orbital seperti pada gambar berikut.

Gambar 6.4. Elektron yang mengorbit dan momen dipol magnetik

Bila frekuensi angular orbit elektron adalah ω, maka arus akibat orbit

elektron tersebut adalah:

2πeω

periodaeI −

=−

= (6.2)



114

Bila radius orbit elektron adalah r maka momen dipol magnetik orbital

elektron tersebut adalah

2

eωIπL2

orbrr2 −

== (6.3)

Momentum angular (L) elektron adalah

L = me v r = me ω r 2 (6.4)

Dengan demikian momen magnetik orbital elektron dapat dinyatakan sebagai

L2m

eμe

orb −= (6.5)

Terlihat bahwa momen magnetik sebanding dengan momentum angular

dan faktor yang ditentukan oleh rasio muatan dan massa elektron yaitu e/2me

yang sering disebut dengan rasio gyromagnetik. Tanda negatif nenuujukkan

bahwa momen magnetik mempunyai arah berlawanan dengan arah momentum

magnetik sebagai akibat muatan negatif elektron.

Elektron juga mempunyai momen magnetik spin akibat gerakan spinnya.

Momen ini dinyatakan sebagai

Smeμ

espin −= (6.6)

Dimana S adalah momentum angular spin yang basarnya adalah

S = /2atau/2 hh − (6.7)

Besar momen magnetik spin rata–rata suatu elektron adalah

Bee

spin μ2meS

meμ h

=−= (6.8)

Besaran μB sering sebagai magneton Bohr yang besarnya adalah 9,27x10-24



115

6.4. BEBERAPA VEKTOR MAGNETIK

Di dalam pembahasan material magnetik dipakai beberapa besaran magnetik

yang marupakan besaran–besaran vektor di antaranya adalah:

a. Kuat medan magnet (H) yang berasal dari luar. Satuan A/m. Bila medan

magnet berasal coil maka hubungannya adalah.

H = NI/L

N = jumlah belitan, I = arus, L= panjang.

b. Induksi magnetik (B) menyatakan besar kuat medan magnet di dalam

bahan yang dikenai medan magnet luar H. Satuan Weber/m2.

Hubungan–hubungan:

BO = μO H untuk vakum atau ruang bebas

B = μH = μrμoH untuk sembarang bahan

μ = permeabilitas bahan (Henry/m)

μO = permeabilitas vakun = 4πx10–7 Henry /m

μr = permeabilitas relatif

c. Magnetisasi (M) satuan A/m yang menyatakan tingkat orientasi dipol–

dipol magnetik di dalam bahan ketika diberikan medan magnet. Muncul

pada saat material magnetik diberikan medan magnet luar. Magnetisasi

merupkan momen dipol total per satuan volume yang secara matematis

dinyatakan sebagai

∑ ==i

i nmΔv1M mav (6.9)

dengan n adalah kerapatan atom.

Analogi dari magnetisasi dalam besaran listrik adalah polarisasi (P).

M = Hmχ

B = μo H + μo M = μ o H + μ o χm H

χm = susceptibilitas magnetik = μr - 1



116

(a) (b)

Gambar 6.5. (a) Solenoid tanpa bahan magnetik, (b) Solenoid dengan bahan

magnetik di dalamnya

6.5. KLASIFIKASI MATERIAL MAGNETIK

Secara umum material magnetik dapat diklasifikasikan sebagai

ferromagnetik, diamagnetik, paramagnetik, antiferromagnetik dan ferrimagnetik.

Klasifikasi tersebut didasarkan atas kandungan dipol–dipol magnetik dan interaksi

material terhadap medan magnetik luar. Berikut akan diuraikan untuk masing–

masing kelompok.

6.5.1. Ferromagnetik

Material ferromagnetik seperti besi dapat mempunyai magnetisasi

permanen yang sangant besar meskipun tanpa kehadiran medan magnetik luar.

Susceptibilitas magnetik biasanya sangat besar dan tergantung pada medan

magnet luar. Hubungan antara magnetisasi M dan intensitas medan magnet H

biasanya tidak linier. Sifat magnetik bahan muncul karena struktur elektron dalam

atom yang tidak lengkap. Artinya ditemukan beberapa elektron yang tidak

berpasangan sesuai dengan prinsip Pauli dan dengan demikian beberapa elektron

akan mempunyai spin yang sama dan saling memperkuat. Elektron dengan suatu

orientasi dan tidak dapat berpasangan dengan orientasi lawannya akan

menyebabakan dipol magnetik.



117

Sifat ferromagnetik muncul karena atom mempunyai struktur elektron yang

tidak berpasangan dalam jumlah yang cukup banyak yang memungkinkan

munculnya momen dipol di dalamnya cukup besar. Untuk mengetahui suatu

material bersifat megnetik kuat atau tidak dapat dilihat struktur elektronnya.

Elektron yang dimiliki atom akan terdistribusi dalam orbital–orbital dengan cara

pengisian menurut tingkatan energinya.

Cara pengisian elektron didalam orbital dapat diurutkan sebagai berikut:

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

Urutan pengisian seperti diagram diatas dapat dituliskan sebagai berikut:

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p dst.

Dengan menggunakan cara tersebut maka struktur elektron kulit luar

beberapa bahan magnetik adalah sebagai berikut:

Gambar 6.6. Struktur elektron bahan magnetik

Sebagai contoh bahan magnetik yang banyak dipakai yaitu Fe, Co dan Ni

mempunyai empat, tiga dan dua elektron pada 3d dengan spin sama. Sifat

magnetik berasal dari spin elektron ini.



118

Setiap elektron yang dengan spinnya berperilaku seperti dipol magnetik. Bila

pada satu orbital terdapat dua elektron dengan spin yang berlawanan maka dipol total

= 0. Akan tetepi bila dalam suatu orbital hanya terdapat satu elektron maka munculah

suatu dipol yang disebut dengan magneton Bohr μB. Besar magnetisasi dalam suatu

bahan ditentukan oleh banyaknya dan orientasi magneton.

Bahan ferromagnetik mempunyai momen magnetik spontan pada saat tidak

ada medan magnet sekalipun. Beberapa contoh bahan ferromagnetik: Besi, Nikel,

Cobalt serta oksidasi dan carbidanya, godolium.

Pada bahan ferromagnetik, interaksi antar atom cukup kuat untuk menahan

agitasi termal agar momen dipol dan atom disekitarnya senantiasa pararel suatu

dengan yang lainnya. Sifat ferromagnetik muncul bila bahan memepunyai level

terluar tidak penuh seperti 3d untuk besi, Cobalt dan nikel serta 4f untuk

godonolium.

6.5.2. Diamagnetik

Bahan diagmetik tidak mempunyai dipol magnet permanen di dalam bahan

namun terdapat momen magnetik induksi yang lemah. Tipikal material ini mempunyai

susceptibilitas magnetik negatif dan kecil. Hal ini menunjukkan bahwa material

diamagnetik cenderung menolak medan magnetik luar. Sebagai contoh kristal silikon

adalah diamagnetik dengan suscepbilitas magnetik sebesar –5,2x10-6 Dengan

demikian permeabilitas relatif material diamagnetik sedikit lebih kecil dari satu.

Bila bahan diamagnetik ditempatkan di dalam medan magnet H maka

vektor magnetisasi M akan berarah berlawanan dengan medan luar dan

menyebabkan medan di dalam material sedikit lebih kecil dari μ oH. Kristal–kristal

yang terikat kovalen dan beberapa kristal ionik bersifat diamagnetik karena atom–

tom penyusunnya tidak memepunyai sub kulit kosong. Super konduktor

merupakan kasus khusus dari material diamagnetik karena memepunyai sifat

menolak medan magnet luar secara sempurna dan dengan demikian mempunyai

susceptibilitas –1.



119

Gambar 6.6. Ilustrasi diamagnetisme

6.5.3. Paramagnetik

Material paramagnetik mempunyai momen dipol permanen. Biasanya atom

mempunyai jumlah elektron ganjil. Material paramagnetik mempunyai

susceptibilitas magnetik positif dan sangat kecil. Sebagai contoh adalah

paramagnetik gas dengan susceptibilitas magnetik 2,1x10-6 pada tekanan atmosfir

dan suhu kamar. Setiap molekul oksigen mempunyai dipol yang kecil. Pada saat

tidak ada medan magnet luar maka dipol–dipol magnetik terorientasi random

sehingga magnetisasi total nol. Pada saat diberikan medan magnet luar maka

terjadi orientasi dipol pada arah medan luar. Dengan demikian magnetisasi makin

besar dengan peningkatan medan magnet luar. Contoh lain dari material

paramagnetik adalah magnesium dengan susceptibilitas 1,2x10-5.

Gambar 6.13. Material paramagnetik tanpa (a) dan dengan

(b) medan magnet luar



120

6.5.4. Antiferromagnetik

Bahan antiferromagnetik mempunyai susceptibilitas magnetik positif kecil.

Tak ada magnetisasi bila tidak ada medan luar. Material antiferromagnetik

mempunyai dipol dengan arah yang berlawanan yang berasal dari orientasi kristal

yang berlawanan arah. Sifat antiferromagnetik terjadi untuk temperatur di bawah

temperatur kritis yang disebut dengan temperatur Neel, TN. Pada temperatur di

atas TN maka material antiferromagnetik akan berubah menjadi paramagnetik.

Gambar 6.14. Ilustrasi Antiferromagnetisme

6.5.5. Ferrimagnetik

Material ferrimagnetik seperti ferrit (misalnya Fe3O4) menunjukkan sifat

serupa dengan material ferromagnetik untuk temperatur di bawah harga kritis yang

disebut dengan temperatur Curie, TC . Pada temperatur di atas TC maka material

ferrimagnetik berubah menjadi faramagnetik. Ciri khas material ferrimagnetik

adalah adanya momen dipol yang besarnya tidak sama dan berlawanan arah. Sifat

ini muncul karena atom-atom penyusunnya misalnya (A dan B) mempunyai dipol

dengan ukuran yang berbeda dan arahnya berlawanan. Material ini dapat

mempunyai magnetisasi walau dalam keadaan tanpa medan luar sekalipun.

Material ferrimagnetik seperti ferrit biasanya non konduktif dan bebas losses arus

eddy. Sehingga banyak diaplikasikan untuk medan magnetik dengan frekuensi

tinggi.

M = 0



121

Gambar 6.15. Ilustrasi kristal ferrimagnetik

Secara diagramagnetik dipol-dipol dalam material ferro, antiferro dan

ferrimagnetik diilustrasikan sebagai berikut :

Ferromagnetik Antiferromagnetik Ferrimagnetik

Gambar 6.16. Orientasi dipol-dipol magnetik

Sedangkan hubungan antara H dan B untuk material ferro, para dan

diamagnetik dapat dijelaskan dangan gambar berikut :

Gambar 6.17. Kurva H-B untuk material magnetik

paramagnetik

vakum

diamagnetik

ferromagnetik

H

Positif

Negatif

0

B

A B



122

6.6. BEBERAPA TEORI TENTANG MAGNETISME

6.6.1. Teori Langevin Untuk Diamagnetisme

Elektron yeng mengorbit menghasilkan momen dipol magnetik. Kehadiran

medan magnetik luar akan menginduksikan medan listrik yang akan menpengaruhi

kecepatan elektron (v) yang mengorbit. Dengan asumsi bahwa medan magnet luar

tegak lurus bidang orbit elektron maka besar perubahan kecepatan tersebut

adalah

2merHΔv −= (6-10)

Perubahan kecepatan elektron menyebabkan perubahan momen sebesar

mHrevre

m 42

22

−=Δ

=Δμ (6-11)

Bila medan magnet tidak tegak lurus bidang orbit elektron maka lebih tepat

dipakai perubahan momen rata-rata yaitu,

mHrevre

m 62

22

−=Δ

=Δμ (6-12)

Bila terdapat sejumlah Z elektron pada setiap atom maka momen magnetik

per atom adalah

m

HZrem 6

22

−=μΔ (6-13)

Magnetisasi akibat perubahan momen magnetik per satuan volume manjadi

mV

HZreM6

22

−= (6-14)

dan susceptibilitas magnetik

W

NmZre

mVZre

HM Oδχ ⋅−=−==

66

2222

(6-15)

dimana NO = bil. Avogadro, δ = kerapatan , W = berat atom.



123

6.6.2. Faramagnetisme

Untuk menjelaskan paramagnetisme, Langevin mempostulatkan bahwa

momen elektron bertanggung jawab. Kehadiran medan magnetik luar H akan

mengarahkan momen elektron ke arah tertentu menghasilkan energi potensial

sebesar

αμ−= cosHE mp (6-16)

Gambar 6.18. Bola dengan pusat elektron dan orientasi momen

Temperatur akan melawan efek orientasi oleh medan luar dengan faktor

proporsional dengan exp(-Ep/kt). Elektron berada di pusat bola maka orientasi

momen bisa ke segala arah di dalam ruang. Jumlah momen magnetik dengan

energi Ep menembus luas dA adalah

)exp(.kTE

dAconsdn p−=

Bila terdapat n momen maka magnetisasi M dan susceptibilitas magnetik χ

secara matematik dapat didekati dengan

kT

HnM m

3

2μ= dan χ para =

TC

Tkn m 1.1.3

2

=μ (6-17)

C merupakan konstanta Curie.

μn



124

6.6.3. Teori Medan Molekular

Di dalam bahan diamagnetik dan paramagnetik, medan yang mempengaruhi

mome elektron berasal dari luar. Weiss mempostulatkan bahwa momen elektron

berinteraksi satu dengan yang lain menghasilkan medan molekular. Dengan

demikian medan total menjadi penjumlahan medan luar He dan medan molekular

Hm

met HHH +=

Susceptibilitas magnetik adalah

TC

MHM

HM

et

=γ+

==χ dan CT

CHM e

γ−=

maka θ−

==χT

CHM

e

(6-18)

Dalam hal ferromagnetik maka Weiss menjelaskan interaksi antar momen

magnetik cukup kuat pada temperatur di bawah temperatur Curie menghasilkan

magnetisasi di dalam domain. Interaksi juga menghasilkan medan magnetik

molekular yang besar. Dengan demikian Weiss memandang bahwa ferromagnetik

merupakan bahan paramagnetik dengan medan molekular yang besar.

6.7. KURVA MAGNETISASI

Hubungan antara B dan H cukup kompleks. Secara umum dapat dijelaskan

dengan kurva H−B yang juga disebut kurva magnetisasi.



125

Gambar 6.19. Kurva magnetisasi

Suatu material magnetik yang telah dimagnetisasi dapat mempunyai

magnetisasi sisa (remanensi) meskipun medan magnetik luar telah dihilangkan.

Remanensi ini dapat dihilangkan dengan cara melakukan demagnetisasi dan

magnetisasi lagi dengan menggunakan medan yang besarnya makin menurun

seperti ilustrasi berikut.

Gambar 6.20. Menghilangkan remanensi di dalam material magnetik

Medan Magnet, H

Ker

apat

an fl

uks,

B

Slope = μr (max)

Bs

H

B



126

6.8. HISTERISIS

Histerisis didefinisikan sebagai keterlambatan perubahan magnetisasi dikala

H berubah. Bila bahan ferromagnetik diberikan H yang menaik dan menurun maka

plot dari H−B akan membentuk loop histerisis .

Pada saat H dinaikkan maka B juga naik mengikuti garis OB. Ketika H

diturunkan maka B Tidak menurun sesuai dengan garis OB melainkan menurut

garis BC. Pada titik C ketika H = 0, B masih mempunyai harga dan disebut

magnetisasi sisa. Bila H negatif diberikan maka akan terjadi demagnetisasi dan

didapat titik D dimana B = 0 pada saat H = HC .

Penurunan H lebih lanjut akan menghasilkan B negatif hingga titik E.

Kenaikan H pada langkah berikutnya akan mengikuti garis E-F. Di titik F meskipun

tidak ada H, di dalam bahan ditemukan B negatif cukup besar. Kenaikan H

selanjutnya akan menghasilkan loop B-C-D-E-F-G-B.

Gambar 6.21. Tipikal loop histerisis

Bahan magnetik yang mempunyai luas loop yang besar menunjukkan adanya

losses yang besar pada proses magnetisasi-demagnetisasi.



127

Pemberian H yang berubah-ubah dapat terjadi misalnya dengan pemberian

medan yang berubah terhadap waktu (AC). Keberadaaan loop histerisis akan

menimbulkan rugi-rugi. Rugi-rugi ini terkait dengan luas loop.

Dari teori elektromagnetik, dalam suatu material magetik dengan medan

magnet maka kerapatan energi adalah dEvol = H dB sehingga total energi atau

kerja yang terlibat dalam magetisasi suatu material magnetik dari medan awal B1

ke medan akhir B2 adalah

∫=2

1

B

Bvol HdBE (6-19)

Anggap mula-mula berada pada titik P dan dimagnetisasi ke titik Q seperti

pada gambar berikut.

Gambar 6.22. Ilustrasi energi magnetisasi dan demagnetisasi

Proses magnetisasi dari P ke Q memasukkan energi ke dalam material

sebesar sebanding dengan luas PQRS. Pada proses demagnetisasi dari Q ke S

dimana B sama dengan ketika luas QRS. Energi ini lebih kecil dari energi

magnetisasi PQRS. Perbedaan energi adalah sebanding dengan luas di antara

kurva magnetisasi dan demagnetisasi. Energi inilah yang merepresentasikan rugi-

rugi energi histerisis. Untuk loop penuh (satu siklus magnetisasi ) maka losses



128

sebanding dengan luas loop histerisis tersebut, makin luas loop histerisis makin

besar losses.

Energi yang didisipasikan per unit volume sebagai losses histeris tergantung

dari material magnetik dan medan magetik. Berarti tergantung dari tingkat

pembebanan medan dalam material tersebut. makin besar beban medan magnet

makin besar pula losses histeris.

Untuk material yang dipergunakan sebagai inti transformator misalnya losses

histerisis dinyatakan secara empirik sebagai

nmn KfBP = (6.20)

dimana K adalah konstanta material (berharga sekitar 150), f adalah frekuensi

medan dan Bm adalah medan magnet maksimum, n adalah konstanta yang

besarnya 1,6. Dengan demikian losses histeris dapat diturunkan dengan

menurunkan frekuensi operasi medan yang dipergunakan.

Oleh karena itu aplikasi bahan magnetik (misalnya untuk inti transformator)

biasanya dipilih untuk bahan dengan loop sekecil mungkin.

6.9. TEMPERATUR CURIE

Pada suhu rendah semua bahan ferromagnetik hampir mengalami saturasi.

Bila temperatur dinaikkan vibrasi termal atom meningkat. Momen magnetik atom

relatif lebih bebas bergerak. Untuk bahan ferromagnetik, ferrimagnetik dan

antiferromagnetik, pergerakan termal berinteraksi dengan momen dipol atom di

sekelilingnya. Hal ini akan menyebabkan tingkat saturasi magnetisasi menurun

dan jika temperatur dinaikkan lebih lanjut maka bahan akan mengalami kehilangan

sifat magnetikya. Temperatur ini disebut dengan temperatur Curie yang berbeda-

beda untuk tiap-tiap bahan magnetik.



129

Temperatur

Paramagnetik

Ferromagnetik

TC

Mag

netis

asi s

atur

asi M

sat

Gambar 6.23. Hubungan saturasi magnetik dan temperatur

Harga temperatur Curie untuk beberapa bahan adalah:

Tabel 6.1

Temperatur Curie beberapa Material

Dengan cara alloy dari beberapa bahan ferromagnetik atau dengan

menambahkan sedikit bahan non magnetik dapat diperoleh bahan dengan

temperatur Curie yang berbeda. Kristal BaTiO3 merupakan contoh kristal yang

menunjukkan sifat ferroelektrik seperti ditunjukkan pada Tabel 6.3.

Material Temperatur Curie (OC )

Fe 770

Co 1123

Gd 21

Ni 358



130

Tabel 6.2

Temperatur Curie beberapa material kristal

Material Temperatur Curie (0 C )

BaTiO3 130

PbZrO3 233

PbNb2O6 570

Sifat ferroelektrik adalah sifat material dimana bila medan listrik diberikan

maka terjadi polarisasi di dalamnya. Bila medan diberikan maka masih tersisa

polarisasi dalam material. Dengan demikian akan muncul polarisasi permanen.

Gambar 6.24. Kurva ferroelektrik

Sifat ferroelektrik akan tetap diperlihatkan untuk temperatur di bawah harga

tertentu yang dikenal dengan temperatur Curie. Di atas temperatur Curie sifat

ferroelektrik hilang.

Pengetahuan tentang temperatur Curie sangat penting dalam aplikasi seperti

motor, generator, transformator, rele dan magnet permanen. Temperatur Curie



131

harus lebih tinggi dari temperatur tertinggi yang mungkin terjadi pada operasi

peralatan. Bila tidak maka sifat magnetik akan hilang dan peralatan tidak berfungsi.

Gambar 6.25. Hubungan permeabilitas dan temperatur

Pada sisi lain splikasi alloy nikel dan besi untuk tabung sinar katoda atau

rangka kompas harus mempunyai temperatur Curie yang lebih rendah dari suhu

terendah operasi alat agar dalam pemakaian bahan berada pada kondisi non

magnetik. Pengaruh temperatur juga dapat diamati pada permeabilitas bahan akan

naik dengan kenaikan temperatur kemudian menurun tajam pada temperatur Curie

seperti terlihat pada Gambar 6.25.

6.10. TEORI DOMAIN

Teori domain magnetik diperkenalkan oleh P. Wiss menyatakan bahwa bahan

ferromagnetik disusun oleh sejumlah daerah sub mikron yang disebut dengan

domain. Setiap domain terdiri dari momen-momen magnetik yang pararel. Arah

momen magnetik masing-masing domain tidak selalu sama. Pada saat tanpa

medan luar maka tiap domain mempunyai orientasi sendiri-sendiri sehingga energi

yang diperlukan paling rendah dan tergantung dari struktur kristal. Resultan dari

TC Temperatur

Per

mea

bilit

as



132

berbagai arah dipol pada keseluruhan domain mungkin nol karena saling

menghilangkan.

Gambar 6.26. Domain dalam bahan magnetik

Ketika medan magnet luar diberikan kepada material ferromagnetik maka

domain magnetik yang semula momennya berarah pada domainnya sendiri akan

mengarah mengikuti medan luar.

Gambar 6.27. Perkembangan pergerakan domain

Reversible boundary motion

Gerakan dinding tak reversibel

Rotasi M Saturasi M



133

Ada dua pergerakan domain yaitu pergerakan dinding domain dan rotasi

domain. perkembangan domain dimulai dengan pergerakan dinding domain

karena diperlukan energi yang lebih kecil. Pada kondisi medan rendah maka

pergerakan dinding terjadi.

Gambar 6.28. Pergerakan domain magnetik.

Bila medan dinaikkan lebih lanjut maka rotasi domain terjadi. Rotasi domain

memerlukan energi lebih tinggi dari pergeseran dinding domain hal ini ditandai

dengan kemiringan kurva yang mengecil pada daerah saturasi pada saat terjadi

rotasi domain. Ketika medan dilepaskan maka bahan akan tetap termagnetisasi

meskipun berkurang akibat sebagian domain berorientasi menuju arah semula.

Contoh pergerakan domain diperlihatkan pada Gambar 6.27.

6.11. BAHAN MAGNETIK LUNAK DAN KERAS

6.11.1 Bahan Magnetik Lunak

Bahan magnetik lunak adalah bahan magnetik yang mudah dimagnetisasi

dan didemagnetisasi. Lawannya adalah bahan magnetik keras yaitu bahan yang

sulit dimagnetisasi dan sulit pada didemagnetisasi. Pada awalnya kata lunak



134

memang menunjukkan sifat fisik bahan yang memang lunak namun dalam

perkembangannya tidak selalu demikian.

Contoh bahan magnetik lunak adalah Fe + 3-4% Si yang banyak dipakai

pada inti transformator, motor atau generator dimana mempunyai loop histerisis

yang sempit dengan gaya koersif untuk demagnetisasi yang rendah.

(a) (b)

Gambar 6.29. Loop histerisis magnetik (a) lunak, (b) keras

Pada pihak lain bahan magnetik keras mempunyai loop histerisis yang luas

dangan gaya koersif yang cukup besar.

Karakteristik bahan magnetik lunak dapat dilihat dari loop histerisis yaitu

langsing dan kurus . Hal ini berarti permeabilitas bahan besar serta mudah untuk

dimagnetisasi. Sifat lain yang penting adalah tinggkat saturasi yang tinggi. Contoh

bahan magnetik lunak adalah besi-Si Alloy

Bahan yang paling banyak untuk magnetik lunak adalah Fe-Si Alloy.

Penambahan Si ke dalam Fe secara umum menurunkan rugi-rugi magnetik.

a. Si menaikkan tahahan jenis sehingga mengurangi rugi-rugi eddy curent.

b. Si menurunkan energi magnetoanistrophy besi sehingga menaikkan

permeabilitas dan menurunkan rugi-rugi histerisis

Kerugian penambahan Si ke dalam Fe adalah penurunan tingkat saturasi dan

temperatur Curie.



135

6.11.2 Bahan Magnetik Keras Yaitu bahan magnetik yang sulit dimagnetisasi dan didemagnetisasi. Ditandai

dengan:

− Gaya koersif (demagnetisasi ) tinggi

− Induksi magnetik sisa tinggi

Bahan magnetik keras sulit di demagnetisasi sekali di magnetisasi. Contoh:

Alnico alloy dan Alloy tanah jarang.

Gambar 6.30. Kurva demagnetisasi bahan magnet keras

1. Sm (Co,Cu)7.4 2. SmCo5 3. Bonded SmCo5

4. Alnico 5. Mn-Al-C 6. Alnico 8

7. Cr-Co-Fe 8. Ferrite 9. Bonded ferrite

Beberapa material magnetik lunak dan keras dengan aplikasinya dapat dilihat

masing-masing pada Tabel 6.3 dan Tabel 6.4.



136

Tabel 6.3. Beberapa material magnetik lunak dengan aplikasinya

Material μ0 He Bsat Br magnetik (T) (T) (T) μri μrmax Wh Aplikasi

Ideal 0 besar 0 besar besar 0 inti tranformator,induktor, mesin listrik, inti

elektromagnetik, tele dan head magnetik

Iron (commercial <10-4 2.2 <0.1 150 104 250 Arus eddy dan jarang grade, 0.2% dipakai untuk mesin listrik impurities) Silicon iron <10-4 2.0 0.5-1 103 104- 4 × 105 30-100 Resistivitas tinggi sehingga (Fe:2-4 % Si) rugi-rugi arus eddy kecil.Banyak untuk mesin listrik seperti transformator Supermalloy 2 × 10-7 0.7− 0.8 <0.1 105 106 <0.5 permeabilitas tinggi, rugi- (79Ni-15 Fe-5-5 rugi rendah. Banyak dipakai Mo-0.5Mn untuk transformator khusus, amplifier magnetik 78 Permalloy 5 × 10-6 0.87 <0.1 8 × 103 105 <0.1 Transformator audio, (78.5% Ni - 21.5% recording heads, filter. Fe) Glassy metals, 2 × 10-6 1.6 <10-6 - 105 20 Inti tranformator rugi-rugi (Fe-Si-B rendah Ferrites, 10 0.4 <0.01 2 × 103 5 × 103 <0.01 Aplikasi frekuensi tinggi Mn-Zn ferrite



137

Tabel 6.4. Material magetik keras dan aplikasinya

μ0 He Br (BH)max Material Magnetik (T) (T) (kJ m-3) Aplikasinya

Ideal Large Large Large Magnet permanen untuk banyak aplikasi

Alnico (Fe-AI-Ni-Co-Cu) 0.19 0.9 50 Magnet permanen untuk berbagai aplikasi Alnico (Columnar) 0.075 1.35 60

Strongtium ferrite 0.3–0.5 0.36–0.43 24–34 Motor stater, loudspeaker , penerima telepon, receivers, mainan.

Sm2 Co17 (sintered) 0.62–1.1 1.1 150–240 Servo motors, stepper motors, coupling, rem, audio, headphone.

NdFeB magnets 0.9–1.0 1.0–1.2 200–275 walkman, CD motors, komputer aplications. γ-Fe2O3 0.03 0.02 - Pita Audio dan video, floopy disks



Energi potensial magnetik dari bahan magnetik keras diukur dengan

perkalian antara B dan H. Satuan perkalian B-H adalah J per meter kubik.

Gambar 6.31. Diagram perkalian B-H

6.12. RUGI–RUGI MAGNETIK

Rugi-rugi magnetik dibagi atas rugi-rugi histerisis dan rugi-rugi eddy

current.

6.12.1. Rugi-rugi histerisis

Timbul akibat disipasi energi untuk mendorong dinding domain ke depan

dan ke belakang selama magnetisasi dan demagnetisasi. Kehadiran impuriti dan

ketidaksempurnaan kristal menyebabkan hambatan pergerakan didinding domain

sehingga menaikkan rugi-rugi histeristis. Luas loop histeristis merupakan ukuran

rugi-rugi histeristis. Rugi-rugi histeristis berbanding lurus dangan frekuensi karena

satu loop histeristis terkait dengan satu siklus medan magnetik atau tegangan.

Secara empirik rugi-rugi histeristis dapat dinyatakan sebagai

nmh KfBP = (6.21)

BH (BH)max 0

B

− Hc − H

Br



Dari persamaan ini terlihat besarnya rugi-rugi histeristis berbanding lurus dengan

frekuensi (f).

6.12.2. Rugi-rugi Eddy Curret Fluktuasi medan magnetik dalam suatu material magnetik oleh tegangan

AC akan menghasilkan tegangan induksi sesuai dengan persamaan Maxwell

∫ ∫ ∂∂

−==l S

i .dStBE.dlv (6.22)

atau dalam domain frekuensi dapat dituliskan sebagai

∫−=S

i B.dSjωv (6.23)

Karena tegangan induksi berada di dalam material maka akibat resiatansi

material muncullah arus. Arus ini disebut dengan arus Eddy. Besar arus eddy

sebanding dengan tegangan induksi dan dipengaruhi oleh beberapa faktor

diantaranya: (a) frekuensi (b) besar medan magnetik yang diberikan (c) luas

penampang dimana arus membentuk loop.

Gambar 6.32. Ilustrasi arus eddy dalam material magnetik

loop arus eddy

Fluks induksi

Fluks magnetik berubah terhadap waktu



Akibat arus eddy ini timbulah pemanasan Joule di dalam bahan dan

kerugian energi ini disebut dengan rugi-rugi eddy current. Rugi-rugi eddy current

dapat dikurangi dengan beberapa cara diantaranya:

(a) menggunakan laminasi atau lembaran-lembaran yang satu dengan lainnya

terisolasi secara listrik. Loop yang kecil akan membuat fluksi magnetik yang

terlingkupi juga kecil sehingga perubahan fluksi juga kecil. Tegangan induksi

menjadi kecil dan dengan demikian arus induksipun mengecil. Hal ini

dilakukan misalnya pada iti transformator.

(b) menurunkan frekuensi. Arus eddy berbanding lurus dengan tegangan induksi

sedangkan tegangan induksi sebanding dengan frekuensi. Dengan demikian

arus eddy sebanding dengan frekuensi. Rugi-rugi akibat arus eddy dalam

bentuk pemanasan Joule sebanding dengan kuadrat arus eddy sehingga

berbanding lurus dengan kuadrat frekuensi (f) dari medan magnet yang

diberikan.

(c) menurunkan kuat medan magnetik. Arus eddy sebanding dengan kuat medan

magnetik maksimum. Oleh karena itu rugi-rugi arus eddy sebanding dengan

kuadrat medan magnetik maksimum (Bm). Sebagai contoh untuk

transformator, penurunan tegangan kerja akan menurunkan kuat medan

magnetik dan hal ini menurunkan rugi-rugi secara kadratik.

(d) menaikkan resistansi material. Hal ini dilakukan dengan menggunakan

material magnetik dengan konduktivitas rendah seperti ferrite Mn-Zn atau Ni-

Zn.

Secara empirik rugi-rugi arus eddy dinyatakan sebagai

Pe = Ke Kf f 2 2mB (6.24)

Kf : faktor bentuk gelombang

Ke : faktor rugi-rugi arus eddy (tergantung dari dimensi dan jenis material)

f : frekuensi

Bm: kuat medan magnetik maksimum



Bila suatu material magnetik diberi medan magnetik yang berubah terhadap

waktu maka rugi-rugi histerisis dan rugi-rugi arus eddy timbul secara bersama-

sama. Untuk mengetahui kontribusi masing-masing rugi-rugi biasanya dilakukan

dengan pemberian medan magnetik dengan frekuensi yang diubah-ubah. Bila hal

ini dilakukan maka rugi-rugi total (sering disebut dengan rugi-rugi inti) dapat

dituliskan sebagai:

Rugi-rugi inti = rugi-rugi histerisis + rugi-rugi eddy current

Pi = A f + B f2 (6.25)

atau

Pi /f = A + Bf (6.26)

Bila data-data diplot maka akan diperoleh gambar sebagai berikut:

Gambar 6.33. Hubungan antara rugi-rugi dan frekuensi

Dari gambar ini dapat ditentukan konstanta-konstanta yang terkait dengan

material magnetik yaitu dari A = kl2 Bm1,6 dari titik potong (intercept) sedangkan B

= Ke Kf Bm2 dari kemiringan (slope).

θ

A

Pi /f

f



6.13. SOAL-SOAL LATIHAN

1. Tuliskan satuan M, H, B dalam SI

2. Jelaskan hubungan antara M,H,B

3. Jelaskan permeabilitas magnetik dan permeabilitas relatif

4. Jelaskan dan berikan contoh : ferromagnetik, ferrimagnetik , paramagnetik

dan antiferromagnetik

5. Mengapa Fe, Co, dan Ni ferromagnetik

6. Jelaskan teori domain magnetik

7. Apa itu temperatur Curie

8. Jelaskan kurva magnetisasi dan kurva histerisis

9. Jelaskan Jenis-jenis rugi-rugi magnetik dan mengapa timbul dan

begaimana cara menguranginya ?

10. Bagaimana pengaruh frekuensi terhadap rugi-rugi magnetik. Jelakan

dengan rumus-rumus yang mendukung.

11. Apa yang disebut dengan bahan magnetik lunak dan keras berikan

contohnya serta contoh penggunaannya. Apakah keuntungan dan kerugian

material magnetik lunak dibandingkan material magnetik keras ?

12. Mengapa bahan magnetik dengan hambatan jenis tinggi diperlukan untuk

inti transformator frekuensi tinggi ?

13. Gambarkan kurva B-H magnetik. Tunjukkan induksi saturasi, induksi

remanen dan gaya koersif.

14. Apa yang terjadi dengan domain magnetik ketika berlangsung magnetisasi

dan demagnetisasi ?

15. Mengapa penambahan silikon sekitar 3% ke dalam besi dapat menurunkan

rugi-rugi inti transformator.

16. Mengapa inti transformator dalam prakteknya digunakan lempengan-

lempengan yang terisolasi satu sama lain ?

BAB VII SUPERKONDUKTOR


BAB VII

SUPER KONDUKTOR

Fenomena superkonduktivitas pertama kali diperkenalkan pada tahun 1911,

dan ini menarik perhatian para ilmuwan pada umumnya dan para ahli di bidang

tenaga listrik serta fisika khususnya. Sebagian mencoba untuk lebih jauh

memanfaatkannya dan sebagian lagi terus meneliti sebab-sebab terjadinya

keajaiban fenomena tersebut. Penggunaan prinsip superkonduktivitas sudah

sangat meluas walaupun belum seluruhnya dapat dinikmati oleh masyarakat

umum, dalam arti masih berskala laboratorium.

Beberapa di antaranya adalah penyaluran daya listrik (dengan kabel

kriogenik), generator superkonduktor, bubble-chamber, accelerator, antena dan

sistem suspensi magnetik (magnetic levitation) untuk kereta api supercepat.

7.1. PENGERTIAN UMUM

Superkonduktivitas adalah suatu sifat yang dimiliki oleh bahan

konduktor/penghantar yang dapat menghantarkan arus listrik dengan nilai

kerapatan arus yang sangat besar per satuan luasnya (contohnya; bahan NB3Sn

kerapatan arusnya 105 A/cm2 ), serta dengan harga resistivitas yang mendekati

nol. Hal ini menjanjikan terlaksananya penyaluran daya listrik dalam jumlah yang

sangat besar melalui penghantar berpenampang sangat kecil, sehingga dapat

mengurangi biaya, terutama biaya rugi-rugi energi.

Fenomena superkonduktivitas ini sebenarnya telah diketahui sejak

dikenalnya hubungan ketergantungan resistivitas suatu bahan terhadap

temperatur, tetapi ini hanya dianggap secara teoritis saja, karena tidak dapat

dibayangkan untuk mencapai temperatur sekitar 270 oC di bawah titik beku air.



Pada tahun 1911 Heike Kammerlingh Onnes, seorang ilmuwan Belanda

menyatakan keberhasilan percobaannya untuk mendapatkan sifat

superkonduktivitas pada logam merkuri yang direndam dalam helium cair (± 4oK),

kenyataan ini menjadi pemicu untuk kegiatan penelitian selanjutnya.

Satu lagi sifat logam superkonduktor ditemukan pada tahun 1933 yang

kemudian dikenal dengan sebutan Meissner Effect (nama penemunya) yang

berhubungan dengan kecenderungan logam superkonduktor untuk mendorong

keluar medan magnet yang ada padanya.

Sifat ini telah dimanfaatkan pada sistem suspensi magnetik seperti yang

dipakai pada kereta api supercepat. Perkembangan yang cukup menggembirakan

adalah dengan ditemukannya bahan campuran niobium – timah pada tahun 1950

yang memungkinkan superkonduktivitas pada temperatur yang relatif lebih tinggi,

yaitu sekitar 20oK , sehingga cairan kriogenik (kriogen) yang dibutuhkan menjadi

lebih murah.

7.2. TERJADINYA KEADAAN SUPERKONDUKTIVITAS Keadaan superkonduktivitas bisa dicapai dengan mendinginkan suatu bahan

logam tertentu sampai temperatur mendekati nol mutlak, atau temperatur kritisnya

(Tc).

Beberapa teori mengenai konduktivitas suatu bahan logam, semuanya

menunjukkan keseragaman perilaku konduktivitas terhadap temperatur yaitu

resistivitas suatu bahan logam akan naik bila temperatunya naik. Tetapi tidak ada

satupun dari model teori di atas yang dapat menjelaskan terjadinya fenomena

superkonduktivitas.

Teori terbaru yang dikemukakan oleh tiga ilmuwan dari University of Illinois,

yaitu Bardeen, Cooper, dan Schieffer yang kemudian dikenal dengan BSC Theory.

Teori ini menyatakan bahwa di bawah temperatur kritisnya (Tc), Elektron-elektron

konduksi pembawa muatan akan mencapai suatu tingkatan keadaan baru dan



membentuk pasangan elektron yang disebut Cooper Pairs. Pasangan inilah yang

kemudian bertindak sebagai pembawa muatan yang tidak dapat dihamburkan oleh

ketidaksempurnaan kisi kristal (energi yang tersedia tidak cukup untuk

memecahkan pasangan dan menghamburkannya) sehingga resistansi menjadi

kecil sekali (pada keadaan normal penghamburan elektron konduksi dalam arah

yang tidak tentu dipandang sebagai penyebab terjadinya resistansi bahan). Begitu

temperatur dinaikkan kembali melampaui Tc, maka energi yang bertambah sejalan

dengan naiknya temperatur akan memecahkan pasangan elektron tadi sehingga

otomatis kembali pada keadaan normalnya.

Secara komparatif perilaku elektron pada keadaan normal dan

superkonduktiv dinyatakan dengan dalam tabel 10.1. Fenomena terjadinya

keadaan superkonduktif tersebut terhadap temperatur dapat dilihat pada gambar

10.1 . Temperatur transisi Tc untuk bahan superkonduktif yang terbuat dari bahan

logam murni adalah sekitar 0,01o - 9,15 oK, sedangkan untuk bahan campuran, Tc

dari keadaan transisi superkonduktif adalah tergantung pada keadaan materialnya.

Tabel 7.1. Perbandingan Perilaku Elaktron dalam Keadaan Normal dan Superkonduktif

Normal Superkonduktif

− Pembawa muatan elektron

bebas.

− Diameter elektronnya 10-15.

− Jarak atom kisi kristal 10-10.

− Panjang gelombang < jarak kisi

− Elektron konduksi dihamburkan

dalam arah tak menentu,

akibatnya timbul resistansi

elektris.

− Pasangan elektron “Cooper

Pairs”

− Diameter CP~10-7.

− Jarak atom kisi kristal > 10-10.

− Panjang gelombang > jarak kisi.

− Tidak terjadi hamburan (energi

yang tersedia tidak mencukupi),

akibatnya resistansi elektron

menjadi nol.



Gambar 7.1. Perubahan resistivitas terhadap temperatur 7.3. KARAKTERISTIK DAN JENISNYA Sifat superkonduktivitas suatu bahan akan lenyap bila temperaturnya

melebihi Tc . Tapi pada percobaan pembuatan koil (coil) superkonduktif di mana

temperaturnya selalu dijaga tetap di bawah temperatur kritisnya, ternyata koil

kehilangan sifat konduktivitasnya pada saat arusnya mencapai harga tertentu. Ini

menunjukkan bahwa bahan superkonduktor juga mempunyai batas hantar arus

maksimum, yang membatasi percobaan di atas adalah medan magnet yang

bekerja pada bahan tersebut (H). Arus yang melalui bahan akan membangkitkan

medan magnet tertentu (kritis) Hc bahan akan kehilangan sifat

superkonduktivitasnya. Hal tersebut dapat diterangkan bahwa setelah melebihi Hc

maka energi interaksi antara elektron superkonduktif dengan medan magnet akan

cukup besar untuk dapat memecahkan ikatan yang terjadi pada pasangan elektron

Cooper Pairs. Nilai Hc tergantung pada temperatur bahan dan membentuk suatu

hubungan saliang ketergantungan yang berbentuk fungsi parabolik dengan Tc ,

yang ditunjukkan persamaan :

TemperaturTc0

Logam Biasa (contoh: Perak)

Superkonduktor (contoh: Timbal)

ρ sisa

Res

istiv

itas



Hc = Ho ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

2

1TcT (7.1)

Sedangkan B=H, bila u dianggap konstan, maka H dapat digantikan dengan B

(rapat fluksi), sehingga bentuk persamaan menjadi :

Bc = Bo ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

2

1TcT (7.2)

di mana Ho = medan magnet kritis pada T = 0oK Bo = rapat fluksi kritis pada T = 0oK Tc = temperatur kritis pada B =0 (temperatur tertinggi yang

diizinkan)

Kenyataan yang menarik adalah bahwa tidak semua jenis logam dapat

menunjukkan sifat superkonduktivitasnya. Platina dan perak yang pada kondisi

normalnya merupakan konduktor terbaik (resistivitasnya kecil) ternyata tidak bisa

dijadikan superkonduktor. Beberapa jenis logam yang mula-mula diketahui dapat

dijadikan superkonduktor atau yang disebut soft type superconductor atau

superkonduktor jenis I adalah seperti yang dapat dilihat pada Tabel 7.2, di bawah

ini:

Tabel 7.2. Parameter Tc dan Bo dari superkonduktor Jenis-I

Bahan Tc (oK) Bo (T) Aluminium (Al) 1,2 0,010 Mercury (Hg) 4,2 0,041 Tantalum (Ta) 4,5 0,083 Timbal (Pb) 7,2 0,080 Niobium (Nb) 9,4 0,195 Pada saat awal superkonduktor jenis-I yang dikenal, tetapi usaha untuk

mengaplikasikannya untuk keperluan praktis selalu berakhir dengan kegagalan, hal

ini karena karakteristik Tc dan Bo yang sangat rendah.



Pada tahun 1950 ditemukan bahan superkonduktor jenis baru yang dikenal

sebagai hard type superconductor atau disebut juga superkonduktor jenis-II, yang

semuanya merupakan komposit/campuran/perpaduan dari dua jenis logam atau

lebih. Tabel 7.3, memeperlihatkan parameter Tc dan Bo dari superkonduktor jenis-

II.

Tabel 7.3. Parameter Tc dan Bo Superkonduktor Jenis-II Bahan Tc (oK) Bo (T) Niobium + Titanium (Nb0,44 Ti0,56 ) 8,7 1,2 Niobium + Zirconium (Nb0,50 Zr0,50) 9,5 11 Vanadium + Gallide (V3Ga) 14 50 Niobium + Gallide (Nb3Ga) 15 7 Niobium + Timah (Nb3Sn) 18 22

Pada Tabel 7.3, superkonduktor jenis-II mempunyai nilai Tc dan Bo yang

tinggi sehingga memberikan kemudahan untuk mengaplikasikannya pada

peralatan yang memerlukan medan magnet/listrik yang kuat serta kepraktisan

lainnya.

Karakteristik bahan superkonduktor yang paling penting ditemukan pada

tahun 1933 oleh dua ilmuwan jerman, V.Meissner dan R. Ochsenfeld. Mereka

menjelaskan bahwa bahan superkonduktor akan kehilangan sifat magnetisnya

pada saat didinginkan di bawah temperatur kritisnya dan menjadi bahan

diagmagnetik ideal, atau dengan kata lain permeabilitasnya mengecil drastis

mendekati nol. Medan magnet terdorong ke luar dan membentuk tirai di

permukaan konduktor (seperti efek kulit), dan medan magnet di bagian dalam

menjadi kecil sekali seperti yang ditunjukkan dalam persamaan di bawah ini.

Hx = Ho exp ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

λX

(7.3)

di mana: Ho = medan magnet di permukaan x = jarak dari permukaan λ = kedalaman dari penetrasi (10-100 mm)



Kenyataan ini dimanfaatkan oleh Arkadyev (1953) seorang ilmuwan rusia

dalam percobaannya suspensi magnetic seperti pada gambar 7.2. Sebuah batang

magnet yang diletakkan di atas suatu bahan superkonduktor yang selalu dijaga

temperaturnya ternyata terangkat ke atas dan terus mengambang atau melayang

dalam keadan seimbang. Fenomena inilah yang kemudian menjadi dasar

perancangan kereta api supercepat(Maglev) yang melaju atau melayang di atas

bantalan rel magnet tanpa friksi/gesekan.

Gambar 7.2. Percobaan ”suspensi magnetik” dari Arkadyev

Bahan superkonduktor selalu dibuat dalam bentuk komposit, baik dalam

bentuk pita maupun kawat kumparan; bahan superkonduktor sering dilapisi

dengan bahan lain yang mempunyai konduktivitas termal maupun elektris yang

baik. Bahan pelapis biasanya dibuat dari tembaga dan disebut metriks, hal ini

untuk menambah kekuatan mekanis dan melindungi bahan superkonduktor dari

adanya ketidakstabilan temperatur yang biasa terjadi. Pada umumnya jenis bahan

superkonduktor di atas memerlukan pendinginan sekitar 4o K atau memerlukan

cairan helium sebagai pendingin. Superkonduktor merupakan teknologi yang

sangat mahal, disamping itu untuk mendapatkan helium cair juga tidak mudah dan

harganyapun mahal serta untuk mempertahankan kestabilan temperatur yang

sangat rendah bukan hal yang mudah.

MAGNET

super konduktor



Bahan Superkonduktor yang mempunyai temperatur transisi cukup tinggi

dan banyak digunakan adalah niobium-timah (Nb3Sn) yang ditemukan oleh Berndt

T.Matthias (Amerika Serikat) pada tahun 1954 yang juga menemukan campuran

bahan Nb0,79 (Ge0,25)0,21 yang mempunyai temperatur transisi kritis mendekati titik

cair hidrogen dan rapat fluksi kritis di atas 40 T, kemudian juga niobium-

germanide Nb3Ge dengan Tco sebesar 23,2oK.

7.4. APLIKASI SUPERKONDUKTOR DALAM BIDANG TENAGA LISTRIK

Dalam bidang tenaga listrik superkonduktor dapat dimanfaatkan untuk

keperluan dalam bidang pembangkitan tenaga listrik dan penghantaran daya listrik

yang besar, antara lain:

7.4.1. Generator Superkonduktor

Kapasitas daya dari mesin listrik adalah fungsi dari tegangan, arus dan beda

fasa antara keduanya. Besar tegangan ditentukan oleh laju pemotongan fluksi

terhadap konduktor, sedangkan arus dibatasi oleh disipasi ohmic pada belitan-

belitannya (lilitan). Superkonduktor memungkinkan pertambahan nilai bagi

keduanya, nilai rapat fluksi maupun kemampuan menghantarkan arus dengan

rugi-rugi ohmic yang sangat kecil. Dengan demikian diharapkan generator

superkonduktor mempunyai dimensi yang lebih kecil, lebih ringan dan efisien.

Pada prinsipnya generator ini bekerja seperti generator sinkron pada

umumnya, lilitan medan pada rotor menghasilkan fluksi magnet yang memotong

lilitan jangkar pada stator.

Perputaran lilitan medan akan menyebabkan perubahan fluksi terhadap

waktu pada jangkar yang akan membangkitkan tegangan. Pada generator ini lilitan

medan dibuat superkonduktif dengan mengalirkan helium cair untuk menurunkan



temperatur bahan superkonduktor pada lilitan tersebut, sedangkan lilitan jangkar

tetap dibuat pada temperatur kamar.

Massachustts Institute of technology (MIT), Cambridge, telah membuat

prototipe generator superkonduktif pada tahun 1969.

General Electric USA, juga telah membuat generator dengan kapasitas 20

MVA, sedangkan Westinghouse, Pittsburg bekerjasama dengan EPRI (Electric

Power Reseach Institute), California telah membuat sebuah prototipe generator

superkonduktif sebesar 300 MVA.

Pada bulan September 1982 dalam pertemuan ahli-ahli teknologi

superkonduktivitas di Paris menyatakan bahwa pembuatan generator

superkonduktor 1000 MVA akan 30% sampai dengan 50% lebih murah, 40% lebih

kecil dan 1% lebih efisien dibandingkan dengan generator konvensional yang

setara.

7.4.2. Transformator Superkonduktor

Transformator superkonduktor ini lebih kompak dan tidak ada bagian yang

bergerak (berputar), sehingga sistem pendinginnya maupun sistem isolasi

termalnya menjadi lebih mudah. Akan tetapi mempunyai kekurangan yang justru

membuat prospek transformator superkonduktor tidak secerah generatornya.

Pada transformator pemindahan daya listrik dari lilitan primer ke lilitan

sekunder terjadi secara magnetis sehingga rapat fluksi magnetik yang diperlukan

besar sekali, akibatnya;

− Tetap diperlukan inti dari bahan magnetik. Pada saat pendinginan,

kemampuan rapat fluksi bahan inti malah berkurang (bahan cenderung

bersifat diamagnetik), bahan cepat jenuh, rugi-rugi histerisis membesar.

Keadaan ini menyebabkan inti besi harus tetap dijaga pada temperatur

kamar, sehingga desain pendinginan menjadi sulit.



− Penetrasi fluksi kebawah permukaan konduktor mengakibatkan rugi-rugi

arus Eddy dan arus yang tidak merata.

7.4.3. Kabel Superkonduktor

Salah satu jenis kabel superkonduktor adalah kabel kriogenik. Kabel

kriogenik pada dasarnya adalah bentuk pengembangan kabel bawah tanah (under

ground cable), dengan meningkatkan kapasitas penyaluran daya dengan jalan

memberikan pendinginan. Perbedaannya adalah cairan pendinginnya, bukan air

atau minyak, melainkan cairan kriogenik yang mempunyai kemampuan

pendinginan beratus kali lebih baik sehingga kemampuan hantar arusnya jauh

meningkat. Cairan kriogenik yang digunakan adalah helium (titik didih 4,2oK),

hidrogen (titik didih 20,4 oK) dan nitrogen(titik didih 77,3 oK) dengan temperatur

lingkungan 300 oK membutuhkan isolasi termal yang canggih. Sistem pendinginan

dan sistem isolasi termal merupakan bagian kabel kriogenik yang mempunyai porsi

biaya terbesar dari biaya keseluruhan. Kabel kriogenik mempunyai volume yang

kecil dan dapat menghantarkan arus yang sangat besar serta dengan rugi-rugi

hantaran yang sangat kecil, kabel kriogenik dapat dibagi dalam dua jenis yaitu:

1. Jenis superkonduktif dengan resistivitas mendekati nol, serta digunakannya

bahan –bahan nonkonvensional seperti niobium dan turunannya sebagai

penghantar arus utama.

2. Jenis krio-resistif, kabel yang bersifat resistif walaupun mempunyai nilai

sangat kecil (dalam orde 10-9 ohm-meter), menggunakan bahan-bahan

konvensional seperti tembaga dan aluminium sebagai konduktornya.

BAB VIII MATERIAL POLIMER


BAB VIII

MATERIAL POLIMER 8.1. UMUM Istilah Polimer adalah kata yang tepat untuk kelompok material yang pada

umumnya mengacu kepada plastik. Alasan material-material ini disebut plastik

karena banyak memperlihatkan perubahan bentuk, atau sifat plastik; dengan kata

lain plastik merenggang dan mulur sebelum rusak. Tidak semua Polimer

menunjukkan sifat-sifat keplastikan secara signifikan. Adapun istilah polimer (untuk

material plastik) dan elastomer (material elastik, seperti karet) yang digunakan

adalah untuk membedakan antara material polimerik dengan elastomerik dan

karakter mekanik yang diperlihatkan oleh material-material ini. Istilah resin juga

digunakan sebagai referensi polimer. Secara umum resin adalah material yang

berasal dari alam. Polimer resin adalah komponen utama dari “plastik”.

Kebanyakan polimer adalah material sintetis yang diizinkan penggunannya untuk

peralatan dan diterapkan secara luas, dan saat ini masih terus dikembangkan.

8.2. STRUKTUR POLIMERIK Polimer adalah sekelompok material yang dibentuk oleh rantai molekul yang

dibuat dari satuan yang lebih kecil yang disebut monomer, yang mayoritas

tergabung dengan disengaja. Nama polimer diambil dari bahasa yunani yang

berarti banyak bagian dan kata monomer berkaitan dengan sebuah molekul besar

yang terdiri dari satuan dasar molekul untuk rantai polimer. Kata mer adalah

pengulangan dalam molekul-molekul yang lebih besar, seperti monomer dan

polimer. Kebanyakan polimer adalah material organik (kaki-karbon) yang terdiri



dari molekul-molekul yang disusun dari variasi kombinasi hidrogen, oksigen,

nitrogen, dan karbon. Empat elemen inilah yang biasanya paling banyak ditemukan

dalam polimer organik. Karbon membentuk ikatan utama dari rantai polimer, dan

unsur lainnya mengikat dirinya pada karbon tersebut. Rantai polimer ini terbelit

dan membentuk gulungan tak beraturan, yang memberikan kekuatan tambahan.

Kebanyakan polimer berbasis hidrokarbon, dimana elemen-elemen karbon

dan hidrogen membentuk kombinasi yang dapat diperkirakan berdasarkan

hubungan CnH2n+2 . Bahan petrokimia setengah jadi ini adalah bahan kimia yang

dibuat dari parafin dalam minyak dan gas alami, yang diproses lebih lanjut menjadi

produk polimer. Bahan setengah jadi ini adalah dasar untuk hampir semua karet

dan produk polimer. Bahan ini juga dapat diproduksi dari batu bara. Yang paling

penting dari bahan setengah jadi ini adalah etilen. Semua ini disebut bahan

setengah jadi olefin dan termasuk juga acetilen, butilen, isobutilen, dan butadiena.

Ikatan kovalen tunggal antaratom tidak menyediakan tempat untuk

penambahan atom, maka mereka dalam kondisi jenuh. Molekul jenuh memiliki

ikatan intramolekul yang kuat namun ikatan intermolekulnya lemah. Methan dan

ethane adalah contoh molekul jenuh. Pada saat bentuk karbon dan hidrogen tidak

jenuh, seperti ethylene dan acetylene, molekul akan membentuk 2 atau 3 ikatan

kovalen. Molekul yang jenuh tidak membutuhkan atom hidrogen untuk memenuhi

kulit terluar dari atom karbon. Banyak bentuk molekul dan ikatan ganda yang

berdasarkan senyawa polyunsaturated. Material-material ini umumnya digunakan

untuk minyak goreng dan margarin. Material ini tidak jenuh dan bahan ini sering

menimbulkan asap bila dibakar. Senyawa jenuh tidak akan menimbulkan asap bila

dibakar.

Polimerisasi, atau penggabungan dari unit molekul yang besar dinamakan

monomer, penggunaan valensi mengisi kulit terluar dari atom karbon (karbon

memiliki elektron valensi 4) untuk bergabung dengan unit yang lebih kecil dan

membentuk rantai molekul yang lebih besar. Oksigen, sulfur, silikon, atau nitrogen



bisa digunakan untuk menggantikan atom karbon. Gambar 8.1 memperlihatkan

perbedan antara ethane jenuh dan ethylene tidak jenuh.

(a) (b)

Gambar 8.1. Ethane (a) dan Ethylene (b).

Agar polimerisai terjadi maka 2 kondisi harus terpenuhi. Kondisi pertama

ialah molekul harus mempunyai setidaknya 2 lokasi yang tidak memenuhi ikatan,

dimana akan mudah bergabung dengan molekul lain. Syarat ini artinya harus

memulai dengan molekul yang mempunyai ikatan ganda, seperti karbon. Karena

molekul karbon memiliki ikatan ganda, setiap ikatan memiliki sepasang elektron

bersama. Apabila salah satu ikatan antarkarbon terbuka, ikatan tunggal akan

muncul, meninggalkan kedua elektron lain untuk bergabung dengan atom lain.

Apabila atom karbon lain melewati ikatan ganda yang telah terbuka, keduanya

akan bergabung untuk membentuk rantai. Prosedur ini berlanjut, menghasilkan

rantai polimer, dan dinamakan polimerisasi. Proses akan terus terjadi selama

kondisi kedua bertemu. Kondisi kedua yang diperlukan untuk polimerisasi adalah

bahwa setelah proses polimerisasi, sedikitnya 2 lokasi yang terbuka harus tersedia.

Rantai polimer banyak bentuknya. Bentuk rantainya membentuk urutan yang

mengelilingi setiap satu dengan yang lainnya.

Polimer bisa lebih kuat dengan ikatan silang (cross link). Ikatan ini terjadi

apabila ikatan ganda di antara atom-atom dalam rantai rusak, atau bentuk molekul

yang mempunyai hubungan dengan atom didekatnya. Hubungan ini menghasilkan

CC

CH

CHC

C C

C H

CH

C H

C H

C H

C H C CH

CH

C C CC



kekuatan tambahan pada rantai dan mengurangi kerenggangan yang terjadi

antarmolekul.

Sifat dari polimer juga bergantung pada struktur dan komposisi dari

molekul. Dua molekul dengan komposisi yang sama bisa membentuk 2 konfigurasi

yang berbeda dengan sifat yang berbeda pula, seperti propil (1-propanol) dan

isopropil(2-propanol) alkohol. Variasi ini dinamakan isomer. Gambar 8.2

menunjukkan bagaimana kedua polimer ini berbentuk.

(a) (b)

Gambar 8.2. Propil (a) dan isopropil alkohol (b). Perlu diingat bahwa kedua material ini memiliki komponen yang sama,

disusun secara berbeda. Kedua polimer ini berdasarkan standar sistem penandaan

untuk ikatan organik yang dibuat oleh International Union of Pure and Applied

Chemist (IUPAC) untuk membedakan antarisomer.

8.3. MEKANISME POLIMERISASI

Polimerisasi mengambil tempat melewati penambahan polimerisasi,

kopolimerisasi, atau kondensasi polimerisasi. Pada proses polimerisasi, unit

CH

CHC CH

CH

CH CC COCC CHCC

CH

CH

CH

COC H

C H

C H C C CC CHCC

CH

CH

CH



molekul yang besar, monomer, ditambahkan ke monomer lain untuk membentuk

ranatai yang lebih besar, polimer ini (menunjukkan kebanyak bagian), di mana

memiliki angka dari unit-unit yang diulang, mers. Mers merupakan unit terkecil

pada suatu rantai yang bisa dikenali. Tingkatan dari polimerisasi adalah angka dari

unit yang diulang yang memiliki struktur yang identik dalam rantai yang dibentuk

oleh polimer. Penambahan polimerisasi hanya melibatkan 1 tipe mer. Gambar 8.3

memperlihatkan polimerisasi dengan penambahan.

Gambar 8.3. Polimerisasi Tambahan Pada kopolimerisasi, lebih dari 1 molekul membuat mer. Acrylonitrile-

butadine-stryrene (ABS) adalah contoh dari kopolimer.

Gambar 8.4 memperlihatkan proses kopolimerisasi untuk ABS polimer.

Polimerisasi kondensasi melibatkan reaksi kimia dari 2 atau lebih untuk membentuk

molekul yang baru. Reaksi kimia ini menghasilkan kondensasi atau nonplomerizable,

biasanya air. Katalis sering dibutuhkan untuk memulai dan memelihara reaksi.

Gambar 8.4. Kopolimerisasi

C H

C Cl

C H

C Cl

C C C C

Monomer

CH

CCl

CC

C H

C Cl

CH CC

CO

CH

C C

CH

CH

Mer

C C C

H

H H

C

HH

H C ≡ N

C C

H

H H

C

HH

H

= C C

H H

C

H

Butadine Styrene Styrene

Acrylonitrile

Benzena

+



8.4. SIFAT-SIFAT POLIMER

Sifat termoplastik dan termoset merupakan sifat-sifat polimer. Kedua sifat

inilah yang merupakan pengklarifikasian dari bahan-bahan polimer.

Polimer yang termoplastik biasanya berupa plastik, bersifat kenyal/dapat

diregangkan. Sifat ini dapat berbentuk dengan dipanaskan, didinginkan, dapat

dilelehkan dan berubah menjadi bentuk yang berbeda tanpa mengubah sifat

bahan dari polimer tersebut. Bagaimanapun, panas yang digunakan untuk

melelehkan dan membentuk kembali, termoplastik harus secara hati-hati dikontrol

atau bahan tersebut akan terdekomposisi/terurai. Sifat dari bahan termoplastik

sangat lemah, ikatan sekunder, seperti pada gaya van der waals. Dengan

pemberian panas dan tekanan, ikatan tersebut melemah, dan bahan dapat

berbentuk seperti semula. Pada keadaan panas dan tekanan tertentu, bahan akan

menjadi bentuk yang baru. Bahan polimer termoplastik yang umum adalah acrylic,

nilon(poliamide), selulosa, polisteren, polietilen, flurokarbon, dan vinil.

Polimer yang termoset memiliki ikatan primer yang kuat, dan biasanya

berbentuk dengan kondensasi. Polimer yang termoset selain memiliki ikatan primer

yang tinggi, juga struktur penyusunannya berupa molekul yang besar. Sifat ini

merupakan hasil perubahan kimiawi selama pemrosesan, berupa pemanasan

ataupun adanya pemakaian katalis. Setelah sertifikasi menjadi bentuk yang keras,

polimer termoset tidak dapat direnggangkan dan berubah menjadi bentuk semula,

karena sebagian molekul banyak yang terbuang selama proses pengembalian

bentuk. Jika panasnya dinaikkan kembali, maka polimer termoset akan berubah

menjadi arang, terbakar, dan terurai. Selama proses ini, bahan termoset akan

menjadi kaku, dan tidak larut dalam cairan seperti rantai polimer yang berlilitan

dan saling bersilangan. Contoh polimer yang termoset seperti fenol, asam amino,

poliester, epoxies, asam alkil.

Karena gaya intramolekul pada bahan polimer lebih lemah daripada gaya

intermolekuler, deformasi (pembentukam kembali) bahan ini merupakan hasil



perbedaan dan banyaknya molekul yang disebabkan pemecahan dari ikatannya

tersebut. Jika dipanaskan dan diberi tekanan, rantai polimer berubah dan saling

bertumbukan. Dan ketika panas dan tekanan tersebut kita hentikan, maka akan

berbentuk yang baru.

Secara umum, bahan polimer berupa bahan yang kuat, kaku, keras dan

dapat dilelehkan. Beberapa bahan dapat ditambahkan pada bahan polimer, untuk

meningkatkan beberapa sifat, mengurangi biaya bahan polimer, kemampuan

pembentukan dari bahan tersebut, dan atau mewarnai bahan tersebut. Bahan

aditif ini dapat berupa bahan pengisi, bahan pewarna, dan pelumas.

Dari bahan aditif tersebut dapat dibagi menjadi bahan aditif untuk

menyempurnakan tampilan, dan bahan aditif untuk mempercepat pemrosesan,

tergantung dari kegunaan yang diinginkan.

Sifat bahan polimer juga tergantung dari bahan aditifnya, beberapa bahan

ditambahkan untuk menambahkan kekuatan dari polimer, berbagai macam bahan

pengisi digunakan; di antaranya bahan pewarna, dan bahan pelunak, yang dapat

ditambahkan sebagai pelumas bagian dalam. Polimer termoplastik banyak

digunakan pada kertas film, lembaran kertas, mistar, pipa, dan beberapa bentuk

model cetakan dan bentuk yang terekstrusi. Bentuk dari polimer termoplastik yang

paling umum adalah bulatan pencetak. Polimer termoset tersedia dalam bentuk

bubuk atau cairan. Bahan ini mengandung bahan polimer dasar, bahan pengisi

(filler), bahan pewarna, bahan pelunak, bahan penguat (katalis), yang akan

membuat saling berhubungan dan sebuah ekselerator.

Untuk mendapatkan mers yang tidak jenuh dan memberikan reaksi antara

satu dengan yang lain dan bergabung secara bersamaan, maka digunakan sebuah

zat katalisator (biasanya bahan peroksida). Bahan awalan ini akan meningkatkan

panas, dengan peningkatan panas, akan mempercepat reaksi. Tetapi jika terlalu

panas (dengan menggunakan inisiator) maka bahan tersebut akan bergelembung

dan berbusa, proses ini akan memperkuat perbaikan cairan resin. Secara umum,



metil etil keton peroksida (MEKP) ditambahkan sebagai cairan resin dasar untuk

mengawali proses pengerasan.

Contoh bahan pengisi, seperti: bubuk, kain, serat, dan lain-lain digunakan

untuk mengubah sisi fisik dan mekanik dari polimer. Bahan tersebut digunakan

pada jumlah yang berbeda, tergantung aspek yang diinginkan dan biaya dari

sebuah produk.

Jika bahan pengisi (filler) yang digunakan terlalu banyak, maka polimer

akan menggumpal dan menghasilkan titik terendah dan banyak membuat

kekosongan, jadi akan mengurangi kegunaannya. Kegunaan utama dari filler

adalah mengurangi pergerakan dari rantai polimer, dan jadi meningkatkan

kekuatannya tetapi mengurangi kekenyalan/kelenturannya. Sebagai tambahan,

filler digunakan untuk mengurangi biaya dari produk tersebut. Bahan pengisi

(filler) juga dapat digunakan untuk mengontrol penyusutan produk atau

meningkatkan ketepatan bentuk dari bahan. Tabel 8.1. menampilkan beberapa

dari bahan pengisi (filler) yang banyak dipakai.

Tabel 8.1. Bahan Pengisi (Filler) yang Umum dan Kegunaannya

Serbuk Kayu Filler (bahan pengisi) yang banyak kegunaan, murah, cukup

kuat, dan pembentukannya bagus. Serat Pakaian Kuat, cukup dalam kemampuan bentuk Serat gelas Sangat kuat, sangat stabil, tembus cahaya Mika Sangat bagus untuk bahan listrik, mudah menyerap

kelembapan Bahan pewarna ditambahkan pada polimer biasanya berupa pewarna atau

pigmen. Pewarna yang dihasilkan, sedangkan pigmen akan mengubah warna dari

bahan tersebut. Sebagian bahan pengisi (filler) tidak menghasilkan warna yang

menarik, sehingga kegunaan dari bahan pewarna adalah untuk nilai estetika.



Bahan pelunak, dalam jumlah yang sedikit, ditambahkan untuk

meningkatkan dan mengontrol dari aliran proses bahan. Bahan pelunak dapat

meningkatkan kegunaan dari polimer, dengan mengurangi friksi dan meningkatkan

fleksibilitas dari bahan dengan cara membuat rantai lebih mudah pindah.

Bahan pelunak digunakan juga sebagai pelumas bagian dalam. Bahan ini

secara umum berupa polimer dengan berat molekul yang ringan yang dapat

memisahkan rantai polimer dan mengurangi kekristalan. Bahan pelunak ini

ditambahkan dalam jumlah sedikit, karena akan mengganggu kestabilan dari

produk yang didiamkan dalam waktu yang lama. Pelumas juga dapat ditambahkan

dalam jumlah yang sedikit, untuk meningkatkan bentuk sebuah produk dan

mengurangi adanya jamur pada produk setelah pembentukan. Lilin, asam stearat,

dan sabun banyak dipakai sebagai pelumas. Jumlah dari pelumas ini selalu dalam

jumlah sedikit karena jika terlalu banyak akan mengganggu sifat dari bahan.

Biasanya polimer dalam bentuk amorf, tidak dalam bentuk kristal tetap. Dua

tipe utama dari struktur polimer ini yaitu: amorf, atau isotropik, dan anisatropik.

Isotropik akan sama memberikan sifat dari bahan polimer.

Kristalisasi pada polimer akan membutuhkan stuktur yang teratur, kuat dan

memiliki banyak penggunaan. Deformasi secara mekanik dan penambahan bahan

pengisi (filler) akan dapat meningkatkan kekristalan dari polimer dan

meningkatkan kekuatan dari sebuah polimer.

Derajat kekristalan berupa persentase dari sebuah bahan yang dapat

dikristalkan dibandingkan dengan keadaan penuh dari kondisi crystalline.

Secara umum, polimer berupa bahan yang ringan, isolasi listrik yang baik,

isolasi panas yang bagus, dan memiliki ketahanan terhadap korosi. Menyediakan

resistansi abrasi, dan memiliki resistansi terhadap serangan kimiawi. Bahan ini

dapat dibuat melalui berbagai proses, dan akan menghasilkan produk yang

menarik dan tersedia dalam berbagai warna. Selain itu, tanpa penyokong, namun



kekurangan utamanya adalah kurang kuat dibandingkan dengan bahan

manufaktur yang lain yaitu logam dan komposit.

Banyak polimer yang stabilitasnya sangat kurang karena tingkat

kekenyalannya tinggi dan tidak kaku. Kekenyalan merupakan keadaan di mana

sebuah bahan plastik dapat tertarik ketika usaha tarikan dalam waktu yang cukup

lama.

Polimer juga dipakai pada pabrik bahan ringan, yaitu yang membutuhkan

kekuatan rendah hingga menengah; isolasi terhadap listrik; isolasi terhadap panas;

busa lentur dipakai untuk pengemasan dan filler; adhesif atau bahan pengikat,

atau mengurangi bahan yang mahal seperti pelindung mobil, pintu, jendela, dan

lain-lain.

Polimer juga banyak dipakai dengan penambahan dari penguat, juga

membuat karakteristik, dan dengan penambahan kombinasi dari polimer yang

berbeda akan membuat bahan polimer ini berbeda dengan bahan yang lain.

Beberapa tipe yang umum dari polimer, kopolimer, dan karakteristiknya,

disajikan dalam tabel di bawah ini;

Tabel 8.2. Sifat Umum dari Beberapa Jenis Polimer, Kopolimer*

Jenis Polimer Keterangan

ABS Acrilonitril-butadin-stiren, ringan kuat, ketahanannya sangat bagus.

Acrilic Kualitas optikalnya sangat bagus, nama dagang: Lucit dan Plexiglas, tahan terhadap benturan/kejutan, tahan terhadap bengkokan dari luar dan tarikan dan kuat secara dielektrik.

Selulosa asetat Isolasi yang bagus, mudah terbentuk, menyerap kelembapan yang berlebih, resistansi terhadap bahan kimia kecil.

Selulosa asetat butirat Seperti pada selulosa asetat, tapi dapat tahan pada beberapa kondisi.



Tabel 8.2. Lanjutan

Jenis Polimer Keterangan

Epoxies Ketahanannya bagus, elastis, tahan, terhadap bahan kimia, stabil, banyak digunakan pada pelindung, semen komponen listrik, peralatan.

Etil Selulosa Tahan terhadap arus listrik besar, kekuatan tahan terhadap benturan, tahan pada kondisi dingin, low tear strength.

Flurokarbon Inert tarhadap banyak bahan kimia, tahan terhadap temperatur yang tinggi, koefisien friksi yang kecil (teflon), dipakai pada pelindung yang dilumasi dan nonstic.

Melamin Tahan terhadap panas yang tinggi, air, bahan kimia, dipakai pada meja dan kertas olahan, pakaian.

Fenolik Keras, cukup kuat, murah, dapat terbentuk dengan mudah, tidak tembus cahaya; banyak pilihan dalam bentuk.

Poliamid Tahan terhadap abrasi dan stabilitas yang sangat bagus, dipakai pada bearing materials yang membutuhkan pelumas yang sedikit, bahan benang pancing dan tali tambang (rope).

Polikarbonat Kekuatan dan katahanan yang bagus, banyak dipakai pada gelas pengaman.

pada tutup botol, perkakas yang tahan pecah dan kabel isolasi.

Polipropilen Sangat ringan, lebih kuat dari polietilen. Polistiren Sangat stabil, dapat menyerap kelembapan yang

kecil, dielektrik yang bagus, mudah terbakar, resistansi terhadap beberapa bahan kimia sangat kecil.

Silikon Tahan terhadap panas, dapat menyerap kelembapan yang kecil, sifat dielektrik yang bagus.

Urea formaldehid vinil Seperti pada fenolik, dipakai dalam ruangan tahan terhadap tetesan air, lama dipakai, sangat stabil, tahan terhadap kelembapan yang berlebih, dipakai pada dinding dan lantai, bahan pakaian, selang.

Sumber: Larry Horath, Fundamental of Materials Sciense for Technologies



8.5. RESIN ALAMI Istilah resin banyak digunakan untuk material yang terjadi secara alami

seperti getah dan ekstraksinya. Resin alami banyak digunakan pada cat, pernis,

enamels, sabun, tinta, lem, dan plastik dari material polimer lain. Ini termasuk

shelllac, rosin, dan resin kopal.

Shellac merupakan material termoplastik yang digunakan sebagai bahan

dasar pelarut kimia, seperti pada bahan pelapis dan pencampur. Penggunaan

bahan ini berkurang karena sifatnya yang getas; walaupun begitu, bahan ini tetap

digunakan pada pabrik pembuat ban, di mana faktor elastisitas dibutuhkan. Ini

juga digunakan untuk pengkilap, lilin, tinta, dan vernis. Rosin adalah getah yang

didestilasi; terpenting di hasilkan sebagai produk sampingan. Rosin digunakan

untuk cat, dan vernis. Apabila resin kopal dicampur dengan seluloid, akan menjadi

pelembab dan tahan terhadap abrasi.

8.6. MATERIAL TERMOSETTING

Material termosetting termasuk fenol, aminoformaldehid, melamin, urea,

poelister, allyl, kasein. Epoxy, dan urethanes. Banyak produk plastik yang terbuat

dari Bakelite (berasal dari nama Dr. Leo Bakeland), adalah orang pertama yang

berhasil dalam membuat polimer fenolformaldehid. Fenolformaldehid dihasilkan

melalui proses reaksi kondensasi, dimana terjadi bentuk yang kaku. Pada bentuk

murninya, terlihat buram, subtansi putih susu yang disepuh dan dipanaskan.

Sedangkan pada pabrikasi warnanya coklat gelap atau hitam, walaupun biasa

dihasilkan dalam banyak variasi warna melewati penggunaan bahan pewarna,

nama lain dari fenolformaldehid adalah Bakelite.

Sifat dari material ini berubah-ubah tergantung dari bahan filter yang

digunakan. Fenolik memiliki berat yang medium dan termasuk polimer yang paling

keras. Keunggulannya adalah kekuatan kompresinya yang tinggi. Bahan ini



menunjukkan penguluran yang kecil sebelum patah. Produksi fenolik dihasilkan

melalui pembentukan kompresi dan digunakan untuk aplikasi elektronika dan

isolasi. Fenolik secara umum memiliki resistansi terhadap air, pelumas, alkohol, oli,

dan kimia untuk rumah tangga. Karena mereka memiliki resistansi terhadap bensin

dan oli, penggunaannya cukup luas pada beberapa bagian mesin kecil, mobil dan

aplikasi lain yang serupa. Bahan ini juga biasa dibuat berlapis dan berbentuk busa

atau digunakan pada sikat atau spray pada bahan pengawet.

Polimer amino (Gambar 8.5), seperti aminoformaldehid, juga terbentuk

melalui reaksi kondensasi yang melibatkan aldehid dan grup amino. Hal paling

penting dari bahan ini adalah urea formaldehd dan melamin formaldehd. Sifat dari

urea formaldehid serupa dengan fenolformaldehid, namun memiliki tingkat

resistansi yang lebih kecil terhadap kelembapan dan panas. Bahan yang dihasilkan

dengan kompresi molding,

Gambar 8.5. Urea dan Melamin



namun bubuk ini relatif lebih mahal. Bahan ini memiliki resistansi terhadap

detergen, cairan pembersih, minyak, pelumas, bensin, kerosin, dan tiner.

Walaupun begitu, bahan ini cenderung tahan terhadap kelembapan yang rendah.

Melamin formaldehid lebih mahal namun memiliki kekuatan mekanik yang

lebih besar dan memiliki resistansi panas dan kelembapan yang lebih besar.

Berdasarkan ketinggian tahanan, permukaan yang bagus, dan ketahanan terhadap

panas dan kimia, polimer amino biasanya digunakan untuk bahan-bahan rumah

tangga. Dengan alasan yang sama pula, polimer amino juga digunakan sebagai

peralatan dapur dan cucian (dengan nama Melmac).

Ester merupakan hasil reaksi asam dengan alkohol. Keebanyakan dari

poliester adalah termosetting, tetapi Dacron (Gambar 8.6) adalah polimer

termoplastik yang digunakan bahan tenunan. Aplikasi poliester yang paling umum

ialah dalam kombinasi dengan bahan filler, itu semua adalah massa molekul

rendah dan katalis atau bahan penguat.

Gambar 8.6. Poliester (Dacron)

Resultan dari kombinasi di atas menghasilkan struktur yang keras. Polimer

termosetting digunakan sebagai alat pencampur yang biasanya digunakan

feberglass. Grup ini dari poliester termosetting adalah alkid. Resin alkid biasanya

digunakan untuk cat, enamels, vernis, dan berhubungan dengan aplikasi lapisan

permukaan. Resin alkid memiliki memiliki tingkat absorpsi yang rendah. Tingkat

stabilitas dimensi yang bagus dan isolasi listrik yang cukup bagus.



Epoxies (Gambar 8,7) harganya cenderung lebih mahal dibandingkan

dengan tipe lain. Kegunaannya dalam pabrik termasuk baru dibandingkan dengan

polimer lain. Aplikasinya yang pertama adalah sebagai bahan perekat untuk logam.

Epoxies memiliki berat yang medium, dan juga memiliki tingkat kekuatan yang

tinggi.

Gambar 8.7. Epoxies.

Epoxies dibuat dalam bermacam-macam bentuk padat maupun cair, dan

untuk yang keras ( biasanya mengandung grup amino) diaplikasikan untuk resin

yang dapat menghasilkan ikatan yang diperlukan. Pemakaian fiber atau bubuk

pengisi terkadang digunakan untuk penguat material. Karakteristiknya yang

menonjol adalah kemampuan untuk merekat pada semua jenis permukaan. Bahan-

bahan tersebut tahan terhadap suhu ruangan dan memiliki tingkat viskositas yang

rendah, selain itu juga memiliki resistansi terhadap kimia dan tingkat absorsi air

yang rendah. Aplikasi Epoxies bermacam-macam seperti seperti untuk perekat

yang sangat keras. Bahan ini juga digunakan sebagai aplikasi lapisan permukaan

lantai dan lapisan untuk aplikasi service yang keras. Sifat pelekatannya membuat

bahan ini menjadi pilihan material isolasi yang baik, (keduanya untuk panas dan

isolasi akustik) yang aplikasinya pada sayap dan badan pesawat terbang. Bahan ini

juga digunakan untuk shock resistansi untuk helm pada pilot, pembalap mobil, dan

balap motor.



Polimer silikon (Gambar 8.8.) sering diklarifikasikan sebagai material

organik. Pada tabel periodik, silikon berada di bawah karbon. Untuk itu,

dibutuhkan 4 ikatan untuk setiap atom, silikon merupakan material yang

berlebihan. Polimer silikon lebih mahal dibandingkan polimer organik.

Gambar 8.8. Silikon

Polimer silikon memiliki berat yang ringan, dihasilkan dalam bentuk cairan

atau lilin, dan repellant air. Selain itu ada dalam bentuk buih silikon karet,

dibutuhkan katalis dalam material termosetting. Keunggualn utama dari polimer

silikon adalah aplikasi ketahanan temperatur yang besar. Karet silikon menahan

fleksibilitas pada temperatur rendah, dan polimer menahan properti pada

temperatur tinggi, serta digunakan juga sebagai anti busa untuk mengurangi

resiko terbakar dari minyak pelumas.

Polimer silikon digunakan untuk menghilangkan goresan pada mebel dan

mobil. Karena ketahanannya terhadap panas dan resistansi kimia, maka digunakan

juga sebagai pelepas cetakan. Memiliki tingkat perekatan yang baik dan biasanya

digunakan untuk bahan perekat dan pita dengan tekanan yang sensitif. Dengan

penambahan fiber, gelas silikon laminates memiliki tingkat isolasi elektrik yang

baik.



8.7. MATERIAL TERMOPLASTIK

Material termoplastik mencakup polietilen, polipropilen, polivinilklorida

(PVC), polistiren, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), akriliks, selulosa, selulosa

asetat, selulosa asetat butirat, poliasetal, polikarbonat, polieter keton (PEEK), dan

polifelin sulfida (PPS). Salah satu kekurangan dalam polimer rantai polietilen

adalah bereaksi (readily) dengan klorin, bromin, dan bahan kimia lain. Kekurangan

ini diatasi dengan mengganti atom hidrogen dan florin, sebuah elemen negatif

yang kuat. Dan menghasilkan tetra floro etena. Apabila ikatan ganda antara atom

karbon terbuka, tetra floro etena bisa dipolimerkan menjadi PTFE.

Polimer poliolefin mencakup polietilen dan polipropilen (Gambar 8.9).

Polietilen adalah salah satu dari polimer yang paling sederhana, secara kimia.

Gambar 8.9. Polietilen dan polipropilen.

Polimer ini adalah salah satu dari polimer yang ringan, dan menunjukkan

peregangan yang tinggi sebanyak 500% sebelum rusak, oleh karena itu sulit untuk

diputuskan.



Polietilen atau disebut politen, merupakan sebuah material fleksibel dan

kuat yang anti air dan digunakan untuk isolasi listrik, pipa air dingin, pegangan,

pelapis, dan kertas pembungkus. Polietilen digunakan untuk membungkus daging

dan barang-barang segar (fresh product). Inilah pembungkus yang paling bagus

untuk aplikasi di atas karena bisa membuat material bernapas. Oksigen melewati

bungkusan, dan karbondioksida yang dibebaskan oleh material di dalamnya bisa

dilepaskan ke udara. Karena tahanan suhu rendahnya, polietilen mempunyai

keunggulan tambahan dalam lapisan pembungkus, aplikasi penahan panas

sebagaimana pembungkus.

Berdasarkan fleksibilitas, kekuatan, dan penyerapan air yang rendah,

poliefin digunakan untuk gelas minum, botol padat, dan peralatan dapur seperti

kotak es. Sifat material tergantung dari panjang rantai. Secara umum

diklasifikasikan dalam kepadatan yang tinggi atau rendah.

Polipropilen adalah polimer kristal yang lebih kuat dan kaku daripada

polietilan, selain lebih ringan juga lebih mahal untuk diproduksi. Kegunaannya

utamanya adalah untuk pegangan gagang bahan kimia yang steril (berdasarkan

tahanan suhu tingginya) dan untuk high-fatigue-strength parts.

Vinil polimer adalah yang paling penting tua di antara polimer-polimer. Vinil

murni cenderung keras dan mudah patah. Oleh karena itu, kegunaannya dibatasi

tanpa penambahan bahan pelunak (plastik). Sifat dari vinil polimer adalah berjarak

lebar, tergantung tipe khusus dan kegunaan tambahan. Secara umum vinil polimer

cenderung memiliki berat ringan sampai menengah, kekuatan rendah, tidak

gampang putus. Kelompok ini memiliki tahanan suhu rendah dan dengan tidak

menguntungkan dipengaruhi oleh banyak bahan kimia umum dan pelarut-pelarut.

Salah satu vinil polimer yang istimewa adalah provinil klorida atau PVC (Gambar

8.10), yang digunakan untuk membuat pipa, fitting, dan material tambal.



Gambar 8.10. Polivinil klorida (PVC)

Polivinil klorida asetat digunakan secara besar-besaran dalam pembuatan

perlengkapan hujan dan pakaian tahan cuaca. PVC menunjukkan tahanan kimia

yang baik dan sangat ekonomis saat material pengisi digunakan. Aplikasi vinil

polimer lainnya adalah polivinil asetat, yang digunakan sebagai bahan perekat;

polivinil asetat yang digunakan sebagai lapisan dalam kaca pengaman; polivinil

alkohol polimer yang digunakan sebagai pipa untuk mentransfer zat cair; dan vinil

foam yang digunakan sebagai bantal dan material pakaian .

Polistiren (Gambar 8.11) adalah polimer yang paling banyak digunakan.

Polistiren diklasifikasikan dalam dua grup: general-purpose polistiren dan

campuran stiren. General-purpose polistiren bersifat ringan, kaku, tapi material

yang mudah patah ini sangat baik digunakan untuk isolasi listrik dan sebagai busa

tambahn dalam isolasi termal.

Gambar 8.12. Polistiren

Polistiren adalah material yang tak beracun, tak berbau dan tak berasa, yang

banyak dijadikan sebagai tempat minuman dan makanan.



Campuran stiren pada umumnya tidak begitu mahal tapi lebih sulit

diproduksi daripada polistiren yang banyak dipakai. Kopolimer dari stiren dan

skrilonitril bisa diperkuat terus dengan kombinasi dengan karet butadine akrilonitril

ke bentuk kopolimer akrilonitril butadiena stiren (ABS). Campuran stiren digunakan

pada bagian plastik, cetakan mainan, tempat makanan dingin, dan tempat

bawaan. ABS terbukti sangat penting untuk bahan yang tahan kimia dan tumbukan

yang keras. Sering juga digunakan pada cetakan badan mobil, tempat baterai, dan

telepon. Stiren yang lebih dikembangkan digunakan dalam alat flotasi dan isolasi

termal.

Florokarbon (Gambar 8.13) dapat diklasifikasikan di bawah keluarga etilen.

Anggota terlama dan paling di kenal dari flokarbon adalah politetra floroetilen

(PTFE), yang pada umumnya di kenal dengan nama teflon, dan kloro trifloro etilen

(CFE).

Kelebihan dari PTFE dan CFE adalah tahan kimianya, kekuatan tumbukan

yang bagus, sifat listrik yang baik, dan koefisien gesekan yang kecil serta memiliki

daya serap air nol. Tidak dipengaruhi oleh perubahan cuaca, sinar matahari, dan

suhu. PTFE tak tembus cahaya dan putih alami, sedangkan CFE transparan atau

tembus cahaya. Biasa digunakan untuk nonstick coating, nonstick film, material

penunjang, dan aplikasi lainnya yang hampir sama. Semua florokarbon relatif

mahal.

Gambar 8.13. Florokarbon

Poliamida (Gambar 8.14) adalah hasil dari reaksi kondensasi yang

melibatkan asam organik dan amino. Pada umumnya dikenal dengan nama nilon,



nilon sangat kuat, keras dan fleksibel, mempunyai kekuatan tumbukan yang kuat,

dan tahan abrasi.

Beberapa poliamida akan tahan pemanjangan sampai 300%. Nilon juga

memiliki koefisien gesekan yang sangat kecil sehingga cocok digunakan untuk

pakaian indor dan sering diproduksi dan digunakan sebagai serat. Selain itu nilon

juga cocok bila digunakan

Gambar 8.14. Poliamida

Sebagai peralatan memasak di mana tidak digunakan minyak, perkakas

rumah, dan tekstil seperti parasut. Poliamida aromatik digunakan untuk komposit

dan sebagai penambal ban. Salah satu produknya adalah serat poliamida

(dipasarkan oleh pemasaran Kevlar) di gunakan untuk topi baja dan sebagai

campuran penambal serat. Kekurangannya adalah penyerapan embun yang tinggi,

dengan disertai perubahan dimensi dan penurunan kekuatan .

Poliester bisa menjadi termoplastik ataupun termosetting, tergantung dari

asam dan alkohol yang digunakan dalam produksinya. Salah satu poliester adalah

polietilen teraptalad, yang dibuat dalam reaksi kondensasi antara asam teraptalik

dan etilen glikol. Hasil produksi utamanya digunakan sebagai serat ekstrusi, hampir

sama dengan serat nilon.

Akrilik yang paling umum adalah polimetil metakrilat, atau PMMA (Gambar

8.15) , yang dikenal dengan nama plexiglas. Dibuat dengan reaksi dari asam metil

akrilik dan sebuah alkohol. Hasil setengah jadinya adalah metakrilat. PMMA bersifat



keras, kaku, material transparan yang dengan mudah dibentuk dengan cetakan

injeksi. Kegunaannya adalah sebagai pelindung, lensa, dan aplikasi optik lainnya.

Gambar 8.15. Polimetil Metakrilat (PMMA)

PMMA sangat tahan pada kebanyakan bahan kimia tapi tidak pada gasolin,

aseton, dan unsur pembersih lainnya. Termasuk dalam akrilik adalah akrilonitril.

Akrilonitril diproduksi dengan penambahan polimerisasi dan dibentuk secara khas

seperti serat fiber.

Polimer selulosa berdasarkan molekul selulosa (8.16). Polimer selulosa

dibuat dari kayu alami atau serat kapas. Polimer selulosa terbaru digunakan untuk

memproduksi seluloid film. Lima dasar polimer selulosa adalah selulosa asetat,

selulosa nitrat, selulosa asetat butirat, etil selulosa, dan selulosa propionat.

Polimerisasi selulosa diperoleh melalui ikatan oksigen. Seluloid (selulosa

nitrat) merupakan bahan termoplastik. Tetapi, gampang terbakar dan tidak bisa

dilelehkan. Untuk alasan ini, bahan seluloid sering digantikan oleh bahan yang

lebih tahan api. Salah satu aplikasi dari selulosa nitrat adalah untuk keperluan

pembuatan pena dan topi. Daya tahan akan apinya membatasi aplikasinya. Salah

satu bahan pengganti selulosa nitrat adalah selulosa asetat, yang tidak mahal dan

mudah dibentuk, kemudian lebih tahan api



Gambar 8.16. Selulosa

daripada nitroselulosa dan mempertahankan warnanya. Selulosa asetat adalah

bahan yang mempunyai daya tahan tinggi, mempunyai daya tumbukan (impact)

yang kuat dan fleksibel, transparan dan ikatan larutannya gampang dibentuk.

Penyelesaian permukaan yang sempurna dan bentuk selulosa asetat membuatnya

menjadi bahan yang sangat praktis untuk berbagai aplikasi misalnya rak display

dan sikat gigi, peralatan toilet, dan pengepakan sepatu. Selulosa asetat

monofilamennya sangat kuat dan sering digunakan untuk serat baju.

Selulosa asetat tidak kedap air terhadap air, tapi selulosa asetat butirat

kedap air. Bahan seperti ini digunakan untuk penggunaan outdoor. Dalam

penggunaan indor, dapat menghasilkan bau yang tidak enak. Etil selulosa dan

benzil selulosa merupakan bahan polimer yang umum. Bahan-bahan ini biasa

disebut sebagai rayon dan cellophone.

Polimer poliasetal terdiri dari ikatan karbon-oksigen, yang merupakan

formaldehid tunggal, kecuali dari ikatan paling belakang dari rantai polimer. Asetal

menunjukkan tidak adanya titik lumer yang jelas. Bahan ini mempunyai stabilitas

dimensional yang hebat, daya tahan resistansi yang kuat, dan dapat menjadi

isolasi listrik yang baik. Kualitasnya yang terbaik adalah ketahanannya terhadap

bahan kimia terutama bahan pelarut.

Polikarbonat merupakan poliester yang dibuat dari asam karbonik dan fenol,

transparan dan mempunyai temperatur meleleh yang rendah. Bahan ini bisa



dipotong atau digores dengan mudah tetapi mempunyai bahan penyusun yang

mirip dengan akrilik dan mempunyai daya tumbuk yang baik. Salah satu nama

produk bahan ini adalah Lexan. Ini di gunakan untuk jendela kaca anti peluru.

8.8. POLIMER YANG DIPERKUAT

Polimer yang diperkuat merupakan polimer yang bahannya telah diubah

melalui penggunaan bahan penguat. Kaca, mineral, dan fiber karbon ditambah ke

polimer sebagai bahan penguatnya. Memang ini memerlukan biaya tambahan,

tetapi juga meningkatkan keseluruhan performanya. Kebanyakan polimer tersedia

dalam bentuk kaca fiber yang telah diperkuat. Kaca fiber, yang diameternya dari

0,0002 sampai 0,001 inci dilapisi dengan damar dan agen penyambung, bahan

meningkat 200% atau lebih baik dengan penguatan kaca fiber.

Kekuatan polimer yang diperkuat ini tergantung dari tipe dan jumlah dari

bahan isi yang digunakan dan tingkat di mana damar yang membasahi polimer

tersebut. Satu dari bahan isi yang biasa digunakan adalah fiber kaca.

Polister yang diberi bahan ini akan mempunyai struktur bahan yang kuat.

Polister ini bisa dikeringkan dalam suhu ruangan, sehingga membuat bahan ini

lebih praktis dan ekonomis. Karena polister bisa dikeringkan dalam suhu ruang,

maka akan mudah juga diperbaiki, serta lebih nyaman dan ekonomis untuk

digunakan sebagai tanduk kapal, bodi mobil, dan alat-alat sederhana, dan aplikasi

lainnya. Bodi mobil yang terbuat dari fiberglass digunakan dalam lomba mobil

berkecepatan tinggi, karena bobot mobil mudah disesuaikan. Polister yang

diperkuat mempunyai ketahanan yang kuat dan fleksibilitas yang baik, sehingga

dapat dijadikan tali pancing dan peralatan olahraga lainnya. Bahan ini juga bisa

untuk membuat film mylar. Film mylar digunakan untuk kapasitor dielektrik,

pelapis besi sebagai isolator,dan fotografi.



Polister yang diperkuat dengan karbon fiber harganya lebih mahal

dibandingkan dengan polister yang diperkuat dengan kaca fiber, bahkan sampai 3-

4 kali lipatnya. Polister yang diperkuat dengan karbon fiber mempunyai daya

renggang yang baik, kekakuan, dan bisa dengan baik digunakan untuk keperluan

mekanik. Bahan ini juga mempunyai efisiensi ekspansi yang lebih kecil, resistansi

pemuluran yang lebih baik, tidak mudah aus, serta daya tahan yang lebih tinggi.

Kaca dan karbon merupakan bahan untuk memperkuat fiber. Material lain

dalam penguatan fiber termasuk grafit, boron, dan katun.

Bahan penguat dapat tersedia dalam berbagai bentuk seperti, ikatan fiber,

potongan fiber dan kain. Bagaimanapun juga, peningkatannya tinggi dalam biaya

ekonomi. Kebanyakan dari polimer yang telah diperkuat merupakan poliester dan

epoksis. Fenol dan silikon digunakan juga dalam bentuknya yang diperkuat untuk

tingkat yang lebih kecil. Bentuk polimernya yang diperkuat digunakan untuk

tanduk kapal, bodi mobil, tangki penyimpanan, papan sirkit (circuit board),

perlengkapan pesawat terbang, gigi transmisi mobil, serta isolasi termal dan

elektrik.

Polimer yang diperkuat dalam penerapan yang beragam banyak

menggantikan logam, dan polimer menjanjikan kekuatan dengan sifat/karakteristik

yang sama, atau lebih baik dan seringkali dengan biaya yang lebih rendah. Polimer

lebih mudah dibuat dab tahap terhadap korosi dan bahan kimia.Selain itu proses

pabrikasi cukup beragam dari yang paling sederhana dan murah sampai dengan

yang prosesnya rumit.

8.9. ELASTOMER

Berikut ini adalah gambaran secara singkat mengenai elastomer. Elastomer

adalah material yang memiliki sifat hampir sama dengan polimer. Elaastomer

adalah material yang dapat meregang dan mulur berulang kali, atau memanjang

dan akan kembali ke bentuk semula dengan melepaskan tenaga yang dipakai



untuk memanjangkannya. Dengan demikian elastomer memperlihatkan sifat

elastik, bila dibandingkan dengan polimer yang lebih banyak memperlihatkan sifat

plastiknya. Yang termasuk dalam kategori elastomer contohnya adalah karet dan

material semacam karet. Ada sedikit perbedaan antara karet dengan elastomer,

karet dapat tahan ditarik sampai 200% dan kembali dengan cepat ke kondisi

awalnya. Kemampuan material untuk kembali ke bentuk awal dari perubahan

bentuk elastiknya disebut resilience.

Karet alam diperoleh dari getah resin pohon tertentu. Getah tumbuhan ini

mengandung cairan/emulsi yang terdiri atas 40% air, dan mengandung partikel

karet. Partikel karet ini dipadatkan dengan menggunakan formic atau asam asetat.

Partikel-partikel yang dipadatkan ini kemudian dikemas dan dikirim ke pabrik untuk

proses selanjutnya. Karet dalam bentuk ini sering kali disebut lateks. Karet mentah

dipakai untuk beberapa keperluan karena mempunyai kuat peregangan yang

rendah dan meleleh pada temperatur yang cukup tinggi.

Untuk meningkatkan sifat-sifat daripada karet alam, maka bahan tambahan

(additive) yang menjadikan material keras dicampurkan kedalam karet.

Karet dapat dibentuk sesudah dicampur, kemudian diolah pada temperatur

tinggi sekitar 150oC. Karet yang keras (hard rubber) mempunyai tampilan phenol

formaldehyde (bakelite). Bakelite adalah bahan isolasi listrik yang sangat baik dan

banyak digunakan dalam pembuatan battery sebagai wadah (casing). Karet juga

banyak digunakan sebagai peredam getaran pada motor bakar maupun motor

listrik.

fix

Documents