Material Konduktor

PRIMAS EMERALDI

INTERAKSI ELEKTRON DAN KONDUKTIVITAS

• Material konduktor mempunyai elektron bebas dalam jumlah yang besar ikatan logam

Interaksi Elektron

• Pada kondisi tak ada medan luar, elektron bebas bergerak diantara kisi-kisi atom dengan arah random akibat eksitasi termal dengan kecepatan yang berbeda-beda

• 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.

Medan Listrik (E)

• Gaya (F) yang dirasakan oleh muatan listrik (q) menghasilkan garis medan listrik (E)

Gaya Listrik oleh muatan q dan Q dengan jarak r

• Tegangan (V) dengan jarak r menghasilkan medan listrik (E)

Contoh Soal 1

Berapa medan listrik pada permukaan tanah yang berada di bawah penghantar saluran udara 20 kV dengan ketinggian 9 m?

Hukum Ohm

Dimana:V = tegangan (Volt)I = arus yang mengalir pada konduktor (Ampere)R = resistansi (Ohm)

non-ohmic materials

Contoh Soal 2

Tegangan sebesar 10 Volt diberikan pada konduktor dengan resistansi 5 ohm, tentukan arus yang mengalir pada konduktor?

Contoh Soal 3

Sejumlah 3.8 x 1021 elektron melewati suatu titik pada penghantar selama 4 menit. Berapakah arus rata-rata?

Pengaruh medan Listrik

• Kehadiran medan listrik (E) akan mempengaruhi gerak elektron

• Elektron akan dikenai gaya (F):-

• Dengan percepatan (a):

Dimana:m = massa elektron

𝐸=𝑉𝐿

Interaksi Elektron

Gambar. Kecepatan pergerakan elektron di bawah medan listrik

Kecepatan rata-rata elektron (VD):

𝑉 𝐷=( 𝑒𝜏𝑚 )𝐸𝑒𝜏𝑚

=mobilitas elektron=𝜇𝑒 𝑉 𝐷=𝜇𝑒 .𝐸

Konduktivitas

• Kerapatan arus ( J )

Ne = kerapatan elektron (e/m3)

• Hukum ohm

elektron

Konduktivitas

• 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.

Contoh Soal 4

Suatu penghantar tembaga mempunyai konduktivitas = 5 x 107 S/m dan mobilitas elektron = 0,0032 m2v-1s-1 dengan luas penampang 1 cm2 diberi medan listrik sebesar 1 V/m. Tentukan:a. Rapat Arus (J)b. Arus (I)c. Kecepatan elektron (VD)

d. Kerapatan Elektron (Ne)

Resistivitas (ρ)

• Resistansi (R)

ρ = resistivitas (ohm.m)L = panjang penghantar (m)A = luas penampang (m2)

Contoh Soal 5

Jika kita ingin menggunakan suatu kabel tembaga untuk menghubungkan suatu perangkat stereo ke beberapa speaker masing-masing sepanjang 20 m, (a) berapa diameter masing-masing kabel yang harus

digunakan untuk mendapatkan resistansi kabel 0.1 ohm per kabel? dimana resistivitas tembaga = 1.6 x 10-8 Ω.m

(b) Jika arus yang melewati masing-masing kabel adalah 4 A, berapa jatuh tegangan masing-masing kabel?

Pengaruh Temperatur Terhadap Resistivitas (Logam Murni)

• Vibrasi termal elektron τ = waktu hamburan elektron = waktu rata-rata untuk sekali proses hamburan elektronu = kecepatan elektronl = jarak tempuh elektronS = πa2 = luas penampang hamburan elektronNs = konsentrasi pusat hamburan

cont’• waktu hamburan • vibrasi termal atom pergerakan harmonik, seperti

massa (M) yang tersambung ke pegas• Energi kinetik osilasi: • Sehingga:

A = konstanta pengaruh temperatur terhadap resistivitas

Ketidakmurnian (impurity) Logam

• Resistansi akibat ketidakmurnian logam

ρτ = resistivitas akibat hamburan elektron oleh vibrasi termalρI = resistivitas akibat hamburan elektron ketidakmurnian

• Resistivitas residual tidak tergantung temperatur

ρτ = resistivitas akibat hamburan elektron oleh ketidakmurnian, dislokasi atom,

Temperature Coefficient of Resistivity (TCR)

α0 = koefisien temperatur

ρ0 = resistivitas pada temperatur referensi (T0)

T0 = temperatur referensi (0oC atau 20oC)

δρ = ρ - ρ0 = perubahan resistivitas akibat perubahan kecil temperatur δT = T - T0

Resistivitas Pada Temperatur Tertentu

• Resistivitas (ρ) pada temperatur tertentu (T)

T0 = temperatur referensi

ρ0 = resistivitas pada T0

α = koefisien temperatur resistivitas

Pengaruh Temperatur

• Kenaikan temperatur mempengaruhi susunan atom menurunkan mobilitas elektron meningkatkan resistivitas (menurunkan konduktivitas)

Contoh Soal 6

Suatu kabel daya dengan penghantar tembaga sepanjang 1 km dengan luas penampang 240 mm2 saat mensuplai beban mempunyai temperatur 150 oC, Tentukan resistansi penghantar?dimana pada temperatur 20 oC tembaga mempunyai resistivitas 1.7 x 10-8 Ω.m dengan koefisien resistivitas 0.0039 per oC.

Contoh Soal 7

Sebuah thermometer resistansi berbahan karbon berbentuk silinder dengan diameter 4 mm dan panjang 1 cm menempel pada sampel. Thermometer menunjukan nilai resistansi 0.030 Ω. Berapakah temperatur sampel?dimana resistivitas karbon adalah 3.519 x 10-5 Ω.m dan koefisien temperatur α = 0.0005 oC-1 pada temperatur 20 oC.

Efek Hall

Pengaruh medan magnet (B) terhadap arus (elektron)

• Medan Hall (EH)

• RH = Konstanta Hall

cont’Penggunaan Efek Hall:• Pengukuran mobilitas pembawa muatan• pengukuran kerapatan muatan• pengukuran medan magnet

𝜇𝐻=𝜎𝑛 .𝑞

𝜇𝐻=𝜎 .𝑅𝐻