19022016_Konduksi_Listrik-

8/17/2019 19022016_Konduksi_Listrik-

1/39

LOGO

BAB I

KONDUKSI LISTRIK

BAB I

KONDUKSI LISTRIK

ELEKTROKIMIA


2/39

1.3 Hukum Ohm

Hukum Ohm menyatakan bahwa bila listrik mengalirmelalui konduktor listrik, rapat arus akan sebanding

dengan kuat medan

!"#$#"%

Konstanta proporsionalitasnya dikenal sebagaikonduktivitas listik !satuannya &iemens per meter

!&'m%, di mana " &iemens !&% sama dengan " Ampere per

(olt%, di mana kebalikannya disebut k!tahanan

"resistivity ##

!"#$#)%

Kondukti(itas listrik merupakan property karakteristik dari

material yang tidak tergantung pada geometri sample#

X i∞

dx

d

X i


3/39

Hukum Ohm *uga dapat dinyatakan sebagai proporsionalitas dari arus

yang melalui material konduktor dengan beda potensial yang melaluinya#

!"#$#$%

Atau sebaliknya

!"#$#+% Konstanta dan R adalah konduktans !conductance% dengan satuan

&iemens !dulu disebut -mho.% dan tahanan !resistance% dengan satuan

Ohm# Kuantitas ini san$at t!$antun$ %ada $!om!ti sam%l!# /ntuk

konduktor dengan pan*ang L dan luas area seragam A, kondukti(itas

listrik dapat dinyatakan sebagai !"#$#0%

1ila kondukti(itas dan'atau luas area ber(ariasi terhadap pan*ang

koordinat maka tahanan harus dihitung dengan integrasi yang sesuai

!"#$#2%

Hukum Ohm tidak berlaku se3ara uni(ersal# Hukum ini tidak

diaplikasikan ke dalam sel4sel elektrokimia#

&uatu alat yang mempunyai tahanan yang stabil dan diketahui disebut

resistor# 1ila arus, I,mengalir melalui resistor dengan tahanan, R, maka

energi yang didisipasikan sebagai panas adalah I)R !5att%

∆G I

RI ∆

∆

I

L

A

RG 1

∫

L

x A x

dx

xiA

d

I R 0 )()()(

∆


4/39

Soal

"#)# Hitunglah resistan3e dari batang gra6it

sepan*ang "7 3m dengan diameter 8#0 mm#

Hitung kembali resistan3e4nya bila batang tsb

menge3il u*ungnya dari diameter 9 mm pada

salah satu u*ungnya men*adi 2 mm pada u*ung

yang lain# :iketahui kondukti(itas listrik !κ % gra6it

adalah +;"7+

&'m#


5/39

1.& Klasi'ikasi Kondukto Kondukti(itas listrik dari suatu material merupakan ukuran se*auh

mana suatu material mampu menghantarkan listrik# Harga κ

ber(ariasi mulai dari nol untuk (akum hingga tak berhingga untuksuperkonduktor#

Meski kita sering mengklasi6ikasikan material sebagai konduktor

dan isolator, namun tidak terdapat batas yang *elas di antara

keduanya# Material adalah konduktor atau isolator karena struktur

kimianya dan mobilitas elektron dan spesies kimianya yangbermuatan yang bertanggung *awab terhadap kondukti(itas listrik#

:i antara berbagai 3ara, ada dua 3ara yang paling penting untuk

mengukur kondukti(itas listrik, yaitu m!tod! !m%at t!minal dan

a( im%!dan(!# Metode empat terminal adalah dengan mengukur I,

∆φ, A, dan ; untuk menghitung κ # 1erdasarkan si6atnya sebagai pembawa muatan !charge carrier %,

material dapat dibedakan sebagai

konduktor 4 konduktor elektronik

4 konduktor ionik

material

isolator


6/39

Konduktivitas listik dai )!)a$ai mat!ial "k!)an*akan %ada +,- K#

at!ial κ

"Sm

/1

#0!m)aa muatan

&uper3ondu3tor !suhu rendah% Ag


7/39

Kondukto !l!ktonik memiliki kondukti(itas karena adanya

elektron4elektron yang bergerak# &emua logam adalah konduktor

elektronik#

1eberapa oksida dan sul6ida anorganik !seperti ?bO) dan Ag)&% *uga

mengalirkan listrik dengan aliran elektron# Material4material ini dankebanyakan s!mikondukto lain mempunyai kondukti(itas karena

adanya k!l!)ihan2!(!ss !l!kton !type n'negati(e% atau

k!kuan$an2d!'i(it !l!kton !type p'positi(e% dibandingkan dengan

*umlah yang diperlukan untuk membentuk ikatan4ikatan ko(alen dari

kisi kristal semikonduktor# ?ada semikonduktor type p, elektron yang hilang disebut

Blubang'holeC, dan kondukti(itas listrik disebabkan karena pergerakan

lubang yang bermuatan positi6 ini# &ebenarnya elektronlah yang

berpindah mengisi lubang, dan karenanya elektron tsb meninggalkan

lubang, dst# S!mikondukto intinsik mengalirkan baik elektron maupun lubang#


8/39

aram organik kristal tertentu, seperti TTD4T


9/39

Not!4 %i !l!(ton

In 3hemistry, %i )onds !5 )onds% are 3o(alent 3hemi3al bonds where two lobes o6 one in(ol(ed

atomi3 orbital o(erlap two lobes o6 the other

in(ol(ed atomi3 orbital# These orbitals share a

nodal plane whi3h passes through both o6 the

in(ol(ed nu3lei#

Ele3trons in pi bonds are sometimes re6erred to

as %i !l!(tons#

http://en.wikipedia.org/wiki/Chemistryhttp://en.wikipedia.org/wiki/Covalent_bondhttp://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_bondhttp://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_orbitalhttp://en.wikipedia.org/wiki/Node_(physics)http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleushttp://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleushttp://en.wikipedia.org/wiki/Node_(physics)http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_orbitalhttp://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_bondhttp://en.wikipedia.org/wiki/Covalent_bondhttp://en.wikipedia.org/wiki/Chemistry


10/39

Kelas kedua dari material yang mengalirkan listrik adalah

kondukto ionik yang terdiri dari anion dan'atau kation#


11/39

n and % 6 t*%! S!mi(ondu(to

either pure sili3on !&i% nor germanium!e% are great3ondu3tors# They 6orm a 3rystal latti3e by ha(ing ea3h

atom share all o6 its + (alen3e ele3trons with neighbouring

atoms#

The total o6 eight ele3trons 3an not easily be *iggled out o6pla3e by an in3oming 3urrent#

I6 , howe(er, the 3rystalline array is BdopedC!mi;ed with an

impurity% with arseni3 whi3h has 6i(e (alen3e ele3trons,

the beha(iour o6 the latti3e will 3hange# Dour bonds will bestill be made but there will be a le6to(er ele3tron that 3an

wander through the 3rystal#

This is 3alled an n-type semiconductor.


12/39

n / t*%! s!mi(ondu(to


13/39

1oron 3an also be used to dope a pure 3rystal o6

sili3on# 1ut sin3e boron only o66ers $ o6 the 6our

ele3trons that a sili3on atom needs, ea3h sili3on3enter is le6t with a hole.

&emi3ondu3tors made in this manner are 3alled

p-type.

In a p4type material i6 an atom 6rom aneighbouring atom 6ills the hole, it will lea(e a

hole ad*a3ent to it#

This pro3ess will 3ontinue in a domino e66e3t and

the hole will be mo(ing in the dire3tion opposite

to ele3tron46low# In reality the atoms are

remaining 6i;ed in the latti3e, but there is an

illusion that the holes are physi3ally mo(ing#


14/39

% / t*%! s!mi(ondu(to


15/39

konduktor

Konduktor elektronik

Konduktor 3ampuran

Konduktor ionik

logam

1eberapa oksida dan sul6ida anorganik

semikonduktor

"# Type n

)# Intrinsik$# Type p

Metal organik dan polimer kondukti6

?lasma

1eberapa solid dan larutan

Larutan elektrolit

Leburan garam

Konduktor ionik solid

Kristal yang didoping


16/39

o)ilitas

Mari kita lihat mekanisme konduksi dari sisi pembawa muatan itu sendiri#

Aus listik sama d!n$an la7u di mana muatan m!n$ali m!lalui s!m)aan$

)idan$ t!$ak luus t!hada% aah aliann*a.

arus

listrikJ

la*u di mana

muatan

melintasi

sembarang

bidang

J

umlah

pembawa

muatan

per

satuan

(olume

Luas

penampang

Muatan

pada

masing4

masing

pembawa

La*u

pembawa

rata4rata

Atau se3ara simbolisI J dF'dt J ! A3i%!A%!Fi%!(i% !"#0#"%

:i mana subskrip -i . menun*ukkan property yang berhubungan dengan pembawa

muatan tertentu#

3i adalah konsentrasi, Fi adalah muatan dan (i adalah ke3epatan rata4rata di dalam

arah perpindahan arus# A adalah bilangan A(ogadro J 2#7));"7)$

'mol dan A adalahluas penampang#

Area A

I I

I I; J 7 ;


17/39

1ila i !*umlah muatan% J Fi'Fe, di mana Fe J "#27));"74"9


18/39

o)ilitas Ion "uo# %ada Lautan *an$ san$at !n(! %ada +,- K

8u+9 :-.;1;"749

Ionic Mobilities

(Water 25°C)

Ion u

(m2 s-1V-1)

Ionic

Radius

(pm)

H+

36.23 x 10−8

Li+

4.01 x 10−8 59

Na+

5.19 x 10−8 102

K +

7.62 x 10−8 138

Rb+

7.92 x 10−8 149

Zn2+ 5.47 x 10−8

Ionic Mobilities

(Water 25°C)

Ion u

(m2 s-1V-1)

CationsH

+36.23 x 10

−8

Na+

5.19 x 10−8

K +

7.62 x 10−8

Zn2+

5.47 x 10−8

Anions

OH-

20.64 x 10−8

Cl-

7.91 x 10−8

Br -

8.09 x 10−8

SO4

2-8.29 x 10

−8


19/39

1ila persamaan "#0#+ dan "#0#) dimasukkan ke dalam persamaan

"#0#" maka diperoleh

"#0#0

Hasil kali antara AFe adalah konstanta Daraday, yaitu

D J !2#7));"7)$ 'mol% !"#27));"74"9


20/39

?erlu di3atat bahwa untuk anion dan kation, masing4masing dari

suku NiN, ui, dan 3i bernilai positi6# Artinya pergerakan dari anion4

anion dan kation4kation memberikan kontribusi tanda yang sama

pada arus total# Hal ini disebabkan meski anion dan kation bergerak di dalam arah

yang berlawanan, kedua pergerakan itu berhubungan dengan

pergerakan muatan listrik dalam arah yang sama sebagai kation#

&eperti diilustrasikan di bawah

1ila ada pembawa muatan tunggal yang negati6, seperti elektron di

dalam logam, arah aliran arus adalah berlawanan dengan arah

pergerakan pembawa muatan#

Area A

I I

I I; J 7 ;


21/39

Bilan$an Tans%ot "Tans%ot Num)!#

Draksi dari arus total yang dibawa oleh salah satu pembawa muatan

disebut bilangan transport dari suatu *enis !spe3ies%#

:ari persamaan "#0#8, bilangan transport ti dari *enis i adalah

"#0#>

?ergerakan ion sema3am ini disebut mi$asi#

?erbandingan antara persamaan "#0#8 dengan "#$#) mengantarkan

pada hasil yang penting, yaitu

"#0#9 Meski kebanyakan dipakai untuk konduktor ionik, persamaan ini

dapat digunakan untuk semua *enis pembawa muatan#

1uku4buku elektrokimia memberikan istilah N iNDui sebagai

konduktivitas ionik !kuival!n dan Dui sebagai konduktivitas

ionik mola # &ayang keduanya sama4sama mempunyai simbol λ#

∑

i

iii

iii

icu z

cu z t

iii

i cu z F ∑


22/39

:i dalam larutan yang mengandung satu *enis anion !i J 4% dan satu

*enis kation !i J @%, hubungan elektronetralitas menghendaki bahwa

@3@ J 4434# :alam kondisi seperti ini dapat ditentukan bahwa

"#0#""

Λ disebut konduktansi ekui(alen !equivalent conductance% darilarutan#

&ayangnya simbol ini *uga digunakan untuk melambangkan

konduktansi molar !molar conductance% dari suatu larutan elektrolit,

di mana konduktansi molar J kondukti(itas dibagi konsentrasi

elektrolit#

)(

uu F c z c z

Λ


23/39

1.;. 0!)!daan 0ot!nsial Kontak

&emula kita asumsikan bahwa (oltmeter mampu mengukur

perbedaan antara ) potensial listrik *auh di dalam konduktor silinder

! biasanya disebut potensial al(ani atau potensial dalam%#

Kenyataannya semua (oltmeter sebenarnya mengukur perbedaanpotensial di antara kedua terminalnya, yang biasanya terbuat dari

tembaga#

1ila konduktor silinder yang diukur misalnya terbuat dari ?b, maka

seperti yang ditun*ukkan dalam gambar di atas bahwa sebenarnya

perbedaan potensial antara titik < dan : adalah yang diukur oleh(oltmeter#

?b 1 A

=bla3k red

< :


24/39

&ehingga ∆E menun*ukkan pemba3aan (oltmeter, di mana ∆E J φ: 4φ<

?erbedaan potensial antara titik A dan 1 dinyatakan sebagai

∆E J !φ: 4 φ A%@!φ A 4 φ1 %@!φ1 4 φ


25/39

!φ Au 4 φ?b% J ∆E@!φ Au 4 φ


26/39

1ila kedua batang ?b dan Au dikontakkan, maka

segera (oltmeter akan menun*ukkan angka 7#

Terbukti bahwa elektron4elektron terdistribusisendiri di antara keempat batang logam#

:engan demikian

!φ Au 4 φ?b% J ∆E@!φ Au 4 φ


27/39

0o)l!ms

"# The 3ondu3ti(ity o6 3opper is 2;"78 &'m# Assuming that

ea3h 3opper atom has ) mobile ele3trons, use euation

"#0#9 to 3al3ulate the mobility o6 ele3trons in 3opper#


28/39

Ka%asitansi Kapasitansi diukur dalam satuan


29/39

3onstant (oltage sour3e

A

@ 4

=

=

=

<

∆


30/39

0o)l!ms

"# 1erdasarkan gambar sirkuit di atas, bila R J8+7 kΩ, < J ) µD dan sumber tegangankonstan J ") =, berapa arus yang mengalir

setelah $ detik saklar ditutup &elama waktu

itu, berapa energi yang didisipasikan olehtahanan dan energi yang disimpan oleh

kapasitor

)# Arus sebesar "#8 mA mengalir ke dalam

kapasitor "2 µD selama "#0 detik# 1erapaperbedaan potensial yang diperoleh dan

berapa energi yang disimpan


31/39

8a%a(ito


32/39

The ratio o6 the 3harge magnitude on ea3h plate to the

ele3tri3 potential !(oltage% between the plates is known as

3apa3itan3e# The energy stored in a 3apa3itor is the energy reuiredto mo(e the stored 3harge through the potential o6 the 3apa3itor#

:iele3tri3 is inserted between the plates in order to keep the 3harges

separate# &o diele3tri3 must be non43ondu3ti(e 44 an

ele3tri3al insulator # As the 3harge and (oltage on a gi(en 3apa3itor are

in3reased, at some point the diele3tri3 will no longer be able toinsulate the 3harges 6rom ea3h other# The diele3tri3 then e;hibits

diele3tri3 breakdown, or high 3ondu3ti(ity in some areas, whi3h tends

to lower the stored energy and 3harge, generating internal heat# This

phenomenon, undesirable in most 3apa3itor appli3ations, o33urs at

the 3apa3itors breakdown (oltage#

A %aall!l %lat! (a%a(ito

http://electrochem.cwru.edu/ed/dict.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/dict.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-d01-dielectrics.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/dict.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-d01-dielectrics.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-d01-dielectrics.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/dict.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-d01-dielectrics.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/dict.htmhttp://electrochem.cwru.edu/ed/dict.htm


33/39

=l!(to(h!mi(al 8a%a(ito

Ele3tro3hemi3al 3apa3itors !E


34/39

The energy density !E in Joule kg !% o6 a 3apa3itor 3an be 6ormulated

as

5hile power density !" in #att kg !% o6 a 3apa3itor 3an be written as

5here C is spe3i6i3 3apa3itan3e !Darad kg4"%, V is potential !=olt%, andt is time !se3onds%


35/39

1. =l!(ti( Dou)l! La*! 8a%a(ito "=DL8#


36/39

iu et al 8"U reported a spe3i6i3 3apa3itan3e o6 3arbon nanotube

sheet ele3trodes as high as "7) D#g4"#

u et al 8)U prepared a3ti(ated 3arbon 6ibers with high sur6a3e area

and highly mesoporous stru3ture 6or E:L< 6rom polya3rylonitrile6ibers by aOH a3ti(ation# The spe3i6i3 3apa3itan3es were

measured in di66erent ele3trolytes whi3h resulted in di66erent spe3i6i3

3apa3itan3es, i#e $8" D#g4" in 2 M KOH, )"$ D#g4" in " M Li


37/39

0s!udo(a%a(ito


38/39

old


39/39

Th! a%%li(ations o' =8s4

Dor ba3kup power sour3es 6or memories, mi3ro3omputers, systemboards, 3lo3ks, po3ket 3al3ulators, 3ameras, ele3troni3 agendas

and organiers, mobile phones, and pagers# In these appli3ations

there are main power sour3es, e#g# batteries that supply the loads#

In 3ases o6 dis3onne3tion or turn4o66 o6 the primary sour3e, 3onta3t

problems, et3# the E

19022016_Konduksi_Listrik-

Documents

Transcript of 19022016_Konduksi_Listrik-