Bahan Penghantar

PAGE 23HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT

PENDAHULUAN

1UMUM

Ilmu bahan listrik adalah merupakan bagian dari ilmu logam (metalurgie), dimana di dalam bahan listrik terutama dibahas mengenai sifat-sifat bahan yang dipergunakan/ berhubungan dengan listrik. Kita semua telah mengetahui bahwa suatu bahan/ zat terdiri dari molekul-molekul, tiap-tiap molekul terdiri dari atom itu sendiri dibangun oleh satu inti atom bermuatan positif yang disebut proton dan dikelilingi oleh satu atau lebih elektron yang bermuatan negatif.

Teori kuantum menyatakan bahwa gerakan elektron-elektron dalam mengelilingi intinya mengikuti lintasan yang berbeda-beda akan tetapi tertentu. Dan untuk setiap lintasan elektron yang tertentu ini memiliki energi yang tertentu pula. Adapun besarnya energi ini tergantung pada jarak rata-rata lintasan elektron tersebut terhadap intinya. Adalah mungkin bahwa beberapa elektron walaupun lintasannya berbeda-beda akan memiliki jarak rata-rata lintasan yang sama, sehingga akan memiliki energi yang sama pula. Elektron-elektron yang demikian dikatakan berada dalam satu energi level.

Lintasan elektron-elektron yang berbeda-beda ini dapat dinyatakan dalam beberapa bilangan kuantum, yakni :

1. Principle Quantum Number, n

yang menyatakan adanya beberapa bilangan kuantum elektron terhadap intinya.

n memiliki harga 1,2,3,

2. Orbital/Angular Momentum Quantum Number,

yang menyatakan bentuk lintasan elektron terhadap intinya.

mempunyai harga 0 n - 13. Magnetik Quantum Number, myang menyatakan letak lintasan elektron yang satu terhadap yang lain.

m mempunyai harga - m

4. Spin Quantum Number, msyang menyatakan perputaran elektron terhadap porosnya.

ms mempunyai harga - dan .

Dari kuantum state yang telah disebut diatas terdapat suatu hubungan :

0 n - 1

- m (I.1)

ms =

jadi untuk n = 1 dan m = 0, ms =

n = 2 = 0,1

= 0 m = 0 dan ms =

= 1 m = -1,0,1 dan ms =

dan seterusnya.

Dalam bentuk terminologi spektroskopi dinyatakan dalam huruf, yaitu :

= 0 dinyatakan dengan huruf S

= 1 dinyatakan dengan huruf p

= 2 dinyatakan dengan huruf d

= 3 dinyatakan dengan huruf f

= 4 dinyatakan dengan huruf g

= 5 dinyatakan dengan huruf h

= 6 dinyatakan dengan huruf i

ENERGI ELEKTRON

Seperti yang telah diuraikan di atas, bahwa elektron adalah merupakan bagian dari suatu atom. Istilah atom berasal dari kata Atomas (bahasa Yunani kuno) berarti yang pertama, tidak dapat di bagi.:

1. Teori Atom Demokritus

Demokritus (460 370 SM) menyatakan bahwa atom merupakan bagian terkecil dari benda.

2. Teori Atom Dalton

Dalton (1766 1844) mengemukakan dalam teorinya tentang atom suatu unsur, seperti berikut :

Bahwa atom merupakan bagian terkecil suatu unsur yang tidak dapat dipecah/ dibagi lagi.

Bahwa atom suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain.

Bahwa untuk atom dari unsur yang sama, akan mempunyai berat atom/ nomer massa, ukuran dan massa yang sama.

Bahwa pada reaksi kimia, massa atom sebelum dan sesudah reaksi adalah tetap, selain itu penggabungan dari atom-atom ini mengikuti suatu perbandingan yang tetap (tertentu).

Bahwa bila suatu 2 macam atom membentuk suatu senyawa atau lebih, maka perbandingan atom-atom yang sama pada senyawa tersebut merupakan bilangan bulat yang sederhana, missal 3:2; 3:4 dll.

3. Model Atom Thomson

Setelah penemuan electron yang merupakan bagian dari suatu atom pada tahun 1897, selin itu bahwa suatu atom dalam keadaan normal tidak bermuatan, diguanakan oleh Thomson untuk menyusun teori model atomnya sebagai berikut :

bahwa atom terdiri dari muatan positif yang tersebar merata diseluruh isi atom dan electron-elektron juga tersebar didalamnya, dimana muatan positif atom sama dengan muatan negatif dari elaktronya, sehingga atom menjadi netral.

4. Model Atom Rutherford

Menurut Rutherford, elektron dalam sebuah atom bergerak mengelilingi intinya berbentuk lingkaran. Atom Hidrogen (H) mempunyai satu electron. Electron ini bergerak mengelilingi intinya (berupa lingkaran) dan dapat digambarkan sebagai berikut :

Ek=1/2 (mV2)

Ep= -k

Gambar 1.1

Bagan gaya tarik antara inti dan electron Hidrogen.

Energi electron yang ada dalam lintasannya terdiri dari :

Energi potensial

Ep = - k ..(1-2)

Energi kinetik

Ek = mV2

= x = x k = ..(1-3)

dimana : e = muatan electron = 1,60 x 10-19 Coulomb

r = jari-jari electron terhadap intinya.

K= konstanta = 9 X 109 =

k= gaya tarik antara inti dan electron

yang besarnya = gaya sentrypetal .

Sehingga energi total electron : E = - +

= - .(1-4)

Apabila r besar, maka harga E akan kecil. Oleh karena itu, harga E makin kecil apabila harga r makin besar.

Arus listrik diasumsikan sebagai electron yang bergerak, dimana arahnya berlawanan dengan arah gerakan electron tersebut.

Gambar 1.2

Gerak Elektron dan Arah Gaya Magnit.

Adanya arus listrik, maka akan menimbulkan medan magnit yang arahnya berubah-ubah, maksudnya arah medan pada waktu berada pada titik A (tegak lurus pada bidang gambar yang menuju ke kita), berbeda dengan pada waktu dititik B (tegak lurus pada bidang gambar dan meninggalkan kita).

Jadi akan terjadi medan magnit yang selalu berubah-ubah secara periodic. Electron yang bergerak mengelilingi intinya ini akan menimbulkan gelombang-gelombang elektromaknetik. Dengan perkataan lain electron-elektron ini akan memancarkan energy. Karena memancarkan energi, maka energi electron makin lama makin menyusut, sehingga jari-jari lintasanya akan mengecil. Jadi lintasan electron tidak lagi merupakan lingkaran dengan jari-jari yang sam, melainkan merupakan putaran berpilin yang mendekati intinya, sehingga dikatakan bahwa atom Hidrogen tidak stabil. Hal ini merupakan keberatan yang pertama dari atom model Rutherford. Adapun kedua dapat dijelaskan sebagai berikut :

Bila electron mempunyai lintasan yang makin menciut, maka waktu putaranyapun akan semakin bertambah sedikit.

Sehingga frekwensi gelombang elektromaknetis yang dipancarkanya menjadi bermacam-macam. Jadi atom Hidrogen bukanya menunjukan suatu spectrum yang kontinu (hal ini bertentangan dengan hasil pengamatan dengan spectrometer yang menunjukan garis-garis khas dari atom Hidrogen).

: 3 4

56 78 ~

Spektrum kuantum

5. Model Aton Bohr

Hasil spektrometer menunjukkan bahwa spektrum hidrogen terdiri dari deretan garis-garis yang terpisah-pisah menurut aturan tertentu yang dikenal sebagai deret Balmer.

Niels Bohr (1885-1962) menyusun model atom hidrogen di dasarkan pada model atom Rutherford dan teori kuantum pada tahun 1913 berdasarkan dua postulat, yaitu :

1. Elektron tidak dapat berputar sekitar inti melalui setiap lintasan, akan tetapi hanya melalui lintasan-lintasan tertentu tanpa membebaskan energi. Dimana dalam lintasan ini elektron mempunyai momentum anguler sebesar :

m . V . r = n (1-5)

dimana :

n = bilangan kuantum

h = konstanta plank

2. Sebuah elektron akan menyerap atau memancarkan energi apabila bergerak dari lintasan yang satu ke lintasan yang lain. energi ini berupa suatu foton cahaya sebesar : h.f

(f = frekuensi foton) = (n1 n2) .. (1-6)

dimana :

n1 = bilangan kunatum lintasan elektron awal

n2 = bilangan kuantum lintasan elektron setelah perpindahan

Jadi bila elktron bergerak dari lintasan yang mempunyai energi tinggi berpindah ke lintasan yang mempunyai rendah foton tersebut dipancarkan, apabila terjadi sebaliknya maka foton tersebut akan diserap.

Dari persamaan (1-5) kelihatan bahwa besarnya energi akan berubah pada setiap lintasan dengan

EMBED Equation.3 , dan kecapatannya adalah :

V = , bila dikwadratkan menjadi :

V2 =

r =

V2 =

EMBED Equation.3 Harga konstanta-konstantanya adalah :

m= masa elektron 9 x 10-31 Kg

e = muatan elektron = 1,60 x 10-19 Coloumb

k = konstanta yang besarnya = 9 X 109

h = konstanta plank = 6,62 x 10-34 Joule detik

sehingga untuk harga :

n= 1 jari-jari lintasan elektron

r = 5,28 x 10-11 m

= 0,528 Angstrom

n = 2 r = 4 x 0,528 Angstrom

= 2,112 Angstrom

SUSUNAN BERKALA UNSUR-UNSUR

Bohr dan Stoner menyusun model-model atom berdasarkan pada pola atom hidrogen. Tiap atom tersusun oleh inti atom yang bermuatan positif dengan satu atau beberapa elektron di sekitarnya yang bermuatan negatif.

N = 1

n = 1

n =2

Z = 1

z = 2

z = 3

HIDROGEN

HELIUM

LITHIUM

N = 2

n = 3

n = 3

Z = 10

z = 11

z = 12

NEON

NATRIUM

MAGNESIUM

Gambar 1.4 Skema Bohr dan Stoner untuk beberapa unsure susunan berkala.

Hampir seluruh massa atom terdapat pada intinya. Massaq suatu atom sama dengan bobot atom unsure atom tersebut dikalikan satuan massa atom. Nomor atom Z menunjukan muatan positif inti dan jumlah electron yang mengelilinginya. Atom Lithium, dengan Z=3, mempunyai 3 muatan positif pada inti dan 3 elektron pada kedua lintasanya. Atom Kalsium dengan Z=19, mempunyai 19 muatan positif pada inti dan 19 elektron pada lintasan-lintasanya.

Electron-elektron bergerak pada lintasannya. Menurut model atom Bohr lintasan-lintasan dengan n=1,2,3.dan seterusnya dinamakan kulit-kulit electron. Dimulai dengan Hidrogen, kulit atom unsure-unsur berturut-turuit mempunyai 1 elektron, 2 elektron pada Helium dan seterusnya.

Kulit electron yang pertama, n=1, dikatakan telah penuh apabila mengandung 2 elektron. Kulit yang kedua, n=2, telah penuh apabila mengandung 8 elektron, kulit yang ketiga, n=, penuh apabila terisi 18 elektron dan seterusnya, bila kulit ke n telah terisi 2 n2 elektro, m,aka kulit tersebut telah penuh dan merupakan kulit yang tertutup. Jadi untuk kulit-kulit tertutup berl;aku ketentuan : (table 1.1)

Table 1.1. jumlah electron tertutup dalam tiap kulit.

Bilangan kuantum (n)1234 ..dst

Jumlah electron (2n2)281832

Yang dimaksud dengan jumlah electron pada table 1.1 diatas adalah untuk jumlah electron pada kulit terluar bila dalam keadaan penuh/tetutup. Sedangkan bila setelah dijumlahkan electron-elektronnya, maka sisa elejktron tersebut terletak pada kulit terluar (terbuka) dan electron-elektron sisa inilah mudah keluar dari ikatan intinya bila mendapat pengaruh dari luar. Hal ini dapat dilihat pada gambar 1.4. untuk atom unsure magnesium yang mempunyai 12 elektron, dariu table 1.1 dapat dilihat :

- Pada kulit 1 (n=1) ada 2 elektron.

- Pada kulit 2 (n=2) ada 8 elektron.

Total electron pada kulit 1 dan 2 adalah 10 elektron, ini berarti 2 elektron sisanya berada pada kulit ke 3. perincian jumlah electron pada kulit-kulitnya tersebut diatas juga dapat dihitung dari terminology .

Berikut (table 1.2) diberikan jumlah electron atau nomor atom dari unsure-unsur atom :

Tabel 1.2

Tabel Unsur-unsur Atom

Nomor atomUnsurSimbolDeret atomNomor atomUnsurSimbolDeret atom

1HidrogenH1,00828NikelNi58,71

2SeliumNe4,00329TembagaCu63,54

3LithiumLi6,9430SengZn65,38

4BeralliumBe9,01331GalliumGa69,78

5BaronB10,0232GermaniumGe72,59

6KarbonC12,0133ArsenioAs74,92

7NitrogenN14,0134SeleniumSe78,96

8OksigenO1635BromineBr79,91

9FlourF1936KryptonKr83,8

10NeonNe20,137RubidiumRb85,47

11NatriumNa22,1938StroatiumSr87, 63

12MagnesiumMg24,5839XitriumX..

13AluminiumAi16,9840.

14SiliconSi28,0941Hiobium.

15PosporP30,9842..

16BelerangS32,0743Technetium.

17KhlorCl33,4644101,1

18ArgenA39,4445102,9

19KaliumK39,146108,4

20KalsiumCa40,0647Perak

21SeanidiumSe44,9648Cadmium

22TitaniumTi47,949Indium

23VanadiumV50,9550Timah

24ChromiumCr52,0151

25NanganNn54,9452Tellurium

26BesiFe55,8553Iodiae

27CobaltCo58,9454Xenen

55Casium79Air raksaMg200,6

56Barium80ThalliumTl204,4

5781Timah hitam

58CeriumCe82Eismeth

5983Polonium

60144,384Astatine

61Promethium-14785

6286FranciumFr

63EuropiumEu15287Nadium

64TerbiumTb158,988ActiniumAc

65DyaprosiumDy162,589ThoriumTh

66HolmiumHo164,990Protectinum

67ErbiumEr167,391UraniumU

68Tm168,992NeptuniumNp-237

69YeterbiumYb17393PlutoniumPu-242

70LutetiumLu17594AmericiumAm-243

71HafniumHf178,595CuriumCm-245

72TantalumTa18196BerkeliumBk-249

73Tungsten183,997CaliforniumCf-249

74RheniumRe186,298EinsteiniumEs-253

75OsmiumOs190,299FermiumFm

76IridiumIr192,2100Hendelevium

77PlatinaPt195,1101Hebelium

78EmasAu197

IKATAN ANTAR ATOM DAN ANTAR MOLEKUL

Sebagaimana telah diuraikan didepan bahwa suatu benda terdiri dari molkul-molekul (ikatan atom). Ayom itu sendiri terdiri dari inti (proton) dan electron yang mengelilingi intinya.

Macam-macam ikatan :

1. Ikatan Ionik.

2. Ikatan Kovalen.

3. Ikatan logam.

4. Ikatan-ikatan kombinasi.

5. Ikatan van der Haole.

6. Ikatan Hidrogen.

1. Ikatan Ionik.

Pada atom-atom yang mempunyai kuilit electron tertutup, misalnya atom He dan Be sukar bereaksi, sehingga dikatakan atom dalam dalam keadaan stabil. Sebuah atom cendarung untuk memperoleh atau memberikan elektronya sehingga akan mempunyai kul;it yang tertutup dengan bekerjasama dengan atom lain.

Atom Li yang mempunyai 3 elektron, 2 pada kulit yang pertama dan 2 pada kulit terluar, lebih senang untuk melepaskan 1 elektron yang terluar tersebut. Atom F dengan 9 elektron lebih senang untuk menangkap 1 elektron lagi. Dengan demikian kedua atom ini dapat bekerjasama membentuk molekul LiF dengan memindahkan 1 elektron Li ke F. Ayom Li1+ dan atom F menjadi ion F1-. Ikatan yang timbul ini adalah ikatan elektrostatik atau disebut juga ikatan ion, yang dapat digambarkan sebagai berikut :

( Li ) + ( F ) + .ev ( Li + ) + (y - )

Gambar 1.5

Perpindahan electron pada LiF.

Ion-ion yang terbentuk tarik-menarik secara elektrostatik.

2. Ikatan kovalen.

Atom-atom yang tidak mungkin mengadakan perpindahan electron masih dapat mengadakan ikatan-ikatan dengan cara pemakaian bersama sepasang electron atau lebih, hal ini biasanya dinamakan pasangan electron sekutu. Dan ikatannya dinamakan ikatan kovalen.

Atom Hidrogen hanya mempunyai 1 elektron, sedangkan menurut aturan yang ada, agar atom menjadi stabil memerlukan dua electron pada kulit pertama. Oleh karena itu 2 atom Hidrogen dapat memanfaatkan secara bersama kedua electron yang dimilikinya dan terbentuklah molkul H2, yang dapat digambarkan sebagai berikut :

H +

H

H2Gambar 1.6 Ikatan kovalen pada molekul H2.Pada molekul ini electron sekutu akan mnengitari kedua inti Hidrogen. Untuk mengimbangi gaya tolak listrik antara kedua inti atom Hidrogen, maka electron sekutu tadi lebih sering ada diantara kedua inti dari pada disebelah luar inti-inti tersebut. Bila jarak antara gaya tolak-menolak kedua inti dengan Hidrogen adalah 7,24x10-11m, maka terjadilah keseimbangan antara gaya tolak-menolak kedua inti dengan gaya tarik-menarik inti dengan electron.

Atom-atom unsure lain, misalnya karbonm, silicon germanium juga mempunyai kecenderungan membentuk ikatan kovalen. Perbedaanya pada unsure-unsur ini ialah terbentuknya molekul yang sangat besar yaitu bahan padat. Pada umumnya senyawa kovalen tidak sepadat senyawa ion, molekul-molekul unsure murni merupakan senyawa kovalen.

3. Ikatan logam.

Ikatan yang terjadi pada kristal logam oleh atom-atomnya tidak dapat dikatakan ikatan ion atau kovalen. Pada ikatan ion atau kovalen, electron terikat pada atyom tertentu. Pada logam, kulit terluar atom hanya mempunyai sedikit electron. Electron-elektron tersebut mudsh dilepaskan bebas, dan bergerak bebas meninggalkan ion-ion logam yang bermuatan opositif. Dengan demikian day a ikat yang terjadi seolah-olah terbentuk dari muatan positif ion yang diletakan dalam kabut muatan negative yang homogen\, ikatan seperti ini disebut ikatan logam.

4. Kombinasi ikatan-ikatan.

Ada zat yang atom-atomnya terikat dengan cara lebih dari satu macam, pada Hidrogenchlorida HCL misalnya, electron-elektron valensinya dapat terbagi berdasarkan 2 macam konfigurasi, yakni berdasarkan ikatan ionic dan ikatan kovalen.

H

Cl

H

HCl

Gambar 1.7 Dua alternative bentuk HCL.

Kemungkinan tersebut tergantung pada keadaan. Ikatan ionic lebih banyak terjadi bila HCL ada dalam bentuk larutan, sedangkan ikatan kovalen bila berbentuk gas. Dengan demikian ikatan seperti ini dapat dianggap sebagai kombinasi antara ikatan dan ikatan kovalen.

5. Ikatan Van der Waals.

Ikatan ionic, kovalen dan logam meruoakan ikatan yang kuat. Selain itu ada pula gaya tarik-menarik antar atom yang tidak sebarapa kuat yang dinamakan ikatan Van der Waals.

Kulit atom Helium merupakan kulit tertutup dengan 2 elektron. Demikian pula kulit luar gas mulia lainnya seperti Neon dan Argon mempunyai kulit terluar tertutup dengan delapan electron. Atom-atom gas nulia ini tidak dapat mengadakan ikatan secara kovalen maupun ikatan ion. Atom-atom ini mempunyai ikit gaya tarik-menarik dan pada umumnya tetap bersifat monoton pada suhu biasa. Gas-gas ini baru akan mengembun pada suhu yang sangat rendah. Pengembunan ini meruoakan bukti bahwa ada gaya tarik-menarik antar atom yang lemah.

Ikatan Van der Waals juga terjadi antar molekul, misalnya antar molekul-molekul metana CH. Pada suhu yang rendah zat ini dapat berbentuk padat.

6. Ikatan Hidrogen.

Ikatan antara Hidrogen dengan atom oksigen dari molekul air yang berlainan merupakan daya tarik-menarik antara molekul-molekul, sehingga berhak dinamakan im\katan, yakni ikatan Hidrogen. Ikatan ini tidak hanya terdapat pada air, tetapi juga pada Amoniak NH3,Hidrogenfluorida HF, dan seterusnya.

Ikatan Hidrogen tidak hanya terjadi antara molekul-molekul yang serupa. Amoniak dan Amoniumsuliida sangat mudah larut dalam air, karena ikatan Hidrogen antara molekul-molekul yang berlainan.

BENDA PADAT

Benda padat sebagai molekul raksasa dimana setiap centimeter kubiknya mengamdung sekitar 1023 atom, tentunya akan memiliki berbagai sifat yang tergantung pada ikatan-ikatan electron, atom dan molekul yang membangunnya. Atom-atom pada suatu benda terikat satu dengan lainnya menurut bernagai cara seperti yang telah diuraikan didepan. Misal, garam dapur terdiri atas atom-atom Natrium dan Clor yang terikat secara ionic. Intan terdiri atas atom-atom Karbon yang saling terikat secara kovalen. Kawat tembaga terdiri atas atom-atom tembaga yang saling terikat menurut ikatan logam. Metan padat pada suhu yang rendah adalah merupakan kumpulan atom-atom Karbon dan Hidrogen yang berpasangan secara kovalen dalam molekul CH4 dan kemudian mo;ekul-molekul tersebut saling mengikat dengan ikatan Van der Waals.

Dengan menggunakan sinar cahaya yang mempunyai panjang gelombang antara 4000 s/d 8000 Angstrom, kita tidak akan dapat mengamati bagaimana secara tepatnya atom-atom itu mengatur dirinya dalam molekul raksasa, sebab diperkirakan jarak antara atom-atom dalam zat padat hanya beberapa Angstrom saja.

Sinar X dengan panjang gelombang beberapa Angstrom, jika dikenakan pada zat padat kebanyakan dapat menghasilkan gambar pola-pola difraksi. Hal ini menunjukan keteraturan letak atom-atom tersebut pada zat padat yang bersangkutan.

Ada juga zat padat yang tidak dapat memberikan pola difraksi yang jelas ketika disinari dengan sinar X, misalnya bahan Gelas. Rupanya aturan atom-atom dalam bahan semacam ini tidak serapi bahan kristal. Bahan yang demikian ini dinamakan bahan AMORF (tanpa bentuk).

Selain itu sifat-sifat zat padat ternyata tidak semata-mata ditentukan oleh atom-atom pembentuknya. Kristal Intan misalnya, terdiri atas atom-atom Karbon yang tersusun menurut aturan tertentu, bahan ini terkenal sangat keras dan berwarna bening, sehingga merupakan batu perhiasan yang sangat mahal harganya. Di lain pihak, Arang juga terdiri atas atom-atom Karbon akan tetapi warnanya hitam, tidak keras dan mudah sekali dibuat sehingga harganya murah. Dari penyelidikan sinar X ternyata bahwa kristalarang mamiliki struktur kristal Intan. Hal ini menunjukan bahwa betapa perubahan cara mengatur atom saja dapat merubah bahan padat. Saat ini sudah terdapat intan-intan buatan yang berasal dari arang dimana letak atom-atom karbonnya diatur sehingga menjadi aturan intan.

E

Allowed band

Gap

Forbidden band

Allowed band

Gambar 1.11 Diagram pita energi pada suatu benda.

Keterangan gambar :

1 Masing-masing pita energi menunjukan bahwa disitu boleh terdapat electron (ada quantum state electron) akan tetapi belum tentu ada. Pita energi yang demikian disebut ALLOWED BAND.

2 Antara allowed band dipisahkan oleh celah atau gap. Didalam celah ini tidak boleh ada electron. Energi gap atau celah energi demikian ini disebut FORBIDDEN BAND.

Electron yang terdapat pada benda padat dapat dibedakan dalam 3 keadaan :

1 Elektron bebas.

Artinya electron yang bebas bergerak dari satu atom ke atom yang lain, yang dapat digambarkan sebagai kabut electron yang mengelilingi atom. Benda padat yang demikian (yang mempunyai electron bebas) mudah menyalurkan arus listrik.

2 Elektron konduksi.

Electron konduksi adalah electron bebas yang dihasilkan oleh karena adanya pengaruh dari luar (dapat berbentuk panas dan sebagainya). Semi konduktor.

pita valensi

_

electron konduksi

+

muatan positif

hole

pita valensi

Gambar 1.12 Proses terjadinya electron konduksi.

3 Elektron tak bebas.

Electron ini tidak mudah lepas dari ikatan intinya, walaupun terdapat ekstasi dari luar. Biasanya electron tak bebas ini terdapat pada benda padat (metal) dengan hantaran listrik yang kecil atau sering disebut juga bahan isolator.

Jadi suatu energi band (pita energi) selalu mengandung pita valensi dan allowed band yang berada diatasnya yang disebut pita konduksi.

Dengan mempelajari diagram piuta energi ini, maka dapatlah ditentukan apakah suatu bahan termasuk dalam keluarga bahan penghantar, penyekat atau bahan semi konduktor.

Keterangan :

C.B: Conduct band

F.B: Forbidden band (celah)

V.B: Valensi band

O.L: Over laping

Penjelasan :

1. Bahan konduktor/penghantar.

Pada diagram pita energi bahan konduktor (gambar diatas) tidak terdapat celah energi/fprbidden band, dan bahkan terdapat over lapping (tumpang- tindih) antara pita konduksi dan pita valensi, sehingga dengan mudah electron bebas dapat berpindah dari pita valensi kepita konduksi. Oleh karena itu bahan konduktor mempunyai banyak sekali pembawa muatan.

2. Bahan semi konduktor.

Energi gap pada bahan semi konduktor (gambar 1.12b) adalah kecil sekali, dengan adanya celah ini meskipun kecil maka electron yang terdapat dalam pita valensi tidak dapat berpindah kepita konduksi. Apabila temperaturnya dinikkan, maka terdapat sejumlah kecil electron pada pita valensi yang berpindah ke pita konduksi (karena adanya petambahan temperature akan menimbulkan tenaga termis yang cukup untuk dapat memindahkan/mengeluarkan electron dari ikatannya), dan bertugas sebagai pembawa muatan.

3. Bahan isolator.

Pada bahan isolator (gambar 1.12c) terdapat celah energi besar sekali, sehingga electron yang terdapat pada pita valensi sulit untuk dapat berpindah kepita konduksi meskipun temperature dinaikkan. Oleh karena itu pada pita konduksi tidak terdapat pembawa muatan.

Klasifikasi Berdasarkan penggunaannya, maka bahan listrik dapat dibedakan atas 6 (enam) macam yaitu :

1. Bahan penghantar (konduktor).

Bahan penghantar (konduktor) adalah bahan yang mempunyai sifat menghantarkan arus listrik dengan baik.

Dapat dipergunakan untuk memindahkan/menyalurkan energi listrik.

Tahanan listriknya tidak begitu besar.

Electron bebasnya dapat bergarak cepat sekali, pada temperature kamar harganya sekitar 100 km/detik.

Bila bergerak tidak dalam pengaruh dalam beda potensial, maka gerakannya tidak beraturan dan bila dalam pada potensial, maka akan terjadi Drift velocity (kecepatan mengalir) dari electron dengan rumus :

Vd= -E ..(1-8)

Dimana : Vd = drift velocity (cm/dt)

= mobilitas

E = Kuat medan listrik (Volt/cm)

Resistivitynya sekitar 10-2 Ohm-cm.

2. Bahan isolator.

Bahan isolator adalah bahan yang sulit menghantarkan arus listrik.

Electron-elektron pada bahan ini sulit bergerak bebas, karena terikat oleh inti atomnya.

Tahanan listriknya besar sekali.

Resistivitynya sekitar 1012 Ohm-cm.

3. Bahan super konduktor.

Bahan super adalah bahan dimana pada temperature yang rendah 4,50 K tahanan listriknya berubah (turun).

4. Bahan semi konduktor.

Bahan semi konduktor adalah bahan yang pada keadaan biasa/temperature kamar sulit untuk menghantar/menyalurkan arus lisatrik, tetapi bila ada pengaruh dari luar sifatnya berubah menjadi mudah/menghantar/menyalurkan arus listrik.

5. Bahan magnetic.

Bahan magnetic adalah bahan yang dapat mempunyai sifat magnit.

Sifat magnit ini, ada yang dari asalnya, ada yang karena pengaruh luar.

Dapat menyalurkan garis-garis gaya magnit.

6. Bahan struktur.

Bahan struktur adlah bahan yang dipergunakan sebagai penunjang atau ada kaitanya dengan pemakaian aliran listrik.

BAHAN PENGHANTAR

Definisi adalah suatu bahan yang digunakan sebagai pembawa aliran listrik.

Hal-hal penting:

Daya hantar listrik (electrical conduktivity)

Daya hantar panas (thermal conduktivity)

Sifat mekanis

Kemampuan menghantarkan listrik

Karakteristik penghantar:

1. Karakteristik Listrik

Tahanan (R):

Tahanan listrik adalah suatu besaran yang menyatakan adanya hambatan dari bahan penghantar dalam menyalurkan aruslistrik.

Besarnya tahanan listrik tergantung pada:

Tahanan jenis () mm2/m

Panjang saluran () m

Luas penampang saluran (A) mm2 Temperatur saluran

Konduktifitas tergantung pada kemurnian bahan

a. Pengaruh temperatur pada tahanan

Untuk bahan murni

Tahanan listrik suatu penghantar murni akan naik bila temperatur naik.

R2 = R1 { 1 + ( t2 t1 ) }

= koefisien suhu 0,004 Untuk bahan campuran

Pertambahan tahanan listrik relatif kecil dengan pertambahan temperatur.

Misalnya : Eureka (Cu (60 %) & Ni (40 %)); = 0,00001

Konstantan, Nikrom (Ni Cr)

b. Pengaruh Skin Effect

Definisi : suatu fenomena yang terjadi pada bahan penghantar dimana terdapat distribusi kerapatan arus yang tidak merata pada penampang bahan penghantar yang dialiri arus AC yang tergantung pada frekuensi.

Sebab-sebab terjadinya skin effect :

Distribusi kerapatan arus yang merata hanya terjadi pada rangkaian yang dialiri arus searah.

Pada rangkaian arus bolak-balik terjadi flux yang menyebabkan induksi diri, tegangan induksi diri tidak merata pada penampang konduktor diri dan tegangan induksi / imbas menenatang perubahan arus yang menimbulkanya sehingga kerapatan arus yang lebih tinggi terdapat lebihdekat pada permukaan.

Karena induktansi pusat lebih besar daripada di luar, maka makin jauh dari pusat, induktansi makin kecil, makin tinggi frekuensi dan makin besar diameter serta permeabilitas dari konduktor, akan makin besar pula perbedaan tegangan yang terjadi antara pusat pusat dan permukaan.

Akibatnya :terdapat peningkatan resistansi efektif atau seolah-olah penampang konduktor mengecil.

Cara mengatasi : -frekuensi kerja direndahkan.

- diameter penghantar diperkecil ( stranded.

-bahan dipilih yang mempunyai permeabilitas kecil.

Flux = medan magnet yang menembus suatu media (0) pada suatu luasan tertentu

2. Karakteristik Mekanis

Adalah kemampuan yang harus dipunyai bahan listrik terhadap segala gaya atau tekanan / tarikan yang ada padanya.

Kekuatan tarik akan naik dengan bertambahnya jumlah campuran.

Kekuatan tarik ( kg/mm2Kekuatan : adalah ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkanatau merusak bahan.

Kekuatan tarik : suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimal dengan luas penampang mula.

3. Kapasitas penyaluran arus

Adalah kemampuan penghantar untuk dialiri arus listrik tanpa mengakibatkan perubahan bentuk / terjadinya panas yang berlebihan.

4. Daya hantar panas

Adalah jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap satuan waktu:

kkal/m.jam.oC

5. Timbulnya daya elektromotoris thermo

Adalah daya elektromotoris yang terbangkit oleh perbedaan panas.

Sifat ini penting pada kontak yang terbuat dari bahan yang berlainan.

Setiap logam mempunyai muai panjang yang berbeda.

Bila dua bahan yang berlainan disatukan menjadi bimetal dan dipanasi akan melengkung ke arah logam yang mempunyai muai panjang lebih kecil.

Jenis-jenis penampang penghantar

Bulat

Segi empat ( tebal dan tipis )

Kanal

Stranded

Sesuai pesanan

BENTUK BAHAN KONDUKTOR

Padat

Cair

Gas

Bahan konduktor berbentuk padat

Tembaga :

Sifat listrik : cu lunak0,015890,01742 mm2/m

cu kasar0,0160

0,0177

mm2/m

Sifat fisik : Daya hantar panas 0,93 cal/cm.sec.0C.

Tahan korosi sampai suhu yang tidak terlalu tinggi.

Titik lebur 1080 0C.

Sifat mekanik : - Kekuatan tarik cukup tinggi 40 s/d 50 kg/mm2

Kekuatan tarik akan turun bila temperatur naik

Tembaga keras: bila dikehendaki tegangan tarik yang tinggi, kekerasan & daya tahan terhadap kerusakan.

Tembaga lunak: bila dipentingkan lenturnya.

Penggunaan :

Sebagai penghantar pada inti kabel, Kumparan generator, trafo, motor dsb.

Sebagai pengukur temperatur (thermocouple): Cu 56 % & Ni

Vm

Campuran tembaga ( untuk memperbaiki sifat mekanis, namun konduktivitasnya menurun.

Misal : -Timah ( perunggu / bronze

Nikel ( konstantan

Mangaan & Ni ( manganin

Aluminium ( duralium

Seng (Zn) ( kuningan / braso

Aluminium

Sifat listrik :0,0262

0,0287

mm2/m

Sifat fisik : - Daya hantar panas0,5 cal/cm.sec.0C

Daya tahan terhadap korosi lebih besar daripada tembaga

Berat jenis 13 lebih kecil dari tembaga

Al tidak baik dipatri tetapi dapat dilas

Titik leburnya 660 cSifat mekanik : -Kekuatan tariknya lebih rendah dari tembaga 15 23 kg/mm2 dan bila dipanaskan kekuatan tariknya turun

Mudah dikerjakan dibengkokkan dan dipres.

Penggunaan :

Sebagai penutup transistor, karena daya hantar panas yang cukup rendah

Sebagai pelindung dari peralatan terhadap radiasi gelombang elektromagnet, karena Al termasuk bahan non magnetis

Sebagai kawat jaringan & inti kabel, karena ringan & daya hantar listriknya tinggi :

Daya hantar listrik 65 % dari Cu pada kemurnian 99,5 %

Untuk penguat digunakan baja ( 46 360 kg/mm2) (ACSR

Sebagai rotor motor asinkron jenis squirrel cage,

Dll.

Campuran Al :

Cu, Si, Mn, Mg

Bahan-bahan campuran :

1. Kuningan / Braso : adalah merupakan campuran / Alloy Cu dan Zn

Sifat-sifatnya : - = 0,09 mm2/m

Warnanya kuning

Tegangan tariknya 23 s/d 40 kg/mm2 (cukup besar)

Lebih murah dari Cu murni

Mudah dikerjakan walau dalam keadaan dingin

Kurang cocok dipakai di udara terbuka, karena keretakan akibat tarik-tekan

Titik leburnya 900 0C

Penggunaan : - Jarang dipakai sebagai penghantar, karena rendah

- Sebagai penyalur gelombang UHF

2. Perunggu / Bronze : merupakan bentuk sederhana dari Alloy Cu & Sn (Timah)

Sifat-sifatnya : - = 0,178 mm2/m (lebih besar dari kuningan)

Titik leburnya 1040 0C

Tegangan tarik 20 s/d 40 kg/mm2

Tahan terhadap korosi

Penggunaan : - Jarang dipakai sebagai penghantar, kecuali bila sifat tahan korosi yang diutamakan

- Sebagai hantaran-hantaran halus / sinyal-sinyal lemah (telegraph), telephon & kawat untuk keamanan pada KA

Klasifikasi Penghantar1. Berdasarkan susunan material

Kawat dari logam murni (baik logam lunak (soft drawn) maupun logam keras (hard drawn))

Kawat dari logam campuran, misalnya: AAAC, ACAR (sifat-sifat baru)

Kawat dari logam paduan, misalnya: ACSR (sifat-sifat tetap)

Ad. Campuran : secara kimiawi timbul sifat baru

Ad. Paduan : secara fisik masing-masing tetap mempunyai sifat awal

2. Berdasarkan susunan kawat / penampang

Kawat pejal (solid)

Kawat berlilit (stranded)

Kawat berongga (hollow)

Kawat serabut

a. Kawat pejal (solid)

Adalah kawat tunggal yang padat (tidak berongga) dan berpenampang bulat.

Umumnya berpenampang s/d 10 mm2.

Lebih fleksibel dalam mengerjakan/pemasangan

b. Kawat berbilit (Stranded)

Bila di kehendaki penampang yang lebih besar (>10 mm2), maka digunakan susunan berlilit umumnya terdiri 7 s/d 6 buah kawat tunggal, yang dililit, menjadi satu.

+ untuk mengurangi Skin Effect

c. Kawat berongga (hollow)

Adalah kawat berongga yang dibuat dengan tujuan untuk :

mendapatkan garis tengah luar konduktor yang lebih besar, sehingga pendinginnya lebih sempurna dan untuk didapatkan sifat kekakuan, misalnya : pada bus bar G1.

d. Kawat serabut

Adalah kawat inti kabel

+ untuk mengatasi Skin Effect

Corona :

Beberapa masalah yang di timbulkan oleh penerapan tegangan tinggi:

Isolasi penghantar dan peralatan

Gejala korona RI

Power loss/hilang korona

Masalah keamanan terhadap hewan, manusia, dan lingkungan.

Corona : - Sinar/pijaran di sekitar konduktor tegangan tinggi

Merupakan fenomena ioninasi yang terjadi di dalam rongga pada struktur isolasi

Suatu fenomena pelepasan muatan yang berkaitan dengan kondisi isolasi

Proses terjadinya korona

Bila dua kawat sejajar yang penampangnya kecil (dibanding jarak antara kedua kawat tersebut) diberi tegangan AC, maka korona dapat terjadi:

a. Secara visual :

Bila tegangan dinaikkan maka corona terjadi secara bertahap:

I. Kawat kelihatan bercahanya

Mengeluarkan suara mendesis

Berbau ozon

Warna cahayanya ungu muda

II. Bila tegangan dinaikkan terus.

Karakteristik di atas makin nyata

Cahaya makin terang.

III. Bila tegangan terus dinaikkan

Terjadi busur api sehingga timbul panas & rugi daya

b. Secara fisis :

Corona terjadi karena adanya ionisasi dalam udara, yaitu adanya kehilangan electron dari molekul udara.

Oleh karena lepasnya elektron, maka apabila di sekitarnya terdapat medan listrik, elektron-elektron bebas mengalami gaya yang mempercepat gerakannya sehingga terjadi tabrakan dengan molekul-molekul lain akibatnya timbul elektron-elektron baru.

Proses ini berjalan terus menerus & jumlah elektron menjadi berlipat ganda.

Ionisasi mengakibatkan redistribusi (pembagian) tegangan bila redistribusi tegangan yang terjadi sedemikian rupa, sehingga gradien udara di sekitar dua kawat lebih besar dari gradien udara normal maka akan terjadi lompatan api.

Gradien tegangan yang dapat menimbulkan ionisasi kumulatif di udara normal (250C, 760 mmHg) adalah 30 kV/cm.

Hilang daya corona menurut PEEK:

dimana :

f : frekuensi (Hz)

r : jari-jari konduktor (cm)

D : jarak antara konduktor (cm)

V : tegangan fasa (kVrms)

Vd: tegangan distruptis kritis (kVrms) terhadap netral

Utk cuaca baik :

Utk cuaca buruk :

mo merupakan faktor tak tentu :

= 1,0untuk konduktor yang permukaannya halus

= 0,93 0,98untuk konduktor yang permukaannya kasar

= 0,83 0,87untuk konduktor yang permukaannya berlilit 7

= 0,80 0,85untuk konduktor yang permukaannya berlilit 15,37 & 61

Untuk mengurangi masalah corona, maka perlu diperhitungkan:

Jari-jari konduktor

Perbandingan D & r

Faktor permukaan

Serat Optik (optic fibre)

Keuntungan : - dimensinya kecil, ringan

bebas interference elektromagnetis

tidak ada loncatan bunga api

tidak terdapat hubung singkat

kemungkinan terjadinya percakapan silang

tahan terhadap pengaruh kimia

Kerugian : - terdapat daya absorbsi cahaya

terdapat kebocoran & cacat permukaan pada belokan yang tajam

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam serat optik

komposisi

- harus dapat dibuat panjang, tipis, fleksibel

struktur

- transparan ( dapat menyalurkan cahaya dengan efisien

indeks bias

- indeks bias antara inti & pelapis n2 < n1 pemrosesan

Bahan serat optik :

gelas

silika (campuran Si & Cl)

plastik

Hukum Snell

n1 Cos 1 = n2 Cos 2

mis: 2 = 0 ( Cos 2 = 1

maka 2 = 1 = arc Cos n2 / n1

Bahan konduktor berbentuk cair :

Proses penghantaran melalui zat cair disebut Elektrolisis

Penghantarnya disebut elektrolit

Proses hantaran arus dalam zat cair dinyatakan dalam :

Banyaknya perubahan (zat) yang dihasilkan pada elektroda-elektroda dalam sebuah sel elektrolitis berbanding dengan jumlah jumlah muatan listrik yang mengalir melalui zat elektrolisannya.

Secara matematis dinyatakan dalam kesetaraan kimia listrik :

Z = kesetaraan zat kimia

W= berat elemen yang melekat ( m gram)

t = detik

Q = muatan listrik (Coulomb) ( 1 C = 628.1016 elektron

1 C = 1 A * 1 dt

Nama BahanZUnsur KimiaNilai

Aluminium0,0936Perak1,118

Besi0,289Air Raksa2,072

Emas0,681Nikkel0,304

Tembaga0,329Air0,0104

Timbal1,072SO4 (Sulfat)0,4975

Seng0,3357

Air Raksa (Hg)

Merupakan logam dalam keadaan cair pada suhu kamar

Sifat-sifatnya : - dapat melarutkan hampir semua logam lain, kecuali platina, nikel dan besi

berat jenis 13,6 (logam berat)

titik beku 39 0C

titik didih 357 0C

= 0,93 mm2/m

koefisien suhu tahanan = 0,00027

mudah dioksidasi, jika dipanasi dalam udara

uapnya beracun

Penggunaan : - sebagai penyearah

sebagai gas lampu

sebagai penghubung

Asam Sulfat (H2SO4)

Adalah zat cair yang kental

Sifat-sifatnya : - tidak berwarna

higroskopis

merupakan asam kuat

Penggunaan : - pengisi aki : Air 90 % & H2SO4 10 %

pembersih logam

Perak Nitrat (AgNO3)

Sifat-sifatnya : - jika terkena sinar matahari menjadi hitam

warna seperti perak

Penggunaan : - sebagai saklar pilih

sebagai elektrolit dalam penyepuhan logam dengan perak

Elektrolit

1. Elektrolit kuat : asam & basa kuat, garam

2. Elektrolit lemah : sam & basa lemah, air

Penggunaan : Batteray

Bahan konduktor berbentuk gas

Gas sebagai penyalur electron

t = 0 (open) : Vk = Vs ; VL = 0

t0 s/d t1 (close) : Vk = 0 ; Vs = VL

VL = L di/dt ; I = VL . t/L

t2 (open) :

di/dt = i/t = i2 i1 / t2 t1maka VL = V. di/dt =

Penggunaan pada lampu penerangan ( Mercury, TL, dll

Tidak semua gas sebagai penghantar : Argon, biru, dsb

Neon, jingga

He, putih

Fungsi menjaga agar filamen tidak cepat putus.

BAHAN TAHANAN

Adalah bahan yang mempunyai perlawanan jenis yang besar / penghantar yang sulit mengalirkan arus listrik

Pemakaian bahan tahanan digolongkan menjadi :

Untuk Tahanan dan Rheostat :

Sifat-sifat harus dimiliki : - Tahanannya tinggi

Koefisien suhu tahanan () kecil

Daya elektromotoris thermo kecil

Untuk peralatan pemanas :

Sifat-sifat harus dimiliki : - Dapat menghasilkan panas yang tinggi

Tahan panas

Bahan-bahan Tahanan :

1. Karbon :

Sifat-sifatnya : - = 0,4 s/d 0,5 mm2/m

warnanya hitam

tidak lumer & tidak larut

tahan pada gesekan / tekanan mekanis

bila dipanasi pada temperatur tinggi menjadi grafit

tahan terhadap kejutan thermal

ringan

grafit : = 0,25 dari karbon

untuk memperbaiki konduktivitas dicampur dengan Cu, Brass, Bronze

Penggunaan : - elektrode elemen kering

sikat-sikat komutasi

slip ring

2. Wolfram :

Sifat-sifatnya : - pada 200C = 0,0505 mm2/m

warna putih keabu-abuan (logam berat / padat linier : 19,3)

titik cair & didih 3900 0C (tertinggi) & 56300C

Ts = 590.000 psi

Penggunaan : - bahan pemotong / pelubang

filamen lampu pijar

campuran bahan kontak

bagian elektroda tabung elektron

3. Timbal / timah hitam (Pb)

Sifat-sifatnya : - 7 % dari Cu

mempunyai berat jenis yang tinggi

sangat lunak & mudah dikerjakan

titik leburnya 300 0C

tegangan tariknya rendah

Penggunaan : - sebagai elektroda akumulator

sebagai pembungkus kabel

campuran solder

untuk sekering

4. Nikkel (Ni)

Sifat-sifatnya : - 7 % dari Cu

Daya tahan terhadap karat besar

Warna putih seperti perak, keras & sukar mencair

Tidak cair 1455 0C

Penggunaan : - kebanyakan dipakai sbg tahan dengan campuran :

Carbon, Cooper, Chrom, Si, dsb

Rheostat & Elemen pemanas

Campuran-campuran Nikel (Nikkel Alloy)

5. Nikkel Chromium Alloy (Ni Cr)

Sifat-sifatnya : - tinggi 1,05

koefisien temperatur rendah

tahan oksidasi (sampai 1100 0C)

tahan korosi

Penggunaan : - sebagai elemen pemanas (80 % Ni & 20 % Cr)

6. Ferro Nikkel Alloy (Fe Ni)

Sifat-sifatnya : - lebih rendah dari Ni - Cr

ketahanan korosi < Ni - Cr

lebih murah dari Ni -Cr

Penggunaan : - tahanan daya kecil

tidak dapat sebagai elemen pemanas

7. Cooper Nikkel Alloy (Cu Ni)

Sifat-sifatnya : - = 0,47

perubahan R relatif kecil dibanding perubaahan temperatur (konstantan) Cu 60 % & Ni 40 %

Penggunaan : - sebagai komponen alat ukur yang presisi

sebagai thermo couple (Cu Fe & Ni Cr)

8. Cooper Mangan Nikkel Alloy (Manganin)

Sifat-sifatnya : - = 0,45

cepat beroksidasi pada suhu tinggi

Penggunaan : - sebagai tahanan alat ukur

9. Cooper Nikkel Zink Alloy (Nikellin)

Sifat-sifatnya : - = 0,42

warna putih perak

Penggunaan : - sebagai elemen panas

10. Resistor

Tahanan yang peka terhadap pengaruh suhu : R2 = R1 (1 + (t2 t1))

V = VL + VR = L. di/dt + iR

V = di/dt + iR/L

Arus : Iss (steady state) ; I = konstan

di/dt = 0

V = 0 + iR/L ( I = V/R

itr (transient) ; V = 0

O = di/dt + iR/L

i = Ae R/L . ti total = V/R + Ae R/L . tBAHAN KONTAK

Pemutusan :

i terbelakang terhadap V

Syarat-syarat bahan kontak

Harus cukup kuat terhadap gaya mekanis

Harus cukup kuat terhadap arus yang mengalir

Harus tahan terhadap tegangan kerja

Tahanan jenis harus kecil

Dapat bekerja dengan baik dimana saja

Tahan terhadap korosi

Titik cair cukup tinggi

Faktor-faktor yang mempengaruhi tahanan kontak

Tahanan jenis dari bahan kontak

Lapisan permukaan dari bahan kontak

Tekanan yang dikenakan, karena hal ini berpengaruh terhadap luas kontak efektif yang dialiri arus

Karakteristik dari Tahanan Bahan Kontak

Bila suatu bahan kontak beroksidasi (berkarat) yang pada umumnya terjadi pada lapisan permukaan kontak, maka tahan kontak akan bertambah besar sampai beberapa kali

Bila dua kontak yang sebelumnya telah beroksidasi, disatukan dengan memberikan tegangan, maka tahanan kontak akan berkurang dengan bertambahnya arus, karena oksidmetal mempunyai karakteristik tahanan jenis yang negatif

Bahan-bahan kontaktor listrik

1. Tembaga : mirip bahan kontak yang baik karena

Murah

() tahanan jenisnya rendah

Kapasitas panas cukup tinggi

Kekuatan mekanis cukup tinggi

Kelemahan : mudah beroksidasi dengan zat asam

2. Perak : cukup baik bahan kontak terutama untuk arus yang kecil

rendah

Lambat beroksidasi

Pada temperatur di atas 2000C oksida perak berubah menjadi perak murni

Lebih tahan lama untuk arus yang kecil daripada CU

Kelemahan :

Lebih mahal dari CU

Kapasitas panas lebih rendah dari CU

Lunak

3. Tungsten : sabagai bahan kontak yang baik bila dicampur dengan perak, namun pemakaiannya terbatas

Sebagai kontak penyala dengan arus > 1

- Banyak dipergunakan karena merupakan bahan magnetic yang mempunyai sifat mudah dimagnetisasi.

Bahan Ferromagnetik adalah bahan dimana polarisasi magnitik terjadi dengan sendirinya pada keadaan Sub lattice/sisi-sisi yang sama

Polarisasi pada sebuah Sub lattice menjadikan atom-atom bahan searah atau parallel secara keseluruhannya. Bahan yang mempunyai sifat magnit permanent dipolenya berinteraksi sedemikian rupa sehingga searah atau parallel. Bahan yang demikian di sebut bahan ferromagnetic.

Apabila dipole-dipole yang berdekatan cenderung untuk parallel tetapi tak searah atau berlawanan arahnya (anti parallel), bahan tersebut dinamakan bahan anti atau bahan ferromagnetik

Bahan ferromagnetik terbagi atas 2 macam :

Bahan magnit keras atau magnit permanent

Bahan magnit lemah atau sofl magnetic

dibagi atas 4 macam

Soft ferrite

Hard ferrite

Square leap Ferrite

Microwave Ferrite

Bahan ferromagnetic dalam perdagangan :

1. Besi murni dengan kadar 99,83% Fe

Sifat

: - Kejenuhan sangat tinggi

- mempunyai lengkung hysterisis yang baik

Penggunaan : - Untuk kutub-kutub dari mesin-mesin arus searah

- Untuk rele jatuh lambat

2. Baja yang mempunyai karbon rendah;

Sifat

: - Permeabilitas tinggi

- kerugian hysterisis rendah apabila dibandingkan dengan besi dan baja tuang

Penggunaan: - Untuk solenoida arus searah

- Rem magnit

- Kopling magnit pada traksi listrik

3. Baja Tuang

Sifat

: - kerugian hysterisis

Penggunaan: - Untuk rumah mesin

4. Baja silicon (dalam bentuk :electrical sheet)

Sifat: - Mempunyai resistivity cukup besar, karena dalam bentuk lembaran maka kerugian besi yang hysterisis dan arus Eddy akan menjadi kecil

Penggunaan

: - Bahan inti trafo

: - Bahan jangkar mesin listrik

2. Bahan Paramagnetik

- Bahan Paramagnetik adalah bahan yang dapat mengalirkan garis-garis gaya magnit tetapi tidak banyak

- Mempunyai magnetic permeability sedikit lebih besar dari 1. Contoh Al, Pb, Mn, Cr.

- Bahan yang atomnya mempunyai banyak permanent magnetic dipole, tetapi mempunyai 1 susunan seperti gambar diatas disebut bahan paramagnetic

Interaksi antar dipole yang berdekatan dapat diabaikan penggunaan bahan paramagnerik :

Untuk memperkecil pemanasan sebagai akibat adanya kerugian arus pusar/Eddy

Untuk memperkecil pengaruh/ menutup alat-alat yang tidak boleh terkena gelombang elektro magnetic, misalnya sebagai shielding (parsial) pada alat-alat elektronik

3. Bahan Diamagnetik

- Bahan Diamagnetik adalah bahan yang sukar menyalurkan garis gaya magnit

- mempunyai magnetic permeability sedikit lebih kecil dari 1

- Bahan Diamagnetik merupakan bahan yang tidak mempunyai permanent megnetik dipole

- contoh: Bi (Bismut)

- Penggunaan : Sebagai alat untuk pengukuran fluks magnet

4. Bahan non magnet

Bahan non- magnetic adalah bahan yang tidak dapat dipengaruhi oleh magnet dan tidak dapat di buat menjadi magnit. Contoh : gelas, kertas, kayu, nomag, k-mol. Karena bahan diagmanetik sukar dipengaruhi ileh magnet, maka sering kali bahan diagmanetik dimasukkan dalam golongan bahan non-magnetik

Teori Tentang Magnet

Menurut teori Weber

Semua benda terdiri dari moleku-molekul, dan melekul tersebut merupakan bahan magnetic yang sangat kecil yang disebut magnet elementer

Untuk benda-benda yang bukan magnit, letak magnit-magnit elemeter ini tidak menentu (tidak teratur), sehingga mereka saling menetralkan yang mengakibatkan benda tidak lagi mempunyai gaya tarik atau gaya tolak yang berarti. Pada batang magnit letak magnit-magnit elementer adalah teratur dan mengarah satujurusan sehingga satu sama lainnya saling memperkuat. Hal ini mengakibatkan batang magnit mempunyai gaya tarik atau gaya tolak pada kutub-ktubnya(ujungnya) yang cukup kuat

Menurut Weiss

Weiss merupakan teori magnit dengan menggunakan teori electron. Menurut Weiss, tiap-tiap atam benda terdiri dari inti dan electron-elektron yang beredar mengelilingi intinya menurut garis lintasan edarnya (orbitnya). Selain electron-elektron ini berputar mengelilingi inti menurut garis edarnya, juga berputar sekeliling sumbunya mesing-masing. Pada sumbu-sumbu electron terdapat kutub-kutub magnit elementer yaitu kutub utara dan selatan. Perputaran elektron-elektron menurut sumbunya ada yang positif dan ada yang negative, artinya arah perputaran itu ada yang searah dengan jarum jam ada pula yang berlawanan arah.

Selanjutnya perputaran electron menuryt sumbunya disebut putaran electron. Untuk punter-puntiran searah electron yang tidak searah, letak poros-poros electron tidak tyeratur, sehingga saling memperlemah (menetralkan) satu dengan lainnya. Didalam atom itu sendiri terdapat kelompok-kelompok electron yang mempunyai puntiran electron searah, akan tetapi pada orbit sebelah luar juga sering terdapat electron-elektron bebas yang meloncat kian kemari, sehingga diluar terasa adanya magnit.

Kelompok-kelompok electron yang mempunyai puntiran searah disebut kompleks Weiss atau kelompok Weiss dan ini akan merupakan magnit-magnit kecil yang agak kuat dalam atao-atom benda.

Bahan-bahan ferromagnetic mudah dipengaruhi oleh magnet dan mempunyai sifat arah puntiran electron-elektronnya mudah disearahkan. Sifat yang sedemikian itumenyebabkan bahan ferromagnetic mudah dipengaruhi oleh magnet luar. Diantara bahan-bahan yang sudah dijadikan magnit ada yang mudah kembali atau hamper tidak dapat kembali seperti semula. Kekuatan untuk menyerahkan puntiran electron seperti semula disebut gaya kuersitif (Coercive force).

Gaya Kuersitif besi lunak dan plat-plat dynamo lebih besar daripada baja atau logam campuran seperti baja-kobalt. Hal ini berarti pula bahwa gaya tolak-menolak atau tari-menarik kutub-kutub electron besidan plat dynamo juga lebih besar.

Rugi-rugi besi pada bahan magnetic

Rugi-rugi besi pada bahan magnetic (ironis loss) adalah besarnya kerugian daya yang dinyatakan dalam watt (kadang-kadang dalam watt/kg atau watt/Cb) yang terjadi pada bahan-bahan magnetic, karena induksi yang berubah-rubah.

Rugi-rugi besi ditentukan oleh 2 komponen utama yaitu :

1. Rugi histerisis (Ph)

2. Rugi arus pusar/rugi arus eddy (Pe)

1. Rugi histerisis

Seperti apa yangt telah didapatkan dari fisika listrik, bahwa apabila batang besi atau batang dari bahan magnetis lainnya yang diletakkan didalam medan magnet atau didalam lilitan ampere akan terjadi magnetisasi jadi didalam medan magnet atau didalam lilitan ampere terdapat gaya pemagnitan, dimana besarnya gaya pemagnitan nini tergantung pada jumlah gulungan atau arus yang melewatinya. Gambar disamping menunjukkan gaya pemagnitan(intensitas medan magnit) H yang merupakan sumbu datar dan sumbu tegaknya menunjukkan magnetisasi atau induksi. Makin besar intensitas medan magnet H, makin besar pula induksi magnit B, akan tetapi pada suatu titik tertentu perubahan induksi magnit B tidak tampak meskipun H harganya bertambah besar, titik dimana harga B tetap besar meskipun harga H diperbesar disebut titik jenuh magnetisasi.

Jadi apabila suatu bahan magnitis diberikan [adanya gaya pemagnetan (intensitas medan magnit) H (mulai dari 0) dan gayanya di perbesar sehingga mencapai titip P1, maka induksi B juga akan bertambah sampai titik Q1, apabila gaya pemagnetan di balikkan arahnya untuk menghilangkan induksi, maka magnetisasinya makin lama makin berkurang. Pada kenyataannya pada saat gaya pemagnetannya sudah mencapai 0, pemagnetisasi belum hilang sama sekali, melainkan masih ada yang tertinggal, magnetisasinya yang masih tinggal ini di sebut remanensi magnet ( dalam gambar di atas dinyatakan dengan 0-b)

Untuk menghilangkan remanensi magnet, maka gaya pemagnetan H nya di besarkan terus sehingga mencapai titip C. Jadi setelah adanya gaya oc, magnetisasi menjadi 0. Dan jika dalam arah terbalik ini harga H terus diperbesar sehingga mencapi P2, maka induksi magnet akan menjadi semakin besar, dan harga B nya menjadi Q2. Kenaikan magnetisasi ini menuruti garis lengkung C-D. Jika dari sini arah gaya pemagnetan di balik lagi arahnya dari P2 ke 0 dan terus ke P1, maka magnetisasi mula mula turun dari d ke e, kemudian sampai ke titik nol f dan akhirnya sampai ke titik a lagi. Siklus pemagnetan dari a-b-c-d-e-f-a disebut lengkung histerisis.

Dari keterangan di atas tampak bahwa induksi magnet B selalu terbelakang terhadap intensitas medan magnet H, artinya induksi magnet masih ada sisa yang tinggal ( 0-b), dan setelah arah intesitas medan magnet di rubah arahnya harganya menjadi negative ( 0- c), maka barulah magnetisasi menjadi 0 atau hilang sama sekali.

Terbelakangnya induksi magnet terhadap intensitas meden magnet seperti diatas disebut histerisis. Sedangkan gaya pemagnitan yang digunakan untuk menghilangkan remanensi magnet seperti yang disebut di atas (0 - c) dan (0 f) disebut gaya ko-ersitif. Luasan yang diarsir (0-b-c) akan menimbulkan panas pada bahan megnetis dan biasanya dinamakan rugi histeris.

Panas ini terjadi karena adanya gaya yang menentang berbaliknya magnit-magnit elementer bahan.

Kerugian histeris ini dihitung tiap siklus. Apa bila induksi maksimum Bmax (titik q1 dan q2 ) telah diketahui, maka menurut percobaan Steinmetz yang dilakukan secara empiris dirumuskan sebagai berikut :

Ph = Kh .f B1,6 max

Dimana : Ph : kerugian histerisis (erg/cm3/siklus)

Kh : Koefisisen histeris yang besarnya tergantung pada tingkatan dan kualitas bahan

Harga-harga untuk berbagai bahan :

Baja tuang yang keras

: 0,025

Baja tempa

: 0,020

Besi tuang

: 0,012

Besi plat

: 0,004

Besi plat campuran silicon

: 0,0010

Baja plat silicon yang terbaik

: 0,00046

Perwalloy

: 0,0001

Rumus empiris dari Steinmetz ini cukup teliti untuk bahan-bahan yang mempunyai induksi magnit B dari 1000 sampai 12.000 gauss, akan tetapi untuk gahan-bahan ferro magnetis yang baru dan sekarang banyak digunakan, rumus tersebut kurang teliti. Rumus yang lebih teliti adalah :

Ph = Kh f Bn max /erg/cm3/siklus

Harga n antara 1,5 -2,5 (didapatkan secara empiris) Apabila volume bahan dalam cm3 dinyatakan dengan V, dan pemagnitan selalu berubah-rubah harganya seperti pada teknik listrik arus bolak- baliktukar dengan frekuensi f (siklus/detik), sedangkan induksi magnet merata pada seluruh bahan, maka kerugian histeris menjadi :

Ph = Kh . v.f Bn max (erg/det) atau Ph = Kh . v.f Bn max . 10-7 watt

2. Rugi arus pusar (Eddy current losses)

Jika teras dari bahan magnetis ditempatkan didalam gulungan magnit dan gulungan itu dilalui arus listrik bolak-balik (gml) induksi didalamteras itu sendiri. Dengan sendirinya akan terdapat pula arus yang mengalir didalam teras itu sendiri. Dan arah arus ini akan berlawanan dengan arus yang ada di Dallam gulungan kawat. Arus induksi ini dinamankan arus pusar/Eddy current.

Untuk teras besi yang terdiri dari bahan pejal utuh, maka harga arus pusa akan besar, karena perlawanan didalam teras itu sendiri kecil sekali. Untuk mencegah supaya tidak terjadi arus puasar yang besar, maka teras dibuat dari plat-plat tipis yang kemudian disusun sehingga menjadi bentuk teras sesuai dengan yang diinginkan.

Plat yang berlapi-lapis ini diisolasi pada permukaannya dan biasanya diisolai oxida. Secara keseluruhan perlawanan plat plat ini menjadi besar sehingga arus pusarnya mengecil.

Dengan adanya arus pusar, maka dadalm teras besi terdapat tenaga listrik dan tenaga listrik ini berubah menjadi panas yang merupakan kerugian, selamjutnya kerugian ini disebut kerugian tenaga arus pusaran.

Secara empiris rugi arus pusar dinyatakan sebagai :

Pe = ( .t . f . Bmax) 2 . V Watt

6 . c . 10 16Dimana ;

Pe : rugi arus pusar (watt)

t: tebal plat (cm)

f: frekuensi (Hertz) = siklus/det

v: volume teras besi (cm3 )

Bmax: kerapatan fluks max

Untuk

t: dalam m

f: dalam hertz

v: dalam m3Bmax: dalam weber/m2

c: dalam Ohm-m

maka Pe = ( .t . f . Bmax) 2 . V Wattatau Pe = Ke f2 Bmax2 6 . c .

Baja plat yang mengandung silicon mempunyai perlawanan jenis yang lebih besar, sehingga arus pusar dalam teras mengecil.

00

200

00

200

Tekanan udara (mmHg)

Temperatur udara (0C)

W = Z . I . t

W = Z . Q

Mesin-mesin listrik

ketakmurnian

%

%

R

0K

dxE

dsE

Hxds = Ix At

Hx = dIx/ds ( Hx = Ix/2x

r1 < r2

H1 > H2

1 > 2

L1 > L2

l1 > l2

I1 < I2

L = d /di ; l = d / df = d / di * di / df

= L * di / df

= L . di / df

Ts

murni

campuran

Sinyal listrik

Sinyal cahaya

Sinyal listrik

Sinyal cahaya

Transmisi serat optik

pengirim

penerima

n1

n2

1

2

Inti

Pelapis / cladding

Penguat & pembungkul luas

penguat

fiber

pelindung

Single mode

n1

n2

125 m

8 12 m

Pelapis / cladding (baju)

Cladding core

50 200 m

125-400 m

EMBED Equation.3 n = C / V

multimode

nudara= 1

nair = 1,3

ngelas = 1,5

ndiamon = 2,42

Kecepatan cahaya di vacum 3.108 m/s

n = C / V

2

1

1

Sinar datang

Sinar pantul

n2 < n1

n1

1

1 < 2

CoreCladdingGlassS1O2B2O3 S1O2PlastikPolymethyl n1 = 1,6Methyl methacylate 1,49

Tidak ada sinar bias

2

2 = 1

2 = 0

Tidak ada sinar bias

Is

Energi gap

VB

FB

CB

TL

balast

starter

starter

balast

l

Sbg : komponen macam-macam thermometer

NTC

PTC

busur padam pada i = 0 & V menjadi maksimal

terjadi pembusuran

off

V

i

+

-

VS

VL

VR

t

i

balast

TL

(

starter

V

~

VS

VL

VK

t

t

logam

Bahan semi konduktor

Si = 14 e

Ge = 32 e

+ 5

Si

Elektron bebas

4

4

4

4

hole

4

4

4

4

+ 3

PK

PV

PV

PK

SN

P1

Q2

P21

f

c

Q1

b

a

B

Iv

Rs

Rv

Ii = Is + Iv

Inti kabel

Isolasi

(

(

d

e

B

A

A

(=3,65x10-7 m

(=4,10x10-7 m Ultra ungu

(=4,34x10-7 m ungu

(=4,86x10-7 m Biru

(=6,56x10-7 merah

}

-e

-e

-e

-e

-e

-e

12+

11+

10+

-e

-e

-e

-e

+

+

-e

-e

-e

-e

+

+

CB

CB

CB

VB

FB

FB

OL

VB

VB

_983984396.unknown

_1118723656.unknown

_1147247582.unknown

_1147248625.unknown

_1188803041.unknown

_1188993420.unknown

_1269839732.unknown

_1188993394.unknown

_1147251678.unknown

_1147248033.unknown

_1118773846.unknown

_1147246845.unknown

_1118809607.unknown

_1118724190.unknown

_1118724330.unknown

_984212344.unknown

_1118693955.unknown

_1118723554.unknown

_984213891.unknown

_1118693925.unknown

_983984573.unknown

_983985021.unknown

_983984697.unknown

_983984465.unknown

_983982888.unknown

_983984197.unknown

_983984297.unknown

_983984132.unknown

_983984026.unknown

_983982321.unknown

_983982550.unknown

_983982763.unknown

_983979125.unknown