TUGAS UK 4 ZAT PADAT

SUPERKONDUKTOR TIPE 1 dan SUPERKONDUKTOR TIPE 2

Disusun oleh :

Afifah Shafa S.

K2312001

Pendidikan Fisika 2012 A

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

2015

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan di bawah suatu nilai suhu tertentu. Sehingga superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan (Rusdi, 2010). Suatu superkonduktor dapat berupa konduktor, semikonduktor ataupun insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperature critis (Tc) (Ismunandar & Sen, 2004).Suatu bahan dikatakan sebagai bahan superkonduktor apabila menunjukkan sifat khusus, yaitu konduktivitas sempurna dengan resistivitas () adalah nol pada seluruh T Tc dan tanpa induksi magnetik (B) adalah nol atau diamagnetik sempurna di dalam superkonduktor. Hubungan antara suhu terhadap resistivitas dapat dilihat pada Gambar 1.

Berdasarkan Gambar 1, ketika suhu T > Tc bahan dikatakan berada dalam keadaan normal yang artinya bahan tersebut memiliki resistansi listrik. Bahan dapat berupa konduktor, penghantar yang jelek dan bahkan ada yang menjadi isolator. Ketika suhu T Tc bahan berada dalam keadaan superkonduktor, yang artinya fluks magnetik ditolak oleh bahan superkonduktor, sehingga induksi magnetik menjadi nol di dalam superkonduktor. Hal ini ditandai dengan resistivitasnya turun drastis mendekati nol (Pikatan, 1989).Pada tahun 1957 dikembangkan teori yang lebih mendasar untuk menjelaskan superkonduktivitas. Teori ini disebut Teori BCS, dinamakan menurut nama belakang tiga penciptanya: John Bardeen, Leon Cooper, dan John Schrieffer (Ketiganya dari Amerika Serikat). Teori BCS dapat menjelaskan fenomena superkonduktivitas secara memuaskan. Teori BCS menyempurnakan gambaran mengenai kisi dengan mengatakan bahwa aliran elektron bergerak menembus kisi-kisi secara berpasangan. Ketika sebuah elektron bermuatan negatif bergerak melintasi kisi, ion-ion bermuatan positif pada kisi akan tertarik dan mendistorsikan bentuk kisi dan membentuk semacam terowongan. Sebelum elektron tersebut lewat dan juga sebelum kisi-kisi tersebut berbalik ke posisi semula, sebuah elektron kedua akan ditarik ke dalam terowongan dan terhubung dengan elektron kedua. Kedua elektron akan bergerak bersama-sama dan dengan demikian pergerakan elektron melintasi kisi-kisi lebih lancar. Inilah hakikat dari superkonduktivitas.

Secara singkat Teori BCS menjelaskan bahwa :

1. Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.

2. Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung ini terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi.

3. London Penetration Depth merupakan konsekuensi dari Teori BCS.

Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek Meissner dan merupakan karakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet.Efek Meissner ini sangat kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.

Karakteristik penting dari superkonduktor adalah bahwa resistensi normal akan dipulihkan jika medan magnet cukup besar diterapkan. Sifat ini transisi ke keadaan normal tergantung pada bentuk superkonduktor dan orientasi medan magnet, dan juga berbeda untuk unsur-unsur murni dan untuk paduan. Dalam bagian ini kita menggambarkan perilaku dalam situasi yang paling sederhana.Jika medan magnet meningkat diterapkan sejajar dengan sebuah silinder tipis panjang timah pada suhu konstan di bawah temperatur kritis, maka silinder akan membuat transisi dari negara superkonduktor ke keadaan normal pada wilayah mencapai kekuatan yang jelas. Bidang ini di mana superkonduktivitas ini hancur dikenal sebagai kuat medan magnet kritis, Bc. Jika bidang berkurang, dengan suhu tetap konstan, silinder timah kembali ke keadaan superkonduktor pada kekuatan medan Bc kritis yang sama.

Percobaan menunjukkan bahwa kuat medan magnet kritis tergantung pada suhu, dan bentuk ketergantungan temperatur ditunjukkan pada Gambar diatas untuk beberapa elemen. Pada suhu yang sangat rendah, kuat medan kritis pada dasarnya independen dari suhu, tapi dengan naiknya suhu, turun lapangan kritis kekuatan, dan menjadi nol pada suhu kritis. Pada suhu di bawah suhu kritis itu hanya membutuhkan medan magnet yang sangat kecil untuk menghancurkan superkonduktivitas tersebut.Sangat menarik untuk membandingkan perilaku magnetik elemen superkonduktor dengan kurva khas untuk bahan diamagnetic, paramagnetik dan ferromagnetic. perilaku magnetik bahan magnetik dapat diwakili oleh grafik H terhadap B.

Gambar diatas (a) menunjukkan perilaku bahan diamagnetic dan paramagnetik khas. Perhatikan bahwa kami telah merencanakan 0 H pada sumbu horisontal daripada H, sehingga kedua sumbu menggunakan unit yang sama (tesla). Garis-garis lurus diplot sesuai dengan hubungan B = 0 H, dengan sedikit lebih kecil dari kesatuan untuk material diamagnetic dan sedikit lebih besar dari persatuan untuk material paramagnetik. Perilaku feromagnet sebuah, ditunjukkan dalam Gambar diatas(b), sangat berbeda, dengan B 0 H, dan non-linear dan ireversibel kurva sangat sampai gaya magnet yang jenuh, setelah B meningkat secara linier dengan H.

Bandingkan grafik diatas dengan Gambar (c), yang menunjukkan B - kurva H untuk silinder superkonduktor timah, dengan sejajar lapangan untuk sumbu. Kekuatan lapangan B dalam superkonduktor adalah nol ketika 0 H kurang dari kuat medan kritis B c; superkonduktor berperilaku seperti bahan diamagnetic sempurna dan benar-benar tidak termasuk lapangan dari interiornya. Tapi kemudian B tiba-tiba melompat ke B c nilai, dan pada bidang yang lebih tinggi silinder timah mematuhi hubungan B 0H , karena bahan yang lemah diamagnetic dalam keadaan normal, dengan = 0,9998. Grafik linear pada Gambar (a) sama dengan yang untuk superkonduktor di atas kekuatan medan kritis.

Tabel. Suhu kritis (Tc) beberapa bahan superkonduktorUnsurTc (0C)SenyawaTc (0C)

Ti

Zn

Al

Ti

In

Sn

Hg

Ta

V

Pb

Nb

Tc

Th

U0,40

0,82

1,20

2,38

3,40

3,73

4,16

4,39

5,10

7,22

8,00

11,20

1,37

0,68NaBi

BaBa3Nb2Zn

MoN

MoRe

V2,95Ga

NbN

V3Si

Nb3Al

Nb3Sn

CuS

PbSb2,2

6,0

10,8

12,0

12,6

14,4

15,2

17,1

18,0

18,1

1,6

1,5

Dari tabel diatas dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa:

1. Logam-logam menovalen adalah bukan superkonduktor.

2. Logam-logam ferromagnetic dan anti ferromagnetic adalah bukan superkonduktor.

3. Konduktor yang baik pada suhu kamar adalah bukan superkonduktor dan logam superkonduktor sebagai logam normal adalah bukan konduktor yang baik pada suhu kamar.

4. Film tipis dari Be, Bi dan Fe adalah superkonduktor.

5. Bismut, Pb dan Fe menjadi superkonduktor jika mendapat tekanan yang tinggiBerdasarkan interaksi medan magnet, bahan superkonduktor dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu :1. Tipe 1

Unsur-unsur tunggal yang dipelopori oleh temuan Onnes, disebut superkonduktor tipe I atau superkonduktor konvensional, ada kira-kira 27 jenis dari tipe ini.

Superkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer) dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan normal.

Superkonduktor tipe I hanya mempunyai satu harga medan magnet kritis (Hc). Jika medan magnet luar yang dikenakan pada superkonduktor berharga lebih kecil dari Hc, maka terjadi efek Meissner sempurna dan jika lebih besar dari Hc, maka fluks magnet luar akan menerobos masuk ke dalam bahan superkonduktor sehingga fenomena superkonduktivitas menghilang.

Yang termasuk jenis bahan superkonduktor I yaitu Pb, Ag dan Sn yang menyalurkan arus pada permuakaannya sampai kedalaman 10 4 mm pada medan magnet hingga setinggi-tingginya adalah kuat medan magnet Nb dan paduan Pb. Pada bahan superkonduktor jenis I yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet tanpa kerugian karena medan listriknya di semua tempat adalah nol.Superkonduktor tipe 1 terdiri dari logam dan metaloid yang menunjukkan beberapa sifat konduktivitas di suhu ruangan. Superkonduktor tipe 1 ini membutuhkan suhu yang sangat dingin agar menjadi superkonduktif. Saat menjadi superkonduktif, tipe 1 ini akan menghasilkan sifat diamagnetik yang kuat.Di bawah ini adalah beberapa nama superkonduktor tipe 1a. Timbal (Pb) (menjadi superkonduktif di suhu 7,196 K)

b. Lantanum (La) (menjadi superkonduktif di suhu 4,88 K)

c. Tantalum (Ta) (menjadi superkonduktif di suhu 4,47 K)

d. Air raksa (Hg) (menjadi superkonduktif di suhu 4,15 K)

e. Timah (Sn) (menjadi superkonduktif di suhu 3,72 K)

f. Indium (In) (menjadi superkonduktif di suhu 3,41 K)

g. Paladium (Pd) (menjadi superkonduktif di suhu 3,3 K)

h. Krom (Cr) (menjadi superkonduktif di suhu 3 K)

i. Aluminium (Al) (menjadi superkonduktif di suhu 1,175 K)

j. Seng (Zn) (menjadi superkonduktif di suhu 0,85 K)k. Platina (Pt) (menjadi superkonduktif di suhu 0,0019 K)

2. Tipe 2

Pada tahun 1960-an lahirlah keluarga superkonduktor tipe II, yang biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium (Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS karena apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS, efek Meissner nya tidak terjadi. (Efek Meissner yaitu efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet). Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet.

Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula.

Superkonduktor tipe II mempunyai dua harga medan magnet kritis, yaitu Hc1 atau medan kritis rendah dan Hc2 atau medan kritis tinggi. Superkonduktor tipe II akan bersifat sama dengan superkonduktor tipe I ketika medan magnet luar berharga lebih kecil dari Hc1. Jika medan magnet luar berharga antara Hc1 dan Hc2, maka sebagian fluks magnet akan menerobos ke dalam bahan superkonduktor, sehingga superkonduktor dikatakan berada dalam keadaan campuran (mixed state). Selanjutnya, bahan akan kehilangan sifat superkonduktifnya ketika medan magnet luar berharga lebih besar dari Hc2.

Pada superkonduktor jenis II, jika medan magnetnya mencapai medan kritis dan suhu kritisnya relatif (kondisi tersebut lebih tinggi dari jenis I), keadaan superkonduktor tidak langsung berubah menjadi konduktor normal, tetapi menjadi bahan yang merupakan peralihan atau dari kondisi superkonduktor menjadi konduktor normal. Pada jenis ini yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet dengan kerugian yang sangat kecil dan dapat diabaikan.

Superkonduktor tipe 2 berbeda dengan tipe 1 saat transisi dari keadaan normal ke superkonduktif. Superkonduktor tipe 2 terdiri dari senyawa logam dan aloy. Kerennya, beberapa bahan tipe 2 membutuhkan suhu yang relatif lebih hangat untuk menjadi superkonduktif dibandingkan dengan tipe 1. Berikut adalah beberapa contoh superkonduktor tipe 2:

a. (Sn5In)Ba4Ca2Cu11Oy (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 218 K)

b. (Sn5In)Ba4Ca2Cu10Oy (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 212 K)

c. Sn5Ba4Ca2Cu10Oy (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 200 K).

Dasar penggunaan semikonduktor adalah terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion), dimana semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan yang merupakan dasar terjadinya terjadinya revolusi industri akibat ditemukan transisistor oleh wiliam Shocklye, John Barden dan Walter Brattain di laboratorium Bell pada tahun 1948. Pemanfaatn superkonduktor antara lain :

1. Kereta MagLev (Magnetic Levitation Train)Superkonduktor dapat digunakan dalam pembuatan teknologi transportasi, seperti kereta supercepat. Di Jepang, kereta api supercepat ini diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev Train, dimana kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, sampai 343 mph (550 km/jam).

2. Generator listrik super-efisien

Suatu perusahaan amerika, American Superkonduktor Corp, diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 MegaWatt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik.3. Kabel Listrik Super efisien

Untuk transmisi listrik dapat digunakan kabel dari bahan superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, karena 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.4. Superkomputer

Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Daftar Pustaka

www.physicsproject0.blogspot.com. Superkonduktor. Di akses pada 20 Juni 2015 pukul

09:29 WIB

www.google.com. Superkonduktor. Di akses pada 19 Juni 2015 pukul 09:28 WIB