Nama Mahasiswa : Satria Dhaniswara Rahsa W. NIM : 135060300111004Jurusan : Teknik ElektroKelas : AUniversitas : Brawijaya

Dosen Pendamping : Ir.Endah Budi P, MT.

Bahan Superkonduktor

Bahan Superkonduktor

A. Sejarah SuperkonduktorSuperkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike

Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908,

Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau  269oC.

Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu

yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun

ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa

batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak.

Beberapa ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron

yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Di lain

pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang

pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian

mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur

hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes mendapatkan

hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus-menerus.

Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu

rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu

tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes

diberi nama superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada

tahun 1913. 

B.  Sifat dan Karakteristik Bahan Superkonduktor

           Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Artinya superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya.

a. Sifat Kelistrikan

Bahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta elektron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor.

Pada superkonduktor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, electron harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

b. Sifat Kemagnetan

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut diamagnetisme sempurna. Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek yang sama dapat diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis, medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner. Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat melayang di bawah magnet. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena melayngnya magnet atau gejala “levitasi” yang terjadi pada bahan superkonduktor.Gejala levitasi ini dimanfaatkan dalam pembuatan kereta supercepat MAGLEV.

Gejala Levitasi

c. Sifat Kuantum Superkonduktor

Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori BCS.

Teori BCS menjelaskan bahwa : Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan

tereksitasi oleh energi gap. 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.

Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth, yang merupakan konsekuensi dari Teori BCS.

       Berdasarkan nilai suhu kritisnya, superkonduktor dibagi menjadi dua kelompok yaitu :

    1. Superkonduktor bersuhu kritis rendah

          Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih kecil dari 23 K. Superkonduktor

jenis ini sudah ditinggalkan karena biaya yang mahal untuk mendinginkan bahan.

    2. Superkonduktor bersuhu kritis tinggi 

         Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih besar dari 78 K. Superkonduktor

jenis ini merupakan bahan yang sedang dikembangkan sehingga diharapkan memperoleh

superkonduktor pada suhu kamar sehingga lebih ekonomis.

Proses Pembuatan Bahan Superkonduktor

   1.      Metode Reaksi Padatan

Cara yang dilakukan dengan mereaksikan padatan dengan padatan tertentu pada suhu tinggi. Reaksi ini melibatkan pemanasan berbagai komponen pada temperatur tinggi selama periode yang relatif lama. Reaksi ini melibatkan pemanasan campuran dua atau lebih padatan untuk membentuk produk yang juga berupa padatan. Tidak seperti pada fasa cairan atau gas, faktor pembatas dalam reaksi kimia padat biasanya adalah difusi (Ismunandar, 2006). 

Laju reaksi pada metode ini ditentukan oleh tiga faktor yang dapat dijelaskan sebagai berikut:

1.1. Intensitas kontak padatan pereaksi

Untuk memaksimalkan reaksi harus digunakan pereaksi yang memiliki luas permukaan besar. Selain itu, memaksimalkan intensitas kontak dapat dilakukan dengan membuat pelet dari campuran berbagai reaksi.

1.2. Laju difusi

Untuk meningkatkan laju difusi dapat dilakukan dengan menaikkan temperatur reaksi dan memasukkan defek. Defek dapat dimasukkan dengan memulai reaksi dengan reagen yang terdekomposisi dulu sebelum atau selama bereaksi, misalnya nitrat atau karbonat.

1.3. Laju nukleasi fasa produk

Untuk meningkatkan laju nukleasi produk dapat digunakan reaktan yang memiliki struktur kristal mirip dengan struktur kristal produk.

Contoh nya adalah BPSCCO/Ag

2. Metode Sol-Gel

Proses pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah, dimana dalam proses tersebut terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk fasa cair kontinyu (gel). 

Metoda sol gel sendiri meliputi hidrolisis, kondensasi, pematangan, dan pengeringan

Contoh superkonduktor nya : BSCCO

3. Metode Evavorasi

Metode evaporasi merupakan salah satu metode yang tertua dalam pendeposisian lapisan tipis khususnya untuk lapisan logam, dimana proses penumbuhannya dilakukan di ruang vakum (Sze,1985). Dalam ruang vakum tersebut terdapat molekul-molekul gas baik yang berasal dari gas sisa maupun yang berasal dari sumber evaporasi yaitu bahan logam yang diuapkan.

Contoh Superkonduktor : YBCO 123

4. Metode Kopetrisipasi

Metode kopresipitasi merupakan salah satu metode sintesis senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama–sama ketika melewati titik jenuhnya. Kopresipitasi merupakan metode yang menjanjikan karena prosesnya menggunakan suhu rendah dan mudah untuk mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lebih singkat. Beberapa zat yang paling umum digunakan sebagai zat pengendap dalam kopresipitasi adalah hidroksida, karbonat, sulfat dan oksalat.

Contoh Superkonduktor: YBCO 123

D.  Aplikasi Superkonduktor

           Aplikasi Superkonduktor dalam kehidupan diantaranya :

a. Kabel Listrik.

Dengan menggunakan bahan superkonduktor, maka energi listrik tidak akan mengalami

disipasi karena hambatan pada bahan superkonduktor bernilai nol. Maka penggunaan energi

listrik akan semakin hemat.

b. Alat Transportasi

Penggunaan superkonduktor dalam bidang transportasi adalah Kereta Listrik super cepat

yang dikenal dengan sebutan Magnetik Levitation (MAGLEV).

http://nhoeelektronika.blogspot.com/2013/02/bahan-superkonduktor.html

http://material-sciences.blogspot.com/2010/02/superkonduktor.html

http://wanibesak.wordpress.com/2011/09/24/efek-meissner-pada-superkonduktor/

http://iyusnurzamanfisikaupi.blogspot.com/2012/10/superkonduktor_1.html