BAHAN LISTRIK ( TE.051005 )

Dosen Pengampu :

Kelas A : Ir. I Gede Dyana Arjana, MT.Kelas C : Ir. I Gst Ngurah Janardana, M.Erg.

Tujuan M.K

Mahasiswa memahami struktur, sifat-sifat dan karakteristik bahan listrik dan magnetik

Pokok Bahasan

Struktur dan Sifat-Sifat Benda Padat, Sifat-sifat makroskopik zat padat,

Pengenalan dan klasifikasi jenis-jenis bahan-bahan listrik: konduktor, semikonduktor, isolator, super konduktor, dan bahan magnetik. Sifat kelistrikan, sifat thermal, konduktivitas, sifat fisis & kimia dan sifat mekanis dari bahan isolasi gas, cair (minyak), padat (isolasi berserat, isolasi mineral, kaca, porselin, plastik, polimer).

Bahan pengubah energi secara langsung (photovoltaic, thermoelectric, elektrokimia, dll). Sifat fisis dan optis dari serat optik

Kepustakaan / Buku Reffrensi

Muhaimin, Bahan-bahan Listrik, Pradnya Paramita, Jakarta, 1993

Allison, J., Electronics Engineering Semiconductor and Devices, McGraw-Hill, 1990.

MATERI KULIAH 1. Teori Dasar 2. Konduktor 3. Semikonduktor 4. Isolator 5. Magnet 6. Superkonduktor 7. Serat Optik

1. Bahan Penghantar (konduktor) adalah bahan yang menghantarkan listrik dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity) yang besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel, kumparan/lilitan pada alat listrik yang anda jumpai. Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik listrik, bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium.

2. Bahan Penyekat (Insulator/isolator) adalah bahan yang befungsi untuk menyekat (misalnya antara 2 penghantar); agar tidak terjadi aliran listrik/kebocoran arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang tinggi. Bahan penyekat yang sering ditemui dalam teknik listrik adalah : plastik, karet, dan sebagainya.

Suatu bahan dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan berdasarkan wujud tersebut dalam teknik listrik bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut.

1. Bahan Penghantar (konduktor)2. Bahan Penyekat (isolator/insulator)3. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor)4. Bahan Magnetis.5. Bahan Super Konduktor.6. Bahan Nuklir.7. Bahan Khusus (bahan untuk pembuatan kontak-kontak, untuk sekering, dan sebagainya)

4. Bahan Magnetik (Magnetic Materials) dikelompokkan menjadi 3 kelompok,

yaitu ferro magnetic, para-magnetic dan dia-magnetic. Bahan ferro-magnetic adalah bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi dan mudah sekali dialiri garis-garis gaya magnet.

Contoh bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi adalah besi, besi pasir, stalloy, dan sebagainya.

Selain itu sering dijumpai magnet yang merupakan magnet permanen, misalnya alnico, cobalt, baja arang, dan sebagainya. Baja untuk magnet sering dijumpai pada pelat-pelat motor/generator, pelat-pelat transformator, dan sebagainya.

Dalam bidang elektronika, digunakan bahan magnet misalnya pada speaker, alat-alat ukur elektronika, dan sebagainya.

5. Bahan Super Konduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur perubahan tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair. Dia menemukan bahwa tahanan listrik tiba-tiba hilang pada suhu 4,153°K. Sampai saat ini telah ditemukan sekitar 24 unsur hantaran super dan lebih banyak lagi paduan dan senyawa yang menunjukkan sifat-sifat hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar antara 1 samapai 19° Kelvin. Bahan-bahan lead (timah), tin (timah patri), alumunium, dan mercury, pada sushu mendekati 0°K mempunyai resistivitas nol.

6. Bahan Nuklir Bahan nuklir sering dipakai sebagai bahan baker

reaktor nuklir. Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan-bahan nuklir yang dapat membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat berjalan dalam keadaan dan kondisi terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat mengadakan fisi (pembelahan atom). Dalam reaktor nuklir digunakan bahan bakar uranium 235, plutonium-239, uranium-233.

Dalam pemilihan jenis bahan listrik, selain sifat listrik, perlu dipertimbangkan beberapa sifat lain dari bahan, yaitu :

A. Sifat Mekanis, yaitu perubahan bentuk dari suatu benda padat akibat adanya

gaya-gaya dari luar yang bekerja pada benda tersebut. Jadi adanya perubahan itu tergantung kepada besar kecilnya gaya, bentuk benda, dan dari bahan apa benda tersebut dibuat.

Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada tiga kemungkinan yang akan terjadi pada suatu benda :

Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda mempunyai sifat kenyal (elastis)

Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini hanya sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar gaya yang bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan menjadi berkurang.

Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar gaya yang bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan sama sekali hilang.

B. Sifat Fisis, Benda padat mempunyai bentuk yang tetap

(bentuk sendiri), dimana pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula.

Isi akan bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya benda akan menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap , maka kepadatan benda akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut :Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan berkurang

Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akanbertambah • Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan panas

C. Sifat Kimia

berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat dari logam.

Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri dengan sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan.

Biasanya reaksi kimia dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi.

Sedangkan reaksi kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman

Pengujian sifat mekanis bahan perlu dilakukan untuk mendapatkan informasi spesifikasi bahan. Melalui pengujian tarik akan diperoleh besaran-besaran kekuatan tarik, kekuatan mulur, perpanjangan, reduksi penampang, modulus elastis, resilien, keuletan logam, dan lain-lain.

Selain sifat-sifat tersebut dengan tidak secara terlalu teknis, perlu diperhatikan kekerasan (hardness) dan kemampuan menahan goresan (abrasion).

Contoh sifat fisis yang sering diperlukan adalah berat jenis, titik lebur, titik didih, titik beku, kalor lebur, dan sebagainya. Juga sifat perubahan volume, wujud, dan panjang terhadap perubahan suhu.

Perkaratan adalah contoh sifat bahan akibat reaksi kimia; reaksi antara logam dengan oksigen yang ada di udara. Sifat kimia juga termasuk sifat bahan yang beracun, kemungkinan mengadakan reaksi dengan garam, asam, dan basa.

Selain bahan penyekat atau isolator di atas, ada bahan lain yang juga banyak digunakan dalam teknik ketenagalistrikan yaitu bahan penghantar atau sering dinamakan dengan istilah konduktor.

Suatu bahan listrik yang akan dijadikan penghantar, juga harus mempunyai si fat-sifat dasar penghantar itu sendiri seperti: koefisien suhu tahanan, daya hantar panas, kekuatan tegangan tarik dan lain-lain.

Disamping itu juga penghantar kebanyakan menggunakan bentuk padat seperti tembaga, aluminium, baja, seng, timah, dan lain-lain.

Untuk keperluan komunikasi sekarang banyak digunakan bahan penghantar untuk media transmisi telekomunikasi yaitu menggunakan serat optik

Erat kaitannya dengan keperluan pembangkitan energi listrik, yaitu suatu bahan magnetik yang akan dijadikan sebagai medium untuk konversi energi, baik dari energi listrik ke energi mekanik, energi mekanik ke energi listrik, energi listrik menjadi energi panas atau cahaya, maupun dari energi listrik menjadi energi listrik kembali.

Bahan magnetik ini tentunya harus memenuhi sifat-sifat kemagnetan, dan parameter-parameter untuk dijadikan sebagai bahan magnet yang baik.

Dalam pemilihan bahan magnetik ini dapat dikelompokkan menjadi tiga macam, yaitu ferromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik.

Suatu bahan yang sekarang lagi ngetren dan paling banyak sedang dilakukan riset-riset di dunia ilmu pengetahuan dan teknologi yaitu bahan semi konduktor.

Berkembangnya dunia elektronika dan komputer saat ini adalah merupakan salah satu peranan dari teknologi semi konduktor. Bahan ini sangat besar peranannya pada saat ini pada berbagai bidang disipilin ilmu terutama di bidang teknik elektro seperti teknologi informasi, komputer, elektronika, telekomunikasi, dan lain -lain.

Berkaitan dengan bahan semi konduktor, pada saat ini dapat dikelompokkan menjadi dua macam yaitu semi konduktor dan super konduktor.

KONDUKTOR

Semua bahan yang dapat mengalirkan arus dengan mudah dinamakan dengan konduktor, contohnya, tembaga,aluminium dll, yang termasuk bahan konduktor logam untuk saluran listrik yang membaca aliran listrik, bahan resistif dan bahan lain seperti bahan sekering dan untuk titik kontak saklar

Bahan konduktor digunakan untuk saluran listrik dan kabel harus mempunyai rugi daya yang kecil ketika dialiri arus yang besar (untuk kabel yang mana rugi daya dan temperaturnya harus kecil). Dengan kata lain, tahanan bahan digunakan untuk filament pada lampu harus dapat menahan temperatur yang tinggi.

1. Konduktivitas dan Resistifitas Konduktor

Faktor yang mempengaruhi Resistivitas Penghantar

Temperatur

Tahanan pada beberapa bahan konduktor terutama pada bahan logam murni) akan bertambah dengan kenaikan dari temperatur. Perubahan dari tahanan dari bahan per ohm per derajat celcius dengan adanya perubahan temperatur dinamakan koefesien temperatur tahanan dari bahan, dan Tahanan dari konduktor akan berubah sesuai dengan perubahan temperatur

Sifat bahan dengan Resistifitas Rendah

Bahan dengan resistifitas rendah pada umumnya digunakan pada penghantar untuk perumahan, saluran transmisi dan distribusi, pada lilitan motor, generator dan transformator, serta pada bagian konektor rangkaian elektronika. Bahan ini digunakan pada semua pengguna dengan rugi daya dan rugi tegangan serendah mungkin

Tembaga adalah bahan yang sangat banyak penggunaannya, sebagai konduktor pada rangkaian elektronika. Banyak kawat yang terbuat dari tembaga. Tembaga adalah suatu konduktor yang baik dan sangat mudah untuk penyambungannya. Aluminium adalah penghantar yang baik,tetapi tidak sebaik tembaga. Bahan ini banyak digunakan pada transformator tenaga dan saluran transmisi dibandingkan pada bagian rangkaian elektronikanya

Suatu bahan yang mempunyai resistifitas rendah akan mempunyai keadaaan-keadaan sebagai berikut

1. Koefesien temperatur adalah rendah.

Koefesien temperatur tahanan adalah perubahan rendah. Hal ini diperlukan untuk menentukan jatuh tegangan dan rugi daya yang rendah dengan perubahan temperatur. Dengan kenaikan temperatur karena adanya arus yang mengalir pada bahan akan naik dan rugi daya serta rugi tegangan akan bertambah. Untuk mendapatkan kerugian yang rendah bahan konduktor harus mempunyai koefesien temperatur rendah.

Tekanan mekanik yang cukupTekanan mekanik adalah diakibatkan oleh

angin dan karena berat dari konduktor saluran udaranya sendiri, yang digunakan untuk jaringan distribusi dan transmisi pada penyaluran daya listrik. Oleh karena itu, untuk menahan tekanan mekanis pada beberapa penggunaannya maka bahan konduktor harus lebih kuat dibandingkan tekanan mekanisnya.

3. Dapat dibengkok

Pada ukuran yang berbeda dan lampung yang berbeda dari penghantar adalah diperlukan untuk berbagai jenis penggunaan. Untuk penggunaan ini, bahan konduktor dapat mudah dan diolah kedalam ukuran dan lempung yang berbeda.

4. Tahan Korosi

Bahan konduktor diharapkan untuk tidak mudah terkorosi atau berkarat bila konduktor tersebut digunakan tanpa isolasi dan digunakan diluar.

Sifat bahan dengan Resistifitas tinggi

Bahan yang mempunyai resistifitas yang tinggi adalah pada umumnya bahan yang terbuat dari campuran yang berbeda. Contoh yang paling umum dari bahan yang resistifitas tinggi adalah: anganin, constanta, ichrom, dan lain-lain.

Contoh penggunaannya sebagai berikut: - Elemen pemanas - Start pada motor listrik - Tahan beban - Rheostat

Bahan Serat Optik

Merupakan bahan alam yang mampu secara fisis sebagai media perambatan gelombang elektro magnetik