Modul 10 Ilmu Bahan Listrik

ILMU BAHAN LISTRIK

Deformasi elastik.

Deformasi elastik terjadi bila sepotong logam atau bahan padat dibebani gaya. Bila

beban berupa gaya tarik, benda akan bertambah panjang, setelah gaya ditiadakan,

benda akan kebentuk semula. Sebaliknya, beban berupa gaya tekan akan

menyebabkan benda menjadi lebih pendek sedikit. Regangan elastik adalah hasil dari

perpanjangan sel sel satuan dalam arah tegangan tarik, atau kontraksi dari sel

satuan dalam arah tekanan (gambar 6.5).

Bila hanya ada deformasi elastik, regangan akan sebanding dengan tegangan.

Perbandingan antara tegangan regangan disebut dengan modulus elestiditas

(modulus young), dan merupakan karakteristik dari beberapa logam tertentu.

Gambar 6.5. Regangan elstik normal.

Setiap perpanjangan atau perpendekan struktur ktistal dalam satu arah tertentu, karena

gaya searah, akan menghasilkan perubahan dimensi dalam arah tegak lurus dengan

gaya tadi. Perbandingan negatif antara regangan dengan melintang ey dan regangan

tarik ex disebut bilangan Poisson.

V = - ey/ex 6.1

Bahan-bahan tehnik dapat mengalami beban tarik dan beban geser. Pada pembebanan

geser, bekerja dua gaya yang sejajar, Tegangan geser , yaitu :

= Fs/As 6.2

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. Mustari Lama M.Sc.

BAHAN LISTRIK 1

MODUL 10

Gaya geser yang menyebabkan adanya pergeseran sudut , regangan geser ,

didefinisikan sebagai tangens sudut . Regangan geser elastis sebanding dengan

tegangan geser

G = / 6.3

Dimana G adalah modulus geser, Modulus kekakuan atau modulus geser berbeda

dengan modulus elastisitas E, namun untuk regangan kecil berlaku hubungan :

E = 2G ( 1 + v ) 6.4

Gambar 6.6. Regangan elstis geser.

Karena bilangan Poisson v berada abtara 0,25 dan 0,5, Nilai G mendekati 25% dari E.

Modulus elastisitas dan suhu

Mudolus ellastisitas turun dengan naiknya suhu, hal ini dapat dilihat pada gambar 6.7.

Gambar 6.7. Modulus elstisitas dengan suhu.


BAHAN LISTRIK 2

Deformasi plastik kristal tunggal

Logam kubik dan paduannya yang tanpa tata terutama berdeformasi dengan geseran

plastik atau slip, dimana bidang atom bergeser terhadap bidang atom didekatnya.

Mekanisme deformasi ini juga terjadi pada logam hexagonal. Deformasi geser juga

terjadi bila bila ada gaya tekan atau tegangan, karena gaya-gaya ini dapat diuraikan

menjadi tegangan geser,

Tegangan geser kristis dan sistem slip. Slip dapat terjadi dengan mudah dalam arah

kristal maupun bidang tertentu. Hali ini dapat dilihat gambar 6.8., dimana suatu kristal

tunggal logam htp mengalami deformasi plastik.

Gambar 6.8. Slip dalam kristal tunggal


BAHAN LISTRIK 3

Gambar 6.9. Slip akibat dislokasi

Pergerakan dislokasi dalam larutan padat. Energi dislokasi garis adalah sama, tidak

tergantung pada letaknya. Oleh karena tidak diperlukan energi untuk bergerak diantara

kedua titik tersebut. Tidak demikian halnya jika atom-atom yang larut. Pada gambar 6.9.

Terlihat bahwa bila terdapat atom-atom lain, energi dislokasi kurang dibandingkan

dengan energi dislokasi dalam logam murni. Jadi, bila dislokasi bertemu dengan atom-

atom asing, pergerakannya terhambat karena diperlukan energi tambahan untuk

membebaskannya sehingga dapat terjadi slip selanjutnya. Akibatnya logam larutan pada

mempunyai kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan logam murni.


BAHAN LISTRIK 4

Gambar 6.10. Larutan padat dan dislokasi

Sifat-sifat logam yang mengalami deformasi plastik

Deformasi plastik merupakan struktur intern logam, oleh karena itu deformasi dapat

merubah pula sifat-sifat dari suatu logam. Bukti dari perubahan sifat ini dapat dibuktikan

dengan mengukur tahanan. Struktur yang mengalami distorsi mengurangi jarak batas

rata-rata dari elektron dan karenanya meningkatkan tahanan.

Sifat kedua yang juga berubah yang mempunyai nilai teknik yang lebih besar adalah

kekuatan. Logam yang mengalami deformasi plastik menjadi lebih kuat.

Setelah kita membahas beberapa sifat dari logam yang mengalami pekerjaan panas dan

pengerjaan dingin, maka tibalah gilirannya kita melihat beberapa logam/bahan yang

sering digunakan pada suatu sistim tenaga listrik terutama yang berhubungan dengan

peralatan listrik.

Penghantar

Fungsi penghantar pada teknik tenaga listrik adalah untuk menyalurkan energi listrik dari

satu titik ketitik lain. Penghantar yang lazim digunakan adalah aluminium dan tembaga.

Aluminium

Aluminium murni mempunyai massa jenis 2,7 kg/cm3, -nya 1,4x10-5, titik leleh lebih

dari 658oC dan tidak korosif. Daya hantar aluminium sebesar 35 m/ohm.mm2 atau

kira-kira 61,4% dari daya hantar tembaga. Aluminium murni mudah dibentuk karena


BAHAN LISTRIK 5

lunak, kekuatan tariknya hanya 9 kg/mm2. Untuk itu jika aluminium digunakan sebagai

penghantar yang dimensinya cukup besar, selalu diperkuat dengan baja atau paduan

aluminium. Penggunaan yang demikian biasanya pada : ACSR (Aluminium Conductor

Steel Reinforced), ACR (Aluminum Conductor Alloy Reinforced). Konstruksi penghantar

dari aluminum dapat dilihat pada gambar 6.11.

Gambar 6.11 Penampang penghantar dari aluminium.

Penggunaan alumium adalah untuk busbar dan karena alasan tertentu misalnya, karena

alasana ekonomi, dibuat aluminium yang berisolasi, misalnya : ACSR-OW. Menurut AS

(American Standard Association) pada aluminium diberi penan dan sebagai berikut :

1. Aluminium, kemurnian 99% 1xxx

2. Paduan yang mayoritas terdiri dari :

a. Tembaga 2xxx

b. Mangan 3xxx

c. Silikon 4xxx

d. Magnesium 5xxx

e. Magnesium dan silikon 6xxx

f. Seng 7xxx

Tembaga

Tembaga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi yaitu 57 Ohm.mm2/m pada

suhu 20oC Koefisien suhu tembaga 0,004 per oC. Kreante resistisivitas tembaga

suhu adalah tidak linier seperti ditunjukkan pada gambar 6.12.


BAHAN LISTRIK 6

Gambar 6.12. Kurva resistivitas tembaga sebagai funggsi suhu

Pemakaian tembaga pada teknik listrik yang terpenting adalah sebagai penghantar,

misalnya kawat berisolasi (NYA,NYAF), kabel (NYM,NYY, NYFGbY), busbar, lamel

mesin dc, cincin seret pada mesin AC.

Tembaga mempunyai ketahanan terhadap korosi, oksidasi. Massa jenis tembaga

murni pada 20oC adalah 8,96 g/cm3, titik beku 1083oC. Kekuatan tarik tembaga

tidak tinggi yaitu berkisar antara 20 hingg 40 kg/mm2, kekauan tarik batang tembaga

akan naik setelah batang tembaga diperkecil penampangnya untuk dijadikan kawat

berisolasi atau kabel.

Untuk memperkecil batang tembaga digunakan batu tarik (die) yang besarnya beragam,

makin keujung adalah makin kecil penampangnya. Makin kecil penampang kawat

diperlukan, makin banyak tahapan batu tarik yang digunakan. Bahan batu tarik yang

digunakan untuk membuat kabel yag penampangnya besar diameternya adalah

wolfram-karbida. Sedangkan pembuatan kawat yang diameternya kecil digunakan

intan.

Selama penarikan akan terjadi penambahan panjang. Untuk itu roda tarik yang dipasang

dibelakang batu tarik putarannya atau diameternya dibuat lebih besar.

Gambar 6.13. Penarikan batang tembaga menjadi kawat.


BAHAN LISTRIK 7

Sesudah diadakan penarikan terhadap batang tembaga menjadi kawat, tembaga akan

lebih lenting. Keadaan ini kurang baik digunakan sebagai kawat berisolasi atau kabel.

Agar tembaga menjadi lunak kembali, perlu diadakan pemanasan. Namun harus

diusahakan hendaknya selama proses pemanasan tersebut tidak terjadi oksidasi.

Setelah proses pemanasan selesai, maka proses pembuatan kawat berisolasi atau

kabel dapat dimulai.

Pemberian isolasi pada kawat dapat dilihat pada gambar 6.14.

Gambar 6.14. Pemberian isolasi pada kawat.

Baja

Baja merupakan logam yang terbuat dari besi dengan campuran karbon. Berdasarkan

campuran karbonnya, baja dikategorikan menjadi tiga yaitu : Baja dengan kadar

karbon rendah (0 hingga 0,25%), baja dengan kadar karbon menengah (0,25

sampai dengan 0,55%), baja dengan kadar karbon tinggi(diatas 0,55%).

Meskipun konduktivitas baja rendah yaitu 7,7 m/Ohm.mm2, tetapi digunakan pada

penghantar transmissi ACSR, fungsi baja dalam hal ini adalah menghemat pemakaian

aluminium. Berdasarkan peretimbangan tersebut dibuat penghantar bimetal.

Dua hal yang menguntungkan pada penghantar bimetal antara lain :

1. Pada arus bolak-balik ada kecenderungan arus melalui bagian luar konduktor

(efek kulit).

2. Dengan melapisi baja menggunakan tembaga, maka baja sebagai penguat

penghantar terhindar dari korosi.

WolframLogam ini berwarnah abu-abu keputihan, mempunyai massa jenis 20 g/cm3 Titik leleh

3410oC, titik didih 5900oC, tahanan jenis 0,055 Ohm.mm2/m.


BAHAN LISTRIK 8

Wolfram diperoleh dari hasil tambang yang pemisahannya dari penambangan dengan

menggunakan magnetik atau proses kimia. Dengan reaksi reduksi asam wolfram

(H2WHO4) dengan suhu 700oC duiperoleh bubuk wolfram.

Bubuk wolfram tersebut kemudian dibentuk menjadi batangan dengan suatu proses

yang disebut dengan metalurgi bubuk yang menggunakan tekanan dan suhu tinggi

(2000 atm, 1600oC) tanpa terjadi oksidasi.

Dengan menggunakan mesin penarik, batang wolfram diameternya dapat dikecilkan

menjadi 0,01 mm (penarikan dilakukan dalam keadaan panas).

Penggunaan wolfram pada teknik listrik antara lain: filamen (lampu pijar, lampu halogen, lampu ganda), elektroda, dan tabung.

Moblidenum

Logam ini mirip dengan wolfram dalam hal sifatnya, demikian pula dalam hal

mendapatkannya. Moblidenum mempunyai massa jenis 10,2 g/cm3, titik leleh 2620oC,

titik didih 3700oC, 53x10-7 peroC, resistivitanya 0,048 Ohm mm2/m, koefisien suhu

0,0047 peroC.

Diantara penggunaan Moblidenum adalah pada, tabung sinar X, tabung hampa

udara, karena Moblidenum dapat membentuk lapisan yang kuat dengan gelas. Sebagai

campuran logam yang digunakan untuk keperluan yang keras, tahan korosi, bagian-

bagian yang digunakan pada suhu tinggi.

Platina

Platina merupakan logam yang berat, berwarnah putih keabu-abuan, tidak korosif, sulit

terjadi peleburan dan tahan terhadap sebagian besar bahan kimia. Massa jenisnya

21,4 g/cm3, titik leleh 1775oC, titik didih 4530oC, 9x10-7 peroC, resistivitanya 0,1

Ohm mm2/m, koefisien suhu 0,00307 peroC.

Platina dapat dibentuk menjadi filamen yang tipis dan batang yang tipis-tipis.

Penggunaan platina pada teknik listrik antara lain adalah untuk elemen pemanas pada

laboratorium tentang oven atau tungku pembakaran yang memerlukan suhu tinggi

yaitu diatas 1300oC, untuk termokoupel platina-rhodium. Platina dengan diameter

kurang lebih 1 mikron digunakan untuk menggantung bagian gerak pada meter listrik

dan instrumen sensitif lainnya, bahan untuk potensiometer.


BAHAN LISTRIK 9

Tabel 1

Konstanta bahan penghantar

Air raksaAir raksa adalah satu-satunya logam yang berbentuk cair pada suhu kamar.

Resistivitasnya adalah 0,95 Ohm.mm2/m, Koefisien suhu 0,00027 peroC.

Pada pemanasan diudara air raksa sangat mudah terjadi oksidasi. Air raksa dan

campurannya khususnya uap air raksa adalah beracun.

Penggunaan air raksa antara lain : gas pengisi tabung-tabung elektronik, penghubung

pada saklar air raksa, cairan pada pompa difusi, elektroda pada instrumen untuk

mengukur sifat elektris bahan dielektrik padat.

Logam-logam lain yang banyak digunakan pada teknik listrik diantaranya adalah,

tantalium dan niobium. Tantalium dan niobium dipadukan dengan aluminium banyak

digunakan sebagai kapasitor elektrolitik.

Bahan-bahan resistivitas tinggi

Bahan-bahan resistivitas tingi yang digunakan untuk peralatan yang memerlukan

resistansi yang besar agar bila dialiri arus akan terjadi tegangan anjlok yang besar.

Contoh penggunaan bahan-bahan resistivitas tinggi antara lain pada pemanas listrik dan

resistor.

Bahan ini harus mempunyai koefisien suhu yang rendah. Untuk elemen pemanas, pada

suhu yang tinggi pada waktu yang lama tidak boleh terjadi oksidasi dan meleleh.

Bahan-bahan yang resistivitasnya tinggi antara lain : Konstantan, managanin, nikrom

dan fehral yang komposisinya ditunjukkan pada tabel berikut :


BAHAN LISTRIK 10

Tabel 2

Bahan resistivitas tinggi

Konstantan

Konstantan merupakan logam paduan dari tembaga dan nikel. Hubungan antara

resistivitas dengan koefisien suhu () dan komposisi antara tembaga dan nikel

dapat dilihat pada gambar 6.15. Dari gambar 11.14 terlihat bahwa resistivitas

tertinggi adalah pada perbandingan 60% Ni dengan 40% Cu, tetapi koefisien suhu

terendah adalah 40% Ni dan 60% Cu. Sebagian bahan elemen resistansi tinggi

misalnya, rheostat, elemen pemanas dengan suhu kerja 400oC hingga 500oC

dibuat komposisi 60% Ni dengan 40% Cu yaitu konstantan.

Bersama-sama tembaga atau besi, konstantan dapat merupakan termokopel yang

dapat membangkitkan emf kurang lebih 40 mikrovolt setiap perbedaan suhu 1oC

diantara sambungan-sambungannya..

Gambar 6.15. dan = f (%ni + Cu)


BAHAN LISTRIK 11

Kromel

Logam ini merupakan perpaduan 0,7% Mn, 0,6% Ni, 23 sampai dengan 27% Cr dengan

4,5 hingga 7,7 % Al, sisanya adalah Fe.

Kromel sangat baik untuk elemen pemanas air, setrika, pemanggang dan peralatan

yang memerlukan korosi dan panas.

Manganin

Warnah logam ini kuning kemerah-merahan, komposisi manganin dapat dilihat pada

tabel diatas. Suhu kerja kurang lebih 70oC, dibawah suhu kerja konstantan.

Logam ini biasanya digunakan untuk rheostat yang presisi karena resistivitasnya tinggi

dan -nya rendah.

Dipasaran nikron dapat dijumpai dengan penampang bulat berdiameter 0,1 mm keatas

dan berbentuk pita dengan ukuran penampang 0,1 x 1 mm keatas.

Nikrom

Nikrom mempunyai suhu kerja yang tinggi. Hal ini merupakan alasan digunakan nikron

sebagai elemen pemanas.

Dipasaran nikron dapat dijumpai dengan penampang bulat berdiameter 0,1 mm keatas

dan berbentuk pita dengan ukuran penampang 0,1 x 1 mm keatas.

Karbon

Peranan karbon dalam teknik listrik cukup penting jika dilihat kegunaannya

sebagai berikut: sikat-sikat pada mesin listrik, resistor, rheostat, elektroda pada

tungku pembakaran busur kolam galvanis.

Untuk penggunaan karbon sebagai sikat pada mesin listrik, fungsinya adalah

sebagai jembatan yang harus dilalui arus.

Untuk itu ukuran sikat mesin listrik tergantung besarnya kapasitas mesin. Rapat arus

karbon sebagai sikat pada mesin-mesin listrik juga perlu diperhitungkan sesuai dengan

daya mesin. Selain faktor kekerasan, koefisien kontak juga perlu diperhatikan. Beberapa


BAHAN LISTRIK 12

jenis yang digunakan sebagai sikat adalah : Karbon-grafit, grafit, elektro-grafit, grafit

tembaga dan grafit kuningan.

Grafit tembaga dan grafit kuningan paling banyak digunakan karena resistivitasnya

rendah. Tegangan anjlok pada persinggungan antara sikat dan komutator atau cincin

seret adalah rendah.

Pada tungku pembakaran busur, elektroda yang digunakan adalah grafit dan karbon.

Pertimbangan penggunaan karbon atau grafit adalah karena : tidak lumer,

menghantarkan listrik, sifat tidak larut, kemurnian kimianya, kekuatan mekanis dan

tahan terhadap kejutan thermal.

Secara kimia, karbon dan grafit adalah sama, tetapi secara fisis dan elektris banyak

perbedaanya.

Karbon adalah berongga sedangkan grafit tidak. Grafit diperoleh dengan cara

memanasakan karbon pada temperatur tinggi. Resistivisa grafit adalah 0,25 resistivitas

karbon sehingga kemampuan hantar arus grafit adalah lebih besar dari pada karbon.

Untuk itu digunakan tungku pembakaran yang besar yaitu 3 MVA ketas, tidak

menggunakan karbon tetapi grafit sebagai elektroda.

Sikat karbonSebagai sikat pada bagian yang bewrputar pada mesin listrik, karbon mempunyai

kelebihan karena :

1. Tahan terhadap efek yang disebabkan suhu tinggi. Hal ini karena sikat karbon

mampu menahan suhu tinggi hingga 3000 oC.

2. Kepadatannya rendah. Karbon lebih ringan bila dibandingkan dengan logam

pada umumnya (kecuali magnesium). Hal ini memudahkan adaptasi dengan

gerakan permukaan yang tidak beraturan.

3. Tidak terjadi pengelasan (menyatu) dengan logam pada kondisi yang sama jika

logam-logam menyatu satu sama lain, misalnya karena panas.

Untuk kebutuhan sikat-sikat komutator atau slip ring pada mesin listrik bubuk karbon

dicampur dengan bubuk konduktor antara lain : tembaga, perunggu. Berdasarkan

tingkatannya, sikat karbon dibedakan seperti ditunjukkan pada tabel berikut :


BAHAN LISTRIK 13

Tabel 3.

Jenis-jenis sikat karbom

Timah hitam

Timah hitam mempunyai massa jenis 11,4 g/cm3, agak lunak, meleleh pada suhu

327oC, titik didih 1560oC, warnah abu-abu dan sangat mudah dibentuk. Merupakan

bahan tahan korosi dan mempunyai konduktivitas 4,5 m/Ohm.mm2.

Pemakaian timah hitam pada teknik listrik antara lain : sel-akumulator, selubung

kabel tanah disamping digunakan sebagai pelindung pada industri nuklir.

Timah hitam tidak tahan terhadap getaran dan mudah mengikat sisa asam. Untuk itu

pemakaiannya sebagai pelindung kabel tanah jika ditanam pada tempat-tempat

tersebut, diperlukan perlindungan tambahan. Kapur basah, air laut dan semen basah

dapat bereaksi dengan timah hitam. Itulah sebabnya timah hitam digunakan sebagai

pelindung kabel tanah, digunakan paduan dari timah hitam yang mempunyai struktur

kritsl yang lebih halus, lebih kuat, lebih tahan getaran. Tetapi lebih muda korosi. Timah

dan komponennya mengandung racun.

Bimetal

Setap logam mempunyai muai panjang yang berbeda. Hal ini berarti bila dua logam

dengan berbeda dipanasi dengan suhu yang sama panjangnya akan menjadi

berbeda. Apabila keduanya disatukan menjadi bimetal seperti ditinjukkan pada gambar

6.16., apabila dipanasi bimetal akan melengkung kearah logam yang mempunyai lebih

kecil.


BAHAN LISTRIK 14

Besarnya lengkungan (penyimpangan) a ditentukan oleh perbedaan muai panjang (2 -

1), panjang l, beda suhu (t2 – t1) dan ketebalan h dari kedua logam.

Penyinpangan maksimum bimetal adalah :

Gambar 6.16. Penyimpangan bimetal

Bahan yang umum digunakan untuk bimetal adalah invar ( 63% Fe + 36,1% Ni +

0,4% Mn + 0,4 % Cu) sebagai logam yang mempunyai kecil yaitu 1,5x10-6 peroC

untuk suhu 0 sampai dengan 100oC).


BAHAN LISTRIK 15

Modul 10 Ilmu Bahan Listrik

Documents

Transcript of Modul 10 Ilmu Bahan Listrik