Mata Kuliah Bahan ListrikMata Kuliah Bahan Listrik

2

GBPPGBPP

1. Teori Dasar

2. Konduktor

3. Semikonduktor

4. Isolator

5. Magnet

6. Superkonduktor

3

Struktur Pita Energi Struktur Pita Energi

Energy Gap: Beda energi antara energi valensi dan konduksi

Electron affinity: Lebar pita konduksi χ

4

5

Model Tegangan Pada Metal/LogamModel Tegangan Pada Metal/Logam

• Sifat-2 elektron dlm sebuah bahan ditentukan oleh tegangan yang disebabkan oleh ikatan antara atom-2 yang tersusun (ikatan logam dan kovalen)

• Ikatan logam: tiap atom memberikan satu elektronnya untuk ikatan.

• Gaya penahan inti lemah sehingga elektron yg membuat ikatan dapat bergerak bebas pada sembarang tempat di dalam logam.

• Jika elektron mencoba keluar dari permukaan logam, akan ditarik kembali oleh gaya ikatan.

• Logam mempunyai konduktifitas yang besar.

6

Semikonduktor dan IsolatorSemikonduktor dan Isolator

• Pada 0°K, Pita valensi terisi penuh elektron-2 valensi• Konduktifitas semikonduktor tergantung pada temperatur

• Semikonduktor dan isolator terdiri dari ikatan kovalen dari elektron valensinya.

• Ikatan kovalen: ikatan yang menggunakan elektron inti secara bersamaan.

• Elektron-2 valensi tidak boleh bergerak secara bebas dalam bahan tersebut.

Elektron bebas

Semikonduktor Eg eV (pada 300°K)

SiGe

GaAsGaSbInSbCdTeCdSZnOintan

1,110,671,390,670,171,452,453,26

7

Silikon (Si)Silikon (Si)

Struktur Atom Silikon Struktur electronik Si

• Si merupakan bahan yg terkenal dlm industri semikonduktor kemudian GaAs dan GaP – Laser LED.• Nomor atom Si = 14• Struktur atom Si digambarkan dg menganggap 14 elektron bergerak mengelilingi inti yang mempunyai +14 q• Si mempunyai orbit-2 yg dinyatakan dlm bilngan kuantum n=1,2,3

8

Diagram Pita Energi SiDiagram Pita Energi Si

a. Ikatan kovalen yang terjadi pada kristal Sib. Diagram pita energi dari elektron pada temperatur 0°K

9

Eksitasi elektron dalam SiEksitasi elektron dalam Si

a. Sebuah foton dengan energi lebih besar dari Eg dapat mengeksitasi elektron dari VB ke CB.

b. Setiap garis antara atom-atom Si-Si merupakan sebuah elektron valensi dalam sebuah ikatan (ikatan kovalen). Ketika sebuah foton mematahkan ikatan Si-Si, maka sebuah elektron bebas dan hole di dalam ikatan Si-Si dihasilkan.

10

Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-nSemikonduktor Ekstrinsik Tipe-n

a. As mempunyai 5 elektron terluar. 4 elektron digunakan untuk membentuk ikatan kovalen dengan Si dan 1 elektron dalam keadaan bebas. Energi yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron ke CB sangat kecil.

b. Diagram pita energi untuk sebuah n-type Si yang didoping dengan 1 ppm As. Tingkat energi donor sedikit dibawah Ec disekitar As+.

• Pembawa mayoritas elektron (n)• Pembawa minoritas hole (p)nn – konsentrasi elektron pd semikonduktor tipe-npn –konsentrasi hole pd semikonduktor tipe-n

11

Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-pSemikonduktor Ekstrinsik Tipe-p

a. Boron mempunyai 3 elektron terluar. Jika disubtitusikan ke dalam Si, maka satu ikatan akan kekurangan elektron (hole)

b. Diagram pita energi untuk sebuah p-type Si yang didoping 1 ppm B. Tingkat energi acceptor sedikit diatas Ev disekitar tempat B-.

12

Semikonduktor IntrinsikSemikonduktor Intrinsik

• Kristal silikon berbeda dengan isolator karena pada setiap temperatur di atas temperatur nol mutlak, elektron dalam kisi-kisinya akan terlepas dari posisinya dengan meninggalkan hole.

• Dalam semikonduktor intrinsik elektron dan hole mempunyai kontribusi terhadap aliran arus

13

Konsentrasi Elektron dan Hole pada Keadaan SetimbangKonsentrasi Elektron dan Hole pada Keadaan Setimbang

• NC kerapatan efektif pada pita konduksi• NV kerapatan efektif pada pita valensi

NC=NV= 8,8x1020T3/2(m-3)

intrinsik Tipe-n Tipe-p

Jika EF berhimpit (pada kenyataannya) maka

Konsentrasi elektron dlm pita konduksi:

Konsentrasi hole dlm pita valensi:

0

0

(1)

(2)

VCgg

VC EEEkT

ENNpn −=

−= ,exp00 (3)

VCgg

VCii EEEkT

ENNpn −=

−= ,exp (4)

Karena konsentrasi intrinsik elektron dan hole adalah sama ni=pi maka persamaan 4 menjadi

−=

kT

ENNn g

VCi 2exp

200 inpn = Konsentrasi intrinsik Si pd temperatur kamar ni=1,5x1010 cm-3

−

=kT

EEnn FiFn

i exp0

−=

kT

EEexpnp FpFi

i0

Persamaan 1 dan 2 dapat ditulis

danMenunjukkan konsentrasi elektron = ni ketika EFn pada tingkat intrisik EFi dan n0 naik secara exponesial sebagai tingkat Fermi menjauhi EFi menuju pita konduksi.

14

Degenerasi SemikonduktorDegenerasi Semikonduktor

a. Degenerasi semikonduktor tipe-n. Donor membentuk sebuah pita yang overlap ke CBb. Degenerasi semikonduktor tipe-p.

15

Persamaan Aliran ArusPersamaan Aliran Arus

Ada 2 macam mekanisme yang menyebabkan arus mengalir• Arus drift

Arus mengalir disebabkan oleh berjalannya partikel bermuatan karena adanya medan listrik. Kecepatan zarah bermutan dalam benda padat sebanding dengan medan yang diberikan.

Medan Listrik E+ -

elektron

Hole

Arus I

Kecepatan elektron bermutan – q : Ev nµ−=

Ev pµ+=Kecepatan hole bermutan + q :

Dalam hal elektron: arah dan gerak berlawanan dg arah medan

pn dan µµ : konstata pembanding dg satuan m2/volt.detik

16

Persamaan Aliran ArusPersamaan Aliran Arus

Kepadatan/kerapatan arus Jn dan Jp (A/m2) diberikan untuk masing-masing pembawa:

EqnnvqJ nn µ=−= )(

EqppvqJ pn µ=+= )(

Arus yang dinyatakan dengan persamaan di atas disebut arus hanyut. Dalam hal khusus di mana pdannpn ,,µµTidak bergantung pada medan E, arus dikatakan mengikuti hukum Ohm.

Konduktivitas :

)/1( mOhmnq nµ=σUntuk elektron : Untuk hole : )/1( mOhmpq nµ=σ

Dua macam pembawa berada bersama dalam benda padat :

( ) EpnqJJJ pnpn •µ+µ=+=

n dan p konsentrasi pembawa elektron dan hole

Konduktivitas : ( )pnq pn µ+µ=σ

Resistansi R dlm arah longitudinal dari semikonduktor dengan luas penampang A (m2) dan panjang L (m) :

σ=

A

LR

17

Persamaan Aliran ArusPersamaan Aliran Arus

2. Arus difusi

Jika konsentrasi pembawa berbeda dari satu titik ke titik yang lain, arus akan mengalir walaupun tanpa medan listrik. Gerakan berlangsung terus sampai konsentrasi pembawa rata.

•+µ=dx

xdn

q

kTnEqJ nn

)(

•−µ=dx

xdp

q

kTpEqJ pp

)(

Hole bergerak menyeluruh dalam arah x positif

Karena dp/dx < 0 tanda negatif diatas dipakai sedemikian rupa sehingga Jp menjadi positif.Jp sebanding dg gradien konsentrasi dan konstata pembandingnya disebut konstata difusi

Rapat arus difusi untuk hole

: konstata m2/detik

Jika arus disebabkan oleh drift dan difusi maka

pp q

kTD µ=

p(x)

x

Jp

0

p0

p∆

pLxpepxp /0)( −∆+=

)()(

xpL

Dq

dx

xdpqDJ

p

ppp δ=−=: distribusi hole pada keadaan setimbang

pLxpexp /)( −∆=δ

ppp DL τ= : panjang difusi untuk hole

pτ : waktu yg diperlukan untuk rekombinasi

SoalDalam sebuah Si tipe-p yg sangat panjang dengan penampang luasan 0,5 cm2 dan Na=1017 cm-3, hole-hole diinjeksikan sehingga keadaan setimbang kelebihan konsentrasi hole sebesar 5 x 1016cm-3 pada x=0. Berapa selisih keadaan setimbang antara Fp dan Ec pada x=1000 Angstrom?. Berapa arus hole? Berapa banyak kelebihan muatan hole yang disimpan?. Asumsi: Vscmp /500 2=µ sp

1010−=τdan

18

Persamaan KontinuitasPersamaan Kontinuitas

Persamaan kontinuitas merupakan persamaan yang menyatakan perubahan jumlah pembawa dalam suatu daerah.

Jumlah pembawa dalam suatu daerah berubah karena:• Aliran masuk dan keluar pembawa ke daerah tersebut.• Timbul dan hilangnya pembawa dalam daerah tersebut.

Contoh untuk hole dalam semikonduktor tipe-n

I IIPenampang A (m2)

)(xJp

x

x x x∆+

( )xxJp ∆+

TUGAS

19

Excess carriersExcess carriers dalam Semikoduktor dalam Semikoduktor

a. Generationb. Auger (Non radiatif Rekombinasi)c. Recombination at a trapd. Regeneratione. Radiative Recombination

20

p-n junctionp-n junction

• Ketika Semikonduktor tipe p dan n dihubungkan maka material mempunyai sifat yang berbeda dengan sifat material itu sensiri.

• Arus akan mengalir hanya satu searah, hal ini merupakan konsep dasar DIODA.

• Fenomena ini muncul dari sifat alami proses tranport mauatan dalam dua tipe material yang berbeda.

21

Bias MajuBias Maju

• Ketika Sambungan P-N diberi bias maju, maka elektron pada material tipe n akan naik ke pita konduksi dan berdifusi melewati sambungan untuk bergabung dengan hole pada material p.

• Pada kondisi seperti ini arus dapat mengalir melewati sambungan.

22

Bias MundurBias Mundur

• Bias mundur menjauhkan elektron dan hole dari sambungan, jika potensial yang dihasilkan oleh pelebaran lapisan deplesi sama dengan tegangan yang masuk maka arus akan terhenti.

23

Fisika Semikonduktor untuk Elektronik Zat PadatFisika Semikonduktor untuk Elektronik Zat Padat

24

Diode ZenerDiode Zener

Dioda zener mengunakan sambungan p-n dalam bias mundur untuk membuat efek zener atau fenomena breakdown potensial yang menahan tegangan menjadi sebuah nilai yang konstan (tegangan zener). Hal ini sangat berguna dalam regulator zener untuk menyediakan tegangan yang lebih konstan, untuk memperbaiki kinerja power supply

25

Light Emitting DiodeLight Emitting Diode

Ketika bias maju diaplikasikan pada dioda LET, tegangan akan mengarahkan elektron dan hole ke dalam daerah aktif antara material tipe n dan p (depletion layer). Pasangan elektron dan hole jatuh ke dalam keadaan ikatan yang lebih stabil yang disebut proses rekombinasi dengan melepaskan energi dalam orde elektron volt berupa emisi foton (IR atau electroluminescence).Merah (700nm) -> 1,77 eVViolet (400nm) -> 3,1 eV

26

Karakteristik LEDKarakteristik LED

27

Kontak Metal - SemikonduktorKontak Metal - Semikonduktor

: Afinitas elektron merupakan beda energi antara tingkat vakum dan Ec χ

( )χ−Φ=Φ mBn

nBnbi VV −Φ=

BnΦ : is simply the difference between the metal work function and the electron affinity χ of the semiconductor.

The built-in potential biV for the n-type semiconductor

BnΦ is the barrier height of the real metal-semiconductor contact and

nV is the potential difference between the Fermi level and EC.

28

Diagram Pita Energi Metal-Semikonduktor Diagram Pita Energi Metal-Semikonduktor

a. Kesetimbangan termalb. Forward biasc. Reverse Bias

29

Junction FETJunction FET

30

Variasi Lebar lapisan KekosonganVariasi Lebar lapisan Kekosongan

31

Karakterisasi I-VKarakterisasi I-V

32

Karakteristik Arus-Tegangan Ideal dg VKarakteristik Arus-Tegangan Ideal dg Vpp=3,2 V=3,2 V

33

Metal Oxide Semiconductor FETMetal Oxide Semiconductor FET

• Metal oxide semiconductor field effect transistor merupakan (MOSFET) merupakan devais yang penting untuk very-large-scale integrated circuit seperti microprocessor dan memori.

• MOSFET terdiri dari 4 divais terminal. Substrat (p-type semiconductor), source (n+), drain (n+) dan gate (kombinasi silicide – MoSi2)

• IGFET, MISFET dan MOST• MOSFET merupakan famili dari Field Effect Transistor• Karakteristik I-V dari MOSFET sama dengan JFET dan MESFET

34

Operasi MOSFET dan Karakteristik Keluaran I-VOperasi MOSFET dan Karakteristik Keluaran I-V

Pada kondisi:• Struktur gate pada ideal MOSFET: tidak ada jebakan

interface, muatan oksida / beda fungsi kerja ditentukan• Hanya arus drift yang dipertimbangkan• Mobilitas pembawa dalam lapisan inversi adalah konstan• Doping dalam kanal adalah uniform• Arus yang bocor sangat kecil.• Medan transfersal dalam kanal lebih besar dari pada medan

longitudinal• Pendekatan kanal secara gradual dan secara umum berlaku

untuk MOSFET dengan kanal yang panjang

Prinsip Kerja:• Sebuah tegangan diaplikasikan pada gate menyebabkan

sebuah inversi pada permukaan semikonduktor dan membentuk sebuah kanal konduktor antara dua daerah n+.

• Kanal konduktor menghubungkan source dan drain, sehingga arus dapat mengalir.

• Konduktasi kanal dapat diatur dengan memvariasi tegangan pada gate.

• Jika sebuah tegangan drain yang kecil diaplikasikan maka elektron akan mengalir dari source ke drain (arus mengalir dari drain ke source) melalui sebuah kanal konduktor. Kemudian kanal berfungsi sebagai resistansi.

• ID sebanding dengan VD

35

Karakteristik MOSFET. VKarakteristik MOSFET. VDD>V>VD SatD Sat

36

Konduktivitas dalam Keramik Ionik dan Polimer Konduktivitas dalam Keramik Ionik dan Polimer

•Material Isolator pada temperatur kamar•Gap pita valensi dan pita konduksi < 2 eV

•Hanya sedikit elektron tereksitasi melewati pita gap ketika dikenai energy panas•Konduktivitas nonmetallic materials lihat tabel

18.3

37

Konduktivitas dalam Material IonikKonduktivitas dalam Material Ionik

• Anion (ion bermuatan negatif) dan Kation (ion bermuatan positif) dalam material ionik mempunyai muatan listrik.

• Migrasi atau difusi dapat terjadi ketika ada medan listrik• Arus listrik dihasilkan dari pergerakan netto dari keduanya • Migrasi anion dan kation mempunyai arah yang berlawanan.• Konduktivitas total dari material ionik sama dengan jumlah dari kontribusi electronic

dan ionic

ionicelectronictotal σ+σ=σ

kTeDn II

I =µ

Mobilitas Ionic:

nI: koefisien valensi ionDI: koefisien diffusi

KeramikMaterial Konduktivitas elektrik (Ω-m)-1 Concrete 10-9

Soda-lime glass 10-10-10-11

Porcelain 10-10-10-12

Borosilicate glass ~10-13

Aluminium oxide <10-13

Fused silica <10-18

38

Sifat Elektrik PolimerSifat Elektrik Polimer

• Polymer merupakan isolator

• Hanya sedikit elektron bebas dalam pita konduksi• Mekanisme penghantar listrik dalam polymer masih belum jelas• Penghantar Poliner -> konduktivitas 1,5x107 (Ω m)-1

• Pada polimer atom-atom dopant tidak menggantikan atom-atom polymer• Penghantar Polymer mempunyai potensial untuk digunakan karena

- Kerapatan yang rendah

- Fleksibel

- Mudah untuk diproduksi

PolimerMaterial Konduktivitas elektrik (Ω-m)-1 Phenol-formaldehyde 10-9-10-10

Polymethyl methacrylate <10-12

Nylon 6,6 10-12-10-13

Polystyrene <10-14

Polyethylene 10-15-10-17

Polytetrafluoroethylene <10-17

39

FerroelectricityFerroelectricity

•Polarisasi spontan ketika dikenai medan listrik•Mempunyai dielektrik = Ferromagnetic materials •Magnet permanen

Barium titanate BaTiO3

•Polarisasi spontan merupakan konsekuen dari penempatan ion-ion Ba2+, Ti4+ dan O2- dalam sel unit.•Momen dipole dihasilkan oleh pemindahan relatif ion-ion O2- dan Ti4+ dari posisi simetrisnya.•Barium titanate dipanaskan diatas temperatur Curie Ferroelectricnya (120°)

- Kubik sehingga semua ion menjadi posisi yang simetri

- Struktur kristal perovskite- Tidak Ferroelectric lagi

40

PiezoelectricityPiezoelectricity

•Piezo bersal dari bahasa yunani piezen yang berarti tekan.

•Piezoelectric adalah suatu kemempuan beberapa material

(kususnya Kristal dan keramik)yang dapat memberikan arus

ketika mendapatkan perlakuan berupa tekanan•Piezoelectric Effect adalah merubah nilai besaran

deformasi suatu bahan kedalam bentuk sinyal elektrik

Material-material dengan Sifat Piezoelektrik

• Kristal Alami: Barlinite (AlPO4) Quartz ( SiO2)

• Keramik Buatan: Barium Titanate (BaTiO3) Lead Titanate (PbTiO3) Lead Zirconate Titanate (Pb(ZrTi)O3) atau PZT

• Polimer: Polyvinydine Flouride (PVDF)

41

Crystal MicrophoneCrystal Microphone

Prinsip Kerja:• Mikrophone ini menggunakan kepingan tipis dari sebuah material

piezoelektrik yang dihubungkan dengan sebuah diaphragma. • Kedua sisi kristal mendapatkan atau menerima muatan yang berbeda

ketika kristal dibelokkan oleh diaphragma. • Muatan-muatan tersebut sebanding dengan perubahan bentuk.

42

KonduktorKonduktor

Elektronegatif: sebuah ukuran kemampuan dari sebuah atom dalam molekul untuk menarik ikatan elektron-2 nya pada dirinya.

Electrical conductivity = σ = 1/ρ

43

Element-Element Rangkaian ListrikElement-Element Rangkaian Listrik

44

Sifat-Sifat Magnetik MaterialSifat-Sifat Magnetik Material

• Kemagnetan merupakan fenomena yang menyatakan gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak pada material dengan material lain.

• Alat-2: Generator listrik, motor listrik, radio, televisi, telepon dll• Besi atau metal merupakan material yang mempunyai sifat magnetik

45

Sumber Medan MagnetikSumber Medan Magnetik

46

Dipol MagnetikDipol Magnetik

•Gaya magnetik dihasilkan oleh pergerakan partikel yang dibebani secara elektrik.•Garis-2 gaya digambarkan untuk mengindikasikan arah gaya pada posisi sekitar sumber medan•Dipol magnetik ditemukan dalam material magnet seperti halnya pada dipol listrik•Momen dipol magnetik digambarkan dengan garis-2 panah•Dipol magnetik dipengaruhi oleh medan magnetik

47

Medan MagnetikMedan Magnetik

Kuat Medan Magnetik H pada Solenoid:

N: Banyaknya lilitanl : Panjang SolenoidI : Arus l

NIH =

Rapat Fluk Magnetik B

µ: permeabilitas Wb/A m atau H/m

HB µ=

HB 00 µ=Dalam Vakum

µ0:permeabilitas vakum 4πx10-7H/m

48

ElektromagnetElektromagnet

HB µ=

HkB 0µ=k = permeabilitas relatif dari besi

49

Sifat Magnetik pada Benda / Zat PadatSifat Magnetik pada Benda / Zat Padat

Relatif permeabilitas

Kehadiran medan magnetik H, momen magnetik di dalam suatu material cenderung untuk dibariskan dengan bidang dan untuk menguatkannya berdasarkan atas gaya magnetiknya

0r µ

µ=µ

MHB 00 µ+µ=

HM mχ=

1rm −µ=χ

M: Magnetisasi benda/zat padatχm: susceptibilitas magnetik

50

Momen MagnetikMomen Magnetik

•Sifat magnetik makroskopik material merupakan konsekuen dari momen magnetik

yang dihubungkan dengan elektron individu

•Setiap elektron dalam sebuah atom mempunyai momen magnetik yang berasal dari 2

sumber:

- Gerakan orbital mengelilingi inti

- Sepanjang sumbu rotasi (Spin)•Momen orbital sepasang elekron saling melemahkan satu sama lain•Total momen magnetik untuk sebuah atom merupakan jumlah momen magnetik dari

setiap elektron-2 unsur.

51

FerromagnetikFerromagnetik

• Domain magnetik : daerah dari kelurusan magnetik• Sifat ferromagnetik material akan hilang pada temperatur

tertentu yang disebut dengan temperatur Curie material

52

Diamagnetism dan ParamagnetismDiamagnetism dan Paramagnetism

• Diamagnetism merupakan bentuk kemagnetan yang paling lemah (non permanen)

• Kemagnetan terjadi hanya selama medan magnetik luar dikenakan padanya

• Kemagnetan dipengaruhi oleh perubahan dalam gerakan orbital dari elektron akibat medan magnet luar

• Material diamagnetik jika diletakkan antara kutub-kutub elektromagnet, maka material ditarik ke daerah dimana medan magnetnya lemah

•Paramagnetism merupakan bentuk kemagnetan setingkat lebih tinggi dari diamagnetism•Orentasi momen magnetik atom adalah acak jika tidak ada medan magnetik luar•Pol-pol atau kutub-kutub atomik bebas berputar•Orentasi momen magnetik atom searah dengan medan jika ada medan magnetik luar

53

Interaksi Magnetik dengan Muatan BergerakInteraksi Magnetik dengan Muatan Bergerak

54

Gaya Magnetik Pada Muatan BergerakGaya Magnetik Pada Muatan Bergerak

55

Motor DCMotor DC

56

SuperkonduktorSuperkonduktor

1. Superkonduktor merupakan sebuah elemen, campuran logam atau bahan campuran yang dapat mengalirkan arus listrik tanpa hambatan di bawah suhu tertentu.

2. Hambatan tidak diinginkan karena hambatan menyebabkan berkurangnya energi yang mengalir pada material.

3. Arus listrik akan mengalir selamanya dalam sebuah loop tertutup dari material superkonduktor.

4. Ilmuwan mengarahkan superkonduktivitas sebagai sebuah fenomena kuantum makroskopik (macroscopic quantum phenomenon)

57

Penemuan SuperkonduktorPenemuan Superkonduktor

H. Kamerlingh Onnes, after having successfully liquified helium in 1908, investigated the low temperature resistivity of mercury in 1911. The mercury could be made very pure by distillation, and this was important because the resistivity at low temperatures tends to be dominated by impurity effects. He found that the resistivity suddenly dropped to zero at 4.2K, a phase transition to a zero resistance state. This phenomenon was called superconductivity, and the temperature at which it occurred is called its critical temparature.

58

Helium Cair (Liquid Helium)Helium Cair (Liquid Helium)

Kamerlingh Onnes worked for many years to liquify the element which persisted as a gas to the lowest temperature. Using liquid air to produce liquid hydrogen and then the hydrogen to jacket the liquification apparatus, he produced about 60 cubic centimeters of liquid helium on July 10, 1908. Its boiling point was found to be 4.2 K. Onnes received the Nobel Prize in 1913 for his low temperature work leading to this achievement. When helium is cooled to a critical temperature of 2.17 K (called its lambda point), a remarkable discontinuity in heat capacity occurs, the liquid density drops, and a fraction of the liquid becomes a zero viscosity "superfluid". Superfluidity arises from the fraction of helium atoms which has condensed to the lowest possible energy. An important application of liquid helium has been in the study of superconductivity and for the applications of superconducting magnets.

59

Magnetic LevitationMagnetic Levitation

If a small magnet is brought near a superconductor, it will be repelled because induced supercurrents will produce mirror images of each pole. If a small permanent magnet is placed above a superconductor, it can be levitated by this repulsive force. The black ceramic material in the illustrations is a sample of the yttrium based superconductor.

60

Superkondutor Tipe ISuperkondutor Tipe I

61

Superkonduktor Tipe IISuperkonduktor Tipe II

•Terbuat dari campuran logam•Mempunyai medan magnetik kritis lebih besar

62

Aplikasi SuperkonduktorAplikasi Superkonduktor

Superconducting quantum interference device (SQUID) terdiri dari dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan sekat yang tipis membentuk 2 pararel Josephson Junction. Piranti ini dibuat sebagai sebuah magnetometer untuk mendeteksi medan magnet yang sangat kecil. Cukup kecil untuk mengukur medan magnet dalam makluk hidup yang sangat kecil. Squid telah digunakan untuk mengukur medan magnet dalam otak tikus untuk menguji apakah ada kemagnetan yang menghubungkan kemampuan navigasinya tehadap kompas internal.

Jika arus bias yang konstan dijaga dalam divais SQUID, tegangan yang terukur berosilasi dengan perubahan fase pada kedua sambungan, yang tergantung pada perubahan fluk magnetik. Penghitung osilasi dapat digunakan untuk mengevaluasi perubahan fluk yang telah terjadi

Threshold for SQUID: 10-14 T

Magnetic field of heart: 10-10 T

Magnetic field of brain: 10-13 T

63

Aplikasi SuperkonduktorAplikasi Superkonduktor

The Yamanashi MLX01 MagLev train.

64

Aplikasi SuperkonduktorAplikasi Superkonduktor

MRI of a human skull An area where superconductors can perform a life-saving function is in the field of biomagnetism. Doctors need a non-invasive means of determining what's going on inside the human body. By impinging a strong superconductor-derived magnetic field into the body, hydrogen atoms that exist in the body's water and fat molecules are forced to accept energy from the magnetic field. They then release this energy at a frequency that can be detected and displayed graphically by a computer. Magnetic Resonance Imaging (MRI) was actually discovered in the mid 1940's. But, the first MRI exam on a human being was not performed until July 3, 1977. And, it took almost five hours to produce one image! Today's faster computers process the data in much less time.