Sifat Listrik

• Sifat konduktivitas listrik adalah salah satu sifat listrik yang banyak digunakan sebagai dasar aplikasi material. Dalam hal ini, karena keramik pada umumnya memiliki sifat konduktivitas yang rendah, maka aplikasi bahan keramik ini banyak digunakan sebagai bahan isolator listrik pada tegangan rendah maupun tinggi.

Konduktivitas Listrik

• Rapat arus listrik J didefinisikan sebagai muatan yang berpindah melalui suatu luasan dalam satuan waktu. Jika n adalah jumlah partikel yang termuati tiap satuan volume dan kecepatan alirannya v dan muatan partikelnya ze (z = muatan valensi dan e = muatan elektron) maka rapat arus listrik partikel ke-i diberikan oleh:

•

Konduktivitas Listrik

Sifat Listrik Berdasar pita energi

Tabel Resistivitas

Konduktivitas ionik dalam kristal

• Salah satu pembawa muatan dalam material keramik (kristalin) adalah ion, seperti oksida dan halida, dimana konduktivitas listriknya dihasilkan dari migrasi ion tersebut

Konduktivitas kation dalam NaCl

Konduktivitas isotherm AgBr didoping dengan Cd2+ dan S2-

Konduktivitas KCl dengan variasi senyawa tambahan

Konduktivitas elektronik dalam kristal

• Bila dalam kristal terdapat elektron bebas atau hole dalam konsentrasi yang sedikit, maka mobilitas elektron atau holnya relatif lebih tinggi dibanding mobilitas ioniknya. Hal ini akan memberikan kontribusi terhadap konduktivitas listrik. Dalam semua kasus konduktivitas listrik ditentukan oleh konsentrasi pembawa muatan dan mobilitas pembawa muatan

• Dalam beberapa kasus untuk oksida logam transisi seperti ReO3, SrO2, VO, TiO dan ReO2 terdapat orbital elektron yang overlap sehingga pita-pita energi d dan f kosong, sehingga konsentrasi elektron kuasi-bebas/cm3 cukup besar 1022 - 1023 menyebabkan bersifat konduktif

• Secara umum terdapat energi gap Eg antara pita terisi dengan pita kosong yang lebih besar dari KT. Konsentrasi elektron konduksi intrinsik material sama dengan konsentrasi hole-nya

kT2Egexpmm

hkT22pn 4

3*

h

*

e

23

2

Konduktivitas listrik tergantung temperature beberapa oksida

Sifat Thermal

• Hampir semua material keramik dalam aplikasinya selalu memperhatikan sifat termal ini, karena sifat termal material terkait dengan sifat-sifat yang lain.

• a). Kapasitas Panas• Adalah energi yang dibutuhkan untuk

meningkatkan temperatur material 1oC

Q=Panas / kalorE=Energi Internal

H=EntalpiKoefisien Expansi ternal

KompresilitasVolume Molar

• Temperatur dimana kapasitas panas menjadi ukuran dipengaruhi oleh kekuatan ikatan, konstanta elastik, titik leleh material

Kapasitas panas beberapa material keramik pada temperature yang berbeda

Konduksi Panas

• dQ /dtheta= Sejumlah panas yang mengalir normal terhadap luasan A dalam waktu

• k = konduktivitas termal• -dT/dx = Gradien temperatur

Sifat Dielektrik

• Sifat dielektrik adalah suatu sifat yang dimiliki oleh material yang dapat terpolarisasi menjadi dipol-dipo listrik bila diberi medan listrik.

• Berbeda dengan sifat konduktivitas yang melibatkan pergerakan pembawa muatan pada jarak/jangkauan yang panjang, respon dielektrik dihasilkan dari gerakan pembawa muatan listrik dalam jangkauan yang pendek (short-range motion of carriers) akibat pengaruh medah listrik eksternal

Sifat Dielektrik

• Sifat-sifat dielektrik ini sangat bervariasi antara material yang satu dengan yang lain dan merupakan fungsi terhadap temperatur, frekuensi medan terapan, kelembaban, struktur kristal dan faktor eksternal lainnya. Respon dielektrik dapat linier tetapi juga dapat non linier terhadap faktor-faktor penyebab (stimulan) tersebut.

• Pembahasan mengenai sifat dielektrik ini sangat erat kaitannya dengan dengan kapasitansi dan konstanta dielektrik, polarisasi, loss factor

• Dua buah keping logam sejajar dipisahkan pada jarak d dan luas penampang kepingnya A, diberi tegangan DC (sebagaimana gambar dibawah ini) maka arus listrik yang mengalir dalam rangkaian tersebut akan meluruh dengan cepat hingga menjadi nol seiring dengan pertambahan waktu, sesuai dengan persamaan berikut

Pola hubungan Q terhadap V dua pelat sejajar vakum

• Berdasarkan hasil perhitungan eksperimen diperoleh keterkaitan antara besarnya konstanta c dengan luas penampang keping sejajar dan jarak antar dua keping, dinyatakan dalam persamaan :

• Hal ini mengindikasikan bahwa jumlah muatan yang dapat disimpan oleh dua keping pelat sejajar dengan memberi bahan dielektrik diantara dua pelat sejajar tersebut semakin besar (lebih besar dibandingkan dengan dua keping pelat sejajar tanpa bahan dielektrik atau vakum). Bila diplot hubungan Q terhadap V hasil eksperimen diperoleh hubungan linier seperti pada gambar dibawah ini dengan slope (gradien) yang lebih besar dari pada gradien kurva Q vs V untuk dua pelat tanpa dielektrik (vakum).

Pola hubungan Q terhadap V dua pelat sejajar dengan bahan pengisi dielektrik

Pembagian bahan Dielektrik• Berdasarkan konstanta dielektrik ini, bahan dielektrik

dapat digolongkan menjadi 3 golongan.• Gol I : meliputi dielektrik dengan konstanta dielektrik yang

rendah (5 – 15 ) dan sedang (15 – 500) dan faktor disipasinya < 0,003.

• Gol II : meliputi dielektrik dengan konstanta dielektrik antara 2000 dan 20.000, permitivitas tinggi berbasis ferroelektrik keramik.

• Gol III : dielektrik dengan fasa konduktif, kapaistansi yang sangat tinggi, tetapi tegangan breakdown-nya rendah

• Kebanyakan keramik seperti keramik berbasis clay dan talc, alumina, BeO dan AlN memiliki permitivitas rendah sehingga dapat digolongkan kedalam dielektrik golongan I, kecuali BaTiO3 yang memiliki k~3000 yang masuk dalam golongan II

Polarisasi

• Polarisasi adalah mekanisme orientasi dipol-dipol listrik dan muatan terikat akibat medan listrik eksternal, di tuliskan dalam persamaan :

N = jumlah dipol tiap satuan volume = momen dipol rata-rata

• Q = muatan listrik dipol• D = jarak antar dipol• =polarisabilitas• E’ = medan listrik lokal