STRUKTUR ATOM

Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan

elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya.Inti atom mengandung campuran proton

yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang

tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya

elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan satu sama lainnya

membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama

bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda

bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah

proton dan neutron pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur

kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.

Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun

sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom sebagai komponen yang tak dapat

dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan

ke-18, para kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-

zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia.

Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur

dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak

dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum yang digunakan para fisikawan

kemudian berhasil memodelkan atom.

Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil

dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat dipantau menggunakan peralatan

khusus seperti mikroskop penerowongan payaran. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat

pada inti atom, dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling

tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat mengalami peluruhan

radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan

neutron pada inti. Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi,

ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan

menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras.

Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi sebuah unsur dan memengaruhi sifat-sifat

magnetis atom tersebut.

1. Partikel Dasar adalah partikel-partikel pembentuk atom yang terdiri dari elektron, proton

dan neutron.

a. Proton : partikel pembentuk atom yang mempunyai massa sama dengan satu sma

(amu) dan bermuatan +1.

b. Neutron : partikel pembentuk atom yang bermassa satu sma (amu) dan netral.

c. Elektron : partikel pembentuk atom yang tidak mempunyai massa dan bermuatan -1.

2. Nukleus adalah Inti atom yang bermuatan positif, terdiri dari proton dan neutron.

3. Notasi Unsur ( Nomor Atom dan Massa Atom )

Henry Gwyn-Jeffreys mengusulkan istilah nomor atom (Z) untuk menyebutkan jumlah

proton. Massa atom ataau nomor massa (A) untuk menyebutkan jumlah nucleon ( jumlah

proton + neutron ) dalam inti atom. Cara penulisan nomor atom (Z) dan massa atom (A)

 → X = tanda atom (unsur)

     A = nomor atom

     Z = massa atom

Nomor atom (Z) = jumlah electron (e) = jumlah proton (p)

Massa atom (A) = jumlah proton + neutron

Jumlah neutron = A - Z

Pada atom netral, berlaku: jumlah elektron = jumlah proton.

4. Atom Tak Netral

Atom Tak Netral adalah atom yang bermuatan listrik karena kelebihan atau

kekurangan elektron bila dibandingkan dengan atom netralnya.

a. Atom bermuatan positif bila kekurangan elektron, disebut kation.

b. Atom bermuatan negatif bila kelebihan elektron, disebut anion.

Contoh:

Cl- : anion dengan kelebihan 1 elektron

O2 : anion dengan kelebihan 2 elektron

Na+ : kation dengan kekurangan 1 elektron

Mg2- : kation dengan kekurangan 2 elektron

5. Isotop

Atom-atom dari unsur yang sama dapat memiliki massa yang berbeda, ini disebut

isotop. Jadi, isotop adalah unsure-unsur sejenis yang memiliki jumlah proton sama tetapi

jumlah neutron berbeda. Atau isotop adalah unsur-unsur sejenis yang memiliki nomor atom

sama tetapi massa atom berbeda, Contoh: Isotop oksigen

6. Isobar

Isobar adalah unsur yang bilangan massanya sama, tetapi berbeda nomor atomnya.

7. Isoton

Isoton adalah unsur dengan jumlah neutron yang sama.

8. Iso Elektron

Iso Elektron adalah atom/ion dengan jumlah elektron yang sama. Contoh: Na+ dengan

Mg2+  dan K+ dengan Ar.

Perkembangan Model Atom

Seorang filsuf Yunani yang bernama Democritus berpendapat bahwa jika suatu benda

dibelah terus menerus, maka pada saat tertentu akan didapat akan didapat bagian yang tidak

dapat dibelah lagi. Bagian seperti ini oleh Democritus disebut atom. Istilah atom berasal dari

bahasa yunani “a” yang artinya tidak, sedangkan “tomos” yang artinya dibagi. Jadi, atom

artinya tidak dapat dibagi lagi. Pengertian ini kemudian disempurnakan menjadi, atom adalah

bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibelah lagi namun namun masih memiliki

sifat kimia dan sifat fisika benda asalnya.

Atom dilambangkan dengan ZXA, dimana A = nomor massa (menunjukkan massa

atom, merupakan jumlah proton dan neutron), Z = nomor atom (menunjukkan jumlah

elektron atau proton). Proton bermuatan positif, neutron tidak bermuatan (netral), dan

elektron bermuatan negatif. Massa proton = massa neutron = 1.800 kali massa elektron.

Atom-atom yang memiliki nomor atom sama dan nomor massa berbeda disebut isotop, atom-

atom yang memiliki nomor massa sama dan nomor atom berbeda dinamakan isobar, atom-

atom yang memiliiki jumlah neutron yang sama dinamakan isoton.

MODEL-MODEL ATOM

1. MODEL ATOM JOHN DALTON

Pada tahun 1808, John Dalton yang merupakan seorang guru di Inggris, melakukan

perenungan tentang atom. Hasil perenungan Dalton menyempurnakan teori atom Democritus.

Bayangan Dalton dan Democritus adalah bahwa atom berbentuk pejal. Dalam renungannya

Dalton mengemukakan postulatnya tentang atom:

a. Setiap unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil yang dinamakan dengan atom

b. Atom dari unsur yang sama memiliiki sifat yang sama

c. Atom dari unsur berbeda memiliki sifat yang berbeda pula

d. Atom dari suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain dengan reaksi kimia,

atom tidak dapat dimusnahkan dan atom juga tidak dapat dihancurkan

e. Atom-atom dapat bergabung membentuk gabungan atom yang disebut molekul

f. Dalam senyawa, perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap

g. Reaksi kimia merupakan proses penggabungan atau pemisahan atom dari unsur-unsur

yang terlihat.

Teori atom Dalton ditunjang oleh 2 hukum alam yaitu :

a. Hukum Kekekalan Massa ( hukum Lavoisier ) : massa zat sebelum dan sesudah reaksi

adalah sama.

b. Hukum Perbandingan Tetap ( hukum Proust ) : perbandingan massa unsur-unsur yang

menyusun suatu zat adalah tetap.

Kelemahan Model Atom Dalton :

a. Tidak dapat membedakan pengertian atom den molekul. Dan atom ternyata bukan

partikel yang terkecil,

b. Tidak dapat menjelaskan perbedaan antara atom unsur yang satu dengan unsur yang lain,

c. Tidak dapat menjelaskan sifat listrik dari materi,

d. Tidak dapat menjelaskan cara atom-atom saling berikatan.

Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada tolak

peluru. Seperti gambar berikut ini:

 

 

Model Atom Dalton seperti bola pejal

Percobaan Lavosier

Mula-mula tinggi cairan merkuri dalam wadah yang berisi udara adalah A, tetapi setelah

beberapa hari merkuri naik ke B dan ketinggian ini tetap. Beda tinggi A dan B menyatakan

volume udara yang digunakan oleh merkuri dalam pembentukan bubuk merah (merkuri

oksida). Untuk menguji fakta ini, Lavoisier mengumpulkan merkuri oksida, kemudian

dipanaskan lagi. Bubuk merah ini akan terurai menjadi cairan merkuri dan sejumlah volume

gas (oksigen) yang jumlahnya sama dengan udara yang dibutuhkan dalam percobaan pertama

2. MODEL ATOM J.J. THOMPSON

Pada tahun 1897, J.J Thomson mengamati electron. Dia menemukan bahwa semua

atom berisi elektron yang bermuatan negatif. Dikarenakan atom bermuatan netral, maka

setiap atom harus berisikan partikel bermuatan positif agar dapat menyeimbangkan muatan

negatif dari elektron. Menurutnya atom :

a. atom merupakan suatu bola bermuatan positif dan di dalamnya tersebar elektron-

elektron seperti kismis.

b. jumlah muatan positif sama dengan muatan negatif, sehingga atom bersifat netral.

Model atomini dapat digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas kulitnya.

biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar marata dalam bola daging jambu yang

pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai bola positif yang pejal. Model

atom Thomson dapat digambarkan sebagai berikut:

Kelebihan Model Atom Thomson :

Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan

merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.

Kelemahan Model Atom Thomson :

Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola

atom tersebut.

3. MODEL ATOM RUTHERFORD

Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geiger dan Erners Masreden)

melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis

emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif

dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas.

Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thomson, yakni apakah

atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan

dipantulkan atau dibelokkan. Dari pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila

partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel

alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden

diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan

lebih.

Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesipulan beberapa berikut:

a. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan

b. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom emas, maka

didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif.

c. Partikel tersebut merupakan partikel yang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta

bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000

merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000

lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan.

Berdasarkan fakta-fakta yang didapatkan dari percobaan tersebut, Rutherford mengusulkan

model atom yang dikenal dengan Model Atom Rutherford yang menyatakan bahwa Atom

terdiri dari inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positif, dikelilingi oleh elektron yang

bermuatan negatif. Rutherford menduga bahwa didalam inti atom terdapat partikel netral

yang berfungsi mengikat partikel-partikel positif agar tidak saling tolak menolak.

Model atom Rutherford dapat digambarkan sebagai beriukut:

Kelemahan :

Tidak dapat menjelaskan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti atom. Berdasarkan teori

fisika, gerakan elektron mengitari inti ini disertai pemancaran energi sehingga lama -

kelamaan energi elektron akan berkurang dan lintasannya makin lama akan mendekati inti

dan jatuh ke dalam inti Ambilah seutas tali dan salah satu ujungnya Anda ikatkan sepotong

kayu sedangkan ujung yang lain Anda pegang. Putarkan tali tersebut di atas kepala Anda.

Apa yang terjadi? Benar. Lama kelamaan putarannya akan pelan dan akan mengenai kepala

Anda karena putarannya lemah dan Anda pegal memegang tali tersebut. Karena Rutherford

adalah telah dikenalkan lintasan/kedudukan elektron yang nanti disebut dengan kulit.

4. Model Atom Bohr

Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan

atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini

berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti

atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari

Rutherford dan teori kuantum dari Planck, diungkapkan dengan empat postulat, sebagai

berikut:

a. Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron dalam

atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron

dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.

b. Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak

ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.

c. Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain.

Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan

persamaan planck, ΔE = hv.

d. Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu,

terutama sifat yang disebut momentum sudut. Besarnya momentum sudut merupakan

kelipatan dari h/2∏ atau nh/2∏, dengan n adalah bilangan bulat dan h tetapan planck.

Menurut model atom bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasan-lintasan tertentu

yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling rendah adalah kulit

elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan

semakin tinggi tingkat energinya.

 Percobaan Bohr

Kelebihan dan Kelemahan

Kelebihan :

Atom Bohr adalah bahwa atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya

elektron.

Kelemahan :

Model atom ini adalah tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack

5. MODEL ATOM MODERN

Dikembangkan berdasarkan Teori Mekanika Kuantum yang disebut mekanika

gelombang; diprakarsai oleh 3 ahli yaitu :

a. Louis Victor de Broglie, Menyatakan bahwa materi mempunyai dualisme sifat yaitu

sebagai materi dan sebagai gelombang.

b. Werner Heisenberg, Mengemukakan prinsip ketidakpastian untuk materi yang

bersifat sebagai partikel dan gelombang. Jarak atau letak elektron-elektron yang

mengelilingi inti hanya dapat ditentukan dengan kemungkinan – kemungkinan saja.

c. Erwin Schrodinger (menyempurnakan model Atom Bohr), Berhasil menyusun

persamaan gelombang untuk elektron dengan menggunakan prinsip mekanika

gelombang. Elektron-elektron yang mengelilingi inti terdapat di dalam suatu orbital

yaitu daerah 3 dimensi di sekitar inti dimana elektron dengan energi tertentu dapat

ditemukan dengan kemungkinan terbesar.

Model Atom Modern :

a. Atom terdiri dari inti atom yang mengandung proton dan neutron sedangkan elektron-

elektron bergerak mengitari inti atom dan berada pada orbital-orbital tertentu yang

membentuk kulit atom.

b. Orbital yaitu daerah 3 dimensi di sekitar inti dimana elektron dengan energi tertentu

dapat ditemukan dengan kemungkinan terbesar.

c. Kedudukan elektron pada orbital-orbitalnya dinyatakan dengan bilangan kuantum.

d. Orbital digambarkan sebagai awan elektron yaitu : bentuk-bentuk ruang dimana suatu

elektron kemungkinan ditemukan.

e. Semakin rapat awan elektron maka semakin besar kemungkinan elektron ditemukan

dan sebaliknya.

PENGERTIAN PITA ENERGI

Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yang sama akan saling

berimpit dan membentuk pita

Tingkat- tingkat energi pada digambarkan dengan cara yang sama dengan

atomtunggal.Interaksi anataratom pada kristal hanya terjadi pada elektron bagian

luar sehingga tingkat enrgi elektron pada orbit bagian dalam tidak berubah

Pada orbit bagian luar terdapat elktron yang sangat banyak dengan tingkat- tingkat energi

yang berimpit satu sama lain

Berdasarkan asas Pauli, dalam suatu tingkat energi tidak boleh terdapat lebih dari

satuelektron pada keadaan yang sama , maka apabila ada elektron yang berada

padakeadaan yang sama akan terjadi pergeseran tingkat energi sehingga tidak pernah ada

garis – garis energi yang bertindihan.

JENIS-JENIS PITA ENERGI

a. Pita valensi adalah pita energi teratas yang terisi penuh oleh electron,

b.  pita konduksi adalah pita energi di atas pita valensi yang terisi sebagian atau

tidak terisi oleh elektron,

c. Pita terlarang adalah pita energi di antara pita valensi dan pita konduksi dimana

elektron-elektron tidak diperbolehkan ada pada pita energi ini. Energi yang diperlukan

untuk memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi adalah sebesar energi

pita terlarang.

Pada umumnya, antara pita valensi dan pita konduksi terdapat suatu celah yang disebutcelah

energi (celah terlarang)

Perbedaan jenis bahan berdasarkan pita energinya :

1. Isolator

2. Semikonduktor

3. Konduktor

1. Isolator

Bahan-bahan isolator mempunyai pitalarangan yang cukup lebar. Untuk memindahkan

elektron dari pita valensi kepita konduksi diperlukan energi yang lebih besar. Karena

elektron-elektron ini sukar bergerak maka bahan isolator sukar menghantarkan arus listrik.

Isolator memilki struktur pita energi seperti pada gambar. pita konduksi tidak terisi oleh

elektron , sedangkan celah energi antara pita valensi dan pita konduksi cukup besar ( sekitar

5 eV ) sehingga tidak ada elektron yang bergerak bebas . Oleh karena itu, apabila bahan

isolator dihubungkan dengan sumber tegangan listrik , tidak akan terjadi aliran muatan.

2. Semikonduktor

Bahan-bahan semikonduktor mempunyai pita larangan yang lebih sempit. Untuk

memindahkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi diperlukan energi yang lebih kecil.

Elektron-elektron dapat bergerak pada bahan semikonduktor dengan energi yang kecil.

Ciri-ciri semikonduktor :

• Struktur pita energi pada semikonduktur hampir sama dengan struktur pita energi pada

isolator .

• Akan tetapi celah energi antara pita valensi dan pita konduksi pada isolator relatif kecil,

yaitu sekitar 1,1 eV. Pada suhu rendah, semikonduktur akan berperilaku seperti isolator,

sedangkan pada suhu tinggi elektron yang berada pada pita valensi akan memperoleh

energi kinetik yang mampu untuk memindahkan elektron ke pita konduksi sehingga

pada pita konduksi terdapat elektron yang dapat bergerak bebas.

Gambar pita energi semikonduktor pada suhu rendah

3. Konduktor

Bahan-bahan konduktor tidak mempunyai pita larangan. Antara pita valensi dan pita

konduksinya bisa saling bertumpuk. Elektron-elektron dapat bergerak bebas pada bahan

konduktor.

Ciri-ciri konduktor :

Logam dikenal sebagai konduktor yang baik.

Pada umumnya, konduktor memiliki struktur pita energi seperti pada logam natrium.

Karena pita konduksi hanya terisi sebagian , maka elektron – elektron pada pita

konduksi dapat bergerak bebas.

Pada saat ujung –ujung konduktor dihubungkan dengan sumber tegangan listrik, akan

terjadi aliran muatan ( aliran elektron pada pita konduksi ) sesuai dengan arah medan

listriknya.

DISTRIBUSI ENERGI ZAT PADAT

Celah terlarang besar

Celah terlarang kecil

Pita valensi

Pita konduksi

Konduktor

Isolator Semi- kondukt

or

kosongKoson

g Kosong

http://social-evolutions.blogspot.com/2012/06/pengertian-material-isolator.html

Gambar Struktur Pita Energi Isolator. Pita terlarang yang besar ini memisahkan pita

valensi yang terisi dengan pita konduksi yang kosong, Gambar Struktur Pita Energi

Semikonduktor. Lebar pita relatif kecil, EG = 1 eV. Pada saat suhu naik, elektron pada pita

valensi mampu berpindah ke pita konduksi. Karena adanya elektron di pita konduksi

akibatnya bahan itu menjadi sedikit konduktif, Gambar Struktur Pita Energi Konduktor.

Pita konduksi terisi sebagian, jika ada medan listrik luar elektron akan memperoleh tambahan

energi sehingga berpindah yang berakibat timbul arus listrik.

Gambar dan penjelasan di atas merupakan jawaban dari pertanyaan atas adanya klasfikasi

material menurut sifat kelistrikannya. Jadi tampak di atas, untuk menjelaskan konsep

konduktivitas material tersebut digunakan konsep pita-pita energi.

BAHAN LISTRIK

Dalam perkembangannya industri bahan tidak pernah berhenti selalu bermunculan

bahan-bahan baru, bahan yang dimodifikasi. Untuk itu spesifikasi atau catalog dari bahan

yang dikeluarkan oleh pabrik pembuatnya harus dipelajari agar penggunaan dari bahan

tersebut tepat. Segala jenis benda atau bahan yang dapat digunakan dalam peralatan, dan alat

bantu yang berhubungan secara langsung ataupun tidak langsung dengan listrik.

Pentingnya mengetahui jenis dan sifat bahan,agar dapat :

1. Memperlakukan/memanfaatkan bahan dengan sebaik-baiknya

2. Mengetahui batasan aman/bahaya suatu bahan

Bahan listrik dapat dikelompokkan menjadi :

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.

3. Bahan Setengah Penghantar (Semi Konduktor) adalah bahan yang mempunyai daya

hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor, tetapi lebih besar dibanding bahan isolator.

Dalam teknik elektronika banyak dipakai semi konduktor dari bahan germanium (Ge) dan

silicon (Si). Dalam keadaan aslinya, Ge dan Si adalah bahan pelikan dan merupakan

isolator. Di Pabrik bahan-bahan tersebut diberi kotoran. Jika bahan tersebut dikotori

dengan alumunium maka diperoleh bahan semikonduktor type P (bahan yang kekurangan

elektron/mempunyai sifat positif). Jika dikotori dengan fosfor maka yang dipeoleh adalah

semikonduktor jenis N (bahan yang kelebihan electron, sehingga bersifat negative). Ge

mempunyai daya hantar lebih tinggi dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas

dibanding Ge.

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.

7. bahan serat optik Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari

kaca atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat digunakan

untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Sumber cahaya yang

digunakan biasanya adalah laser atau LED [1] . Kabel ini berdiameter lebih kurang 120

mikrometer. Cahaya yang ada di dalam serat optik tidak keluar karena indeks bias dari kaca

lebih besar daripada indeks bias dari udara, karena laser mempunyai spektrum yang sangat

sempit. Kecepatan transmisi serat optik sangat tinggi sehingga sangat bagus digunakan

sebagai saluran komunikasi. Perkembangan teknologi serat optik saat ini, telah dapat

menghasilkan pelemahan (attenuation) kurang dari 20 decibels (dB)/km. Dengan lebar jalur

(bandwidth) yang besar sehingga kemampuan dalam mentransmisikan data menjadi lebih

banyak dan cepat dibandingan dengan penggunaan kabel konvensional. Dengan demikian

serat optik sangat cocok digunakan terutama dalam aplikasi sistem telekomunikasi [2] . Pada

prinsipnya serat optik memantulkan dan membiaskan sejumlah cahaya yang merambat

didalamnya. Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun

gelas/kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik.

8. bahan khusus

Adalah bahan-bahan lain yang digunakan secara tidak langsung sebagai bahan utama

peralatan listrik misalnya untuk memperindah bentuk peralatan listrik.

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 akan bertambah

• 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.

SIFAT DAN BAHAN LISTRIK

Sifat bahan listrik dapat dikelompokkan menjadi :

1. Resisitivitas

Sesuai dengan fungsinya, bahan isolasi yang baik adalah bahan isolasi yang

resistivitasnya besar tak terhingga. Tetapi pada kenyataannya bahan yang demikian itu belum

bisa diperoleh. Sampai saat ini semua bahan isolasi pada teknik listrik masih mengalirkan

arus listrik (walaupun kecil) yang lazim disebut arus bocor. Hal ini menunjukkan bahwa

resistansi bahan isolasi bukan tidak terbatas besarnya. Besarnya resistansi bahan isollasi

sesuai dengan.

Hukum Ohm adalah

Ri =

Ri = resistansi isolasi (ohm)

V = tegangan yang digunakan (volt)

Ib = arus bocor (ampere)

Resistivitas volume pada umumnya disebut resistivitas saja. Besarnya resistivitas volume

adalah

Rv = pv

pv - adalah resistivitas volume dengan (ohm - meter)

l - adalah panjang bagian yang dilewati arus (m)

S - adalah luas penampang (m2)

Besarnya resistivitas permukaan di antara 2 bidang selebar b pada jarak a adalah :

Gambar llustrasi perhitungan resistansi

Rp = ps

PS adalah resistivitas permukaan dengan satuan ohm. Derinisi darl resistivitas permukaan PS

adalah resistansi pada permukaan persegi suatu bahan waktu arus mengalir di sisi lain dari

penampang tersebut.

Beberapa hal yang harus diperhatikan sehubungan dengan resistivitas adalah :

a. Baik resistivitas volume maupun resistivitas permulaan akan berkurang besarnya jika suhu

dinaikkan. Banyak bahan yang mempunyai pv dan pp yang bc--s.ar pada suhu kamar, tetapi,

turun drastis pada suhu C.

b. Untuk bahan isolasi yang higroskopis, di daerah-daerah yang lembab resistivitasnya akan

turun secara mencolok.

c. Resistivitas akan turun jika tegangan yang diberikan naik dari 3 hal tersebut diatas, maka pada

pemakaian sehari-hari dalam pemakaian bahan isolasi misaInya untuk daerah kerja yang

suhunya tinggi atau lembab, harus dipilib bahan yang sesuai baik bahan maupun tegangan

kerjanya.

2. Permitivitas

Setiap bahan isolasi mempunyai permitivitas. Hal ini bagi bahan -bahan yang

digunakan sebagai elektrik kapasitor. Kapasitansi suatu kapasitor tergantung beberapa faktor

yaitu : luas permukaan, jarak antara keping-keping kapasitor serta dielektriknya.

3. Sudut Kerugian Dielektrik

Pada saat bahan isolasi diberi tegangan bolak balik, maka terdapat energi yang diserap

oleh bahan tersebut. Akibatnya terdapat faktor kapasitif. Hubungan vektoris antara tegangan

dan arus pada bahan isolasi Besarnya kerugian yang diserap bahan isolasi adalah berbanding

lurus dengan tegangan V volt, frekuensi f hertz, kapasitansi C farad.

4. Sifat terhadap Panas

Pada penghantar yang dilewati arus listrik selalu terjadi kerugian daya. Kerugian daya

ini selanjutnya didesipasikan dalam bentuk energi panas. Untuk itu perlu dipelajari pengaruh

panas terhadap bahan-bahan isolasi karena panas dapat mempengaruhi bahan isolasi dalam

hal : sifat kelistrikan, kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas, ketahanan terhadap pengaruh

kimia dan sebagainya. Suatu bahan isolasi dapat rusak disebabkan oleh panas dalam kurun

waktu tertentu. Waktu tersebut dikatakan sebagai umur panas bahan isolasi. Sedangkan

kemampuan bahan menahan suatu panas tanpa terjadi kerusakan disebut ketahanan panas

(heat resistance). Klasifikasi bahan isolasi menurut IEC (International Electrotechnical

Commission) didasarkan atas batas suhu kerja bahan.

5. Sifat Fisis dan Kimia

Beberapa sifat fisis dan kimia yang akan dibahas di sini adalah; sifat kemampuan

larut, resistansi kimia, higroskopisitas, permeabilitas uap, pengaruh tropis dan resistansi radio

aktif.

JENIS- JENIS BAHAN ISOLASI :

Bahan Isolasi Cair

Bahan isolasi cair digunakan sebagai bahan pengisi pada beberapa peralatan listrik,

misalnya : transformator, pemutus beban, rheostat. Dalam hal ini bahan isolasi cair berfungsi

sebagai pengisolasi dan sekaligus sebagai pendingin. Karena itu persyaratan untuk bahan cair

yang dapat digunakan untuk isolasi antara lain : mempunyai tegangan tembus dan daya

hantar panas yang tinggi.

1.      Minyak Transformator

Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh dengan pemurnian

minyak mentah. Dalam pemakaiannya, minyak ini karena pengaruh panas dari rugi-rugi di

dalam transformator akan timbul hidrokarbon. Selain berasal dari minyak mineral, minyak

transformator dapat pula yang dapat dibuat dari bahan organik, misalnya : minyak trafo

Piranol, Silikon. Sebagai bahan isolasi, minyak transformator harus mempunyai tegangan

tembus yang tinggi. Pengujian tegangan tembus minyak transformator dapat dilakukan

dengan menggunakan peralatan seperti ditunjukkan pada Gambar Alat pengujian tegangan

tembus minyak transformator.

2. Proses Pemurnian Minyak Transformator

Minyak transformator dapat dikotori oleh uap air, fiber (misalnya : kertas, kayu,

tekstil), damar dan sebagainya, Hal ini dapat mempengaruhi kemurnian minyak

transformator. Bentuk dari pengotoran dapat bermacam-macam yaitu : meleleh dan

mencairnya bahan-bahan yang digunakan di dalam transformator, partikelpartikel yang

mengapung pada minyak, partikel-partikel yang mengendap di dasar tangki, pada belitan atau

pada intinya.

Cara untuk memperpanjang umur minyak transformator adalah dengan

mencampurkan senyawa tertentu antara lain : paraoki dipenilamin akan berwarna kemerah-

merahan.

a. Pemanasan.

Pada cara ini minyak transformator dipanasi hingga titik didih air pada perangkat

khusus yang disebut Penggodok minyak (Oil Boiler). Air yang terkandung di dalam minyak

akan menguap.

Cara ini dianggap sebagai cara yang paling sederhana dalam hal pemurnian minyak

transformator. Dengan cara ini bahan-bahan pencemar padat, misalnya fiber, jelaga, akan

tetap tinggal di dalam minyak.

b. Penyaringan.

Pada metode ini digunakan kertas khusus untuk menyaring minyak yang tercemar.

Untuk mempercepat waktu penyaringan, digunakan tekanan. Air yang terkandung di dalam

minyak transformator diserap dengan kertas higroskopis. Dengan cara ini baik air maupun

partikel-partikel pencemar lainnya akan tersaring sekaligus.

Bahan Isolasi Padat

Kaca dan porselin adalah tergolong bahan mineral, tetapi penggunaannya tidak pada

bentuk atau keadaan alaminya melainkan harus diproses terlebih dahulu dengan pemanasan

(pembakaran), pengerasan dan pelumeran. Itulah sebabnya maka pembahasannya dipisahkan

dengan pembahasan bahan mineral pada bab sebelumnya.

1. Kaca

Kaca adalah substansi yang dibuat dengan pendinginan bahan-bahan yang dilelehkan,

tidak berbentuk kristal tetapi tetap pada kondisi berongga. Kaca pada umumnya terdiri dari

campuran silikat dan beberapa senyawa antara lain : borat, pospat. Kaca dibuat dengan cara

melelehkan beberapa senyawa silikat (pasir), alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur,

oksida timah hitam). Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisi bahan-bahan

pembentuknya tersebut.

2. S i t o l

Sitol mempunyai bahan dasar kaca yang merupakan pengembangan baru. Pemakaian

sitol adalah sangat luas, struktur dan sifat-sifatnya adalah diantara kaca dan keramik. Sitol

juga disebut keramik-kaca atau kaca kristal. Yang banyak dijumpai dipasaran antara lain :

pyroceram, vitoceram. Sitol mempunyai struktur kristal yang halus (hal ini yang

membedakannya dengan kaca biasa) tetapi berongga.

3. Porselin

Porselin adalah bahan isolasi kelompok keramik yang sangat penting dan luas

penggunaannya. Istilah bahan -bahan keramik adalah digunakan untuk semua bahan

anorganik yang dibakar dengan pembakaran pada suhu tinggi dan bahan asal berubah

substansinya. Bahan dasar dari porselin adalah tanah liat. Ini berarti bahan dasar tersebut

mudah dibentuk pada waktu basah, tetapi menjadi tahan terhadap air dan kekuatan

mekaniknya naik setelah dibakar. Penggunaan isolator dari porselin antara lain : isolator tarik,

isolator penyangga, rol isolator.

JENIS-JENIS BAHAN SEMIKONDUKTOR :

Semi konduktor saat ini mempunyai peranan penting di bidang elektronika dan

penggunaannya tidak terbatas pada arus lemah. Hal penting dalam semi konduktor adalah

memahami susunan pita dan atom konduksi elektroniknya baik pada bahan konduktor

maupun pada semi konduktor. Pada bahan tersebut terdapat pita konduksi maupun pita

valensi, dimana kedua pita tersebut saling menumpuk, dan pada isolator jarak keduanya

cukup jauh. Pada semi konduktor jarak keduanya tidak terlalu jauh dan ini memungkinkan

terjadinya tumpang tindih jika dipengaruhi : panas, medan magnet, dan tegangan yang cukup

tinggi. Silikon dan germanium murni disebut semi konduktor intrinsik jika belum

mendapatkan bahan tambahan, sedangkan yang sudah mendapatkan bahan tambahan disebut

ekstrinsik. Bahan tambahan yang dimaksud arsenikum (As) atau boron (B).

a. Semi konduktor Intrinsik

Telah dibahas sebelumnya, untuk menjadikan pita valensi bertumpang tindih dengan

pita konduksi diantaranya diperlukan medan. Sebagai contoh : Si mempunyai celah energi 1

ev. Ini diperkirakan beda energi antara dua inti ion yang terdekat dengan jarak ± 1 A (

m). Maka dari itu diperlukan gradien medan ± 1 V/ m untuk

menggerakan elektron dari bagian atas pita valensi ke bagian bawah pita konduksi. Namun

gradien sebesar itu kurang praktis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang

tindih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga beberapa

elektron yang melintasi celah energi dan hal ini menyebabkan terjadinya semi konduksi. Pada

semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa

adanya pengaruh tambahan. Kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor intrinsik.

Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas pita valensi ke bagian pita konduksi

karena energi termal adalah penyeban konduksi. Karena perpindahan elektron dari pita

valensi, maka pada pita valensi terjadi lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron

tersebut.

Suatu semi konduktor intrinsik mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan

elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian elektron yang lari ke pita konduksi dari pita

valensi, misalnya karena panas dapat dipercepat menggunakan keadaan kosong yang

memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang sama lubang pita valensi juga bergerak

tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron.

b. Semi Konduktor Ekstrinsik

Pada semi onduktor ekstrinsik konduksi dapat dilakukan setelah adanya penyuntikan

bahan penambah atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Proses penyuntikan

bahan tambahan terhadap semi konduktor murni disebut doping. Penambahan bahan tersebut

kepada semi konduktor murni akan meningkatkankonduktivitas semi konduktor.

JENIS-JENIS BAHAN SUPER KONDUKTOR :

Bahan konduktor yang dijumpai sehari-hari, selalu mempunyai resistansi. Hal ini

disebabkan bahan-bahan tersebut mempunyai resistivitas.

Terdapat dua perangkat yang umum menggunakan super konduktor, yaitu :

a. Elektromagnet

Karena konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resistansi, maka

dimungkinkan membuat selenoide dengan super konduktor tanpa kerugian yang

menimbulkan panas. Selenoide dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet nol untuk

kawat yang digunakan memungkinkan membangkitkan sebuah medan magnet tipis dari

lilitan. Karena dengan bahan super konduktor memungkinkan membuat elektromagnet yang

kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari elektromagnet dengan super konduktor antara

lain : komponen Magneto Hidro Dinamik.

b. Elemen Penghubung

Karena super konduktor mempunyai Hc dan Tc, maka dalam pemakaian super

konduktor sebagai elemen penghubung dapat menggunakan pengaruh salah satu besaran di

atas. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan super konduktor akan dapat

berubah sifatnya dari super konduktor menjadi konduktor biasa karena pengubahan suhu atau

medan magnet di atas nilai kritisnya. Pemutus arus yang bekerja dipengaruhi oleh magnetik

dielektrik Cryotron, misalnya digunakan pada pemutus komputer.

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 sifat-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 energipanas atau

cahaya, maupun dari energi listrik menjadi energi listrik kembali. Bahan magnetik ini

tentunya harus memenuhi sifat-sifat kemagnetan, dan parameterparameter 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. Berkembang nya 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.