ISOLATOR

PENDAHULUAN

Isolator merupakan salah satu komponen sistem tenaga lstrik yang berfungsi untuk

mengisolasi konduktor jaringan bertegangan dengan tiang penyangga atau menara (tower).

Bahan yang sering digunakan untuk isolator tegangan tinggi terbuat dari bahan keramik

dan gelas. Kelebihan bahan isolasi keramik dan gelas adalah kapasitas panas yang baik dan

konduktivitas panas yang rendah, tahan korosi, keras dan kuat. Namun, bahan isolasi

keramik dan gelas memiliki kelemahan dari segi mekanis yaitu berat dan permukaannya

yang bersifat menyerap air (hygroscopic) sehingga lebih mudah terjadi arus bocor pada

permukaan yang akhirnya dapat menyebabkan lewat denyar (flashover).

Salah satu alternative adalah menggunakan bahan isolasi polimer sebagai isolator

tegangan tinggi. Dibanding dengan bahan keramik atau bahan gelas, bahan isolasi polimer

memiliki keuntungan antara lain : sifat dielektris, resistivitas volume dan sifat termal lebih

baik, konstruksi relatif lebih ringan (rapat massa rendah), kedap air (hidrophobik),

ketahanan kimia yang baik, ketahanan yang tinggi terhadap asam, serta proses pembuatan

tidak memerlukan suhu yang tinggi dan relatif lebih cepat. Sedangkan kekurangannya

antara lain : bahan isolator polimer kurang tahan terhadap perubahan cuaca sehingga akan

menyebabkan kekuatan mekanis menurun dan kerusakan fisik isolator.

Keadaan lingkungan seperti kelembaban, curah hujan yang menyebabkan

permukaan isolator basah, hal ini menjadikan isolator semakin dilapisi dengan kotoran dan

bahan kimia dalam jangka panjang. Ketika isolator basah, arus bocor yang mengalir pada

permukaan isolator akan menjadi sangat tinggi yang selanjutnya mengakibatkan flashover

pada permukaan isolator. Sementara pada saat kondisi kering lapisan polusi ini tidak

memiliki efek yang terlalu merugikan pada isolator.

Untuk itu penulis melakukan pengujian tegangan flashover dan arus bocor pada

isolator yang terbuat dari bahan polimer resin epoksi silane bahan pengisi silika kondisi

basah dan kering yang diharapkan dapat mengetahui kinerja isolator dalam keadaan

tersebut.

1

TINJAUAN PUSTAKA

Isolator

Isolator mempunyai sifat atau kemampuan untuk dapat memisahkan secara elektris

dua buah penghantar atau lebih yang berdekatan sehingga arus listrik tidak mengalir dari

konduktor jaringan ke tanah. Dengan demikian konstruksi harus sangat diperhatikan dan

bahan isolasi haruslah mempunyai kekuatan dielektrik yang baik sehingga sifat

hantarannya dapat dikurangi.

Konstruksi dan jenis isolator

Bagian utama dari suatu isolator terdiri dari bahan dielektrik, jepitan logam dan

tonggak logam.Umumnya dielektrik isolator terbuat dari bahan porselen, gelas, polimer

dan karet-silikon (silicon rubber), sedangkan jepitan terbuat dari besi tuangan atau

baja. Dilihat dari lokasi pemasangan, isolator terdiri dari isolator pasang dalam (indoor)

dan isolator pasang luar (outdoor). Isolator pasang luar dibuat bersirip untuk

memperpanjang lintasan arus bocor dan mencegah terjadinya jembatan air yang terbentuk

jika isolator dibasahi oleh air hujan. Dilihat dari konstruksinya isolator terdiri dari isolator

pendukung dan isolator gantung/suspension. Isolator pendukung terdiri dari tiga jenis,

yaitu : isolator pin, isolator post, dan isolator pin – post. Dilihat dari bentuknya, isolator

gantung terdiri dari dua jenis yaitu isolator piringdan isolator silinder .

Bahan-bahan Isolasi

Bahan isolasi yang biasa dipergunakan pada isolator saluran udara yang

dioperasikan pada tegangan tinggi (di atas 1 kV) adalah bahan porselin, bahan gelas serta

bahan polymer (composite).

Bahan Porselin (keramik)

Porselin terbuat dari tanah liat china (china clay) yang terdapat di alam dalam

bentuk alumunium silikat. Bahan tersebut dicampur kaolin, felspar dan quarts. Kemudian

campuran ini dipanaskan dalam tungku yang suhunya dapat diatur. Bahan porselin dibakar

sampai keras, halus mengkilat dan bebas dari lubang-lubang.

2

Untuk mendapatkan sifat-sifat listrik dan sifat mekanis yang baik, harus dipilih

suhu pemrosesan bahan isolasi yang sesuai, karena jika bahan isolasi diproses pada suhu

yang agak rendah, sifat mekanisnya baik, tetapi bahan tetap berlubang-lubang. Sedangkan

jika diproses pada suhu yang tinggi, lubang-lubangnya berkurang tetapi bahan menjadi

rapuh.

Isolator porselin yang baik secara mekanis mempunyai kuat dielektrik kira-kira 60

kV/cm, kuat tekan dan kuat tariknya masing-masing 70.000 kg/cm2 dan 500 kg/cm2.

Beberapa kelebihan isolator porselin/keramik antara lain:

1. Stabil, adanya ikatan ionik yang kuat antaratom yang menyusun keramik, seperti

silikon dan oksigen dalam silica dan silicates, membuatnya strukturnya sangat stabil

dan biasanya tidak mengalami degradasi karena pengaruh lingkungan. Ini berarti

bahwa isolator keramik tidak akan rusak oleh pengaruh UV, kelembaban, aktivitas

elektrik, dsb.

2. Mempunyai kekuatan mekanik yang baik, merupakan ciri alami bahwa bahan

keramik mempunyai sifat mekanik yang kuat, sehingga pada pemakaian isolator

porselin sebagai terminal kabel, bushing, dan arrester surja tidak memerlukan

material lain untuk meyokongnya.

3. Harganya relatif murah, penyusun porselin seperti clay, feldspar dan quartz

harganya relatif murah dan persediaannya berlimpah.

4. Tahan lama, proses pembuatan porselin yang terdiri dari beberapa proses seperti

pencetakan dan pembakaran dalam mengurangi kadar air menyebabkan porselin

mempunyai sifat awet.

Di samping kelebihan-kelebihan di atas, isolator porselin mempunyai beberapa

kekurangan, yaitu:

3

1. Mudah pecah, isolator porselin rentan pecah pada saat dibawa maupun saat

instalasi. Vandalisme merupakan faktor utama yang yang menyebabkan isolator

pecah.

2. Berat, salah satu sifat dari keramik adalah mempunyai massa yang berat. Oleh

karenanya, pada isolator porselin berukuran besar dan berat biasanya mahal karena

biaya yang dikeluarkan untuk pengiriman dan instalasi.

3. Berlubang akibat pembuatan kurang sempurna, berdasarkan pengalaman

isolator porselin yang berlubang dapat meyebabkan terjadinya tembus internal

(internal dielectric breakdown).

4. Bentuk geometri kompleks, porselin mempunyai relatif mempunyai karakteristik

jarak rayap yang kecil, oleh karenanya untuk memperpanjang jarak rayap tidak

dilakukan dengan memperbesar diameter atau memperpanjang isolator melainkan

mendesain isolator dengan membuat shed-shed. Hal ini membuat bentuknya

menjadi kompleks.

5. Mudah terpolusi, permukaan porselin bersifat hidrophilik, yang berarti bahwa

permukaan porselin mudah untuk menangkap air, sehingga pada kondisi

lingkungan yang berpolusi mudah untuk terbentuk lapisan konduktif di

permukaannya. Hal ini yang dapat menyebabkan kegagalan isolasi yaitu flashover.

Bahan Gelas

Selain bahan porselin, bahan gelas juga banyak digunakan sebagai isolator

pasangan luar (outdoor insulator) atau isolator saluran udara (overhead insulator), karena

bahan gelas mempunyai kelebihan-kelebihan sebagai berikut:

1. Kuat dielektriknya tinggi, sekitar 140 kV/cm.

2. Koefesien muainya rendah

4

3. Mudah didesain (karena kuat dielektrikanya tinggi)

4. Kuat tekannya lebih besar daripada porselin

5. Karena sifatnya yang tembus pandang, adanya keretakan, ketidakmurnian bahan,

adanya gelembung udara dan pecahnya isolator mudah diketahui

6. Bahan hampir merata (homogen)

Selain keuntungan-keuntungan yang dimilikinya, isolator gelas juga mempunyai

kerugian sebagai berikut:

1. Uap air mudah mengembun pada permukaannya.

2. Oleh karena itu debu dan kotoran akan mudah mengumpul pada

permukaannya, kejadian ini akan memudahkan mengalirnya arus bocor serta

terjadinya flashover

3. Untuk dipergunakan pada sistem tegangan yang tinggi, gelas tidak dapat

dicor dalam bentuk yang tidak beraturan, karena pendinginan yang tidak teratur

akan menimbulkan tekanan dari dalam.

4. Mudah pecah, sama seperti bahan porselin, bahan gelas mempunyai sifat

yang mudah pecah pula. Vandalisme merupakan penyebab utama pecahnya isolator

gelas (misal ditembak).

Bahan Polimer (Composite)

Bahan polimer telah dipakai selama kurang lebih 50 tahun dan mengalami

perkembangan pesat dibanding bahan lainnya. Menurut R. Hackam, pada tahun 1940 telah

5

dipakai bisphenol epoxy resin untuk isolator dalam, cycloaliphatic epoxy untuk isolator

luar (1950). Selanjutnya terjadi perkembangan pesat dalam pemakaian polimer untuk

bahan isolator dan dibuat untuk skala komersial. Ethylene Propylene Rubber (EPR) dibuat

oleh Ceraver, Francis (1975), Ohio Brass, USA (1976), Sedivar, USA (1977), dan Lapp,

USA (1980). Silicone Rubber (SIR) dibuat oleh Rosenthal, Jerman (1976) dan Reliable,

USA (1983), serta penggunaan cycloaliphatic epoxy pada jaringan transmisi di United

Kingdom (1977).

Isolator komposit (composite insulator) telah digunakan di beberapa negara lebih

dari tiga dekade sebagai alternatif pengganti isolator porselin dan gelas. Isolator komposit

menunjukkan performansi yang bagus pada beberapa kondisi, terutama untuk daerah

berpolusi.

Beberapa kelebihan yang dimiliki oleh isolator polimer:

1. Ringan, kepadatan material polimer lebih rendah dibandingkan keramik

maupun gelas, hal ini menyebabkan isolator polimer ringan, sehingga mudah dalam

penanganan maupun instalasi.

2. Bentuk geometri sederhana, karena mempunyai karakteristik jarak

rayap yang relatif besar menyebabkan desain isolator polimer sederhana.

3. Tahan terhadap polusi, karena bahan polimer mempunyai sifat

hidrophobik (menolak air) yang baik. Sehingga air atau kotoran lainnya akan sukar

menempel pada permukaannya meskipun dioperasikan pada kondisi lingkungan

yang berpolusi maka isolator polimer mempunyai ketahanan tegangan lewat-denyar

yang baik.

4. Waktu pembuatan lebih singkat dibandingkan dengan isolator porselin,

namun tidak mengurangi performansinya.

5. Tidak terdapat lubang karena pembuatan, karena sifat polimer yang

berbeda dengan porselin dalam hal pembuatannya. Sehingga memungkinkan tidak

terjadinya tembus internal.

Sedangkan kekurangan yang dimilki oleh isolator polimer adalah:

6

1. Penuaan/degradasi pada permukaannya (surface ageing), stress yang disebabkan

antara lain karena korona, radiasi UV atau zat kimia dapat menyebabkan reaksi

kimia pada permukaan polimer. Sehingga dapat merusak permukaan polimer

(penuaan) yang dapat menghilangkan sifat hidrofobiknya,

2. Mahal, bahan penyusun polimer lebih mahal dibandingkan dengan porselin

maupun gelas.

3. Kekuatan mekaniknya kecil, isolasi polimer biasanya tidak mampu untuk

menyokong dirinya sendiri. Oleh karenanya dalam instalasi dibutuhkan peralatan

lain seperti jacket (oversheath) sebagai penyokongnya.

4. Kompabilitas material, produk polimer menpunyai interface lebih dari satu

sumbu bergantung pada fungsi dan desainnya. Apabila terdapat banyak interface

menyebabkan pengaruh penting pada perekatnya. Oleh karenya harus diketahui

dengan jelas sebelum menggunakan isolator polimer, sebab dapat menimbulkan

korosi atau retakan apabila formulasinya tidak sesuai.

Karakteristik isolator

Karakteristik elektrik isolator

Karakteristik elektrik dari isolator yang dimaksud adalah kemampuan

menahanflashoverdan arus bocor.Isolator yang terpasang pada jaringan udara (terutama

jaringan outdoor) sangat mudah dipengaruhi oleh perubahan kondisi lingkungan udara

sekitar. Perubahan-perubahan tersebut dapat mempengaruhi kinerja dari isolator, yaitu

kemampuan isolator menahan tegangan. Apabila di permukaan isolator terbentuk lapisan

polutan akan mempengaruhi kinerja dari isolator tersebut. Kinerja isolator juga akan

berbeda apabila permukaan isolator dalam kondisi basah dan dalam kondisi kering.

Karakteristik mekanis isolator

Karakteristik mekanis suatu isolator ditandai dengan kekuatan mekanisnya, yaitu

beban mekanis terendah yang mengakibatkan isolator tersebut rusak. Kekuatan mekanis ini

ditentukan dengan membebani isolator dengan beban yang bertambah secara bertahap

hingga isolator terlihat rusak. Kekuatan mekanis suatu isolator dinyatakan dalam tiga

keadaan beban, yaitu kekuatan mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan

mekanis tekuk.

7

Desain isolator polimer

Pada gambar dibawah memperlihatkan susunan dasar isolator polimer, yang terdiri

dari inti (core)dan pembungkus (shed) yang kedua ujungnya dihubungkan dengan fitting

yang terbuat dari logam.

Fitting pada sebuah isolator polimer dirancang untuk mampu menahan beban yang

berasal dari isolator. Sebuah fitting terbuat dari bahan logam tuang atau tempaan antara

lain aluminium, tembaga, baja. Fitting pada isolator polimer berguna sebagai pemegang

dari inti, dimana pada desainnya inti diletakkan pada posisi terjepit di dalam fitting.

Inti (core) pada isolator polimer berguna untuk memperkuat atau menambah

kekuatan mekanik dari isolator polimer. Inti (core) terbuat dari bahanfiberglass, resin

epoksi yang kemudian dibungkus shed.

Resin epoksi sebagai salah satu bahan polimer

Cairan resin epoksi merupakan cairan yang memiiki sifat kekentalan yang rendah

sehingga mudah bercampur (masuk tahap termoset) didalam pembuatannya. Cairan resin

yang lain diantaranya :phenolic, polyester, acrylics dibuat dalam proses yang sama, tetapi

resin epoksi mempunyai kombinasi antara lain : Sifat kekentalan rendah, mudah dibentuk,

penyusutan rendah, kerekatan tinggi, sifat mekanis tinggi, isolasi listrik yang tinggi,

ketahanan kimia baik.

Bahan pengisi isolator

Penggunaan bahan pengisi pada suatu produk tuangan mengandung dua tujuan

secara teknis dan secara ekonomis. Secara teknis, penggunaan bahan pengisi dimaksudkan

sebagai upaya memodifikasi kinerja polimer tersebut seperti untuk meningkatkan sifat

mekanis dan untuk menurunkan sifat absorbsi air. Bahan pengisi yang digunakan adalah

silicone rubber dan pasir silika. Bahan campuran ini digunakan untuk memperbaiki

8

karakteristik dari isolator polimer tersebut. Dan perbandingan komposisi dari bahan

pengisi antara karet silikon dan pasir silika adalah 1:1.

Mekanisme arus bocor

Pengamatan arus bocor ini memerlukan osiloskop sebagai alat bantu. Input

tegangan yang masuk ke dalam

osiloskop harus sesuai dengan karakteristik kemampuan osiloskop tersebut. Piranti

pengamanan dan perlindungan bagi osiloskop diperlukan untuk membatasi tegangan besar

yang masuk ke dalam osiloskop dengan cara memasang rangkaian pembagi tegangan dan

sela jarum[6].

Flashover pada isolator

Flashover yang terjadi pada permukaan isolator padat disebabkan oleh

teganganyang harus ditahan oleh

permukaan isolator melebihi kemampuannya.Kemampuan permukaan isolator

menahan tegangan ditentukan oleh besarnya resistans permukaan bahan dan jenis bahan,

juga dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti : adanya kontaminasi pada permukaan isolator,

kelembaban udara, suhu udara dan tekanan udara[1]. Berhubung tegangan flashover

dipengaruhi oleh kondisi udara sekitar, maka data pengujian harus dikoreksi dengan

kondisi udara standar, yang mengacu pada standar IEC 60 – 1 (1989) dengan persamaan

berikut :

dengan :Vs : tegangan lompatan dalam keadaan

standarVb : tegangan lompatan yang diukur pada

Keadaan sebenarnyad : kepadatan udara relatiftB : suhu sekeliling pada saat pengujian

(oC) bB : tekanan udara pada saat pengujian

(mbar)

Sudut kontak

Sudut kontak merupakan sudut yang dibentuk antara permukaan bahan uji dengan

air destilasi yang diteteskan ke permukaan bahan uji. Pengukuran sudut kontak pada suatu

9

bahan isolasi dilakukan untuk mengetahui sifat permukaan bahan, hidofobik atau

hidrofilik. Sifat hidrofobik merupakan suatu karakteristik bahan isolasi, bahan masih

mampu bersifat menolak air yang jatuh di permukaannya. Sifat hidrofobik berguna untuk

isolasi pasangan luar karena dalam keadaan basah atau lembab tidak akan terbentuk lapisan

air

yang kontinu pada permukaan isolator, sehingga permukaan isolator tetap memiliki

konduktivitas yang rendah, akibatnya arus bocor sangat kecil.

Perhitungan sudut kontak sudut kontak

= 0.5 x (sudut kanan+sudut kiri)

METODOLOGI

Bahan Isolator

Bahan isolator yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Bahan dasar polimer resin epoksi jenis DGEBA (Diglycidyl Ether Of Bisphenol –

A), bahan pematang atau pengeras MPDA (Metaphenylene-diamine).

2. Bahan pengisi yaitu Silicone rubberatau Silane atau biasa disebut lem kaca,

dipasaran dikenal dengan Sealant.

3. Bahan pengisi pasir silica Dengan urutan pencampuran bahan dimulai dari Epoxy

resin dilanjutkan Pasir silika kemudian Lem kaca (sealant) yang terakhir adalah

Epoxy hardener.

Isolator uji

Dalam pengujian ini, isolator yang digunakan adalah isolator dengan variasi tiga

sirip, yaitu variasi sirip besar besar besar (BBB) dan sirip besar kecil besar (BKB).Berikut

adalah bentuk isolator yang diuji.

Variasi isolator BKB dan BBB yang diuji masing – masing dibedakan menjadi

BKB asli ( belum dilapisi ) dan BKB sesudah dilapisi resin

epoksi silane, demikian juga dengan variasi BBB dibedakan

menjadi BBB asli ( belum dilapisi ) dan BBB sesudah dilapisi

resin epoksi silane.

10

Gambar sketsa isolator 3 sirip BBB dan BKB

Peralatan pengujian

1. Peralatan pengujian tegangan tinggi Perlatan pengujian tegangan tinggi terdiri dari

trafo uji dan panel pengendali.

2. Chamber pengujian Merupakan tempat pengujian isolator.

3. Thermometer, barometer, dan hygrometer Digunakan untuk mengetahui kondisi

lingkungan saat pengujian.

4. Seperangkat alat pembasahan Menggunakan sprayer, kompresor dan alat pembantu

penyemprotan.

5. PembagiTeganganYang berfungsimembagitegangan agarteganganyang masuk sesuai

dengan kemampuan osiloskop.

6. Sela jarum untuk melindungi pembagi tegangan dan osiloskop apabila terjadi

flashover.

7. Osiloskop untuk melihat gelombang tegangan yang menunjukkan adanya arus bocor

melalui sampel uji.

8. Peralatan pengukuran sudut kontak Kotak sumber cahaya, pipet, aquades, dan gelas.

Pengujian sudut kontak

Langkah pengujian sudut kontak yaitu sebagai berikut:

1. Meletakkan isolator dan menghidupkan kamera, keduanya diposisikan sedemikian

rupa sehingga pada layar kamera, permukaan isolator tampak seperti garis lurus.

2. Meneteskan air sebanyak 50 µl. Air yang diteteskan ini berupa aquades.

3. Menghidupkan sumber cahaya agar ketika diambil foto, titik air pada permukaan

sampel tampak jelas.

4. Memfoto dengan kamera digital, sehingga hasilnya dapat langsung dimasukkan ke

dalam komputer untuk mendapatkan besar sudut kontak yang terukur.

11

Rangkaian pengujian sudut kontak

Pengujian tegangan flashoverPengujian tegangan lewat denyar dilakukan dengan memberikan tegangan yang

secara terus-menerus dinaikkan sampai pada akhirnya terjadi flashover.Berikut adalah rangkaian pengujian tegangan flashover :

Rangkaian pengujian tegangan Flashover

Pengujian arus bocor

Pada pengujian arus bocor ini bertujuan untuk mengetahui besarnya arus bocor

yang terjadi pada isolator saat diberi tegangan yang bervariasi. Variasi tegangan yang

diterapkan dalam pengujian adalah 4.66 kV, 9.32 kV, 13.98 kV, 18.64 kV, 23,3 kV, 27.96

kV. Rangkaian pengujian arus bocor diperlihatkan pada gambar dibawah ini.

Rangkaian pengujian arus bocor

HASIL DAN ANALISAHasil pengujian dan pembahasan tegangan flashover1. Tegangan flashover kondisi keringKondisi kering disini adalah kondisi dimanapengujian dilakukan pada kondisi

12

kelembaban yang normal (58%-67%), kondisi ini menggambarkan kondisi normal ketika isolator gantung dipasang di lapangan dan keadaan cuaca dalam keadaan cerah.

Grafik tegangan flashover pada kondisi kering

Dari grafik terlihat bahwa isolator dengan variasi sirip BKB kecenderungan

memiliki nilai flashover lebih tinggi dibandingkan dengan isolator variasi sirip BBB.Hal

ini salah satunya disebabkan karena isolator dengan variasi sirip BKB jarak flashovernya

lebih panjang daripada variasi BBB. Semakin panjang jarak yang dilewati oleh loncatan

api akan semakin besar tegangan flashovernya.

Tegangan flashover kondisi basah

Pada pengujian ini yang dimaksud basah adalah kondisi dimana permukaan isolator

basah (berembun), bukan kondisi basah karena hujan yang besar.Pengkondisian kondisi

basah dilakukan dengan menyemprotkan aquades sebanyak 1 liter.Setelah dilakukan

penyemprotan segera dilakukan pengujian sebelum permukaan isolator kembali kering.

Kondisi tegangan flashover pada kondisi basah

Dari grafik terlihat bahwa isolator dengan variasi sirip BKB kecenderungan

memiliki nilai flashover lebih tinggi dibandingkan dengan isolator variasi sirip BBB.Hal

ini salah satunya disebabkan karena isolator dengan variasi sirip BKB jarak flashovernya

13

lebih panjang daripada variasi BBB. Namun, dalam kondisi basah (berembun)

kemungkinan nilai flashover variasi BBB lebih besar dari variasi BKB bias terjadi, hal ini

dikarenakan dalam kondisi basah kelembabannya akan tinggi jadi loncatan api saat terjadi

flashover bias melewati jarak rambat isolator. Lintasan jarak rambat yang dilaui variasi

BBB lebih panjang dibandingkan dengan variasi BKB.

Hasil pengujian dan pembahasan arus bocor

Arus bocor kondisi kering

kondisi ini menggambarkan kondisi normal ketika isolator gantung dipasang di

lapangan dan keadaan cuaca dalam keadaan cerah. Berikut merupakan data hasil pengujian

arus bocor pada kondisi kering:

Grafik nilai arus bocor kondisi kering

Arus bocor kondisi basah

Pengujian arus bocor pada kondisi basah dimaksudkan untuk mengetahui besarnya

arus bocor pada kondisi basah (berembun).

Grafik nilai arus bocor kondisi basah

Dari kedua gambar diatas, terlihat bahwa nilai arus bocor mempunyai

14

kecenderungan meningkat seiring dengan meningkatnya variasi tegangan yang diberikan

pada isolator uji. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi tegangan yang diberikan

maka arus bocor yang terjadi akan semakin besar. Dari grafik diatas juga dapat dilihat arus

bocor antara varisi BKB dan BBB, nilai arus bocor variasi BKB lebih besar dibandingkan

dengan variasi BBB.Hal ini disebabkan karena jarak lintasan variasi BKB lebih pendek

dari variasi BBB, maka nilai arus bocornya lebih besar.Semakin panjang jarak lintas/jarak

rayap dan semakin besar luas penampang isolator semakin kecil nilai arus bocornya.

Sementara dilihat dari pengaruh pelapisan pada permukaan isolator, untuk arus bocor

kondisi kering isolator dengan lapisan resin silane memiliki nilai lebih kecil dibandingkan

dengan tanpa lapisan (asli). Hal ini menunjukkan bahwa dengan pelapisan resin silane pada

isolator meningkatkan resistifitas pada permukaan isolator, sehingga apabila resistifitas

meningkat maka akan lebih sulit untuk dialiri arus atau arus bocornya lebih kecil.

Karakteristik Elektrik

Isolator terdiri dari bahan isolasi yang diapit oleh elektroda-elektroda. Dengan

demikian, maka isolator terdiri dari sejumlah kapasitansi. Karena kapasitansi ini, maka

distribusi tegangan pada sebuah rentengan isolator menjadi tidak seragam. Potensial pada

ujung yang terkena tegangan (ujung yang memegang kawat penghantar) adalah paling

besar.

Karakteristik elektrik suatu isolator dinilai dari tegangan lewat-denyar yang terdiri

dari tegangan-tegangan lewat-denyar frekuensi rendah, impuls dan tembus merusak

(puncture).

· Tegangan lewat-denyar frekuensi rendah kering (dry power frequency flashover

voltage) adalah tegangan lewat-denyar yang terjadi bila tegangan diterapkan di antara

kedua elektroda isolator yang bersih dan kering permukaannya, nilainya konstan serta

merupakan nilai dasar dari karakteristik isolator.

· Tegangan lewat-denyar frekuensi rendah basah (wet power frequency flashover

voltage) adalah tegangan lewat-denyar yang terjadi bila tegangan diterapkan di antara dua

elektroda isolator yang basah karena hujan atau sengaja dibasahi.

15

· Tegangan lewat-denyar impuls (impuls flashover voltage) adalah tegangan lewat-

denyar yang terjadi bila tegangan impuls dengan gelombang standar diterapkan. Menurut

standar IEC besarnya gelombang impuls standar adalah 1,2 x 50ms. Karakteristik impuls

terbagi atas polaritas positif dan negatif. Biasanya, tegangan dengan polaritas positif yang

dipakai (memberikan nilai lewat-denyar lebih rendah). Untuk polaritas positif, tegangan

lewat-denyar badah dan kering sama.

· Tegangan tembus (puncture) merupakan tembus yang menyebabkan perusakan

bahan isolasinya. Sedangkan perusakan bagian isolator yang disebabkan oleh pemanasan

lebih tidak dikategorikan sebagai puncture.

Karakteristik Mekanis

Isolator harus memiliki kekuatan mekanis guna memikul beban mekanis

penghantar yang diisolasikannya. Bahan isolasi, sebagai bagian utama sebuah isolator,

mempunyai sifat sebagai besi cor, dengan kuat tekan (compressive strength) yang besar

dan kuat tarik (tensile strength) yang lebih kecil, Untuk porselin, kuat 400-900 kg/cm2,

sedangkan kuat tekannya 10 kali lebih besar.

Gaya tarik terhadap isolator yang telah dipasang relatif besar, sehingga kekuatan

bahan isolasi dan gaian-bagian yang disemenkan padanya harus dibuat lebih besar dari

kekuatan bagian-bagian logamnya.

Kegagalan Isolator

Secara garis besar isolator tegangan tinggi mempunyai dua fungsi, yaitu fungsi

mekanik dan elektrik. Secara mekanik, isolator berfungsi untuk mendukung atau menahan

konduktor pada tegangan tinggi, sedangkan secara elektrik isolator berfungsi sebagai

pemisah, yaitu untuk mencegah mengalirnya arus dari penghantar ke tanah atau ke menara

penopang saluran udara. Pada saluran transimisi atau distribusi kegagalan isolasi dapat

disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut:

16

· Isolator pecah, disebabkan pemuaian yang tidak merata dan konstraksi yang

terjadi di dalam semen, baja, dan bahan porselin. Kegagalan ini juga bisa disebabkan

pergantian musim yang mencolok dan pemanasan lebih.

· Bahan isolasi berlubang-lubang. Lubang terjadi karena bahan porselin diproses

pada suhu rendah hingga mudah menyerap air. Kejadian ini menurunkan kekuatan isolasi

dan arus merembes melalui isolator.

· Ketidakmurnian bahan isolasi. Di tempat yang mengalami ketidakmurnian bahan

isolasi pun akan terjadi kebocoran.

· Bahan tidak dapat mengkilap, sehingga air akan tetap tinggal padanya, lalu

menyebabkan penimbunan debu dan kotoran membentuk lapisan yang bersifat menghantar

dan memperpendek jarak rayap (creepage-distance).

· Tekanan secara mekanis, misalnya karena penumpukkan isolator. Jika bahannya

kurang kuat dapat menyebabkan isolator pecah.

· Tembus dan lewat-denyar (flashover). Lewat-denyar, yaitu pelepasan muatan

destruktif (bersifat merusak) yang melintasi pada seluruh bagian permukaan isolator.

Pelepasan muatan ini disebabkan pembebanan medan listrik pada permukaan isolator

melebihi harga ketahanan elektriknya. Lewat-denyar menimbulkan pemanasan dan ini

dapat merusak isolator. Penyebabnya: pengotoran permukaan isolator, surja hubung dan

surja petir. Sedangkan tembus (puncture) adalah pelepasan muatan disruptif pada bagian

isolasi isolator, khusus terjadi pada isolasi padat saja.

5 Parameter Isolator

Parameter isolator merupakan parameter-parameter yang terdapat pada isolator itu

sendiri yang mempengaruhi sifat kerjanya, apabila dipasang pada daerah yang berpolusi.

Dalam kondisi berpolusi, nilai tahanan permukaan sangat dipengaruhi oleh

resistivitas timbunan kotoran yang menempel pada permukaan isolator, sehingga untuk

menjaga agar nilai tahanan permukaan tetap tinggi dengan memperpanjang jarak rayap

tidak cukup. Bangunan isolator akan mempengaruhi laju penimbunan kotoran, kapasitas

penyimpanan air pada permukaan dan mempengaruhi laju pencucian sendiri oleh hujan.

17

Jenis Isolator Jaringan

Isolator yang digunakan untuk saluran distribusi tenaga listrik berdasarkan fungsi

dan konstruksinya dapat dibedakan dalam 4 macam, yaitu :

Beberapa jenis isolator yang digunakan untuk jaringan distribusi

primer maupun sekunder adalah :

1. solator Jenis Pasak (pin type insulator).

Isolator jenis pasak (pin type insulator), digunakan pada tiang- tiang lurus (tangent

pole) dan tiang sudur (angle pole) untuk sudut 5° sampai 30°.

Banyak terbuat dari bahan porselin maupun bahan gelas yang dibentuk dalam

bentuk kepingan dan bagian bawahnya diberi suatu pasak (pin) yang terbuat dari bahan

besi atau baja tempaan. Tiap kepingan diikatkan oleh suatu bahan semen yang berkualitas

baik.

Bentuk kepingan dibuat mengembang ke bawah seperti payung, untuk

menghindarkan air hujan yang menimpa permukaan kepingan secara mudah. Banyaknya

kepingan tergantung pada kekuatan elektris bahan kepingan. Biasanya jumlah kepingan ini

maksimum lima buah.

Isolator pasak yang mempunyai satu keping, biasanya digunakan untuk jaringan

distribusi sekunder pada tegangan 6 kV ke bawah yang terbuat dari bahan gelas atau

porselin. Untuk jaringan distribusi primer biasanya terdiri dari dua keping yang terbuat dari

bahan porselin.

Isolator jenis pasak ini banyak digunakan pada tiang-tiang lurus (tangent pole)

dengan kekuatan tarikan sudut (angle tensile strenght) hingga 10°. Kawat penghantar

jaringan diletakkan di bagian atas untuk posisi jaringan lurus, sedangkan untuk jaringan

dengan sudut di bawah 10° kawat penghantarnya diikatkan pada bagian samping agar

dapat memikul tarikan kawat.

Kekuatan tarik isolator jenis pasak ini lebih rendah bila dibandingkan dengan

18

Isolator jenis pasak

isolator jenis gantung, karena kekuatan isolator jenis pasak ini ditentukan oleh kekuatan

pasaknya terhadap gaya tarikan kawat penghantar.

Pemasangan isolator jenis pasak ini direncanakan pada puncak tiang maupun pada

palang kayu (cross-arm) yang disekrupkan pada isolator tersebut. Pemasangan isolator

jenis pasak pada tiang kayu saluran satu fasa yang memiliki sudut : 0° sampai 5°, dan sudut

5° sampai 30°, serta untuk saluran tiga fasa dengan sudut 0° sampai 5°, dan untuk sudut 5°

sampai 30°. Isolator jenis pasak banyak digunakan karena :

a. lebih banyak jaringan dibuat lurus

b. sudut saluran dibuat kurang dari 15°

c. isolator jenis gantung lebih mahal dari isolator jenis pasak

d. konstruksi tiang dibuat dengan cross-arm (travers) lebih menonjolkan ke

laur sudut.

2. Isolator Jenis Pos (post type insulator).

Isolator jenis pos (post type insulator) , digunakan pada tiang- tiang lurus (tangent pole)

dan tiang sudur (angle pole) untuk sudut 5° sampai 15°. Dibandingkan dengan isolator

jenis pasak, isolator jenis pos ini lebih sederhana perencanaannya. Diameternya lebih kecil

dan tak menggunakan kepingan-kepingan seperti isolator jenis pasak. Terdapat lekukan-

lekukan pada permukaannya untuk mengurangi hantaran yang terjadi pada isolator. Makin

tinggi tegangan isolasinya makin banyak lekukan-lekukan tersebut.

Isolator jenis pos ini bagian atasnya diberi tutup (cap) dan bagian bawah diberi pasak yang

terbuat dari bahan besi atau baja tempaan. Bahan yang digunakan untuk isolator jenis pos

ini terbuat dari bahan porselin basah yang murah harganya.

Isolator jenis pos

Kekuatan mekanis isolator jenis pos ini lebih tinggi dibandingkan isolator jenis

pasak dan penggunaannya hanya pada jaringan ditribusi primer untuk tiang lurus (tangent

pole) pada sudut 5 ° sampai 15°. Isolator jenis pos yang digunakan untuk jaringan

distribusi 20 kV, memiliki tegangan tembus sebesar 35 kV dengan kekuatan tarik (tensile

strenght) sebesar 5000 pon.

19

3. Isolator Jenis Gantung (suspension type insulator).

Isolator jenis gantung (suspension type insulator), digunakan pada tiang-tiang sudur

(angle pole) untuk sudut 30° sampai 90°, tiang belokan tajam, dan tiang ujung (deadend

pole).

Isolator jenis clevis lebih banyak digunakan karena lebih kokoh dan kuat dalam

penggandengannya, serta tidak ada kemungkinan lepas dari gandengannya, karena pada

ujungnya digunakan mur baut untuk mengikatnya.

Isolator gantung (suspension insulator) terdiri dari sebuah piringan yang terbuat

dari bahan porselin, dengan tutup (cap) dari bahan besi tempaan (melleable iron) dan

pasaknya terbuat dari bahan baja yang diikatkan dengan semen yang berkualitas, sehingga

membentuk satu unit isolator yang berkualitas tinggi.

Dibandingkan isolator jenis pasak, isolator gantung ini hanya mempunyai satu

piringan yang terbuat dari bahan porselin atau bahan gelas biru kelabu (blue gray glaze).

Dengan menggunakan bahan gelas biru kelabu ini harga isolator dapat ditekan lebih murah

dan dapat digunakan untuk beberapa gandengan.

Umumnya isolator gantung dengan bahan gelas ini digunakan untuk jaringan

distribusi primer, sedangkan isolator gentung dari bahan porselin banyak digunakan untuk

gandengan-gandengan pada jaringan transmisi tegangan tinggi.

Isolator gantung jenis clevis dan jenis ball and socket

Dilihat dari konstruksinya, isolator gantung ini dikenal dalam dua jenis, yaitu jenis

clevis dan jenis ball and socket.

Jenis clevis ini memiliki bentuk tutup (cap) dan pasaknya (pin) berbentuk pipih

dengan lubang ditengahnya, yang digunakan untuk keperluan penggandengan dari

beberapa isolator gantung dengan mengikatnya dengan mur baut sehingga bisa lebih kuat

penggan-dengannya.

Jenis ball and socket memiliki bentuk tutup (cap) berlubang (socket) untuk

20

menyangkut-kan pasak (pin) yang berbentuk bulat (ball), sehingga penggandengan dari

bebarapa isolator gantung tidak menggunakan baut (bolt) lagi.

Kedua jenis ini yang paling banyak dipakai adalah jenis clevis, karena

dibandingkan dengan jenis ball and socket maka jenis clevis ini lebih kokoh dan kuat serta

tidak ada kemungkinan lepas. Isolator gantung mempunyai kualitas tegangan isolasi tidak

begitu tinggi dibandingkan isolator jenis pasak, karena isolator gantung hanya memiliki

satu piringan untuk setiap unit isolator. Oleh sebab itu agar memenuhi kebutuhannya maka

isolator gantung ini digandeng-gandengkan satu unit dengan unit yang lain agar

memdapatkan kualitas tegangan isolasi yang tinggi. Bila digandengkan isolator gandeng

mempunyai kualitas yang lebih tinggi dari isolator jenis pasak. Makin banyak

gandengannya makin tinggi kualitas tegangan isolasinya.

Saluran transmisi banyak sekali menggunakan isolator gantung ini. Karena kekuatan

mekanis isolator gantung ini lebih tinggi bila digandengkan, maka banyak digunakan untuk

menahan besarnya tarikan atau ketegangan kawat pada tiang-tiang sudut (angle pole), tiang

belokan tajam, dan tiang ujung (deadend pole).

4. Isolator Jenis Cincin (spool type insulator).

Isolator jenis cincin (spool type insulator), digunakan pada tiang- tiang lurus

(tangent pole) dengan sudut 0° sampai 10°, yang dipasang secara horizontal maupun

vertikal.

Isolator cincin bentuknya bulat berlubang ditengahnya seperti cincin yang hanya

terdapat satu atau dua lekukan saja yang seluruhnya terbuat dari bahan porselin.

Isolator jenis cincin

Isolator cincin ini tidak menggunakan pasak (pin) sehingga isolator cincin memiliki

kualitas tegangannya lebih rendah. Biasanya tak lebih dari 3 kV. Isolator cincin ini

besarnya tidak lebih dari 7,5 cm tinggi maupun diameternya, yang dipasangkan pada

jaringan distribusi sekunder serta saluran pelayanan ke rumah-rumah.

Isolator ini dipasang pada sebuah clamp (pengapit) dengan sebuah pasak yang

dimasukkan ke dalam lubang ditengahnya. Pemasangan secara horizontal digunakan untuk

jaringan lurus (tangent line) dengan sudut antara 0° sampai 10°. Untuk jaringan lurus

21

(angle line) untuk sudut lebih dari 10° dipasang pada kedudukan vertikal. Kesemuanya

dipasang pada tiang penyangga dengan jarak satu meter dari tiang atau 60 cm dari

palang kayu (cross arm).

Karaktristik Isolator Jaringan

Karakteristik Isolator

a. Mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi agar dapat menahan beban kawat

penghantar

b. Memiliki konstanta dielektrikum (relative permittivity) yang tinggi, agar

memberikan kekuatan dielektrik (dielectric strength) tinggi juga.

c. Mempunyai tahanan isolasi (insulation resistance) yang tinggi agar dapat

menghindari kebocoran arus ke tanah.

d. Mempunyai perbandingan (ratio) yang tinggi antara kekuatan pecah dengan

tegangan loncatan api (flashover voltage).

e. Menggunakan bahan yang tidak berpori-pori dan tidak terpengaruh oleh perubahan

temperature

f. Bebas dari kotoran dari luar dan tidak retak maupun tergores, agar dapat dilewati

oleh air atau gas di atmosfir

g. Mempunyai kekuatan dielektrik (dielectric strenght) dan kekuatan mekanis

(mechanis strenght) yang tinggi

h. Bahan yang mampu mengisolir atau menahan tegangan yang mengenainya.

i. Harganya murah

j. Tidak terlalu berat

Karakteristik Elektris

Isolator memiliki dari dua elektroda yang terbuat dari bahan logam berupa besi atau

baja campuran sebagai tutup (cap) dan pasak (pin) yang dipisahkan oleh bahan isolasi.

Dimana tiap bahan isolasi mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan yang

mengenainya tanpa menjadi rusak, yang disebut dengan kekuatan dielektrikum.

Apabila tegangan diterapkan pada isolator yang ideal di kedua elektroda tersebut,

maka dalam waktu singkat arusnya yang mengalir terhenti dan didalam bahan isolasi

terjadi suatu muatan (Q). Hal ini menunjukkan adanya perbedaan tegangan (V) diantara

kedua elektroda. Besarnya muatan itu adalah :

22

Q = C.V

Dimana nilai kapasitas C tergantung pada nilai konstanta dielektrik dari suatu

bahan uang terdapat diantara kedua elektroda tersebut. Makin tinggi nilai konstanta

dielektrikum suatu bahan isolasi makin besar kapasitansi isolasi tersebut.

Untuk bahan isolasi porselin dan gelas nilai konstante dielektriknya lebih tinggi

dibandingkan dengan bahan-bahan isolasi yang lain. Bandingkan konstante dielektrik

bahan-bahan di bawah ini.

Nilai Konstante Dilektrikum Beberapa BahanMacam bahan ε Macam bahan ε

Ebinit 2,8 Paraffin 2,1-2,5Fiber 2,5-5 Kertas 2,0-2,6Gelas 5,4-9,9 Porselin 5,7-6,8Mika 2,5-6,6 Air 2,0-3,5

Minyak 2,2-6,6 Kayu 2,5-7,7

Selain nilai konstante dielektrik yang mempengaruhi nilai

kapasitansi, luas dan tebalnya suatu bahan mempengaruhi juga nilai

kapitansi tersebut. Makin besar volume suatu bahan makin bertambah

tinggi muatannya, dan makin besar nilai kapasitansinya yang ditentukan

dengan persamaan.

Dimana :

C= kapasitansi suatu bahan (Farad)

ε= konstanta dilektrikum

A= luas permukaan bahan (m 2 )

d= diameter atau tebal bahan (m)

Nilai kapasitansi ini akan diperbesar lagi karena kelembaban udara, debu, panas

udara, kerusakan mekanis, proses kimia serta tegangan lebih yang mempengaruhi

permukaan dari bahan isolasi tersebut.

Oleh karena itu pendistribusian tegangan pada bahan isolasi tidak seragam, dan

lebih besar pada bagian yang terkena tegangan. Hal ini disebabkan terjadinya arus

C=εA4πd

23

kebocoran (leakage current) yang melalui permukaan bahan tersebut. Arus kebocoran ini

kecil kalau dibandingkan dangan arus yang mengalir pada bahan isolasi tersebut, yang

besarnya adalah :

I=V/R

Dimana:

I = Arus bocor

V = tegangan

R = besar isolasi

Hal tersebut diatas membuat isolator manjadi tidak ideal, yang seharusnya arus

mengalir berhenti dalam waktu yang singkat, akan tetapi turun perlahan-lahan. Lihat

gambar grafik dibawah ini.

Akan tidak ideal lagi isolator tersebut apabila terjadi tegangan yang diterapkan

diantara kedua elektroda isolator tersebut mengalami tegangan loncatan api (flash over

voltage) atau tegangan tembus pada isolator ini.

Dalam sistim tenaga listrik tegangan loncatan api ini biasa dikatakan sebagai

tegangan lebih (over voltage) yang ditimbulkan dari dua sumber. Pertama sumber berasal

dari sistim itu sendiri yang berupa hubungan singkat (short circuit), sedang yang kedua

sumber dari luar sistim biasa disebut gangguan sambaran petir.

Tegangan tembus inilah yang terutama menentukan nilai suatu isolator sebagai

penyekat dan menunjukkan kekuatan dielektrik dari isolator yang besarnya untuk tiap-tiap

isolator berbeda-beda seperti yang terlihat pada tabel-tabel dibawah ini.

Isolator terdiri dari bahan porselin yang diapit oleh elektroda- elektroda. Dengan

demikian isolator terdiri dari sejumlah kapasistansi. Kapasistansi ini diperbesar oleh

terjadinya lapisan yang menghantarkan listrik, karena kelembaban udara, debu dan bahan-

bahan lainnya pada permukaan isolator tersebut. Karena kapasistansi ini maka distribusi

tegangan pada saluran gandengan isolator tidak seragam. Potensial pada bagain yang

terkena tegangan (ujung saluran) adalah paling besar dengan memasang tanduk busur api

(arcing horn), maka distribusi tegangan diperbaiki.

Tegangan lompatan api (flashover voltage) pada isolator terdiri atas tegangan-

tegangan lompatan api frekuensi rendah (bolak0balik), impuls dan tembus dalam minyak

(bolak-balik frekuensi rendah). Tegangan lompatan api frekuensi rendah kering adalah

tegangan lompatan apai yang terjadi bila tegangan diterapkan diantara kedua elektroda

24

isolator yang bersih dan kering permukaanya, nilai konstanta serta nilai dasar karakteristik

isolator. Tegangan lompatan api basah adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila

tegangan diterapkan diantara tegangan kedua elektroda isolator yang basah karena hujan,

atau dibasahi untuk menirukan hujan.

Tegangan lompatan api impuls adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila

tegangan impuls dengan gelombang standar diterapkan. Karakteristik impuls terbagi atas

polaritas positif dan negative. Biasanya tegangan dengan polaritas positif (yang

memberikan nilai loncatan api yang rendah) yang dipakai. Untuk polaritas positif tegangan

loncatan api basah dan kering sama.

Tegangan tembus (puncture) frekuensi rendah menunjukan kekuatan dielektrik dari

isolator, dan terjadi bila tegangan frekuensi rendah diterpkan antara kedua elektroda

isolator yang dicelupkan pada minyak sampai isolator tembus. Untuk isolator dalam

keadaan baik tegangan tembus ini lebih tinggi dari tegangan loncatan api frekuensi rendah,

dan nilainya kira-kira 140 kV untuk isolator gantung 250 mm.

Karakteristik Mekanis

Kecuali harus memenuhi persyaratan listrik, isolator harus memiliki kekuatan

mekanis guna memikul beban mekanis penghantar yang diisolasikannya. Porselin sebagai

bagian utama isolator, mempunyai sifat sebagai besi cor, dengan tekanan-tekanan yang

besar dan kuat-tarik yang lebih kecil. Kuat tariknya biasanya 400-900 kg/cm2 , sedangkan

kuat tekanannya 10 kali lebih besar.

Porselin harus bebas dari lubang-lubang (blowholes) goresan- goresan, keretakan-

keretakan, serta mempunyaia ketahanan terhadap perubahan suhu yang mendadak

tumbukan-tumbukan dari luar.

Gaya tarik isolator yang telah dipasang relatif besar, sehingga kekuatan porselin

dan bagian-bagian yang disemenkan padanya harus dibuat besar dari kekuatan bagian-

bagian logamnya.

Kekuatan mekanis dari isolator gantung dan isolator batang panjang harus diuji

untuk mengetahui kemampuan mekanis dan keseragamannya. Kekuatan jenis ini dan line

post ditentukan oleh kekuatan pasaknya (pin) terhadap moment tekukan (bending momen)

oleh penghantar. Pengkajian kekuatannya karena itu dilakukan dengan memberikan beban

kawat secara lateral terhadap pasak.

25

Dalam perencanaan saluran transmisi udara, tegangan lebih pada isolator

merupakan factor penting. Ditempat-tempat dimanan pengotoraqn udara tidak

mengkhawatirkan, surja-hubung (switching-surge) merupakan factor penting dalam

penentuan jumlah isolator dan jarak isolator. Karakteristik lompatan api dari surja-hubung

lain dari karakteristik frekuensi rendah dan impuls.

Penggunaan Isolator Pada Jaringan Distribusi

Ditinjau dari segi penggunaan isolator pada jaringan distribusi dapat dibedakan

menjadi besar kecil tegangan, yaitu tegangan rendah (SUTR) dan tegangan

menengah/tinggi (SUTM).

1. Pada Saluran Udara Tegangan Rendah (SUTR)

Isolator SUTR adalah suatu alat untuk mengisolasi kawat penghantar dengan tiang

dan traves. Isolator yang baik harus memiliki cirri-ciri, yaitu sudut dan lekukkan yang licin

dan tidak tajam, guna menghindari kerusakan kawat penghantar akibat tekanan mekanis

pada saat pemasangan. Disamping itu isolator SUTR harus memenuhi persamaan mekanis,

elektris, dan thermis, mempunyai ketahanan terhadap tembusan dan loncatan arus rambat

listrik. Juga tahanan terhadap gaya mekanis, perubahan suhu, dan cuaca sesuai dengan

keadaan kerja setempat.

Pada pemasangan SUTR pemakaian jenis isolator dibedakan sesuai dengan lokasi

berdiri tiang. Untuk tiang yang berdiri ditengah-tengah jaringan yang lurus digunakan

isolator pasak type “RM”.

Lokasi tiang yang berdiri pada akhir atau ditikungan jaringan SUTR digunakan

isolator pasak jenis Spool Isolator dan Isolator pasak Type “A”, dan isolator line-post.

Sedangkan untuk tiang penegangan dipergunakan isolator gantung.

Sebelum isolator dipasang pada SUTR terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan

secara visual mengenai bentuk ukuran, dan keadaan isolator itu sendiri.

Disamping itu isolator harus terbuat dari bahan porselen yang diglasir, mempunyai

kualitas isolator arus listrik tinggi, tidak berlapis-lapis, tidak berlubang, dan tidak cacat.

Bahan pin isolator harus diglavanis sehingga tidak mudah berkarat. Pemasangan

pin pada poros isolator harus lurus. Pemasangan pin pada poros idolator dilakukan dengan

26

coran timah hitam.

2. Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM)

Isolator yang digunakan untuk jaringan SUTM, karakteristiknya dan konstruksi

dapat dilihat dibawah ini :

Temperature maksimum: 40O

Temperature normal: 28 O

Temperature minimal: 16 O

Dalam jaringan SUTM ini mempergunakan isolator jenis sangga dan isolator

suspension (isolator gantung).

Didalam pemasangan isolator suspension maupun isolator sangga, diperiksa baut

dan mur yang ada harus dikunci dengan kuat. Isolator itu dipasang pada traves dengan

mengunci mur dan baut yang terdapat pada plat penegang. Didalam memasang isolator

suspension dilakukan setiap satu persatuan unit. Setiap satu jaringan SUTM yang terdapat

sambungan saluran udara pada tiang, dibutuhkan senam unit isolator suspension dan satu

isolator sangga. Isolator sangga berfungsi sebagai penyangga kawat penghantar yang

ditengah jaringan melintasi traves. Sebagai pengunci kawat penghantar dibutuhkan enam

buah klem penyambung yang terbuat dari bahan yang sama dengan bahan penghantar.

Pada traves diakhiri saluran SUTM dipakai tiga unit isolator suspension.

27

KONDUKTOR

Jenis Bahan Konduktor

Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan-persyaratan

sebagai berikut:

1. Konduktifitasnya cukup baik.

2. Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi.

3. Koefisien muai panjangnya kecil.

4. Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar.

Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:

1. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.

2. Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang

diberi campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk

menaikkan kekuatan mekanisnya.

3. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan

dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).

Klasifikasi Konduktor

Klasifikasi konduktor menurut bahannya:

1. kawat logam biasa, contoh:

a. BBC (Bare Copper Conductor).

b. AAC (All Aluminum Alloy Conductor).

2. kawat logam campuran (Alloy), contoh:

a. AAAC (All Aluminum Alloy Conductor)

b. kawat logam paduan (composite), seperti: kawat baja berlapis tembaga

(Copper Clad Steel) dan kawat baja berlapis aluminium (Aluminum Clad

Steel).

3. kawat lilit campuran, yaitu kawat yang lilitannya terdiri dari dua jenis logam atau

lebih,

contoh: ASCR (Aluminum Cable Steel Reinforced).

28

Klasifikasi konduktor menurut konstruksinya:

1. kawat padat (solid wire) berpenampang bulat.

2. kawat berlilit (standart wire) terdiri 7 sampai dengan 61 kawat padat yang dililit

menjadi satu, biasanya berlapis dan konsentris.

3. kawat berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untuk

mendapatkan garis tengah luar yang besar.

Klasifikasi konduktor menurut bentuk fisiknya:

1. konduktor telanjang.

2. konduktor berisolasi, yang merupakan konduktor telanjang dan pada bagian luarnya

diisolasi sesuai dengan peruntukan tegangan kerja, contoh:

a. Kabel twisted.

b. Kabel NYY

c. Kabel NYCY

d. Kabel NYFGBY

Karakteristik Konduktor

Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor, yaitu:

1. karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang

menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN 41-8:1981, C, maka

berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30untuk konduktor 70 mm kemampuan

maksimal dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).

2. karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari konduktor terhadap arus

listrik yang melewatinya (dari SPLN 41-10 : 1991, untuk konduktor 70 mm2

berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30o C, maka kemampuan maksimum dari

konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).

Konduktivitas listrik

Sifat daya hantar listrik material dinyatakan dengan konduktivitas, yaitu kebalikan

dari resistivitas atau tahanan jenis penghantar, dimana tahanan jenis penghantar tersebut

29

didefinisikan sebagai:

ρ = R.A/L

dimana;

A : luas penampang (m2)

l : Panjang penghantar (m)

Ώ : tahanan jenis penghantar (ohm.m)

R : tahanan penghantar (ohm)

ρ : konduktivitas

Menyatakan kemudahan – kemudahan suatu material untuk meneruskan arus

listrik. Satuan konduktivitas adalah (ohm meter). Konduktivitas merupakan sifat listrik

yang diperlukan dalam berbagai pemakaian sebagai penghantar tenaga listrik dan

mempunyai rentang harga yang sangat luas. Logam atau material yang merupakan

penghantar listrik yang baik, memiliki konduktivitas listrik dengan orde 107 (ohm.meter) -

1 dan sebaliknya material isolator memiliki konduktivitas yang sangat rendah, yaitu antara

10-10 sampai dengan 10-20 (ohm.m)-1. Diantara kedua sifat ekstrim tersebut, ada material

semi konduktor yang konduktivitasnya berkisar antara 10-6 sampai dengan 10-4 (ohm.m)-

1. Berbeda pada kabel tegangan rendah, pada kabel tegangan menengah untuk pemenuhan

fungsi penghantar dan pengaman terhadap penggunaan, ketiga jenis atau sifat

konduktivitas tersebut diatas digunakan semuanya.

------------------------------------------------------------------------------------------

Logam Konduktivitas listrik ohm meter

Perak ( Ag ) 6,8 x 107

Tembaga ( Cu ) 6,0 x 107

Emas ( Au ) 4,3 x 107

Alumunium ( Ac ) 3,8 x 107

Kuningan ( 70% Cu – 30% Zn ) 1,6 x 107

Besi ( Fe ) 1,0 x 107

Baja karbon ( Ffe – C ) 0,6 x 107

Baja tahan karat ( Ffe – Cr ) 0,2 x 107

Kriteria mutu penghantar

30

Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsur – unsur pemadu,

impurity atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak berperan

dalam proses pembuatan pembuatan penghantar itu sendiri. Unsur – unsur pemandu selain

mempengaruhi konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat – sifat mekanika dan fisika

lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik dari pada yang lebih

rendah kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah rendah.

Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan konduktivitas yang tinggi juga

membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan

penghantar itu sendiri.

Selain masalah teknis, penggunaan logam sebagai penghantar ternyata juga sangat

ditentukan oleh nilai ekonomis logam tersebut dimasyarakat. Sehingga suatu kompromi

antara nilai teknis dan ekonomi logam yang akan digunakan mutlak diperhatikan. Nilai

kompromi termurahlah yang akan menentukan logam mana yang akan digunakan. Pada

saat ini, logam Tembaga dan Aluminium adalah logam yang terpilih diantara jenis logam

penghantar lainnya yang memenuhi nilai kompromi teknis ekonomis termurah.

Dari jenis–jenis logam penghantar pada tabel 1. diatas, tembaga merupakan

penghantar yang paling lama digunakan dalam bidang kelistrikan. Pada tahun 1913, oleh

International Electrochemical Comission (IEC) ditetapkan suatu standar yang

menunjukkan daya hantar kawat tembaga yang kemudian dikenal sebagai International

Annealed Copper Standard (IACS). Standar tersebut menyebutkan bahwa untuk kawat

tembaga yang telah dilunakkan dengan proses anil (annealing), mempunyai panjang 1m

dan luas penampang 1mm2, serta mempunyai tahanan listrik (resistance) tidak lebih dari

0.017241 ohm pada suhu

20ºC, dinyatakan mempunyai konduktivitas listrik 100% IACS.

Akan tetapi dengan kemajuan teknologi proses pembuatan tembaga yang dicapai dewasa

ini, dimana tingkat kemurnian tembaga pada kawat penghantar jauh lebih tinggi jika

dibandingkan pada tahun 1913, maka konduktivitas listrik kawat tembaga sekarang ini bisa

mencapai diatas 100% IACS.

Untuk kawat Aluminium, konduktivitas listriknya biasa dibandingkan terhadap

standar kawat tembaga. Menurut standar ASTM B 609 untuk kawat aluminium dari jenis

31

EC grade atau seri AA 1350(*), konduktivitas listriknya berkisar antara 61.0 – 61.8%

IACS, tergantung pada kondisi kekerasan atau temper. Sedangkan untuk kawat penghantar

dari paduan aluminium seri AA 6201, menurut standar ASTM B 3988 persaratan

konduktivitas listriknya tidak boleh kurang dari 52.5% IACS. Kawat penghantar 6201 ini

biasanya digunakan untuk bahan kabel dari jenis All Aluminium Alloy Conductor

(AAAC).

Disamping persyaratan sifat listrik seperti konduktivitas listrik diatas, kriteria mutu lainnya

yang juga harus dipenuhi meliputi seluruh atau sebagian dari sifat – sifat atau kondisi

berikut ini, yaitu:

a. komposisi kimia.

b. sifat tarik seperti kekuatan tarik (tensile strength) dan regangan tarik

(elongation).

c. sifat bending.

d. diameter dan variasi yang diijinkan.

e. kondisi permukaan kawat harus bebas dari cacat, dan lain-lain.

KONDUKTOR II

Konduktor (penghantar) : suatu bahan yang dapat menghantarkan arus listrik.

Sifat terpenting konduktor:

- sifat daya hantar listrik (electrical conductivity) yang tinggi, atau

- tahanan jenis (resistivity) yang rendah

Konduktivitas maupun resistivitas besarnya tergantung pada struktur internal dari bahan

penghantar tersebut.

Sifat-sifat lain yang harus dimiliki oleh konduktor :

- daya hantar panas (thermal conductivity) atau sifat-sifat termis dan sifat-sifat

mekanis lain seperti kekuatan tarik/tekan atau kemampuannya dalam menahan

tegangan tarik dan sebagainya.

Tahanan jenis beberapa bahan listrik

Nama bahan Tahanan jenis pada 0o C

( Ω mm2/m)

Tahanan jenis pada 20o C

( Ω mm2/m)

Aluminium 0,026 0,0287

32

Tembaga Lunak 0,01589 0,01742

Tembaga Keras 0,016 0,0177

Emas 0,0222 0,0236

Besi Murni 0,0885 0,0995

Perak 0,0151 0,01629

Timah 0,105 0,115

I. Pengaruh perubahan temperatur terhadap nilai tahanan (resistansi).

a. Bahan Murni

dimana:

Rt2 = tahanan dari bahan pada temperatur t2 (Ω)

Rt1 = tahanan dari bahan pada temperatur t1 (Ω)

t1 = temperatur permulaan yang rendah (oC)

t2 = temperatur yang lebih tinggi (oC)

α = koefisien suhu tahanan pada masa konstan (Ω/oC)

Untuk perhitungan yang lebih teliti, harga α, bisa digunakan persamaan berikut :

dimana:

α = koefisien suhu tahanan pada temperatur standar 20o C

33

1111

22

α1 = koefisien suhu tahanan pada temperatur to C

Pertambahan harga tahanan listrik sebagai fungsi dari temperatur

b. Bahan campuran

Pertambahan harga/nilai tahanan listrik pada bahan campuran apabila suhu dinaikkan

adalah relatif kecil dan tidak teratur. Contohnya pada bahan Eureka (konstantan), yaitu

campuran 60% Cu dan 40% Ni), karena pertambahan nilai resistansi yang kecil, maka α

sering diabaikan.

II. Efek Kulit (Skin Effect)

Skin Effect adalah gejala ketidaksama-rataan arus yang mengalir dalam suatu

pengantar yang dialiri arus bolak-balik. Hal ini disebabkan karena adanya frekuensi pada

arus yang mengalir tersebut.

Kerapatan arus pada suatu penghantar

dialiri arus AC

Arus bolak-balik (AC) yang mengalir pada penghantar, akan menimbulkan fluksi (ф).

a a 0 f d f y x

R1

R0

0

R

T(0C)

34

Fluksi ini akan menimbulkan induktansi diri (self inductance) dan akan membangkitkan

tegangan :

dan

Didapat :

ф1< ф2 dan L1>L2, dari sini didapat hubungan; i akan sebanding dengan ф

sehingga :

i1<i2 dan ф1< ф2.

Menurut Maxwell dan Rayleight, perbandingan antara tahanan skin effect (Rs) terhadap

tahanan arus searah (R) adalah :

Sedangkan perbandingan antara reaktansi skin effect (As) terhadap reaktansi arus searah

(A) adalah :

dimana :

f = frekuensi (Hz)

l = panjang saluran (m)

Di dalam pemakaian praktisnya rumus-rumus di atas menjadi :

Sedangkan rumus Rs secara empiris adalah :

, untuk m = 0 s/d 3

, untuk m diatas 3

Cara mengatasi Skin Effect :

35

Frekuensi kerja diturunkan

Diameter penghantar diperkecil atau menggunakan penghantar serabut

III. Jenis-jenis penampang bahan penghantar

Penampang bahan penghantar umumnya dibuat dalam berbagai bentuk. Sesuai

dengan tujuan penggunaannya. Berdasarkan bentuknya, bahan penghantar dibedakan

antara lain

(a) (b) (c) (d) (e)

Penampang bahan penghantar

(a) bulat

(b) segi empat tipis

(c) segi empat tebal

(d) kanal

(e) stranded (berlilit atau serabut)

Berdasarkan susunan kawat/penampang, dibedakan antara lain :

Kawat pejal

Kawat berlilit

Kawat berongga

Kawat

serabut

Berdasarkan susunan/struktur material :

Kawat/ bahan dari logam murni

Kawat/ bahan dari logam campuran (alloy)

Kawat/ bahan dari logam paduan

IV. Klasifikasi Bahan Konduktor

Menurut bentuknya/wujudnya, bahan konduktor dapat dibagi dalam 3 jenis, yakni:

a. Bahan konduktor berbentuk padat

36

b. Bahan konduktor berbentuk cair

c. Bahan konduktor berbentuk gas

1. Tembaga (Cu)

Sifat-sifat elektris bahan tembaga dapat dilihat pada tabel 1.

Daya hantar panasnya 0,93 kal/cm sec oC.

Daya tahan tembaga terhadap korosi sangat besar.

Titik leburnya 1080 0C.

Kekuatan menahan gaya tarik/tekan cukup tinggi, yaitu sekitar 40-50 kgf/mm2

Tidak rapuh (artinya dapat dibengkokan tetapi tidak mudah putus/patah).

Penggunaan tembaga antara lain:

sebagai bahan penghantar pada inti kabel, kumparan-kumparan trafo, generator dan

motor, serta jaringan listrik karena bahan tembaga mempunyai konduktifitas yang

cukup tinggi.

sebagai alat/bahan pengukur temperatur (pada termokopel)

Tembaga keras (hard drawn copper), digunakan apabila diperlukan untuk menahan

tegangan tarik/tekan yang tinggi dan tahan terhadap medan keras.

Tembaga lunak (analed copper), digunakan apabila dipentingkan sifat lenturnya.

Dicampur dengan bahan lain (banyak kita jumpai di pasaran )

- tahanan jenisnya akan turun,

- supaya sifat-sifat mekanisnya dapat ditingkatkan sesuai kebutuhan atau

untuk keperluan tertentu.

2. Aluminium (Al)

Sifat elektris : lihat tabel 1.

Sifat-sifat fisik yang lain :

Daya hantar panasnya = 0,5 kal/cm sec oC

Daya tahan terhadap korosi lebih besar daripada tembaga.

Massa jenisnya ± 3 kali lebih kecil daripada masa jenis tembaga.

Aluminium tidak baik untuk dipatri, akan tetapi dapat dilas.

Titik leburnya 660o C

Sifat-sifat mekanis :

37

kekuatan menahan tegangan tarik/tekan lebih rendah daripada tembaga yaitu ±15-

23 kgf/mm2 akan tetapi aluminium mudah dikerjakan, dibengkokkan atau dipress.

Sehingga aluminium banyak dipakai antara lain :

Sebagai penutup pada transistor, karena mempunyai daya hantar panas yang cukup

tinggi.

Sebagai bahan pelindung pada bagian-bagian peralatan yang tidak boleh terkena

gelombang elektromagnetik, karena aluminium termasuk bahan yang magnetis.

Sebagai bahan yang digunakan pada kumparan transformator arus, rotor dsb. karena

pengerjaannya mudah.

Karena kemampuan menahan tegangan tariknya tidak terlalu besar, maka bila diperkuat

atau dipadukan dengan bahan/kawat baja (baja mempunyai tegangan tarik ±46 s/d 380

kgf/mm2) akan diperoleh kawat atau bahan yang disebut dengan istilah ACSR (Aluminium

Cable Stell Reinforce).

3. Bahan campuran

a. Kuningan (Brass)

Campuran antara tembaga (Cu) dan seng (Zn).

Warnanya kuning,

Tegangan tarik maksimum : 23 s/d 40 kgf/mm2

Harganya lebih murah dibandingkan dengan bahan tembaga murni

Mudah dikerjakan walaupun dalam keadaan dingin

Kurang cocok bila dipakai dalam udara terbuka

Titik leburya 900o C.

Kurang tepat dipakai sebagai konduktor karena konduktivitasnya rendah, tetapi

cocok dipergunakan sebagai media gelombang UHF (microwave).

b. Perunggu (Bronze)

Campuran antara tembaga (Cu) dan timah (Sn).

Tahanan jenisnya lebih besar daripada bahan kuningan

Titik leburnya 10400 C, tegangan tariknya 20 s/d 40 kgf/mm2

Mempunyai daya tahan yang baik terhadap korosi.

38

Sebagai penghantar/konduktor biasanya dipakai untuk hantaran-hantaran yang

halus, misalnya untuk kawat telegraf, telepon, dan sebagainya.

V. Bahan tahanan (resistor)

Bahan tahanan (resistor) adalah suatu bahan listrik yang dapat menyalurkan arus listrik,

akan tetapi mempunyai tahanan listrik (resistivitas) yang tinggi atau konduktivitasnya

rendah.

Contoh bahan tahanan adalah sebagai berikut:

1. Wolfram

Wolfram termasuk jenis logam yang sangat berat

Berwarna putih keabu-abuan

Mempunyai titik cair tertinggi diantara logam-logam padat

Sifat-sifatnya :

Sifat mekanis: tegangan tarik maksimum : 590.000 psi

Modulus elastisitas : 10.106 psi

Titik cair : 3.390o C

Titik didih : 5.930o C

Konduktivitas termis : 0,4 cal/cm sec oC

Koefisien muai panjang : 4,5x10-6

Sifat kimia : pada suhu 20000 C, 1001 gram wolfram murni dapat bersenyawa

dengan O2 membentuk WO2 dan WO3.

Sifat elektris : tahanan jenisnya mendekati linier terhadap perubahan temperatur.

Magnetic susceptibility, Xm, : 6,8x10-5 (termasuk bahan magnetik)

Penggunaan wolfram :

sebagai filament lampu pijar, campuran bahan kontak, elektroda gas mulia, dan bagian-

bagian dari tabung elektroda.

2. Timbel/timah hitam (Pb)

Di pasaran banyak dijumpai sebagai timbel dan berupa lempengan 3x1,5 m atau 10x2,5 m

dengan tebal kira-kira 0,3-12 mm.

39

Sifat-sifatnya antara lain :

Sangat lunak dan mudah dikerjakan

Mempunyai berat jenis/ massa jenis yang tinggi

Titik leburnya rendah ± 300o C

Tahanan jenisnya ± 7%-nya tahanan jenis tembaga

Tegangan tariknya rendah

Penggunaannya antara lain sebagai elektroda akumulator, pembungkus kabel, campuran

solder, dan untuk bahan pembuat sekering.

VI. Thermistor

“Thermistor” berasal dari kata thermally sensitive resistor.

Thermistor adalah suatu jenis tahanan yang peka terhadap perubahan temperatur

atau memiliki harga koefisien suhu tahanan (α) yang tinggi

Ditemukan oleh Michael Faraday berdasarkan (α) negatif dari silver sulfida pada

tahun 1833.

(a) (b)

Gambar 4. Simbol dari Thermistor

(a) Thermistor dengan pemanas langsung

(b) Thermistor dengan pemanas tidak langsung

Thermistor pada umumnya didasarkan pada “a negative temperature coefisien (NTC)”,

atau ada pula yang berdasarkan pada “a positive temperature coefisien (PTC)”.

40

Penggunaannya :

Basic Thermistor Circuit

Half Bridge Thermometer

Basic Four Arm Bridge

Type Thermometer

Two Thermistor

Thermometer

Temperature Measurement

Anemometer

Flow Meter

Vacuum Gauge

Altimeter

Rf Power Meter

Measuring Micro Wave

Meter

Gas Analyzer

Thermal Protection For

Motor

Pilot Or Flame Alarm

Control

Voltage Regulation

Remote Control

Audio Compressor

(Umeter)

Audio Expander

Pilot Lamp Protection

Crystal Oscillator

Stabilization

VII. Corona

Gejala corona, yang dapat mengakibatkan gangguan pada komunikasi radio (radio

interference) dan daya hilang (power losses) corona.

Masalah isolasi pada kawat penghantar.

Masalah isolasi pada peralatan listrik.

Masalah keamanan terhadap manusia, hewan atau barang.

1. Proses terjadinya corona

Bila ada 2 kawat penghantar yang sejajar (berpenampang kecil bila dibandingkan

dengan jarak antara kedua kawat tersebut) diberi tegangan listrik bolak-balik, maka corona

dapat terjadi dan bila tegangan listrik tersebut dinaikkan secara bertahap, maka corona pun

akan naik secara bertahap.

a. Secara visual

Pertama-tama kawat kelihatan bercahaya, mengeluarkan suara yang mendesis

(hissing) dan berbau ozon (O3). Warna cahaya tersebut makin lama makin jelas kelihatan,

cahaya semakin bertambah terang apabila tegangan listriknya dinaikkan terus dan akhirnya

41

akan terjadi busur api. Corona mengeluarkan panas dengan terjadinya power losses dan hal

ini dapat diukur dengan Watt-meter.

Bila udara disekitar konduktor tersebut dalam keadaan lembab, maka corona ini

dapat menghasilkan asam nitrogin (Nitrous Acid), hal ini akan mempengaruhi power

losses, atau dengan perkataan lain kehilangan dayanya lebih besar.

Apabila tegangan listriknya merupakan tegangan searah, pada kawat positip pada

jaringan, akan kelihatan dalam bentuk cahaya yang uniform (seragam) pada seluruh kawat,

sedangkan untuk kawat nolnya (ground), corona hanya terjadi pada tempat-tempat tertentu

saja (Spooty).

b. Secara fisis

Corona terjadi karena adanya ionisasi dalam udara disekitar konduktor, selain itu

molekul udara disekitar penghantar/konduktor tersebut kehilangan elektron. Dengan

lepasnya elektron dan ionisasi ini dan disertai adanya medan listrik, maka elektron -

elektron bebas tersebut akan mengalami gaya, sehingga gerakannya dipercepat. Akibatnya

elektron ini akan mengalami tabrakan dengan molekul lain sehingga akan menimbulkan

ion-ion dan elektron -elektron baru.

Proses ini berjalan terus-menerus, sehingga jumlah ion dan elektron bebas menjadi

berlipat ganda (bila gradien potensialnya cukup besar). Ionisasi udara dapat mengakibatkan

redistribusi tegangan dan bila redistribusi ini besarnya sedemikian rupa sehingga gradien

udara (tegangan listrik) diantara dua kawat lebih besar daripada gradien udara normal,

maka akan terjadi loncatan bunga api.

Bila hanya sebagian saja dari udara antara dua kawat yang terionisasikan, maka

corona merupakan sampul yang mengelilingi kawat tersebut. Gradien tegangan listrik

seragam yang dapat menimbulkan ionisasi kumulatif di udara normal (25oC, 760 mmHg)

adalah 30 kV/cm.

2. Kerugian daya corona

Kerugian daya corona menurut PEEK dinyatakan sebagai berikut:

kWatt/km

dimana:

42

f = frekuensi (Hz)

r = jari-jari kawat (cm)

D = jarak antar kawat (cm)

V = tegangan fasa (kV rms)

Vd = tegangan distribusi kritis (kV rms)

43

Rumus di atas berlaku untuk satu konduktor saja. Penerapan secara praktisnya, umumnya

digunakan rumus sebagai berikut:

dimana :

mo = factor tak tentu (irregular factor)

= 1,00 untuk konduktor yang permukaannya halus

= 0,93-0,98 untuk penghantar kasar

= 0,83-0,87 untuk kawat berlilit 7

= 0,80-0,85 untuk kawat berlilit 15, 37 dan 61

Untuk mengurangi masalah corona, maka perlu diperhitungkan masalah:

Jari-jari konduktor

Perbandingan antara jarak konduktor dengan jari-jari konduktor

Faktor permukaan

MAGNET

Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan dapat digolongkan

menjadi 5 yaitu diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, anti ferromagnetik, dan

ferrimagnetik (ferri). Parameter–parameter dari bahan magnetik tersebut adalah

permeabilitas dan susceptibilitas magneti, momen magnetik, dan magnetasi.

Ada beberapa cara untuk mengubah bahan magnetik lunak untuk menjadi baja

kelistrikan, namun cara yang paling praktis adalah dengan menambah silikon ke dalam

komposisinya. Cara ini akan mengurangi rugi histeris dan arus pusar dengan tajam

karena relativitasnya bertambah Bahan magnetik lunak lain yang banyak digunakan

adalah paduan anatara besi dan nikel. Pada saat sebuah bahan ferromagnetik diamagnetisasi,

umumnya secara fisik akan terjadi perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut

magnetostriksi. Namun pengaruh dari magnetostriksi sangatlah terbatas yaitu pada

penggunaan bahan-bahan yang relatif tinggi magnetotriksinya harus rendah.

Bahan Magnetik

Bahan magnetik adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam

komponen pembentuknya. Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan

dapat digolongkan menjadi 5 yaitu diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, anti

ferromagnetik, dan ferrimagnetik (ferri). Bahan diamagnetik adalah bahan yang sulit

menyalurkan garis gaya magnet (ggm). Bahan paramagnetik adalah bahan yang dapat

menyalurkan ggm tetapi tidak banyak. Permeabilitasnya sedikit lebih besar dari

1, susunan dua kutubnya tidak beraturan. Bahan ferromagnetik mudah menyalurkan

ggm. Permeabilitasnya jauh di atas 1. Bahan anti ferromagnetik mempunyai suscepbilitas

positif yang kecil pada segala suhu, tetapi perubahan suscepbilitas karena suhu adalah

keadaan yang sangat khusus. Susunan dwikutubnya adalah sejajar tetapi berlawanan arah.

Bahan ferrimagnetik memiliki resisitivitas yang jauh lebih tinggi dibanding bahan

ferromagnet.

Resisitivitas bahan ferromagnet adalah rendah. Hal ini yang menyebabkan pemakaian

ferromagnet terbatas pada frekuensi rendah. Sedangkan pada bahan ferrimagnetik

resisitivitasnya jauh lebih tinggi dibanding bahan ferromagnet. Karena itu ferrimagnet (ferrit)

layak digunakan pada peralatan yang menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy

yang terjadi padanya kecil.

Gambaran dwikutub bahan-bahan magnet seperti gambar.

(a) (b)

(c) (d)

Susunan dwikutub bahan-bahan magnetik

a. paramagnetic

b. ferromagnetic

c. antiferromagnetik

d. ferrimagnetik

Bahan-bahan Ferromagnetik

Bahan-bahan ferromagnetik dapat dikategorikan menjadi dua yaitu:

1. Bahan yang mudah dijadikan magnet yang lazim disebut bahan magnetik lunak.

Bahan ini banyak digunakan untuk inti transformator, inti motor atau generator,

rele, peralatan sonar atau radar.

2. Bahan ferromagnetik yang sulit dijadikan magnet tetapi setelah menjadi magnet

tidak mudah kembali seperti semula disebut bahan magnetik keras, bahan ini

digunakan untuk pabrikasi magnet permanen.

Sifat-sifat bahan magnetik adalah mirip dengan sifat-sifat bahan dielektrik. Momen

atom dan molekul-molekul yang menyebabkan adanya dwikutub adalah sama dengan momen

dwikutub pada bahan dielektrik. Magnetisasi pada bahan magnet seperti halnya polarisasi

pada bahan dielektrik.

Setiap bahan magnetik memiliki parameter-parameter magnetik di antaranya

Permeabilitas dan susceptibilitas magnetik, momen magnetik, magnetisasi.

Berdasarkan susceptibilitasnya dapat dibedakan sifat kemagnetan suatu bahan yaitu

untuk Xm negatif 10-5 adalah diamagnetik, untuk Xm kecil dan positif 10-3 pada suhu

kamar (karena Xm berbanding terbalik dengan suhu) adalah paramagnetik , untuk Xm

yang besar adalah ferromagnetik .

Penggolongan Bahan-bahan Magnetik

Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan dapat digolongkan

menjadi 5 yaitu: diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, anti ferromagnetik, dan

ferrimagnetik (ferri).

1. Bahan diamagnetik adalah bahan yang sulit menyalurkan garis gaya magnet

(ggm). Permeabilitasnya sedikit lebih kecil dari 1 dan tidak mempunyai dwikutub

yang permanen. Bahan-bahan diamagnetik antara lain: Bi, Cu, Au, Al2O3, Ni SO4.

2. Bahan paramagnetik adalah bahan yang dapat menyalurkan ggm tetapi tidak

banyak. Permeabilitasnya sedikit lebih besar dari 1, susunan dwikutubnya tidak

beraturan. Bahan-bahan paramagnetik antara lain: Al, Pb, Fe2SO4, FeSO4,

FeCl2, Mo, W, Ta, Pt, dan Ag.

3. Bahan ferromagnetik mudah menyalurkan ggm. Permeabilitasnya jauh di atas 1.

Bahan ferromagnetik antara lain: Fe, Co, Ni, Gd, Dy. Resisitivitas bahan ferromagnet

adalah rendah. Hal ini yang menyebabkan pemakaian ferromagnet terbatas pada

frekuensi rendah.

4. Teori anti ferromagnetik dikembangkan oleh Neel seorang ilmuwan Perancis.

Bahan anti ferromagnetik mempunyai suscepbilitas positif yang kecil pada

segala suhu, tetapi perubahan suscepbilitas karena suhu adalah keadaan yang sangat

khusus. Susunan dwikutubnya adalah sejajar tetapi berlawanan arah. Bahan anti

ferromagnetik antara lain: MnO2, MnO, FeO, dan CoO.

Bahan ferrimagnetik memiliki resisitivitas yang jauh lebih tinggi disbanding

bahan ferromagnet. Karena itu ferrimagnet (ferrit) layak digunakan pada peralatan yang

menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy yang terjadi. padanya kecil. Rumus

bahan ferrimagnetik adalah MO. Fe2O3 (M adalah logam bervalensi 2 yaitu Mn, Mg, Ni,

Cu, Co, Zn, Cd). Contoh: ferrit, seng, nikel rumusnya adalah αNiO, βZnO, Fe2O3 dimana

α+β =1

Sifat-sifat bahan magnetik adalah mirip dengan sifat-sifat bahan dielektrik. Momen

atom dan molekul-molekul yang menyebabkan adanya dwikutub adalah sama dengan momen

dwikutub pada bahan dielektrik. Magnetisasi pada bahan magnet seperti halnya polarisasi

pada bahan dielektrik.

Parameter – Parameter Magnetik

1. Permeabilitas dan susceptibilitas magnetic

Pada perhitungan – perhitungan tentang magnet, terdapat hubungan antara fluxi

(B) dengan satuan Wb/m2 atau tesla dengan kuat medan (H) dengan satuan A lilit/ m

sebagai berikut :

B = μ H

μ = μr . μo

sehingga :

B = μr . μo . H

μ adalah permeabilitas bahan yang merupakan hasil perkalian permeabilitas absolut

(μo) dengan permeabilitas relatif (μr) . Besarnya μo = 4. π . 10-7 H/m. Kuantitas

yang diekspresikan (μr – 1) disebut magnetisasi per unit dari intensitas maka demikian

pula dengan μr- 1. Besarnya μ untuk bahan ferromagnetik adalah tidak konstan. Jika arus

I dialirkan melalui kumparan dengan inti adalah bertambah dari nol bertahap sehingga

medan magnet dan rapat fluksi bertambah. Pada gambar

4.2 kurva OP mula – mula naik dengan tajam , kemudian setelah mencapai tahapan tertentu

kurvanya mendatar, hal ini karena B telah mencapai kejenuhan (saturasi). Pada gambar

4.2 setelah titik P dicapai , kemudian I diturunkan secara bertahap, maka diperoleh

kurva PQ yaitu pada saat I sama dengan nol, masih terdapat sisa kemagnetan (Br) . Daya

Koersip (coersive force) yaitu apabila besar H akan bertambah sehingga B menjadi nol

dititik R dan diperoleh Hc . Selanjutnya prosedur diatas diulang maka didapat kurva

PQRSCTP yang disebut Jerat Histerisis magnetik yang luasnya sebanding dengan volume

bahan magnetic yang dimagnetisasi , dan kalau inti diberi arus bolak – balik akan

menimbulkan eddy current yang disebut arus pusar atau arus focoult.

+B

P

Q

Br

-HR

+H0 T

He

C

qS

-B

Jerat histerisis bahan ferro

2. Momen magnetic

Jika sebuah yang dilewati arus (I) diletakan pada rapat fluksi yang merata akan

menimbulkan torsi , besar torsi akan tergantung pada : Luas kumparan , arus dan rapat fluksi

yang terpotong bidang kumparan.

Momen dwikutub magnetik hubungan dengan torsi adalah :

pm = I . A kumparan

Pm dengan satuan A/m2 adalah merupakan vektor yang arahnya tegak lurus

terhadap kumparan. Apabila batang magnet permanen diletakan didalam medan yang merata

akan menyebabkan torsi . Jika magnet mendapatkan kutub – kutub bebas yang berlawanan,

dikatakan sebagai momen dwikutub sebagai produk dari kuat kutub dan jarak antara kutub-

kutub.

3. Magnetisasi

Semua bahan adalah memungkinkan menghasilkan medan magnetik , dari itu secara

eksperimental untuk menimbulkan momem magnetik. Besar momen ini per unit volume

disebut magnetisasi dari madium (M) dengan satuan C/m.dt atau A/m .

Induksi magnetik (rapat fluksi) adalah penjumlahan dari effek pada keadaan fakem suatu

bahan, besar rapat fluksi (B) menjadi :

B = μo . H + μo . M M =( μ – 1) . H

= Xm . H

Xm adalah susceptifitas magnetik . Magnetisasi (M) dari bahan dapat diekspresikan

sebagai momen dwikutub magnetik (pm) dengan satuan C. m2 / dt atau A/m2 dimana

M = N . pm

N adalah jumlah dwikutub magnetic per unit volume.

Berdasarkan susceptibilitasnya dapat dibedakan sifat kemagnetan suatu bahan yaitu

untuk Xm negatif 10-5 adalah diamagnetik, untuk Xm kecil dan positif 10-3 pada suhu

kamar (karena Xm berbanding terbalik dengan suhu) adalah paramagnetik , untuk Xm

yang besar adalah ferromagnetik .

Laminasi Baja Kelistrikan

Cara yang paling praktis untuk mengubah bahan magnetik lunak untuk menjadi

baja kelistrikan adalah dengan menambah silikon ke dalam komposisinya. Cara ini akan

mengurangi rugi histeris dan arus pusar dengan tajam karena relativitasnya bertambah.

Paduan baja dengan tambahan silikon sekarang ini merupakan bahan yang sangat penting

untuk bahan megnetik lunak pada teknik listrik. Namun perlu diingat bahwa penambahan

silikon akan menyebabkan bahan menjadi rapuh.

Tabel berikut memberikan data campuran silikon pada baja sehubungan dengan

relativitas dan massa jenisnya.

Campuran Si pengaruhnya terhadap relativitas & masa jenis Baja.

Kandungan Si (%) Resistivitas ohm.mm2/m Masa Jenis g/cm3

0,8 – 1,8 1,25 7,8

1,8 – 2,8 0,4 7,75

2,8 – 4,0 0,5 7,65

4,0 – 4,8 0,75 7,75

Laminasi untuk transformator umumnya mengandung Si sekitar 4%, sedangkan untuk jangkar motor listrik kandungan Si-nya 1 – 2 %. Namun hal ini dapat diubah-ubah berdasarkan standar masing-masing negara penghasil mesin-mesin tersebut. Selanjutnya periksa Tabel 10.2. Ketebalan laminasi baja transformator untuk inti peralatan listrik adalah 0,1 hingga 1 mm dan yang bisa dipasarkan adalah 0,35 mm dan 0,5 mm dalam bentuk lembaran 2 x 1 m; 1,5 x 0,75 m.Kurva magnetisasi baja transformator seperti ditunjukan pada Gambar. Berikut

B (tesla)

1.81.61.41.2

10.80.60.40.2

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

H (A/m)Kurva B – H baja transformator

o

Baja listrik jenis lain adalah baja listrik dengan proses dingin. Kemampuan baja

listrik sangat tinggi terutama jika fluksi magnetiknya searah dengan panjang laminasi.

Karena kristal baja ini dibuat searah dengan proses dingin dan aniling pada ruang yang diisi

hidrogen. Baja ini digunakan pada pembuatan inti transformator dengan lilitan jenis ribbon

(misalnya : transformator arus). Baja ini memungkinkan mengurangi berat dan dimensi

transformator 20 hingga 25% dan untuk transformator radio, hal tersebut dapat mencapai

40%.

Bahan Magnetik Lunak Lain

Bahan magnetik lunak yang banyak digunakan adalah paduan besi-nikel. Kurva pada

Gambar.diatas menunjukkan hubungan permeabilitas dengan komposisi antara besi dan

nikel. Pada komposisi nikel 20% paduan menjadi non-magnetis dan permeabilitas

maksimum dicapai pada komposisi nikel 21,5% . Paduan yang terdiri dari besi-nikel dengan

tambahan molybdenum, chromium atau tembaga dinamakan permalloy.

Permalloy dibedakan berdasarkan kandungan nikelnya, permalloy nikel rendah yaitu permalloy yang mengandung nikel 40-50% dan permalloy nikel tinggi yaitu permalloy yang mengandung nikel 72-80 %. Permalloy nikel rendah mempunyai permeabilitas yang lebih rendah disbanding permalloy nikel tinggi, namun induksinya lebih tinggi pada keadaan jenuh.

Permeabillitas permalloy berbanding terbalik dengan frekuensinya, seperti yang

ditunjukkan Gambar.4.4. Permalloy yang mengandung Ni sangat tinggi akan mempunyai

permeabilitas yang tinggi (hingga 800.000) setelah diadakan tritmen termal. Daya

koersipnya rendah yaitu 0,32 hingga 0,4 ampere lilit/m. Permalloy difabrikasi pada

lembaran tipis hingga sampai 3 mikron. Permalloy sensitif terhadap benturan dan

kemagnetannya sangat dipengaruhi tekanan.20000

µ15000

10000

5000

0Hz

frekuensi

µµo = f (f) pada permalloy

Permeabilitas absolut dari paduan alfiser yang komposisinya 9.5% Si, 5,6% Al dan

sisanya besi, berkisar antara 10.000 hingga 35.000, daya koersip 1,59 Ampere lilit/m dan

resitivitasnya 0,81 Ohm mm2/m Alfiser sangat regas, sehingga sangat mudah dijadikan bubuk

untuk dibuat bahan dielektrikmagnet. Harganya lebih murah daripada permalloy karena

kompsisinya tidak tergantung Ni.

Camalloy termasuk bahan magnetik lunak yang komposisinya 66,5% Ni, 30% Cu,

3,5% Fe. Yang menarik dari bahan ini adalah bahan akan kehilangan sifat ferromagntiknya

(titik Curie) pada suhu yang relative rendah yaitu 100 C (titik Curie untuk Fe adalah 768 C).

Bahan-bahan ferromagnetik yang berubah ukurannya pada medan magnet diantaranya

Ni, beberapa paduan antara Fe, Cr, Co dengan Al. Gejala perubahan ukuran tersebut

dinamakan magnetostriksi. Dielektrikmagnet digunakan untuk inti peralatan rangkaian

rangkaian magnetik yang bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi dengan kerugian arus

pusar yang rendah.

Sekarang banyak digunakan Ferrit pada peralatan yang bekerja pada frekuensi tinggi.

Bahan ini adalah kompon keramik yang mempunyai rumus umum MOFeO3. M adalah

logam diantara Fe, Cu, Mn, Zn, danNi. Ferrit dibuat dengan campuran

senyawa-senyawa Oksidanya dengan perbandingan yang tepat dalam bentuk bubuk,

dengan tambahan sebikit bahan-bahan organik untuk mengikat atau merekatkan, ditekan dan

dipanasi 1100 – 1400o C di ruang yang berisi oksida.

Ferrit adalah semikonduktor yang mempunyai resitifitas antara 102 hingga 107

Ω cm. Karena Resitivitas yang tinggi tersebut, maka sangat tepat digunakan pada frekuensi

tinggi karena rugi daya yang disebabkan arus pusar adalah kecil. Ferrit mempunyai massa

jenis 3 - 5 g/cm3 kapasitas termal 0,17 kalori/g oC, konduktivitas panas 5.10 W/cm oC,

muai panjang 105 / oC.

Bahan-bahan magnetik lunak

Klasifikasi Komposisi

(sisanya % Fe)

Hc

Ampere lilit/m

Br

Wb/m^21 2 3 4

I. Besi murni untuk baja

listrik

II. Besi tuang

III. Dinamo dan Transformator

Baja trafo I

Baja trafo II

Baja trafo III

Baja trafo IV

IV. Bahan-bahan yang

mengandung Ni Permenorm

3601K1 (it)

Nikkel murni

Hyperm

Memetal

Supermalloy

V Bahan-bahan yang

mengandung Al

Sendust

Vacadur

0,01 % C

2 – 3,5 %C

0,7 % Si

1% Si

1,7 - 2,7 % Si

3,4 - 4,3 % Si

36 %Si

99% Ni; 0,2 % Cu

50% Ni

76 % Ni; 5 % Cu

79 % Ni; 55 Mo;

0,5% Mn

5.4 %Al; 9,6 % Si

16 Al

6,32 - 31,6

126,4

158

252,8

63,2 - 79

23,7 - 47,7

7,9

1,2

4,74 - 1,9

1,2

0,47

1,74

3,95

2,1 - 2,15

>1,5

2,1

2

1,95

1,9

1,3

0,6

1,5

0,8

0,78

1,1

0,9

VI Bahan-bahan yang

mengandung Co

Vacaflux 50

Cobal murni

49% C0; 1,8 V

99 % Co

110,6

790

2,35

7,8

VII.Paduan Termo

Termofluks 65/100030 Ni induksinya sangat tergantung pada suku, misalnya : H = 7900Ampere lilit/m

t = 0o C t = 20o C t = 60o CB = 0,41 B = 0,3 B = 0,065

Keterangan :it adalah inti toroida

1 A lilit /m = 0,0126 Oersted

1Wb/m2 = 104 Gauss

Bahan-bahan yang mempunyai jerat histerisis persegi seperti yang ditunjukkan pada

gambar digunakkan pada komputer sebagai perangkat memory atau komponen opersi logic,

sebagai alat switching dan penyimpan informasi.

+B

-H +H

-B

Jerat histerisis ferrit

Bahan Magnet Permanen

Magnet permanen digunakan pada instrumen pengindraan, rele, mesin-mesin

listrik yang kecil dan banyak lagi. Baja karbon yaitu baja dengan komposisikarbon

0,4 hingga 1,7 % merupakan bahan dasar pembuatan magnet permanen. Walaupun

bahan ini tergolong harganya murah tetapi kualitas kemagnetannya tidak terlalu

tinggi. Kemagnetan bahan ini relatif lebih mudah untuk hilang terutama disebabkan

oleh pukulan atau vibrasi. Untuk menaikkan mutu kemagnetannya, mka baja karbon

ditambah wolfram, kromium atau kobal.

Magnet yang dibuat dari karbon murni, wolfram, kromium, dan baja kobal

harus dikeraskan di dalam air atau minyak mineral sebelum dimagnetisasi.

4000

μ0

3000

2000

1000

0 50 100 150 200

T(0C)

μ0 = f(T) beberapa ferrit

Bahan paduan alni terdiri dari aluminium, nikel dan besi . Jika bahan tersebut

ditambah lagi dengan Si, maka paduan disebut alnisi. Sedangkan alnico adalah bahan

paduan yang terdiri dari aluminium, nikel dan kobal. Bahan-bahan tersebut

mempunyai sifat kemagnetan yang tinggi dan lebih murah dibanding baja kobal

kualitas tinggi.

Vectolit adalah bahan paduan yang terdiri dari besi, kobal oksida sedangkan

ferroxdure adalah bahan paduan yang terdiri dari besi oksida dan barium, bahan ini

juga disebut barium ferrit dan di pasaran dengan nama arnox, indox atau ferroba,

pembuatannya adalah dari bubuk bahan yang akan dipadukan pada suhu yang tinggi.

Penggunaanya antara lain : magnet pada pengeras suara,perangkat

penggandeng magnetik. Beberapa sifat kemagnetan dari bahan magnet permanen

paduan seperti terlihat pada tabel berikut:

Beberapa Bahan Magnet Keras

Nama Komposisi HcA-lilit/m

BrWb/m2

(BH)MaksJ/m3

Baja wolframBaja chromBaja kobal

Alni

Alnisi

Alnico II

Alnico V

Vektolit

Platina kobal

93,3% Fe, 0,7%C, 6%W96%Fe, 1%C, 3%Cr59%Fe, 1%C, 5%Cr,5%W, 30%Co57%Fe, 4%Cu, 25%Ni,14%Al51%Fe, 1%Si, 34%Ni,14%Al55%Fe, 17%Ni, 12%Co,10%Al51%Fe, 24%Co, 14%Ni,8%Al44%Fe3O4, 30%Fe2O3,26%Co2O3

77%Pt, 23%Co

4.8004.800

17.500

43.800

63.700

50.000

50.000

70.000

200.000

1,050,90,9

0,55

0,4

0,7

1,2

0,6

0,45

2.4002.2007.440

4.400

11.200

17.000

45.000

4.000

16.000

Magnetostriksi

Pada saat sebuah bahan ferromagnetik diamagnetisasi, umumnya secara fisik

akan terjadi perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut magnetostriksi.

Terdapat tiga jenis magnetostriksi, yaitu :

a. Magnetostriksi longitudinal, yaitu perubahan panjang searah dengan

magnetisasi. Perubahan ini dapat bertambah panjang atau berkurang.

b. Magnetostriksi transversal, yaitu perubahan dimensi tegak lurus dengan arah

magnetisasi.

c. Magnetostriksi volume, yaitu perubahan volume sebagai akibat dari kedua

efek diatas.

Perubahan panjang atau ( ∆ℓl) searah induksi magnetisasi disebut Efek joule.

Magnetostriksi joule (τ ) adalah perbandingan antara perubahan panjang (∆ℓ) dengan

panjang semula (ℓ). Umumnya harga tidak lebih dari 30.10-6. magnetostriksi beberapa

bahan ditunjukan pada gambar.

+Ve36% Ni + 64% Fe

H0

Fe

Co

Ni-Ve

Magnetostriksi joule sebagai fungsi dari medan magnet (H)

Perubahan searah panjang juga menyebabkan perubahan permeabilitas kearah

perubahan panjang tersebut. Hal ini disebut Efek Villari. Secara umum dapat

dikatakan bahwa permeabilitas akan naik karena penurunan perubahan atau kenaikan

tegangan tarik. Sebaliknya untuk bahan dengan τ negatif, tekanan yang digunakan

akan mengurangi permeabilitas.

Secara praktis pengaruh dari penggunaan magnetostriksi adalah sangat terbatas. Beberapa

pemakaian yang memperhatikan magnetostriksi antara lain : Oscilator frekuensi tinggi dan

Generator super sound, Proyektor suara bawah air, Detektor-detektor suara. Karena

permeabilitas adalah berhubungan dengan magnetostriksi, maka untuk penggunaan bahan-

bahan yang permeabilitasnya tinggi harus diusahakan megnetostriksinya serendah mungkin.

SUPER KONDUKTOR

SEJARAH SUPERKONDUKTOR

Superkonduktor ditemukan pada tahun 1911 oleh Heike Kamerlingh Onnes (Gambar

1) saat ia mempelajari sifat-sifat logam pada suhu rendah. Beberapa tahun sebelumnya ia

telah menjadi orang pertama untuk mencairkan helium, yang memiliki titik didih 4.2 K pada

tekanan atmosfer, dan ini telah membuka kisaran baru suhu penyelidikan eksperimental.

Heike Kamerlingh Onnes (kiri) dan

Van der Waals Johannes samping

kondensor

helium (1908).

Pada saat mengukur ketahanan suatu tabung kecil diisi dengan air raksa, ia heran untuk

mengamati bahwa perlawanan yang jatuh dari ~ 0,1 pada suhu 4,3º K untuk kurang dari

3x10-6 pada 4,1º K.

Di bawah 4.1 K, merkuri dikatakan superkonduktor, dan tidak ada eksperimen belum

terdeteksi perlawanan terhadap aliran arus yang stabil dalam bahan superkonduktor. Suhu di

bawah ini yang menjadi superkonduktor merkuri dikenal sebagai Tc suhu kritis. Kamerlingh

Onnes dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1913 'untuk penyelidikan tentang

sifat materi pada temperatur rendah yang menyebabkan, antara lain, untuk produksi helium

cair' (Nobel Prize).

Grafik menunjukkan ketahanan suatu spesimen

merkuri versus suhu absolute

Karena ini penemuan awal, lebih banyak unsur telah ditemukan untuk menjadi

superkonduktor. Memang, superkonduktor ini tidak berarti sebuah fenomena yang langka,

62

sebagai tabel periodik pada Gambar 3 menunjukkan. Blok merah muda gelap menunjukkan

unsur-unsur yang menjadi superkonduktor pada tekanan atmosfer, dan angka di bagian

bawah sel temperatur kritis mereka, yang berkisar dari 9,3 K untuk niobium (Nb, Z = 41)

sampai dengan 3 x 10 K untuk rhodium (Rh, Z = 45). Blok orange adalah unsur yang menjadi

superkonduktor hanya di bawah tekanan tinggi. Keempat blok pink pucat adalah elemen

yang superkonduktor dalam bentuk tertentu: karbon (C, Z = 6) dalam bentuk nanotube,

kromium (Cr, Z = 24) sebagai film tipis, paladium (Pd, Z = 46) setelah iradiasi dengan

partikel alpha, dan platinum (Pt, Z = 78) sebagai bubuk dipadatkan. Perlu dicatat bahwa

tembaga (Cu, Z = 29), perak (Ag, Z = 47) dan emas (Au, Z = 79), tiga elemen yang

merupakan konduktor yang sangat baik pada suhu kamar, jangan menjadi superkonduktor

bahkan pada suhu terendah yang dicapai.

Tabel Periodik superkonduktor menampilkan semua elemen yang

dikenal dan suhu kritis mereka.

Sebuah kemajuan besar dalam pemahaman tentang superkonduktivitas datang pada

tahun 1933, ketika Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa

superkonduktor lebih dari konduktor listrik sempurna. Mereka juga memiliki sifat penting

63

tidak termasuk medan magnet dari interior mereka. Namun, bidang ini dikecualikan hanya

jika berada di bawah suatu kekuatan kritis bidang tertentu, yang tergantung pada bahan, suhu

dan geometri spesimen. Di atas ini kuat medan kritis superkonduktivitas menghilang.

Brothers Fritz dan Heinz Fritz London mengusulkan sebuah model yang menggambarkan

pengecualian lapangan pada tahun 1935, tetapi itu merupakan 20 tahun sebelum penjelasan

mikroskopis dikembangkan. Teori kuantum lama ditunggu superkonduktivitas diterbitkan

pada 1957 oleh tiga fisikawan AS, John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer, dan

mereka dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1972 'untuk teori mereka

bersama-sama dikembangkan superkonduktivitas, biasanya disebut teori BCS '(Nobel Prize

kutipan). Menurut teori mereka, di negara superkonduktor ada interaksi tarik menarik antara

elektron yang dimediasi oleh getaran kisi ion. Sebagai konsekuensi dari interaksi ini adalah

bahwa pasangan elektron yang digabungkan bersama-sama, dan semua pasangan elektron

mengembun menjadi negara kuantum makroskopik, yang disebut kondensat, yang meluas

melalui superkonduktor. Tidak semua elektron bebas dalam sebuah superkonduktor berada di

kondensat, mereka yang berada dalam keadaan ini disebut electron superkonduktor, dan

yang lainnya disebut sebagai elektron normal. Pada suhu yang sangat jauh lebih rendah dari

temperatur kritis, ada elektron normal sangat sedikit, tetapi kenaikan proporsi normal

elektron dengan naiknya suhu, sampai pada suhu kritis semua elektron adalah normal.

Karena elektron superkonduktor dihubungkan dalam keadaan makroskopik, mereka

berperilaku koheren, dan konsekuensi dari hal ini adalah bahwa ada jarak karakteristik

dimana kepadatan jumlah mereka bisa berubah, dikenal sebagai panjang koherensi (dengan

huruf kecil xi Yunani, diucapkan 'ksye'). Dibutuhkan sejumlah besar energi untuk

menyebarkan sebuah electron dari kondensat - lebih dari energi termal yang tersedia untuk

sebuah elektron di bawah temperatur kritis - sehingga elektron superkonduktor dapat

mengalir tanpa tersebar, yaitu, tanpa perlawanan. Teori BCS berhasil menjelaskan banyak

sifat superkonduktor diketahui, tetapi diperkirakan merupakan batas atas dari sekitar 30 K

untuk temperatur kritis. Penemuan lainnya teoritis penting dibuat pada tahun 1957. Alexei

Abrikosov memprediksi keberadaan jenis kedua superkonduktor yang berperilaku dengan

cara yang berbeda dari unsur-unsur seperti timah dan timah. Jenis baru ini superkonduktor

akan mengusir lapangan dari interior bila kuat medan diterapkan rendah, tetapi melalui

berbagai kekuatan medan listrik superkonduktor akan threaded oleh daerah logam normal

melalui medan magnet yang bisa lulus. Penetrasi lapangan berarti bahwa superkonduktivitas

64

bisa ada dalam kekuatan medan magnet sampai 10 T atau lebih, yang membuka

kemungkinan banyak aplikasi. Untuk pekerjaan ini, dan penelitian berikutnya, Abrikosov

menerima Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 2003 "untuk sumbangan pionir pada teori

superkonduktor dan superfluids '(Nobel Prize) Pada awal 1960-an sudah ada kemajuan besar

dalam teknologi superkonduktor, dengan penemuan paduan yang superkonduktor pada suhu

yang lebih tinggi daripada suhu kritis superkonduktor unsur. Secara khusus, paduan dari

niobium dan titanium (NbTi, T c = 9 K. 8) dan niobium dan timah (Nb 3 Sn, Tº = 18K.1)

yang menjadi banyak digunakan untuk menghasilkan magnet tinggi lapangan, dan dorongan

utama untuk pengembangan ini adalah persyaratan untuk magnet yang kuat untuk akselerator

partikel, seperti Tevatron di Fermilab di Amerika Serikat. Pada waktu yang sama, Brian

Josephson membuat prediksi teoritis penting yang memiliki konsekuensi besar bagi

penerapan superkonduktivitas pada skala yang sangat kecil. Dia memperkirakan bahwa arus

dapat mengalir antara dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan isolasi sangat tipis.

Efek Josephson tunneling disebut demikian telah banyak digunakan untuk melakukan

pengukuran berbagai sensitif, termasuk penentuan konstanta fisik fundamental dan

pengukuran medan magnet yang merupakan miliar (10 9) kali lebih lemah dari medan

magnetic Bumi. Pentingnya karyanya diakui pada saat ia dianugerahi Hadiah Nobel untuk

Fisika pada tahun 1973 'untuk prediksi teoretis tentang sifat supercurrent melalui pembatas

terowongan, khususnya fenomena yang secara umum dikenal sebagai efek Josephson' (Nobel

Prize).

Perburuan superkonduktor dengan suhu kritis yang lebih tinggi terus berlanjut di

dekade berikutnya publikasi teori BCS, meskipun prediksi yang bahwa batas atas untuk Tc

kurang dari 30 K. Grail suci bagi para ilmuwan yang bekerja di wilayah ini adalah materi

yang superkonduktor pada suhu nitrogen cair (77 K), atau, bahkan lebih baik, pada suhu

kamar. Ini berarti bahwa semua teknologi dan biaya yang terkait dengan penggunaan helium

cair untuk pendinginan dapat ditiadakan, dan aplikasi superkonduktivitas segera akan

menjadi jauh lebih ekonomis berharga. Terobosan itu datang pada tahun 1986, ketika Georg

Bednorz dan Alex Muller menemukan bahwa keramik terbuat dari barium, tembaga

lantanum, dan oksigen menjadi superkonduktor pada 30 K, suhu tertinggi kritis diketahui

pada waktu itu. Penemuan itu sangat mengejutkan karena bahan ini merupakan isolator pada

suhu kamar. Tahun berikutnya mereka menerima Hadiah Nobel untuk Fisika 'untuk

terobosan penting mereka dalam penemuan superkonduktivitas pada bahan keramik' (Nobel

65

Prize), dan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan hadiah diikuti publikasi

hasil mereka mencerminkan pentingnya melekat pada pekerjaan mereka .

Sebagai hasil dari terobosan ini, banyak ilmuwan lain mulai memeriksa bahan serupa.

Pada tahun 1987, Paulus Chu menghasilkan bahan keramik baru dengan mengganti lantanum

oleh yttrium, dan menemukan bahwa mereka memiliki temperatur kritis 90 K. Ini lompatan

besar pada suhu kritis memungkinkan untuk menggunakan nitrogen cair sebagai pendingin,

dan dengan janji kelayakan komersial untuk material baru, berebut seorang pun terjadi untuk

menemukan superkonduktor suhu tinggi baru dan untuk menjelaskan mengapa mereka

superconduct pada temperatur tinggi seperti . Pada saat penulisan (2005), suhu kritis tertinggi

138 K, untuk talium-doped-cuprate merkuri, Hg 0,8 Tl 0. 2 Ba 2 Ca2 Cu3 O

suhu kritis Tc berbagai superkonduktor diplot terhadap tanggalpenemuan mereka.

Dalam beberapa tahun terakhir, tidak ada bahan dengan suhu kritis yang lebih tinggi

telah ditemukan, namun penemuan lain sama pentingnya telah dibuat. Ini termasuk

penemuan bahwa, terhadap kebijaksanaan konvensional, beberapa bahan pameran

koeksistensi ferromagnetism dan superkonduktivitas. Penemuan mengejutkan seperti ini

menuntut bahwa para ilmuwan terus menerus memeriksa kembali teori lama berdiri di

superkonduktivitas dan mempertimbangkan kombinasi baru dari elemen. Sayangnya, tidak

ada superkonduktor tersebut belum ditemukan dengan suhu kritis di atas suhu kamar,

sehingga pendinginan cryogenic masih menjadi bagian penting dari aplikasi superkonduktor.

66

Kesulitan dengan fabrikasi bahan keramik ke kabel melakukan atau strip juga memperlambat

pengembangan aplikasi baru superkonduktor temperatur tinggi. Namun, meskipun

kekurangan ini, penggunaan komersial superkonduktor terus meningkat.

Perbandingan Superkonduktor dengan Konduktor biasa

Hal-hal yang menjadi permasalahan dalam penggunaan penghantar konvensional

yang sering digunakan ( penghantar tembaga maupun aluminium) adalah :

1. Hambatan jenis suatu penhantar yang tidak disukai, karena dengan adanya hambatan

maka arus akan terbuang menjadi panas.

2. Dengan memperbesar diameter penghantar akan menyebabkan hambatan pada suatu

penghantar akan menurun. Tetapi dengan memperbesar diameter penghantar,

otomatis akan membuat masa penhantar tersebut menjadi lebih berat dan

dimensinyapun akan menjadi labih besar

Dari uraian diatas dapat diketahui bahwa, penghantar konvensioanal yang sampai saat

ini masih diaplikasikan, khususnya tembaga dan aluminium, masih mempunyai hambatan

jenis yang bisa menyebabkan kerugian daya. Sebagai contoh :

Bahan Aluminium.

Aluminium murni mempunyai massa jenis 2,7 g/cm3, ? -nya 1,4. 105, titik leleh

6580C dan tidak korosif. Daya hantar aluminium sebesar 35 m/ohm.mm2 atau kira-kira 61, 4

67

% daya hantar tembaga. Aluminium murni dibentuik karena 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 mis

alnya pada : ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced), ACAR (Aluminium Conductor

Alloy Reinforced).

Bahan Tembaga

Tembaga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi yaitu 57 ? mm2/m pada suhu

200C. Koefisien suhu (? ) tembaga 0,004 per 0C. Kurva resistivitas tembaga terhadap suhu

adalah tidak linier seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini:

Kurva resistivitas tembaga terhadap suhu

Dari kedua contoh diatas dapat dilihat bahwa, kedua jenis bahan penghantar tersebut

masih mempunyai hambatan jenis. Besar hambatan jenis suatu bahan penghantar, akan

mempengaruhi dari pada tegangan maupun daya yang dikirimkannya dari sisi sumber ke sisi

beban. Karena semakin besar hambatan jenis dari bahan penghantar tersebut, maka semakin

berkurang kemampuan daya hantar dari penghantar tersebut.

Di bawah ini contoh dari berbagai macam hambatan jenis logam yang salah satunya

digunakan sebagai bahan utama dari penghantar.

68

Tabel bahan-bahan utama penghantar

Apabila sebuah transmisi pendistribusian jaringan listrik menggunakan bahan

superkonduktor, maka kerugian drop tegangan dan drop daya dapat dihindari. Mengapa bisa

demikian? Karena bahan superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa hambatan

dibawah suatu nilai suhu tertentu. Artinya, bahan superkonduktor apabila sudah mencapai

nilai suhu kritisnya, hambatan jenis bahan tersebut akan menurun atau bahkan hilang sama

sekali. Tetapi apabila suhu dari bahan superkonduktor tersebut sudah diatas nilai suhu

kritisnya ataupun diatas kuat medan magnetnya, maka secara otomatis bahan tesebut akan

menjadi konduktor biasa.

69

grafik medan magnet superkonduktor lebih kecil dari medan kritis

Perkembangan bahan superkonduktor dari saat pertama kali ditemukan sampai

sekarang dapat diikuti pada tabel di bawah ini.

Superkonduktor Keramik

Bahan superkonduktor suhu tinggi yang memiliki bahan dasar keramik secara teoritis

belum dapat dijelaskan tuntas. Ia tidak bisa digolongkan ke dalam tipe I maupun II karena

ada beberapa sifatnya yang unik.

Bentuk kristalnya termasuk golongan perovskite, suatu bentuk kristal kubus yang

cukup populer. Rumus umum molekul perovskite adalah ABX3 , dimana A dan B adalah

kaiton logam dan X adalah anion non logam. Banyak bahan elektronis yang memiliki bentuk

perovskite ini, misalnya PbTiO3 dan PbZrO3 yang bersifat piezoelektrik kuat sehingga baik

70

digunakan untuk pressure-gauge.

Superkonduktor suhu tinggi ini ternyata berupa perovskite yang cacat. Misalnya

YBCO yang ditemukan oleh Chu Chingwu cs. dari Universitas Houston berbentuk 3 kubus

perovskite dengan rumus molekul YBa2Cu3O6,5 , yang menunjukkan defisiensi atom

oksigen sebagai anionnya (mestinya ada 9 atom). Nama lain untuk YBCO ini adalah 1-2-3,

menunjukkan perbandingan cacah atom Y, Ba dan Cu di dalam kristalnya. Atom-atom

tembaganya terletak pada suatu lapisan inilah arus listrik lewat dalam bahan YBCO. Struktur

yang demikian memiliki andil yang besar bagi sifat superkonduktivitas suhu tinggi, terbukti

senyawa barium-kalium - bismuth-oksida buatan AT & T Bell Laboratoies (1988) cuma

memiliki Tc = 30 K, senyawa ini tentu saja tidak memiliki atom tembaga sebagai lapisan

penghantar elektron.

Elektron-elektron juga dalam keadaan berpasangan, hal ini telah dibuktikan dengan

dijumpainya flukson yang merembes di dalamnya. Flukson adalah kuantum fluks magnetik

dalam superkonduktor, besarnya kira-kira 2 x 10-15 weber, dalam perhitungan besarnya ini

bersesuaian dengan kehadiran partikel bermuatan listrik dua kali muatan elektron.

Watak-wataknya yang masih perlu penjelasan teoritis adalah tarikan antar electron

dalam pasangan Cooper yang ternyata masih cukup kuat walaupun suhu transisinya tinggi.

Padahal suhu yang tinggi menyebabkan bertambahnya cacah phonon, sehingga ikatan

elektron itu seharusnya akan hancur karenanya. Dalam kaitan ini peranan kerangka kristal

harus kembali dipertanyakan. Mungkin saja kotoran di dalamnya yang justru mampu

meredam interaksi phonon atau gangguan-gangguan lain termasuk medan magnet yang besar

agar ia tetap stabil sebagai superkonduktor.

Sifat lain yang tidak menguntungkan dari YBCO adalah mudahnya ia melepaskan

oksigen ke lingkungannya, padahal dengan berkurangnya atom oksigen sifat

superkonduktornya akan hilang. Lagi pula ia terlalu rapuh untuk dibentuk menjadi kawat.

Lebih jauh lagi Philip W. Anderson (pemenang hadiah Nobel 1977 bidang Fisika)

mengemukakan peranan besaran spin dalam fenomena superkonduktor suhu tinggi ini,

pernyataan ini telah didukung oleh data percobaan MIT oleh RJ Birgeneau.

Aplikasi Superkonduktor

71

Memang sampai saat ini aplikasi superkonduktor masih belum diproduksi dan di

aplikasi secara luas, tetapi masih pada tahap penelitian. Karena superkonduktor sampai saat

ini masih membutuhkan pendinginan agar mencapai suhu kritis dari bahan tersebut. Dari

penelitian para ahli tentang superkonduktor yang sudah dilakukan, ada beberapa yang sudah

digunakan secara permanen dan ada pula yang masih dalam pengembangan pada

laboratorium-laboratorium tertentu.

Efisiensi dan Desain yang Dinamis

Manfaat yang terbesar dengan ditemukannya bahan superkonduktor adalah jelas

terasa pada bidang kelistrikan. Andai saja jika pada generatr konvensional efisiensinya

terletak antara 98,5 sampai 99,0 persen, maka pada pada generator superkonduktor

efisiensinya mencapai 99,6 persen. Peningkatan yang cukup signifikan ini disebabkan karena

superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet yang sangat kuat.

Misalkan ada konduktor berupa kabel sepanjang 1000 km dipakai untuk

menyalurkan daya listrik sebesar 100 watt dari ujung yang satu ke ujung yang lain, maka

resistensi kabel itu akan mengkorupsi sebagian daya yang disalurkannya, akibatnya di ujung

kabel itu daya yang sampai tidak sampai 100 watt, mungkin hanya 90 watt atau bahkan

hanya 10 watt. Nah superkonduktor diharapkan memiliki resistensi yang kecil sehingga bila

menggunakan kabel dengan bahan tersebut diujung kabel kita masih mendapat daya sebesar

100 watt. Manfaat lainnya, penggunaan superkonduktor memungkinkan pembuatan generator

listrik dengan ukuran yang jauh lebih kecildibandingkan dengan ukuran genaratr

konvensional yang masih menggunakan kawat tembaga. Dari segi berat, generator

konvensional 500 MW dari bahan konduktor mempunyai berat hingga 400 ton, sementara

dengan menggunakan bahan superknduktor beratnya hanya 210 ton.

Tak heran desain yang ramping dan dinamis dengan berat lebih ringan ini

menyebabkan banyak oerusahaan yang mempelajari dan memproduksi generator berbahan

superkonduktr. Antara lain, Westinghouse serta EPRI (Electric Power Research Institute)

bekerja sama membuat generator terpasang 300 MVA, Electric de France (EdF) di Perancis

juga sedang mempelajari desain generator superkonduktor 600 MW, sedangkan Central

Electric Research Laboratory di Inggris mempelajari desai generator superkonduktor 500

MW.

Manfaat lain yang tidak kalah pentingnya dari bahan superkonduktor adalah peluang

72

menggunakan kawat superkonduktor dalam sistem transmisi tenaga listrik. Brookaven

National Laboratory telah menguji saluran transmisi sepanjang115,5 meter dengan tegangan

138 kV sejak tahun 1982. bahkan untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan

Jepang berencana memanfaatkan kabel superkonduktor berpendingin netrogen cair sebagai

pengganti kabel bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Penggantian ini dapat menaikkan

efisiensi sebesar 7.000 persen dari segi tempat, karena 18.000 pon kabel tembaga dapat

digantikan oleh 250 pon kabel superkonduktor. Arus yang ditransmisikan dengan kabel

superkonduktor jauh lebih besar

Penyimpan Energi Listrik

Banyak cara yang dilakukan untuk menyimpan energi listrik. Salah satunya adalah

dengan cara elektrokimia yang menggunakan bantuan baterai. Teknik ini memungkinkan

penyimpanan energi listrik secara efisien antara 50 hingga 90 persen.

Cara lain yang juga bisa dilakukan adalah memaksimalkan penggunaan

superkonduktor. Superkonduktor bisa digunakan sebagai alat penyimpan energi listrik atau

sering disebut dengan nama Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES). Efisiensi

penyimpanan denga teknolgi ini mencapai 95 persen. Meski penyimpanan dengan sistem

SMES untuk kondisi saat ini masih dinilai mahal, namun dengan penemuan superkonduktr

suhu tinggi diharapakan persoalan biaya tersebut dapat diturunkan.

SMES biasanya dipakai antara lain untuk stabilisasi frekuensi dan tegangan serta

unutk peredaman osilasi dalam sistem penyediaan tenaga listrik. Dengan demikian apabila

dalam sistem pembangkit energi terdapat kelebihan daya, maka kelebihan daya tersebut dapat

disimpan dengan teknik SMES ini.

Banyak sudah negara-negara maju yang menggunakan teknik penstabilan listrik ini

dengan menggunakan bantuan superkonduktor. American Superconductor Corporation,

sebuh perusahaan ketenagalistrikan di AS, telah diminta untuk memasang satu sistem

penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage

System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt

yang dapat digunakan unutk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan. Juga di Jepang

yang memulai suatu percobaan untuk membuat SMES dengan ukuran 100 kWh.

73

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.

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.

Bidang Transportasi

Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner,

yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api

supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train. Kereta api ini

melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda

dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343

mph atau sekitar 550 km/jam.

Kereta terbang? Kereta api yang begitu berat dan panjang bisa terbang? Apa

mungkin?

74

Kenapa tidak? Pesawat saja bisa terbang, bahkan mobil-mobil terbang pun kini

sedang dikembangkan teknologinya. Sekarang giliran alat transportasi lain yang ikut-ikutan

bosan menyentuh daratan sebagai landasannya. Tetapi kereta api yang bisa terbang ini

memiliki konsep dan teknologi yang sangat jauh berbeda dengan pesawat terbang dan mobil

terbang. Ini karena pesawat terbang menjelajahi angkasa pada ketinggian yang sangat besar

dan melibatkan konsep-konsep aerodinamika. Kereta api terbang yang dikenal sebagai

Magnetically Levitated Train (Maglev Train) ini hanya akan melayang setinggi beberapa

sentimeter di atas rel kereta. Hanya beberapa sentimeter, tetapi kereta itu benarbenar terbang

karena sama sekali tidak bersentuhan dengan rel kereta. Kereta ini juga tidak akan memiliki

sayap seperti pesawat terbang (dalam aerodinamika, sayap merupakan bagian paling penting

untuk terbang). Dan selain bisa terbang, kereta ini juga bias meluncur dengan kecepatan

sangat tinggi.

Sesuai dari namanya: Magnetically Levitated Train. Ini berarti kereta bias terangkat

karena adanya gaya-gaya magnet. Kita tahu bahwa magnet itu memiliki dua kutub, Utara (U)

dan Selatan (S). Kita juga tahu bahwa kutub Utara dan kutub Selatan selalu tarik-menarik,

sedangkan kutub-kutub sejenis (Utara dengan Utara atau Selatan dengan Selatan) selalu

tolak-menolak. Prinsip dasar yang sederhana inilah yang diaplikasikan untuk menjalankan

dan ‘menerbangkan’ Maglev Train.

Kereta api ini memiliki rel (lintasan) kereta yang berbeda dengan rel kereta yang

sudah kita kenal selama ini. Pada kedua sisi lintasan Rel kereta terbang ini terdapat dinding-

dinding yang dilengkapi dengan kumparan-kumparan kawat. Oleh prinsip induksi

elektromagnet, kumparan-kumparan kawat ini dapat menjadi magnet. Kereta bisa bergerak

75

maju karena adanya interaksi antara magnet-magnet pada dinding-dinding itu dengan

magnet-magnet pada kereta.

Pada Gambar A kita bisa melihat jajaran magnet di sepanjang dinding dan di

sepanjang kereta (huruf-huruf U menunjukkan kutub Utara, dan S menunjukkan kutub

Selatan). Jajaran magnet di sepanjang dinding ini dihasilkan oleh arus listrik bolak-balik dari

stasiun-stasiun terdekat. Kutub Utara (U) di gerbong kereta paling depan ditarik oleh kutub

Selatan dan ditolak oleh kutub Utara dinding lintasan. Hal yang sama terjadi pada sisi kereta

yang lain. Pada gambar, panah berwarna hijau menunjukkan gaya tarik antara kutub Utara

dan Selatan yang menarik maju kereta. Panah kecil berwarna biru menunjukkan gaya tolak

antar kutub sejenis (Utara dengan Utara, Selatan dengan Selatan). Gaya tarik dan gaya tolak

yang bekerja bersamaan ini membuat kereta bergerak maju dengan mulus. Tetapi ini baru

prinsip yang digunakan untuk bergerak maju. Apa prinsip yang digunakan untuk mengangkat

kereta sehingga bisa ‘terbang’?

Prinsipnya tetap sama! Gaya tarik dan gaya tolak kutub-kutub magnet! Pada Gambar

B kita melihat adanya magnet pada dinding lintasan. Magnet ini dihasilkan oleh induksi

elektromagnet akibat gerakan kereta. Ketika posisi kereta beberapa sentimeter dibawah pusat

magnet dinding ini, maka kutub Selatan dinding akan menarik kereta ke atas dan kutub

Utaranya akan mendorong kereta juga ke atas. Gaya tarik dan gaya dorong ini membuat

kereta melayang , tidak menyentuh rel sama sekali.

Dinding yang memagari lintasan kereta ini tidak hanya berfungsi untuk menarik dan

mendorong kereta supaya bergerak maju dan mengangkat kereta sehingga bisa melayang.

Ada satu fungsi lainnya yang tidak kalah pentingnya, yaitu sebagai pengendali arah laju

kereta (guidance). Maksudnya adalah supaya kereta tidak pernah keluar jalur dan tetap

76

berada di tengah-tengah lintasan setiap saat. Prinsip magnet kembali digunakan sebagai

pengendali. Ketika kereta oleng ke kiri, gerakan kereta ini mengakibatkan kumparan kawat

dinding kiri dan kanan menjadi magnet. Magnet pada dinding kiri dan dinding kanan

diusahakan memiliki kutub yang sama, misalnya kutub Utara. Misalnya gerbong kereta yang

berhadapan dengan dinding di sisi kiri memiliki kutub Utara juga, dan gerbong kereta yang

berhadapan dengan dinding di sisi kanan memiliki kutub Selatan.

Pada sisi kiri akan terjadi tolak-menolak antara kutub Utara dari dinding dan kutub

Utara gerbong kereta. Pada sisi kanan terjadi tarik-menarik antara kutub Utara dinding dan

kutub Selatan kereta. Gaya-gaya ini akan mengembalikan kereta pada posisi sebelum oleng.

Demikian juga jika kereta oleng ke kanan, kereta akan dikembalikan ke posisi semula oleh

gaya magnet ini. Jadi gaya magnet ini akan mempertahankan kereta supaya tetap berada di

lintasannya (stabil di tengah-tengah lintasan), tidak akan keluar jalur.

Kereta api Maglev yang super cepat ini juga memiliki kelebihan lain yang sudah pasti

tidak dimiliki oleh kereta api lainnya. Satu hal yang selalu menjadi ciri khas kereta api adalah

suaranya. Kereta api selalu menghasilkan suara ribut dan bising yang mengganggu telinga.

Kereta Maglev justru hampir tidak bersuara sama sekali! Ini karena kereta tidak bersentuhan

(tidak mengalami gesekan) dengan permukaan apa pun sehingga tidak ada suara yang

tercipta akibat gesekan.

Teknologi kereta terbang ini semakin maju dengan aplikasi konsep superkonduktor.

Bahan superkonduktor ini dapat menolak medan magnet. Ini berarti magnet yang diletakkan

di atas bahan superkonduktor akan melayang (terbang) karena tidak bisa mendekati bahan

superkonduktor itu (mengalami gaya tolak).

Dari penemuan-penemuan yang telah dicapai, begitu banyak manfaat yang dapat

diraih dari penggunaan superkonduktor. Dari beberapa uji coba hingga saat ini, menimbulkan

banyak harapan, bahwa kelak di kemudian hari, superkonduktor suhu tinggi akan mewarnai

peralatan-peralatan maupun prduk-produk kelistrikan mutakhir yang memberikan berbagai

keuntungan. Yang pasti, dengan kehadiran alat-alat listrik superkonduktor sangat

mengefisienkan konsumsi energi listrik yang demikian tinggi. Penghematan yang sangat luar

biasa dalam pemakaian energi listrik ini jelas mengurangi biaya yang harus dikeluarkan.

Sungguh merupakan sebuah tantangan besar bagi para ahli dari berbagai bidang untuk

memahami lebih jauh fenomena superkonduktor jenis baru ini. Tampaknya bahan ini akan

77

semakin merajai teknologi pada masa yang akan datang, yaitu abad XXI.

SUPER KONDUKTER II

Pengertian Superkonduktor

Bahan superkonduktor adalah bahan yang pada suhu tertentu (sangat rendah)

tahanannya mendekati nol sehingga apabila dialiri arus listrik arus akan terus mengalir

dengan tidak usah ditambah tenaga lagi. Menurut percobaan Dr. Palmer N. Peters, ahli fisika

antariksa NASA, USA (1988) superkonduktor dibawah pengaruh medan magnet ternyata

dapat mengembang di udara (efek suspensi). Sebaliknya apabila besi magnetnya dalam posisi

bebas dan berada di dekat superkonduktor besi magnet juga dapat mengambang di udara

(efek levitasi).

Pada bahan konduktor yang sering dijumpai sehari-hari selalu mempunyai tahanan

yang disebabkan oleh resistivitas yang dimiliki oleh konduktor itu sendiri. resistivitas akan

mencapai harga nol pada suhu kritis (Tc). Sedangkan pada superkonduktor saat ini sedang

dikembangkan usaha untuk mencapai suhu kritis pada bahan-bahan yang akan dijadikan

superkonduktor. Sehingga dapat dikatakan bahan superkonduktor merupakan bahan yang

masih memerlukan penelitian untuk penyempurnaan lebih lanjut. Selain itu bahan

superkonduktor memiliki medan magnet yang lebih kecil dibandingkan dengan medan

kritisnya (Hc). Seperti gambar dibawah ini :

Daerah superkonduktor pada bidang medan magnet dan suhu

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa suatu superkonduktor akan hilang

superkonduktivitasnya jika suhu dan medannya diatas titik kritis. Superkonduktor ini

78

Medan magnet B

Suhu

Bc

0

Tc T

Unsur 0Tc ( K) Senyawa 0

Tc ( K)

TiZnAlTlInSnHgTaVPbNbTcThU

0,490,821,202,383,403,734,164,395,17,228,0011,21,30,68

Na BiBa Ba3Nb2 ZnMo NMo ReV2,95 GaNb NV3 SiNb3AlNb3Sn

Cu S

Pb Sb

2,26,010,812,012,614,415,217,118,018,1

1,6

1,5

melukiskan gejala resistansi sangat rendah (hampir tidak ada sama sekali) dalam

konduktivitas listrik pada suhu rendah. Salah satu cara yang sudah kita ketahui untuk

menurunkan resistansi kawat dan konduktor lain terhadap arus listrik adalah dengan

menggunakan kawat dan kabel yang lebih besar. Itulah sebabnya mengapa, misalnya dalam

perangkat stereo kita gunakan kawat pengeras suara yang besar untuk memperkecil kerugian

daya pada dalam kawat itu sendiri.

Untuk alasan yang sama (mengurangi kerugian resistansi) kita gunakan kawat ukuran

besar dalam pengawatan peralatan rumah yang membutuhkan arus tinggi, seperti alat-alat

rumah tangga, mesin cuci, pengering rambut. Sehingga dapat disimpulkan bahwa

superkonduktivitas berhubungan dengan mengalirkan listrik melalui konduktor dengan

kerugian daya yang sangat kecil yang idealnya tanpa kerugian sama sekali.

Ada sekitar 30 unsur dan 100 senyawa yang dapat digunakan sebagai bahan

superkonduktor. Suhu kritis tertinggi superkonduktor adalah 18,1 derajat Kelvin, yaitu

senyawa Nb3 Sn. Dibawah ini merupakan tabel suhu kritis dari beberapa bahan

superkonduktor :

Suhu kritis (Tc) beberapa bahan superkonduktor

Namun hal itu (suhu kritis) tidak selalu terjadi pada bahan yang pada suhu kamar

merupakan konduktor yang baik (misalnya : Cu, Ag, Au). Bahan itu akan menjadi

superkonduktor pada kondisi yang lebih mudah dibandingkan bahan lain yang pada suhu

kamar konduktivitasnya lebih jelek. Dari tabel diatas dapat diambil beberapa kesimpulan

bahwa:

79

a. Logam-logam menovalen adalah bukan

superkonduktor.

b. Logam-logam ferromagnetic dan anti ferromagnetic

adalah bukan superkonduktor.

c. Konduktor yang baik pada suhu kamar adalah bukan

superkonduktor dan logam superkonduktor sebagai logam normal adalah bukan

konduktor yang baik pada suhu kamar.

d. Film tipis dari Be, Bi dan Fe adalah superkonduktor.

e. Bismut, Pb dan Fe menjadi superkonduktor jika

mendapat tekanan yang tinggi.

Bahan superkonduktor dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu :

a) Jenis I

Yang termasuk jenis bahan superkonduktor I yaitu Pb, Ag dan Sn yang menyalurkan

arus pada permuakaannya sampai kedalaman 10 – 4 mm pada medan magnet hingga

setinggi-tingginya adalah kuat medan magnet Nb dan paduan Pb. Pada bahan superkonduktor

jenis I yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet tanpa kerugian

karena medan listriknya di semua tempat adalah nol.

b) Jenis II

Pada superkonduktor jenis II, jika medan magnetnya mencapai medan kritis dan suhu

kritisnya relatif (kondisi tersebut lebih tinggi dari jenis I), keadaan superkonduktor tidak

langsung berubah menjadi konduktor normal, tetapi menjadi bahan yang merupakan

peralihan atau dari kondisi superkonduktor menjadi konduktor normal. Pada jenis ini yang

menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet dengan kerugian yang sangat

kecil dan dapat diabaikan.

Sampai saat ini superkonduktor belum dipabrikasi dalam skala yang besar. Mesin-

mesin listrik, transformator dan kabel sedang dikembangkan dengan menggunakan

superkonduktor. Karena dengan menggunakan superkonduktor, efisiensi dapat dicapai 99,99

%. Kabel superkonduktor berdiameter beberapa centimeter dapat digunakan untuk

menyalurkan semua daya yang dihasilkan semua pembangkit listrik di Indonesia.

Perangkat-perangkat yang sudah umum menggunakan superkonduktor yaitu:

80

1. Elektromagnet

Karena konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resistansi, maka

dimungkinkan solenoid dengan superkonduktor tanpa kerugian yang menyebabkan panas.

Solenoid dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet nol untuk kawat yang digunakan

adalah memungkinkan untuk membangkitkan sebuah medan magnet kritis dari lilitan.

Karena dengan bahan superkonduktor dimungkinkan untuk membuat bahan elektromagnet

yang kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari elektromagnet dengan superkonduktor

antara lain pada komponen magneto Hidro Dinamik.

2. Elemen penghubung

Karena superkonduktor mempunyai Hc dan To, maka dalam pemakaian

superkonduktor sebagai elemen penghubung dapat menggunakan pengaruh salah satu

besaran diatas. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan superkonduktor akan

dapat berubah sifatnya dari superkonduktor menjadi konduktor biasa karena pengubahan

suhu atau medan magnet diatas nilai kritisnya. Pemutus arus yang kerjanya dipengaruhi oleh

magnetic dielektrik Cryotron, misalnya digunakan pada pemutus computer.

Aplikasi Superkonduktor

Sejak ditemukannya superkonduktor sampai saat ini, pemakaian superkonduktor

dalam beberapa bidang telah menjadi demikian popular. Aplikasi superkonduktor dipelopori

dari bidang industri, terutama elektronik, yaitu sejak berkembangnya teknologi komputer dan

mikroprosesor.

Aplikasi Superkonduktor di Bidang Komputer

Kemajuan teknologi dan mikroprosesor dimotori oleh kemajuan miniaturisasi dan

kecepatan pemrosesan. Dalam suatu chip komputer, yang besarnya tidak lebih dari ukuran

lubang jarum, terdapat juataan komponen aktif yang bila diuraikan lagi akan menjadi juataan

switch yang biasanya dibuat dari bahan metal film ataupun emas. Efisiensi dan efektivitas

makin ditingkatkan dengan membuat switch dari bahan superkonduktor. Hal yang sama

terjadi juga dalam pembuatan sel-sel memori komputer. Keunggulan superkonduktor

dibandingkan material-material lainnya menyebabkan perkembangan teknologi komputer

dan mikroprosesor makin cepat. Aplikasi dari superkonduktor dalam teknologi komputer

81

biasa disebut dengan istilah cryotrons.

Aplikasi Superkonduktor di Bidang Fisika

Dalam bidang fisika, yaitu yang melahirkan superkonduktor, kemajuan aplikasi

superkonduktor juga pesat. Salah satu bidang yang telah mengaplikasikan superkonduktor

adalah bidang fusilaser. Teknologi kriogenik telah menjadi suatu hal yang tidak dapat

dipisahkan dalam proses fusilaser, yaitu suatu proses penghasil energi harapan di masa yang

akan datang. Dalam proses tersebut suatu energi dalam jumlah yang sangat besar akan

dihasilkan sebagai akibat reaksi fusi antara isotop hidrogen. Kontruksi reaktor tempat reaksi

berlangsung sebagian besar dibangun dengan teknologi superkoduktor.

Aplikasi Superkonduktor di Bidang Kedokteran

Bidang kedokteran ternyata juga memanfaatkan teknologi dari superkonduktor.

Berbagai penelitian menunjukkan, dalam temperature yang cukup rendah sekitar 170 0K

operasi terhadap pasien akan dapat berhasil dengan baik, misalnya untuk operasi saraf,

pengobatan terhadap tumor serta operasi mata.

Aplikasi Superkonduktor di Bidang Industri Tenaga Listrik

Bagi sekian banyak bidang yang memanfaatkan teknologi superkonduktor tersebut,

bidang industrilah yang paling terlibat atau yang paling banyak menggunakan. Percepatan

perkembangan industri seolah-olah makin besar seiring dengan perkembangan teknologi

kriogenika dan superkonduktor. Bidang teknik tenaga listrik saat ini khususnya di negara

maju telah memanfaatkan teknologi superkonduktor. Dengan teknologi supercanggih ini

transmisi dan distribusi tenaga dapat dilakukan dengan sempurna. Dengan menggunakan

superkonduktor dapat dicapai hasil guna yang hampir 100 %. Sebelum superkonduktor

ditemukan, penghilangan kerugian dari energi yang disalurkan tersebut dianggap suatu hal

yang mustahil. Karena setiap konduktor selalu memiliki hambatan listrik berapun kecilnya.

Bila ada arus mengalir melalui konduktor tersebut, akan terjadi rugi tenaga yang sebanding

dengan kuadrat arus dan sebanding dengan besarnya hambatan. Dapat dibayangkan berapa

besarnya tenaga yang terbuang bila arus yang mengalir mempunyai beberapa arus amper.

Belum lagi bila terjadi kenaikan temperatur, baik dari luar maupun dari rugi-rugi itu, yang

82

akan menyebabkan kenaikan hambatan penghantar, yang berarti juga tenaga yang hilang

akan makin besar. Tetapi itu semua dapat teratasi dengan adanya penemuan superkonduktor,

dengan kelebihan-kelebihannya, efisiensi seratus persen bukan hal yang tidak mungkin dapat

dilakukan. Karena bila hambatan superkonduktor menjadi semakin kecil atau mendekati nol,

maka rugi tenaga akan menjadi kecil juga. Bahkan seperti telah disebutkan sebelumnya rugi

tenaga tidak mustahil juga akan menjadi nol.

Aplikasi Superkonduktor di Bidang Telekomunikasi

Dalam bidang telekomunikasi unsur superkonduktif memungkinkan penerapannya di

kemudian hari pada pen-switch-an telekomunikasi kecepatan tinggi, guna menyediakan

pentransmisian denyut dalam pikodetik tanpa cacat. Penerapan superkonduktor dalam piranti

praktik akan sangat bergantung pada apakah mereka dapat diadakan dalam bentuk yang

bermanfaat dengan sifat-sifat yang diperlukan. Kini superkonduktor A15 konvensional

banyak digunakan dalam fisika tenaga tinggi, dan dalam terapan biomedik, sebagai hasil dari

program penelitian dan pengembangan (R&D) yang sangat berhasil selama tahun 1970-an

untuk menghasilkan kawat. Penerapan material bersuhu operasi nitrogen cair dalam lapangan

telekomunikasi, masalah teknis pendinginan dapat diadakan dengan mudah dan murah.

Karena itu sifat-sifat menswitch cepat pada peranti penemuan Josephson akan dapat

diterapkan dalam sakelar-sakelar jaringan utama, namun rupa-rupanya tidak akan diterapkan

dalam jaringan lokal mengingat masalah-masalah perawatannya.

Jika pengoperasian material dapat ditingkatkan sampai suhu lingkungan ataupun lebih

tinggi lagi, maka lingkungan terapan yang berpotensi sangatlah luas. Saluran transmisi

superkonduktor akan mudah menjadi saingan serat optic dalam hal pengoperasian lebar jalur

dan dalam hal biaya pemakaian dalam jarak pendek, terutama kalau isyarat dikirim secara

listrik dan tidak memerlukan pngubahan ke cahaya untuk dipancarkan. Antena

superkonduktor akan mungkin digunakan pada telepon sel kecil. Sakelar superkonduktor

mungkin banyak digunakan dalam jaringan telekomunikasi. Detektor superkonduktif tidak

saja akan dapat digunakan dalam komunikasi radio tunggal melainkan juga sebagai detektor

opto-elektronik akhiran. Salah satu aspek yang memukau pada superkonduktor ialah bahwa

merupakan rumpun baru sama sekali, dengan sederetan sifat-sifat yang belum diteliti

keseluruhannya. Maka tidak disanksikan superkonduktor yang baru akan besar dampaknya

dalam teknologi.

83

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.

Sejarah serat optic

Penggunaan cahaya sebagai pembawa informasi sebenarnya sudah banyak digunakan

sejak zaman dahulu, baru sekitar tahun 1930-an para ilmuwan Jerman mengawali eksperimen

untuk mentransmisikan cahaya melalui bahan yang bernama serat optik. Percobaan ini juga

84

masih tergolong cukup primitif karena hasil yang dicapai tidak bisa langsung dimanfaatkan,

namun harus melalui perkembangan dan penyempurnaan lebih lanjut lagi. Perkembangan

selanjutnya adalah ketika para ilmuawan Inggris pada tahun 1958 mengusulkan prototipe

serat optik yang sampai sekarang dipakai yaitu yang terdiri atas gelas inti yang dibungkus

oleh gelas lainnya. Sekitar awal tahun 1960-an perubahan fantastis terjadi di Asia yaitu

ketika para ilmuwan Jepang berhasil membuat jenis serat optik yang mampu

mentransmisikan gambar.

Di lain pihak para ilmuwan selain mencoba untuk memandu cahaya melewati gelas

(serat optik) namun juga mencoba untuk ”menjinakkan” cahaya. Kerja keras itupun berhasil

ketika sekitar 1959 laser ditemukan. Laser beroperasi pada daerah frekuensi tampak sekitar

1014 Hertz-15 Hertz atau ratusan ribu kali frekuensi gelombang mikro.

Pada awalnya peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan merepotkan.

Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah. Laser juga belum

terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun, pancarannya gampang meliuk-liuk

mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu, sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba

di tujuan akhir pada banyak titik dengan simpangan jarak hingga hitungan meter.

Sekitar tahun 60-an ditemukan serat optik yang kemurniannya sangat tinggi, kurang

dari 1 bagian dalam sejuta. Dalam bahasa sehari-hari artinya serat yang sangat bening dan

tidak menghantar listrik ini sedemikian murninya, sehingga konon, seandainya air laut itu

semurni serat optik, dengan pencahayaan cukup mata normal akan dapat menonton lalu-

lalangnya penghuni dasar Samudera Pasifik.

Seperti halnya laser, serat optik pun harus melalui tahap-tahap pengembangan awal.

Sebagaimana medium transmisi cahaya, ia sangat tidak efisien. Hingga tahun 1968 atau

berselang dua tahun setelah serat optik pertama kali diramalkan akan menjadi pemandu

cahaya, tingkat atenuasi (kehilangan)-nya masih 20 dB/km. Melalui pengembangan dalam

teknologi material, serat optik mengalami pemurnian, dehidran dan lain-lain. Secara perlahan

tapi pasti atenuasinya mencapai tingkat di bawah 1 dB/km.

85

Kronologi perkembangan serat optic

1917 Albert Einstein memperkenalkan teori pancaran terstimulasi dimana jika ada

atom dalam tingkatan energi tinggi

1954 Charles Townes, James Gordon, dan Herbert Zeiger dari Universitas Columbia

USA, mengembangkan maser yaitu penguat gelombang mikro dengan pancaran

terstimulasi, dimana molekul dari gas amonia memperkuat dan menghasilkan

gelombang elektromagnetik. Pekerjaan ini menghabiskan waktu tiga tahun sejak ide

Townes pada tahun 1951 untuk mengambil manfaat dari osilasi frekuensi tinggi

molekular untuk membangkitkan gelombang dengan panjang gelombang pendek pada

gelombang radio.

1958 Charles Townes dan ahli fisika Arthur Schawlow mempublikasikan

penelitiannya yang menunjukan bahwa maser dapat dibuat untuk dioperasikan pada

daerah infra merah dan spektrum tampak, dan menjelaskan tentang konsep laser.

1960 Laboratorium Riset Bell dan Ali Javan serta koleganya William Bennett, Jr.,

dan Donald Herriott menemukan sebuah pengoperasian secara berkesinambungan

dari laser helium-neon.

1960 Theodore Maiman, seorang fisikawan dan insinyur elektro dari Hughes

Research Laboratories, menemukan sumber laser dengan menggunakan sebuah kristal

batu rubi sintesis sebagai medium.

1961 Peneliti industri Elias Snitzer dan Will Hicks mendemontrasikan sinar laser

yang diarahkan melalui serat gelas yang tipis(serat optik). Inti serat gelas tersebut

cukup kecil yang membuat cahaya hanya dapat melewati satu bagian saja tetapi

banyak ilmuwan menyatakan bahwa serat tidak cocok untuk komunikasi karena rugi

rugi cahaya yang terjadi karena melewati jarak yang sangat jauh.

1961 Penggunaan laser yang dihasilkan dari batu Rubi untuk keperluan medis di

Charles Campbell of the Institute of Ophthalmology at Columbia-Presbyterian

Medical Center dan Charles Koester of the American Optical Corporation

menggunakan prototipe ruby laser photocoagulator untuk menghancurkan tumor pada

retina pasien.

86

1962 Tiga group riset terkenal yaitu General Electric, IBM, dan MIT’s Lincoln

Laboratory secara simultan mengembangkan gallium arsenide laser yang

mengkonversikan energi listrk secara langsung ke dalam cahaya infra merah dan

perkembangan selanjutnya digunakan untuk pengembangan CD dan DVD player

serta penggunaan pencetak laser.

1963 Ahli fisika Herbert Kroemer mengajukan ide yaitu heterostructures, kombinasi

dari lebih dari satu semikonduktor dalam layer-layer untuk mengurangi kebutuhan

energi untuk laser dan membantu untuk dapat bekerja lebih efisien. Heterostructures

ini nantinya akan digunakan pada telepon seluler dan peralatan elektronik lainnya.

1966 Charles Kao dan George Hockham yang melakukan penelitian di Standard

Telecommunications Laboratories Inggris mempublikasikan penelitiannya tentang

kemampuan serat optik dalam mentransmisikan sinar laser yang sangat sedikit rugi-

ruginya dengan menggunakan serat kaca yang sangat murni. Dari penemuan ini,

kemudian para peneliti lebih fokus pada bagaimana cara memurnikan bahan serat

kaca tersebut.

1970 Ilmuwan Corning Glass Works yaitu Donald Keck, Peter Schultz, dan Robert

Maurer melaporkan penemuan serat optik yang memenuhi standar yang telah

ditentukan oleh Kao dan Hockham. Gelas yang paling murni yang dibuat terdiri atas

gabungan silika dalam tahap uap dan mampu mengurangi rugi-rugi cahaya kurang

dari 20 decibels per kilometer, yang selanjutnya pada 1972, tim ini menemukan gelas

dengan rugi-rugi cahaya hanya 4 decibels per kilometer. Dan juga pada tahun 1970,

Morton Panish dan Izuo Hayashi dari Bell Laboratories dengan tim Ioffe Physical

Institute dari Leningrad, mendemontrasikan laser semikonduktor yang dapat

dioperasikan pada temperatur ruang. Kedua penemuan tersebut merupakan terobosan

dalam komersialisasi penggunaan fiber optik.

1973 John MacChesney dan Paul O. Connor pada Bell Laboratories mengembangkan

proses pengendapan uap kimia ke bentuk ultratransparent glass yang kemudian

menghasilkan serat optik yang mempunyai rugi-rugi sangat kecil dan diproduksi

secara masal.

87

Proses pengendapan uap kimia untuk memodifikasi serat optik

1975 Insinyur pada Laser Diode Labs mengembangkan Laser Semikonduktor, laser

komersial pertama yang dapat dioperasikan pada suhu kamar.

1977 Perusahaan telepon memulai penggunaan serat optik yang membawa lalu lintas

telepon. GTE membuka jalur antara Long Beach dan Artesia, California, yang

menggunakan transmisi LED. Bell Labs mendirikan sambungan yang sama pada

sistem telepon di Chicago dengan jarak 1,5 mil di bawah tanah yang menghubungkan

2 switching station.

1980 Industri serat optik benar-benar sudah berkibar, sambungan serat optik telah ada

di kota kota besar di Amerika, AT&T mengumumkan akan menginstal jaringan serat

optik yang menghubungkan kota kota antara Boston dan Washington D.C., kemudian

dua tahun kemudian MCI mengumumkan untuk melakukan hal yang sama. Raksasa-

raksasa elektronik macam ITT atau STL mulai memainkan peranan dalam mendalami

riset-riset serat optik.

1987 David Payne dari Universitas Southampton memperkenalkan optical amplifiers

yang dikotori (dopped) oleh elemen erbium, yang mampu menaikan sinyal cahaya

tanpa harus mengkonversikan terlebih dahulu ke dalam energi listrik.

88

1988 Kabel Translantic yang pertama menggunakan serat kaca yang sangat

transparan, dan hanya memerlukan repeater untuk setiap 40 mil.

1991 Emmanuel Desurvire dari Bell Laboratories serta David Payne dan P. J. Mears

dari Universitas Southampton mendemontrasikan optical amplifiers yang terintegrasi

dengan kabel serat optik tersebut. Dengan keuntungannya adalah dapat membawa

informasi 100 kali lebih cepat dari pada kabel dengan penguat elektronik (electronic

amplifier).

1996 TPC-5 merupakan jenis kabel serat optik yang pertama menggunakan penguat

optik. Kabel ini melewati samudera pasifik mulai dari San Luis Obispo, California, ke

Guam, Hawaii, dan Miyazaki, Jepang, dan kembali ke Oregon coast dan mampu

untuk menangani 320,000 panggilan telepon.

1997 Serat optik menghubungkan seluruh dunia, Link Around the Globe (FLAG)

menjadi jaringan kabel terpanjang di seluruh dunia yang menyediakan infrastruktur

untuk generasi internet terbaru.

Sistem Komunikasi Serat Optik (SKSO)

Berdasarkan penggunaannya maka SKSO dibagi atas beberapa generasi yaitu :

Generasi kedua (mulai 1981)

Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran teras serat diperkecil agar menjadi tipe mode

tunggal. Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias teras. Dengan

sendirinya transmitter juga diganti dengan diode laser, panjang gelombang yang

dipancarkannya 1,3 mm. Dengan modifikasi ini generasi kedua mampu mencapai kapasitas

transmisi 100 Gb.km/s, 10 kali lipat lebih besar daripada generasi pertama.

Generasi ketiga (mulai 1982)

Terjadi penyempurnaan pembuatan serat silika dan pembuatan chip diode laser

berpanjang gelombang 1,55 mm. Kemurnian bahan silika ditingkatkan sehingga

transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 mm sampai 1,6 mm.

Penyempurnaan ini meningkatkan kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s.

89

Generasi keempat (mulai 1984)

Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya yang dipakai

bukan modulasi intensitas melainkan modulasi frekuensi, sehingga sinyal yang sudah lemah

intensitasnya masih dapat dideteksi. Maka jarak yang dapat ditempuh, juga kapasitas

transmisinya, ikut membesar. Pada tahun 1984 kapasitasnya sudah dapat menyamai kapasitas

sistem deteksi langsung. Sayang, generasi ini terhambat perkembangannya karena teknologi

piranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal. Tetapi tidak dapat

disangkal bahwa sistem koheren ini punya potensi untuk maju pesat pada masa-masa yang

akan datang.

Generasi kelima (mulai 1989)

Pada generasi ini dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi

repeater pada generasi-generasi sebelumnya. Sebuah penguat optik terdiri dari sebuah diode

laser InGaAsP (panjang gelombang 1,48 mm) dan sejumlah serat optik dengan doping

erbium (Er) di terasnya. Pada saat serat ini disinari diode lasernya, atom-atom erbium di

dalamnya akan tereksitasi dan membuat inversi populasi*, sehingga bila ada sinyal lemah

masuk penguat dan lewat di dalam serat, atom-atom itu akan serentak mengadakan deeksitasi

yang disebut emisi terangsang (stimulated emission) Einstein. Akibatnya sinyal yang sudah

melemah akan diperkuat kembali oleh emisi ini dan diteruskan keluar penguat. Keunggulan

penguat optik ini terhadap repeater adalah tidak terjadinya gangguan terhadap perjalanan

sinyal gelombang, sinyal gelombang tidak perlu diubah jadi listrik dulu dan seterusnya

seperti yang terjadi pada repeater. Dengan adanya penguat optik ini kapasitas transmisi

melonjak hebat sekali. Pada awal pengembangannya hanya dicapai 400 Gb.km/s, tetapi

setahun kemudian kapasitas transmisi sudah menembus harga 50 ribu Gb.km/s.

Generasi keenam

Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer memelopori sistem komunikasi soliton. Soliton

adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen panjang gelombang. Komponen-

komponennya memiliki panjang gelombang yang berbeda hanya sedikit, dan juga bervariasi

dalam intensitasnya. Panjang soliton hanya 10-12 detik dan dapat dibagi menjadi beberapa

komponen yang saling berdekatan, sehingga sinyal-sinyal yang berupa soliton merupakan

90

informasi yang terdiri dari beberapa saluran sekaligus (wavelength division multiplexing).

Eksperimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa 5 saluran yang masing-

masing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Cacah saluran dapat dibuat menjadi dua kali

lipat lebih banyak jika dibunakan multiplexing polarisasi, karena setiap saluran memiliki dua

polarisasi yang berbeda. Kapasitas transmisi yang telah diuji mencapai 35 ribu Gb.km/s.

Cara kerja sistem soliton ini adalah efek Kerr, yaitu sinar-sinar yang panjang

gelombangnya sama akan merambat dengan laju yang berbeda di dalam suatu bahan jika

intensitasnya melebihi suatu harga batas. Efek ini kemudian digunakan untuk menetralisir

efek dispersi, sehingga soliton tidak akan melebar pada waktu sampai di receiver. Hal ini

sangat menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan

dapat diabaikan. Tampak bahwa penggabungan ciri beberapa generasi teknologi serat optik

akan mampu menghasilkan suatu sistem komunikasi yang mendekati ideal, yaitu yang

memiliki kapasitas transmisi yang sebesar-besarnya dengan tingkat kesalahan yang sekecil-

kecilnya yang jelas, dunia komunikasi abad 21 mendatang tidak dapat dihindari lagi akan

dirajai oleh teknologi serat optik.

Kelebihan Serat Optik

Dalam penggunaan serat optik ini, terdapat beberapa keuntungan antara lain[3] :

1. Lebar jalur besar dan kemampuan dalam membawa banyak data, dapat memuat

kapasitas informasi yang sangat besar dengan kecepatan transmisi mencapai gigabit-

per detik dan menghantarkan informasi jarak jauh tanpa pengulangan

2. Biaya pemasangan dan pengoperasian yang rendah serta tingkat keamanan yang lebih

tinggi

3. Ukuran kecil dan ringan, sehingga hemat pemakaian ruang

4. Imun, kekebalan terhadap gangguan elektromagnetik dan gangguan gelombang radio

5. Non-Penghantar, tidak ada tenaga listrik dan percikan api

6. Tidak berkarat

91

Kabel Serat Optik

Secara garis besar kabel serat optik terdiri dari 2 bagian utama, yaitu cladding dan

core [4]. Cladding adalah selubung dari inti (core). Cladding mempunyai indek bias lebih

rendah dari pada core akan memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core

kembali kedalam core lagi.

Bagian-bagian serat optik jenis single mode

Dalam aplikasinya serat optik biasanya diselubungi oleh lapisan resin yang disebut

dengan jacket, biasanya berbahan plastik. Lapisan ini dapat menambah kekuatan untuk kabel

serat optik, walaupun tidak memberikan peningkatan terhadap sifat gelombang pandu optik

pada kabel tersebut. Namun lapisan resin ini dapat menyerap cahaya dan mencegah

kemungkinan terjadinya kebocoran cahaya yang keluar dari selubung inti. Serta hal ini dapat

juga mengurangi cakap silang (cross talk) yang mungkin terjadi[2].

Pembagian serat optik dapat dilihat dari 2 macam perbedaan :

1. Berdasarkan mode yang dirambatkan[5] :

Single mode : serat optik dengan inti (core) yang sangat kecil (biasanya sekitar

8,3 mikron), diameter intinya sangat sempit mendekati panjang gelombang sehingga cahaya

yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding selongsong (cladding). Bahagian

inti serat optik single-mode terbuat dari bahan kaca silika (SiO2) dengan sejumlah kecil kaca

Germania (GeO2) untuk meningkatkan indeks biasnya. Untuk mendapatkan performa yang

baik pada kabel ini, biasanya untuk ukuran selongsongnya adalah sekitar 15 kali dari ukuran

92

inti (sekitar 125 mikron). Kabel untuk jenis ini paling mahal, tetapi memiliki pelemahan

(kurang dari 0.35dB per kilometer), sehingga memungkinkan kecepatan yang sangat tinggi

dari jarak yang sangat jauh. Standar terbaru untuk kabel ini adalah ITU-T G.652D, dan

G.657[6].

Multi mode  : serat optik dengan diameter core yang agak besar yang

membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding cladding yang dapat

menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini.

2. Berdasarkan indeks bias core[3] :

Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yang

homogen.

Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin

kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar. Serat

graded indeks memungkinkan untuk membawa bandwidth yang lebih besar, karena

pelebaran pulsa yang terjadi dapat diminimalkan.

Pelemahan

Pelemahan (Attenuation) cahaya sangat penting diketahui terutama dalam merancang

sistem telekomunikasi serat optik itu sendiri. Pelemahan cahaya dalam serat optik adalah

adanya penurunan rata-rata daya optik pada kabel serat optik, biasanya diekspresikan dalam

decibel (dB) tanpa tanda negatif. Berikut ini beberapa hal yang menyumbang kepada

pelemahan cahaya pada serat optik[7]:

1. Penyerapan (Absorption) Kehilangan cahaya yang disebabkan adanya kotoran

dalam serat optik.

2. Penyebaran (Scattering)

3. Kehilangan radiasi (radiative losses)

Reliabilitas dari serat optik dapat ditentukan dengan

satuan BER (Bit error rate). Salah satu ujung serat

optik diberi masukan data tertentu dan ujung yang lain

mengolah data itu. Dengan intensitas laser yang

93

rendah dan dengan panjang serat mencapai beberapa km, maka akan menghasilkan

kesalahan. Jumlah kesalahan persatuan waktu tersebut dinamakan BER. Dengan

diketahuinya BER maka, Jumlah kesalahan pada serat optik yang sama dengan panjang yang

berbeda dapat diperkirakan besarnya.

Kode warna pada kabel serat optik

Selubung luar

Dalam standarisasinya kode warna dari selubung luar (jacket) kabel serat optik jenis

Patch Cord adalah sebagai berikut:

Warna selubung luar Artinya

Kuning serat optik single-mode

Jingga serat optik multi-mode

Aqua Optimal laser 10 giga 50/125 mikrometer serat optik multi-mode

Abu – abu Kode warna serat optik multi-mode, yang tidak digunakan lagi

Biru Kadang masih digunakan dalam model perancangan

Konektor

Pada kabel serat optik, sambungan ujung terminal atau disebut juga konektor,

biasanya memiliki tipe standar seperti berikut:

1. FC (Fiber Connector): digunakan untuk kabel single mode dengan akurasi yang

sangat tinggi dalam menghubungkan kabel dengan transmitter maupun receiver.

Konektor ini menggunakan sistem drat ulir dengan posisi yang dapat diatur, sehingga

ketika dipasangkan ke perangkat lain, akurasinya tidak akan mudah berubah.

2. SC (Subsciber Connector): digunakan untuk kabel single mode, dengan sistem

dicabut-pasang. Konektor ini tidak terlalu mahal, simpel, dan dapat diatur secara

manual serta akurasinya baik bila dipasangkan ke perangkat lain.

3. ST (Straight Tip): bentuknya seperti bayonet berkunci hampir mirip dengan konektor

BNC. Sangat umum digunakan baik untuk kabel multi mode maupun single mode.

Sangat mudah digunakan baik dipasang maupun dicabut.

94

4. Biconic: Salah satu konektor yang kali pertama muncul dalam komunikasi fiber optik.

Saat ini sangat jarang digunakan.

5. D4: konektor ini hampir mirip dengan FC hanya berbeda ukurannya saja.

Perbedaannya sekitar 2 mm pada bagian ferrule-nya.

6. SMA: konektor ini merupakan pendahulu dari konektor ST yang sama-sama

menggunakan penutup dan pelindung. Namun seiring dengan berkembangnya ST

konektor, maka konektor ini sudah tidak berkembang lagi penggunaannya.

7. E200

Selanjutnya jenis-jenis konektor tipe kecil:

1. LC

2. SMU

3. SC-DC

Selain itu pada konektor tersebut biasanya menggunakan warna tertentu dengan

maksud sebagai berikut:

Warna konektor Arti Keterangan

Biru Physical Contact (PC), 0° yang paling umum digunkan untuk serat

optik single-mode.

Hijau Angle Polished (APC), 8° sudah tidak digunakan lagi untuk serat

optik multi-mode

Hitam Physical Contact (PC), 0°

Abu – abu, krem Physical Contact (PC), 0° serat optik multi-mode

Putih Physical Contact (PC), 0°

Merah Penggunaan khusus

95

SEMIKONDUKTOR

1. PENGERTIAN

a. Pengertian Umum

Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor

murni. Bahan ini sifatnya berada diantara insulator dan konduktor. Bahan – bahan logam

seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki

susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.

 

b. Pengertian Khusus

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di

antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada

temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor

(K. Muller 1986).

Konduktivitas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk

menghantarkan arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung

sebuah konduktor, muatan-muatan bergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus listrik.

Konduktivitas listrik didefinsikan sebagai ratio dari rapat arus terhadap kuat medan

listrik :

.

Pada beberapa jenis bahan dimungkinkan terdapat konduktivitas listrik yang

anisotropik. Lawan dari konduktivitas listrik adalah resistivitas listrik atau biasa disebut

sebagai resistivitas saja, yaitu ;

.

Insulator adalah materi yang dapat mencegah penghantaran panas, ataupun muatan

listrik. Lawan dari insulator, adalah konduktor, yaitu materi yang dapat menghantar panas

Untuk sejenis polimer, silikone.

96

2. SUSUNAN ATOM SEMIKONDUKTOR

Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si),

Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-

satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon

menjadi popular  setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon

merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2).

Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4

elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga

4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom

tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0°K). Struktur atom silikon divisualisasikan

seperti pada gambar berikut.

gb 1.struktur dua dimensi kristal Silikon.

Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti

atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak

ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada

beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron

terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga

tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik.

Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba

memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk

mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang

diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.

97

3. PROSES SEMIKONDUKTOR

Doping semikonduktor

gb 2. diagram doping semikonduktor.

Distribusi Fermi-Dirac sebagai dasar struktur pita dalam semikonduktor.

Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat

elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah

kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant.

Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya

dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya,

polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam (J.G.

Bednarz 1986).

Doping dalam produksi semikonduktor, doping menunjuk ke proses yang bertujuan

menambah ketidakmurnian (impuritya) kepada semikonduktor sangat murni (juga disebut

intrinsik) dalam rangka mengubah sifat listriknya. Ketidakmurnian ini tergantung dari jenis

semikonduktor. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas

dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan

listrik.

Beberapa dopant biasanya ditambahkan ketika boule ditumbuhkan, memberikan

setiap wafer doping awal yang hampir seragam. Untuk membedakan unsur sirkuit, wilayah

terpilih (biasanya dikontrol oleh photolithografi) didop lebih lanjut dengan Proses difusi atau

implantasi ion, metode kedua lebih populer dalam produksi skala besar karena kemudahan

pengontrolannya.

98

Jumlah atom dopant yang dibutuhkan untuk menciptakan sebuah perbedaan dalam

kemampuan sebuah semikonduktor sangat kecil. Bila sejumlah kecil atom dopant

ditambahkan (dalam order 1 setiap 100.000.000 atom), doping ini disebut rendah atau ringan.

Ketika lebih banyak atom dopant ditambahkan (dalam order 10.000) doping ini disebut

sebagai berat atau tinggi. Hal ini ditunjukkan sebagai n+ untuk dopant tipe-n atau p+ untuk

doping tipe-p.

4. BAHAN SEMIKONDUKTOR

a. Persiapan Bahan semikonduktor

Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal

diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat tinggi

karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek

besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga

diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak

tumpukan) menganggu properti semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan

penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit

mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot

(bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang

ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer.

Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal

untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk

memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi

termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski . Langkah tambahan yang

dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona.

Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung

berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal

kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit

kesalahan.

99

Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara

bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari struktur kristal

yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan.

No Nama SemiKonduktor Penggunaannya

1 Barium Titinate (Ba Ti) Termistor (PTC)

2 Bismut Telurida (Bi2 Te3) Konversi termo elektrik

3 Cadmium sulfide (Cd S) Sel Fotokonduktif

4 Gallium arsenide (Ga As) Dioda, transistor, laser, led,

generator gelombang

Mikro

5 Germanium (Ge) Diode, transistor

6 Indium antimonida (In Sb) Magnetoresistor, piezoresistor,

detektor

radiasi inframerah

7 Indium arsenida (In As) Piezoresistor

8 Silikon (Si) Diode, transistor, IC

9 Silikon Carbida (Si Cb) Varistor

10 Seng Sulfida (Zn S) Perangkat penerangan elektro

11 Germanium Silikon (Ge Si) Pembangkitan termoelektrik

12 Selenium (Se) Rectifier

13 Aluminium Stibium (Al Sb) Diode penerangan

14 Gallium pospor (Ga P) Diode penerangan

15 Indium pospor (In P) Filter inframerah

16 Tembaga Oksida Rectifier

17 Plumbun Sulfur (Pb S) Foto sel

18 Plumbun Selenium (Pb Se) Foto sel

19 Indium Stibium (In Sb) Detektor inframerah, filter

inframerah,

generator Hall

100

Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si dan

nomor atom 14. Merupakan unsur terbanyak kedua di bumi. Senyawa yang dibentuk bersifat

paramagnetik. Unsur kimia ini ditemukan oleh (Jons Jakob Berzelius 1923) silikon hampir

25.7% mengikut berat. Biasanya dalam bentuk silikon dioksida (silika) dan silikat. Silikon

sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk

mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikon.

5. CARA KERJA SEMIKONDUKTOR

Dalam kinerja semikonduktor kami mengambil transistor sebagai contoh dari cara

kerja semikonduktor. Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang

serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik.

Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika

sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah

tegangan elektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada

arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air

murni dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi

arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion)

terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak.

Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator), karena pembawa muatanya tidak

bebas.

Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan,

seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup

kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan

electron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena

Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi

karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik).

Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah

elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.

101

Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor

tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa muatan

yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata

letak kristal silikon.

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi

thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung

hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak

menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan

terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor

bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor

tipe-n dibuat dalam satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah

ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena

tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari

materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah

transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar

dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis

adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari

transistor tersebut.

Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran

satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor.

Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan

untuk setiap atom. Dalam metal, untuk mengubah metal menjadi isolator, pembawa muatan

harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat

tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah

semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan

yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor

dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible

102

(tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat

seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadi

isolator, sedangkan metal tidak.

Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu

elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa

muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini terbentuk

karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikan di

antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang

disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua

diode. Untuk membuat transistor, bagian-bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal

silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.

6. PENGELOMPOKAN SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor 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. Perbandingan jarak kedua pita disebut celah energi.

Berbagai penelitian celah energi pada intan 6 ev dan intan merupakan bahan isolator

dengan resistivitas tinggi, sedangkan bahan semikonduktor mempunyai celah energi lebih

sempit daripada isolator 0,12 – 5,3 ev seperti Si sebagai salah satu bahan semikonduktor

dengan celah energi 1,1 ev.

Berdasarkan lebar dan sempitnya celah energi dari bahan-bahan intan, semikonduktor,

konduktor terlihat bahwa untuk menjadikan bahan semikonduktor agar menghantar listrik

diperlukan energi yang tidak besar. Silikon dan germanium murni disebut semi konduktor

intrinsik jika belum mendapatkan bahan tambahan, sedangkan yang sudah mendapatkan

103

bahan tambahan disebut ekstrinsik. Bahan tambahan yang dimaksud arsenikum (As) atau

boron (B). Bahan semikonduktor yang mendapatkan tambahan As akan menjadi semi

konduktor jenis N, sedangkan yang mendapatkan tambahan B akan menjadi semi konduktor

jenis P.

Beberapa bahan tambahan untuk semikonduktor dapat dilihat pada tabel Enegi Ionisasi

di bawah ini ;

Bahan Pengotoran

(Tipe – N)

Si (ev) Ge (ev)

Pospor

Arsen

Antimon

0,044

0,049

0,039

0,012

0,013

0,010

Bahan Pengotoran

(Tipe – P)

Si (ev) Ge (ev)

Boron

Aluminium

Gallium

Indium

0,045

0,057

0,065

0,16

0,010

0,010

0,011

0,011

Semikonduktor dikelompokkan menjadi dua yaitu ;

a. Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-atom lain

(atom pengotor). 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 .

Maka dari itu diperlukan gradien medan 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 menyebabkanterjadinya semi konduksi. Pada semikonduktor

104

intrinsik, konduksi tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa adanya pengaruh

tambahan. Kristal Si dan Ge murni adalah semikonduktor intrinsik.

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

konduksi karena energi termal adalah penyeban konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat

untuk bergerak melintasi celah energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan

Fermi – Dirac ;

Dimana Ef : tingkat fermi, K : konstanta boltzman = 8,64.10–5 ev /0K, E-Ef : Eg/2, Eg :

besaran celah energi termal KT pada suhu kamar (0,026 ev). Karena nilai 1 pada penyebut dapat

diabaikan, maka persamaan di atas dapat ditulis :

P(E) ? e(? Eg / 2KT )

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. Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan

pembawa tersebut yaitu ne dan nh.

b. Semikonduktor ekstrinsik

Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit

ketidakmurnian (doping) atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Akibat doping ini

maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan Semikonduktor jenis ini terdiri

dari dua macam, yaitu tipe-N (pembawa muatan elektron) dan semikonduktor tipe-P

(pembawa muatan hole).105

1)TIPE – N

Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen

yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon

yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron.

Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga

donor yang siap melepaskan elektron.

gb 3. struktur stom semikonduktor type – n.

2) TIPE – P

Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalent yaitu unsur

dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4

elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan

sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron

menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.

gb 4. struktur stom semikonduktor type – p.106

7. ALAT SEMIKONDUKTOR

a. Alat Semikonduktor

Alat Semikonduktor atau semiconductor devices, adalah sejumlah komponen elektronik

yang menggunakan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon, Germanium, dan

Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor jaman sekarang telah menggantikan alat

thermionik (seperti tabung hampa). Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi

elektronik dalam bentuk padat (solid state), bukannya bentuk hampa (vacuum state) atau

bentuk gas (gaseous state). Alat-alat semikonduktor dapat ditemukan dalam bentuk-bentuk

dicrete (potongan) seperti transistor, diode, dll, atau dapat juga ditemukan sebagai bentuk

terintegrasi dalam jumlah yang sangat besar (jutaan) dalam satu keping Silikon yang

dinamakan Sirkuit terpadu (IC). adapun jenis IC yang bertegangan tinggi (High Voltage IC)

adalah IC berdaya monolitik bertegangan tinggi dengan menggunakan struktur bebas-

pengancing dielektrik yang unik. Penggerak motor chip tunggal (single chip motor driver),

gate driver dan IC pencitraan ultrasound untuk aplikasi industri, konsumen dan medis.

b. Dasar alat semikonduktor

Bila sebuah semikonduktor murni dan tidak ter"eksitasi" oleh sebuah input seperti

medan listrik dia mengijinkan hanya jumlah sangat kecil arus listrik untuk berada dalam

dirinya, dan ia merupakan sebuah insulator. Alasan utama mengapa semikonduktor begitu

berguna adalah konduktivitas semikonduktor yang dapat dimanipulasi dengan menambahkan

ketidakmurnian (doping, dengan pemberian sebuah medan listrik, dikenai cahaya, atau

dengan cara lain. CCD, sebagai contoh, unit utama dalam kamera digital, bergantung pada

kenyataan bahwa konduktivitas semikonduktor meningkat dengan terkenanya sinar. Operasi

transistor tergantung konduktivitas semikonduktor yang dapat ditingkatkan dengan hadirnya

sebuah medan listrik.

Konduksi arus dalam sebuah semikonduktor terjadi melalui elektron yang dapat

bergerak atau bebas dan lubang. Lubang bukan partikel asli; dalam keadaan yang

membutuhkan pengetahuan fisika semikonduktor untuk dapat mengerti: sebuah lubang

adalah ketiadaan sebuah elektron. Ketiadaan ini, atau lubang ini, dapat diperlakukan sebagai

muatan-positif yang merupakan lawan dari elektron yang bermuatan-negatif. Untuk

107

mudahnya penjelasan "elektron bebas" disebut "elektron", tetapi harus dimengerti bahwa

mayoritas elektron dalam benda padat, tidak bebas, tidak menyumbang kepada konduktivitas.

Bila sebuah kristal semikonduktor murni sempurna, tanpa ketidakmurnian, dan ditaruh

di suhu yang mendekati nol mutlak dengan tanpa "eksitasi" (yaitu, medan listrik atau

cahaya), dia tidak akan berisi elektron bebas dan tidak ada lubang, dan oleh karena itu akan

menjadi sebuah insulator sempurna. Pada suhu ruangan, eksitasi panas memproduksi

beberapa elektron bebas dan lubang dalam pasangan-pasangan, tetapi kebanyakan

semikonduktor pada suhu ruangan adalah insulator untuk kegunaan praktikum.

Sebagai contoh aplikasi Semikonduktor yaitu ; dioda dan transistor.

DIODA

Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan–pakai lem barangkali ya :), maka

akan didapat sambungan P-N (p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya

memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu

bahan (monolithic) dengan memberi doping (impurity material) yang berbeda.

gb 5. simbol sambungan p-n

Jika diberi tegangan maju (forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi

N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di

sisi P.

gb 6. forward bias.

108

Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada

elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di

sisi N lebih tinggi. Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai

untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier). Dioda, Zener, LED, dan Varactor.

Dioda Bertegangan Tinggi (High Voltage Diodes)

Menyediakan jajaran produk dioda daya yang serbaguna termasuk tipe dioda kaca

dengan keandalan yang tinggi, perangkat pelindung tekanan tegangan (surge suppression)

untuk melindungi peralatan elektronik (terutama dalam aplikasi otomotif) dan jenis

bertegangan tinggi untuk pengoperasian tampilan pada frekuensi tinggi. Tersedia dalam

bentuk axial lead, press-fit dan paket pemasangan permukaan (surface mount).

TRANSISTOR

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit

pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai

fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus

inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat

akurat dari sirkuit sumber listriknya.

GB 7. Transistor through-hole (dibandingkan dengan pita ukur sentimeter).

Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu

membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut

emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor.

Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari

perpindahan elektron di kutup negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif.

109

bi=2 dan polar = kutup. (William Schockley pada tahun 1951) adalah seseorang yang

pertama kali menemukan transistor bipolar.

GB 7.Transistor NPN dan PNP

Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di

satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor

adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian

analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi

pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian – rangkaian

digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga

dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan

komponen-komponen lainnya.

Cara Kerja Transistor

Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor,

bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET),

yang masing-masing bekerja secara berbeda.

Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya

menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus

listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas

dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi

dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut.

FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa

muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama

mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya

(dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik

110

utama). Ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang

diberikan, untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut.

BAHAN ORGANIK DAN SINTETIS

Bahan organik adalah bahan – bahan yang dihasilkan oleh alam. Sedangkan bahan

sintetis adalah bahan tiruan yang diciptakan oleh manusia.

Bahan Tambang

Bahan tambang adalah bahan yang berasal dan terdapat dari penggalian dalam tanah

dalam bentuk bijih (seperti besi, seng, bongkahan batu : pualam, batu tulis, dll.) yang harus

diproses dahulu untuk mendapatkan bahan yang dikehendaki. Beberapa macam bahan

tambang tersebut antara lain :

a. Batu pualam, yaitu batu kapur (CaCo3) atau dolomit merupakan bongkahan

batu besar yang dipotong-potong menjadi lempengan tebal dengan ukuran

tertentu.

b. Asbes, yaitu bahan berserat, tidak kuat dan mudah putus, dan sebenarnya kuat

baik digunakan untuk penyekat listrik..

c. Mika. Mika ini mempunyai sifat-sifat teknis yang baik, sehingga banyak

digunakan sebagai bahan penyekat.

d. Mikanit. Yaitu Mika yang telah mendapat perubahan bentuk maupun susunan

bahannya sesuai kebutuhan. Tujuan melapis mika dan terkadang dengan

tambahan kain, kertas atau pita adalah untuk memperoleh tebal yang

dikehendaki agar dapat mempertinggi daya sekat listrik, dan untuk menanbah

kekuatan mekanis agar tidak retak jika digulung atau dilipat.

e. Mikafolium. Yaitu sejenis mikanit dan sebagai bahan menggunakan mika

yang ditaburkan di atas lapisan kertas tipis dengan perekat pernis dan bahan

sintetis lain. Mikafolium mudah dibengkokan dengan cara pemanasan, dan

bahan ini digunakan sebagai penyekat untuk pembungkus kawat atau batang

lilitan pada mesin-mesin listrik tegangan tinggi.

111

f. Mikalek . Yaitu dengan menggunakan gelas dan plastik sebagai bahan dasar,

bubuk mika sebagai pengisi dan ditambah perekat pernis kemudian dicetak.

Pengepresan cetakan membutuhkan suhu yang tinggi untuk dapat melunakan

gelas, sehingga bahan ini mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi.

g. Batu tulis. Yaitu merupakan bahan penyekat dengan bentuk berlapis -lapis

dan mudah dibelah-belah dengan pahat atau martil. Batu tulis ini tidak dapat

digosok halus seperti pualam, mempunyai mekanis kuat sebagai penyekat,

tetapi kurang menarik dan dapat menyerap air. Walaupun lebih tahan terhadap

asam dan panas tetapi bahan ini sudah jarang dipakai.

h. Phlogopite. Yaitu batu ambar mika yang mengandung kalium, silikat

magnesium aluminium yang berasal dari kanada dan madagaskar. Sedangkan

Muscivite adalah mika putih yang mengandung kalium, silikat aluminium

yang merupakan salah satu bahan penyekat terbaik karena lebih kuat, lebih

keras, lebih fleksibel daripada Phlogopite dan juga tahan terhadap asam dan

zat alkali.

Bahan Berserat

Bahan dasar yang dipergunakan untuk bahan berserat berasal dari tiga mac am, yaitu

tumbuh-tumbuhan, binatang, dan bahan tiruan (sintetis). Sebenarnya bahan ini kurang baik

sebagai bahan penyekat listrik karena sifatnya sangat menyerap cairan, sedangkan cairan itu

dapat merusak penyekat yang menyebabkan daya sekatnya menurun. Tetapi karena faktor-

faktor lain seperti : bahan berlimpah sehingga murah harganya; daya mekanisnya cukup kuat

dan fleksibel; dan dengan disusun berlapis-lapis dan dicampur dengan zat-zat tertentu untuk

meningkatkan daya sekat, daya mekanis dan daya tahan panas, sehingga bahan berserat ini

banyak dipakai sebagai penyekat listrik.

Beberapa bahan yang termasuk bahan berserat, antara lain :

a. Benang

Benang merupakan hasil pemintalan pertama dari sebuah kapas yang berserat cukup

panjang, setelah biji-bijinya yang menempel dipisahkan terlebih dahulu. Dari kumpulan

benang ini dapat dibuat tali, pita, dan kain tenun, yang selanjutnya disebut dengan tekstil.

Dalam bidang kelistrikan banyak digunakan sebagai penyekat kawat. benang banyak dipakai

untuk penyek at kawat halus yang digunakan dalam pembuatan pesawat-pesawat cermat

112

seperti pengukuran listrik. Sekarang banyak digunakan benang sintetis dari bahan plastik,

gelas, dan sebagainya karena lebih kuat dan tahan panas.

b. Tekstil

Dengan menenun benang menjadi tekstil (pita dan kain dengan berbagai macam

corak, ukuran dan kualitas) maksudnya adalah untuk memperoleh penyekat yang lebih baik,

yaitu pertama lebih kuat, dan kedua dalam beberapa hal mempermudah teknis pelaksanaan

(membalut lilitan penyekat kawat). Selain tekstil dari kapas, ada juga dari serat yumbuh-

yumbuhan yang dikenal dengan nama lena (linnen). Bahan ini lebih kuat daripada kertas.

Pada tekstil ini ada yang terbuat dari bahan tiruan (sintetis), dimana bahan ini digunakan

dalam bidang kelistrikan sebagai penyekat kawat-kawat lilitan mesin listrik, pengikat, dan

sebagainya. Karena sifat tekstil ini dapat menyerap cairan, maka untuk memperbaiki daya

sekatnya dilapisi atau dicelup ke dalam cairan lak penyekat.

c. Kertas

Bahan dasar kertas adalah selulosa, dimana bahan ini adalah zat sel tumbuh tumbuhan

yang terdapat antara kulit dan batangnya. Selulosa ini berserat, fleksibel, lunak dan menyerap

air, sedangkan bahan pembuat kertasnyadiambil dari kayu, merang, rami, majun (sisa bahan

tekstil), dan lain-lain. Kertas yang terlalu kering atau lembab, kekuatan penyekatnya

berkurang karena kertas sangat menyerap cairan, sehingga untuk mengatasinya kertas dilapisi

lak penyekat. Penggunaan kertas untuk penyekat selain sebagai pembalut lilitan kawat dan

kumparan, juga untuk penyekat kabel dan kondensator kertas. Untuk memenuhi tebal yang

diharapkan kertas dibuat berlapis -lapis.

d. Prespan

Prespan juga sebetulnya kertas, karena bahan dasarnya sama hanya berbeda

sifatsifatnya saja. Dibandingkan dengan kertas, prespan lebih padat sehingga kurang

menyerap air. Padat karena pembuatannya ditekan dengan tegangan tinggi sehingga lebih

keras dan lebih kuat, tetapi dapat dibengkokan dengan tidak retak-retak sehingga baik sekali

untuk penyekat alur stator atau rotor mes in listrik, juga pada transformator sebagai penyekat

lilitan dan kawatnya. Prespan ini di pasaran berbentuk lembaran atau gulungan dengan

ukuran tebal antara 0,1 sampai 5 mm, warnanya kekuning-kuningan, coklat muda atau abu.

Karena daya menyerap air masih ada, maka dalam pelaksanaannya selalu masih perlu dilapisi

lak penyekat.

e. Kayu

113

Pada tahun-tahun yang silam, kayu banyak digunakan sebagai penyekat misalnya

untuk tiang listrik, karena terdapat dimana-mana dan harganya murah. Sekarang kayu banyak

terdesak oleh besi, beton, dan bahan sintetis. Kelebihan kayu adalah kekuatan mekanisnya

cukup tinggi tergantung dari macam dan kerasnya kayu, tetapi kelemahannya adalah

menyerap air, dapat rusak karena hama dan penyakit serangga sehingga mudah rapuh.

Supaya day a tahan lama, maka kayu harus diawetkan lebih dahulu.

f. Fiber Pulkanisir

Proses pembuatan bahan ini sebelum digulung pada silinder baja, kertas dilewatkan

melalui larutan chlorida seng (ZnCl2) yang panas. Tiap lapisan direkatkan dengan perekat

sampai mencapai tebal lapisan yang dikehendaki pada gulungan tersebut. Pembersihan

kembali zat chlorida seng dilakukan dengan air bersih, kemudian di pres menjadi lembaran,

papan, atau dibuat pipa dengan tebal antara 0,5 sampai 25 mm. Bahan ini kuat sekali, tetapi

menyerap air sehingga sebelumnya dilapis dahulu dengan parapin, minyak transformator atau

zat lain serupa.

g. Kain Pernis

Bahan kain yang telah dipernis sering disebut dengan cambric. Kelebihan bahan ini

adalah fleksibel, kekuatan mekanisnya tinggi sedangkan lapisan pernisnya merupakan

penyekat listrik yang baik. Sehingga daya penyekat semacam ini sangat luas digunakan pada

pekerjaan mesin listrik, peralatan, serta kabel listrik selain dijadikan pita dan pembalut.

Macam penyekat ini dapat digunakan untuk suhu sekitar 1000C, dengan bahan sintetis

seperti polyester dan polyamid. Kain pernisan dijual dalam gulungan dengan lebar kira-kira 1

yard dan panjang antara 45 yard sampai 90 yard.

h. Pita Penyekat

Bahan ini banyak digunakan dalam bidang instalasi listrik, yang merupakan pita

penyekat dengan campuran karet dalam gulungan kecil antara 1 dan 5 cm lebar dan garis

tengah luar kira-kira 15 cm. Tebal pita kira-kira 0,25 mm. Sekarang banyak pita perekat

terbuat dari bahan sintetis kuat dan tidak menyerap air, tetapi tidak untuk suhu yang tinggi.

Gelas dan Keramik

a. Gelas

Gelar merupakan penyekat yang baik untuk arus listrik, tetapi kekuatan mekanisnya

kecil dan sangat rapuh tidak seperti bahan keramik. Pemakaian dalam teknik listrik antara

lain untuk pembuatan bola lampu pijar, termometer-kontak (untuk mengontrol suhu tertentu

114

suatu tenpat seperti tempat penetasan telur), dan lain-lain. Untuk hiasan penerangan listrik

banyak dipakai ornamen kaca yang dibuat dari kaca susu, kaca kabur (matglas) dan kaca

opal, yang dalam perdagangan terdapat bermacam-macam bahan gelas seperti gelas kristal,

gelas kali, gelas natron, dan gelas flint. Bahan baku pembuatan gelas adalah kuarsa dan

kapur yang dicairkan bersama-sama dengan bahan lainnya. Paduan kuarsa dengan oksida

timbel menghasilkan gelas kristal, bahan baku ditambah dengan potas menghasilkan gelas

kali, dan penambahan soda menghasilkan gelas natron. Pengerjaan bahan baku di atas

biasanya dipanaskan sampai + 20000C, sehingga menjadi encer dan baru dikerjakan.

b. Keramik

Keramik didapat dari bahan galian dengan melalui proses pemanasan, kemudian

dijadikan barang keramik, seperti cangkir teko, dalam teknik listrik digunakan untuk

penyekat loceng dan mantal. Keramik yang digunakan untuk keperluan teknik listrik harus

mempunyai daya sekat yang besar dan dapat menahan gaya mekanis yang besar seperti

porselin dan steatit. Bahan penyekat dari porselin seperti : penyekat lonceng, penyekat

mantel, penyekat cincin, penyekat tegangan tinggi, sekering pipa porselin, dan lain-lain.

Sedangkan bahan penyekat terbuat dari steatit, antara lain : sakelar, kontak tusuk, manik-

manik penyekat kawat penghubung yang dapat melentur (fleksibel) dan letaknya berdekatan

dengan alat pemanas listrik, untuk pembuatan bumbung penerus (tube), pena-kontak -baut,

badan alat-alat pemanas seperti kompor listrik, seterika, dan lain-lain.

Plastik

Plastik merupakan paduan dari dua bahan yaitu bahan perekat (seperti damar atau

resin) dan bitumin dengan bahan pengisi serbuk batu, serbuk kayu dan katun. Menurut

paduannya, ada bermacam-macam bahan plastik, diantaranya bakelit. Ada dua jenis plastik

yang perlu kita ketahui, yaitu :

a. Thermoplastik. Bahan ini pada suhu 600C sudah menjadi lunak, dan pemanasan

sampai mencair tidak merubah struktur kimiawi

b. Thermosetting plastik. Bahan ini setelah mengalami proses pencairan dan cicetak

menjadi barang akan mengalami perubahan struktur kimiawi, hingga tidak dapat lunak lagi

walaupun dipanaskan. Beberapa bahan pengisi paduan dalam pembuatan plastik selain yang

telah disebutkan di atas, antara lain : mika, alpha selulosa, kain kapas, kertas, asbes, grafit,

karbon, dan kanvas.

115

Karet, Ebonit dan Bakelit

a. Karet

Karet merupakan bahan penting untuk penyekat dalam teknik listrik yang terbuat dari

getah bermacam-macam pohon karet, salah satu diantaranya : Hevea Braziliensis yang

menghasilkan karet terbanyak dengan kualitas tinggi. Proses penyampuran karet kasar

dengan belerang dan bahan tambahan lainnya dibeut vulkanisasi. Untuk mendapatkan

vulkanisasi yang baik dengan cara pemanasan uap, karena tekanan uap dpat mencegah

terjadinya pori dalam masa yang divulkanisir, sedang pemanasannya dapat berjalan teratur.

Bahan perekat untuk kulit, karet dan sebagainya dapat dibuat dari karet kasar dicampur

dengan bensin atau bensol. Karet kasar juga merupakan bahan untuk pembuatan pita

penyekat (dibuat dari bahan katun, dicelupkan dalam larutan karet kasar untuk memberi gaya

perekat pada pita tersebut. Pita penyekat ini dapat dipakai untuk menyekat tempat

sambungan kawat, ujung kabel nadi dan batu mahkota, serta dalam industri mobil. Dalam

teknik listrik karet sebagai penyekat hantaran listrik, sepatu kabel, perkakas pemasangan

instakasi kistrik, dll.

b. Ebonit

Bahan dasar ebonit adalah karet dan untuk mendapatkan kekerasan dicampur dengan

belerang dan bahan tambahan lainnya sekitar 30 sampai 50 % dengan melalui proses

vulkanisasi yang lama. Dalam perdagangan ebonit berbentuk lempeng, batang atau pipa

dengan bermacam-macam ukuran.

c. Bakelit

Bakelit adalah bahan paduan secara kimia bermacam -macam zat yang pertama

dibuat oleh perusahaan Bakelit Co., yang kemudian dibuat oleh perusahaan lain dengan nama

sendiri-sendiri, seperti perusahaan Philips dari Belanda dengan nama philite, perusahaan

Hasemeir dengan nama hajalite yang dikenal dengan nama bakelit.

116