SIFAT-SIFAT BAHAN

Bahan  listrik dalam sistem tanaga listrik merupakan salah

satu elemen penting  yang akan menentukan kualitas penyaluran

energi listrik itu sendiri . Bahan listrik yang sangat populer

selama ini  meliputi konduktor, semikonduktor, dan

isolator.  Satu lagi yang dikenal dengan super konduktor , namun

masih dalam penelitian  intensif para ahli . Ketiga bahan tadi

secar integratif dalam sistem kelistrikan dimanfaatkan secara

optimal. Seperti konduktor adalah salah satu material paling

besar yang dipakai dalam penyaluran tenaga listrik baik alumunium

maupun tembaga atau campuran dengan bahan lain.

Suatu bahan dapat berbentuk padat , cair atau gas. Wujud bahan

tertentu juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain

pengelompokkan besdasarkan wujud tersebut dalam teknik listik

bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut :

1. Bahan penghantar (Konduktor)

2. Bahan penyekat (Isolator)

3.  Bahan setengah penghantar (Semi konduktor)

4.  Bahan magnetis

5.   Bahan Super konduktor

6.   Bahan nuklir

7.   Bahan khusus

Penghantar dalam teknik  adalah zat yang dapat menghantarkan arus

listrik , baik berupa zat padat , cair atau gas. Karena sifatnya

yang konduktif maka di sebut konduktor . Konduktor yang baik

adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya logam

bersifat konduktif. Emas , perak , tembaga , alumunium , zink,

besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin besar . jadi

sebagai penghantar emas adalah sangat baik , tetapi sangat mahal

harganya , maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling

banyak digunakan .

 

BAHAN KONDUKTOR

A.    Pengertian Bahan Penghantar ( Konduktor )

Bahan  konduktor merupakan penghantar listrik yang baik .

Bahan ini mempunyai daya hantar listrik(Electrical Conductivity)

yang besar dan tahanan listrik(Electrical resistance)  yang

kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus

listrik. Perhatikan fungsi kabel , kumparan/ lilitan yang ada

pada alat listrik yang anda jumpai . Juga pada saluran

transmisi/distribusi. Dalam teknik listrik , bahan penghantar

yang sering di jumpai adalah tembaga dan alumunium  .

B.    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:

a. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan

sebagainya.

b. 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.

c. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih

yang dipadukan dengan cara

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

C.    Klasifikasi konduktor menurut konstuksinya :

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.

D.    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, untuk konduktor 70 mm berselubung AAAC-S

pada suhu sekitar 30 oC, maka 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 30 oC, maka kemampuan maksimum dari konduktor

untuk menghantar arus adalah 275 A).

E.     Kriteria Bahan Konduktor

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 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.

F.     Sifat-Sifat Bahan Konduktor :

Bahan-bahan listrik mempunyai sifat-sifat penting ,seperti :

a.   Daya hantar listrik

b.   Koefisian suhu tahanan

c.   Daya hantar panas

d.   Kekuatan tegangan tarik , dan

e.  Timbulnya daya eletro-motoris termo

a)      Daya Hantar Listrik

Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami

hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut

tergantung dari bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan

luas penampang 1mm2 pada temperatur200C dinamakan hambatan jenis.

Besarnya hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan :

R= ρl/A

dimana :

R : Hambatan dalam penghantar, satuanya ohm (Ω)

ρ  : hambatan jenis bahan, dalam satuan ohm.mm2/m

l   : panjang penghantar, satuannya meter (m)

A : luas penampang kawat penghantar, satuanya mm2

b)     Koefisien Temperatur Hambatan

Telah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan mengalami

perubahan volume bila terjadi perubahan temperatur. Bahan akan

memuai jika temperatur suhu naik dan akan menyusut jika

temperatur suhu turun. Besarnya perubahan hambatan akibat

perubahan suhu dapat diketahui dengan persamaan ;

R = R0 { 1 + α (t – t0)},

 dimana :

R : besar hambatan setelah terjadinya perubahan suhu

R0 : besar hambatan awal, sebelum terjadinya perubahan suhu

T : temperatur suhu akhir, dalam 0C

t0 : temperatur suhu awal, dalam 0C

α : koefisien temperatur tahanan

nilai tahanan jenis , berat jenis dan titik cair dari bermacam-

macam bahan dapat dilihat pada tabel 6.1

Nama bahan Tahanan  Jenis Berat Jenis Titik Cair

Perak

Tembaga

Cobalt

Emas

Alumunium

Molibdin

Wolfram

Seng

Kuningan

Nikel

Platina

Nikeline

Timah putih

Baja

Vanadium

Bismuth

Mangan

Timbel

Duralumunium

Manganin

Konstanta

0,016

0,0175

0,022

0,022

0,03

0,05

0,05

0,06

0,07

0,079

0,1

0,12

0,12

0,13

0,13

0,2

0,21

0,22

0,48

0,48

0,5

10,5

8,9

8,42

19,3

2,56

10,2

19,1

7,1

8,7

8,9

21,5

-

7,3

7,8

5,5

9,85

7,4

11,35

2,8

-

8,9

960

1083

1480

1063

660

2620

3400

420

1000

1455

1774

-

232

1535

1720

271

1260

330

-

-

-

Air raksa 0,958 13,56 -38,9

Bahan penghantar yang paling banyak dipakai adalah tembaga ,

karena tembaga merupakan bahan penghantar yang paling baik

setelah perak dan harganya pun murah karena banyak terdapat

dimana-mana . Akhir-akhir ini banyak digunakan alumunium dan

baja  sebagai penghantar walaupun tahanan jenisnya cukup besar ,

hal ini dengan pertimbangan sangat berlimpah dan harganya menjadi

lebih murah .

c) Daya Hantar Panas

Daya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui

lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan

Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesin

listrik beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya

hantar panas yang tinggi sedangkan bahan-bahan bukan logam

rendah.

d) Daya Tegangan Tarik

Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran

diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan

tersebut harus diketahui kekuatanya. Terutama menyangkut

penggunaan dalam pendistribusian tegangan tinggi. Penghantar

listrik dapat berbentuk padat , cair , atau gas . yang berbentuk

padat umumnya logam , elektrolit dan logam cair (air raksa)

merupakan penghantar cair , dan udara yang diionisasikan dan gas-

gas mulia (neon) ,kripton ,dsb) sebagai penghantar bentuk gas .

e) Timbulnya daya Elektro-motoris Termo

Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak

yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis, karena

dalam suatu rangkaian, arus akan menimbulkan daya elektro-motoris

termo tersendiri bila terjadi perubahan temperatur suhu.

Daya elektro-motoris termo dapat terjadi lebih tinggi, sehingga

dalam pengaturan arus dan tegangan dapat menyimpang meskipun

sangat kecil. Besarnya perbedaan tegangan yang dibangkitkan

tergantung pada sifat-sifat kedua bahan yang digunakan dan

sebanding dengan perbedaan temperaturnya. Daya elektro-motoris

yang dibangkitkan oleh perbedaan temperatur disebut dengan daya

elektro-motoris termo.

G.    Macam-macam Bahan Konduktor

Fungsi penghantar pada teknik lisrik adalah untuk

menyalurkan energi listrik adalah untuk menyalurkan energi

listrik dari satu titik ke titik lain . Penghantar yang lazim

digunakan antara lain :

Tembaga dan Alumunium. Beberapa bahan penghantar yang masih ada

dan relevasinya ,antara lain :

a.       Alumuniumb.      Tembagac.       Baja

d.      Wolframe.       Molibdenumf.        Platinag.      Air raksah.      Bahan-bahan resistivitas tinggii.        Timah hitam

BAHAN PENYEKAT

Bahan penyekat digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang

bertegangan. Untuk itu pemakaian bahan penyekat perlu

mempertimbangkan sifat kelistrikanya. Di samping itu juga perlu

mempertimbangkan sifat termal, sifat mekanis, dan sifat kimia.

Sifat kelistrikan mencakup resistivitas, permitivitas, dan

kerugian dielektrik. Penyekat membutuhkan bahan yang mempunyai

resistivitas yang besar agar arus yang bocor sekecil mungkin.

Yang perlu diperhatikan di sini adalah bahwa bahan isolasi yang

higroskopis hendaknya dipertimbangkan penggunaannya pada tempat-

tempat yang lembab karena resistivitasnya akan turun.

Resistivitas juga akan turun jika tegangan yang diberikan naik. 

Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai

dielektrik ditentukan oleh permitivitasnya, di samping jarak dan

luas permukaannya. Besarnya permitivitas udara adalah 1,00059,

sedangakan untuk zat padat dan zat cair selalu lebih besar dari

itu. Apabila bahan isolasi diberi tegangan bolak-balik maka akan

terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut. Besarnya

kerugian energi yang diserap bahan isolasi tersebut berbanding

lurus dengan tegangan, frekuensi, kapasitansi, dan sudut kerugian

dielektrik. Sudut tersebut terletak antara arus kapasitif dan

arus total (Ic + Ir). 

Suhu juga berpengaruh terhadap kekuatan mekanis, kekerasan,

viskositas, ketahanan terhadap pengaruh kimia dan

sebagainya. Bahan isolasi dapat rusak diakibatkan oleh panas pada

kurun waktu tertentu. Waktu tersebut disebut umur panas bahan

isolasi. Sedangakan kemampuan bahan menahan suhu tertentu tanpa

terjadi kerusakan disebut ketahanan panas. Menurut IEC

(International Electrotechnical Commission) didasarkan atas batas

suhu kerja bahan, bahan isolasi yang digunakan pada suhu di bawah

nol (missal pada pesawat terbang, pegunungan) perlu juga

diperhitungkan karena pada suhu di bawah nol bahan isolasi akan

menjadi keras dan regas. Pada mesin-mesin listrik, kenaikan suhu

pada penghantar dipengaruhi oleh resistansi panas bahan isolasi.

Bahan isolasi tersebut hendaknya mampu meneruskan panas yang

didesipasikan oleh penghantar atau rangkaian magnetik ke udara

sekelilingnya. 

Kemampuan larut bahan isolasi, resistansi kimia, higroskopis,

permeabilitas uap, pengaruh tropis, dan resistansi radio aktif

perlu dipertimbangkan pada penggunaan tertentu. Kemampuan larut

diperlukan dalam menentukan macam bahan pelarut untuk suatu bahan

dan dalam menguji kemampuan bahan isolasi terhadap cairan

tertentu selama diimpregnasi atau dalam pemakaian. Kemampuan

larut bahan padat dapat dihitung berdasarkan banyaknya bagian

permukaan bahan yang dapat larut setiap satuan waktu jika diberi

bahan pelarut. Umumnya kemampuan larut bahan akan bertambah jika

suhu dinaikkan. 

Ketahanan terhadap korosi akibat gas, air, asam, basa, dan garam

bahan isolasi juga nervariasi antara satu pemakaian bahan isolasi

di daerah yang konsentrasi kimianya aktif, instalasi tegangan

tinggi, dan suhu di atas normal. Uap air dapat memperkecil daya

isolasi bahan. Karena bahan isolasi juga mempunyai sifat

higroskopis maka selama penyimpanan atau pemakaian diusahakan

agar tidak terjadi penyerapan uap air oleh bahan isolasi, dengan

memberikan bahan penyerap uap air, yaitu senyawa P2O5 atau CaC12.

Bahan yang molekulnya berisi kelompok hidroksil (OH)

higrokopisitasnya relative besar dibanding bahan parafin dan

polietilin yang tidak dapat menyerap uap air. Bahan isolasi

hendaknya juga mempunyai permeabilitas uap (kemampuan untuk

dilewati uap) yang besar, khususnya bagi bahan yang digunakan

untuk isolasi kabel dan rumah kapasitor. Di daerah tropis basah

dimungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga. Suhu yang tinggi

disertai kelembaban dalam waktu lama dapat menyebabkan turunnya

kemampuan isolasi. Oleh karena bahan isolasi hendaknya dipisi

bahan anti jamur (paranitro phenol, dan pentha chloro phenol).

Pemakaian bahan isolasi sering dipengaruhi bermacam-macam energi

radiasi yang dapat berpengaruh dan mengubah sifat bahan isolasi.

Radiasi sinar matahari mempengaruhi umur bahan, khususnya jika

bersinggungan dengan oksigen. Sinar ultra violet dapat merusak

beberapa bahan organic. T yaitu kekuatan mekanik elastisitas.

Sinar X sinar-sinar dari reactor nuklir, partikel-partikel radio

isotop juga mempengaruhi kemampuan bahan isolasi. Sifat mekanis

bahan yang meliputi kekuatan tarik, modulus elastisitas, dan

derajat kekerasan bahan isolasi juga menjadi pertimbangan dalam

memilih suatu jenis bahan isolasi.

Pembagian Kelas Bahan Penyekat

Bahan penyekat listrik dapat dibagi atas beberapa kelas

berdasarkan suhu kerja maksimum, yaitu sebagai berikut:

1. Kelas Y, suhu kerja maksimum 90°C

Yang termasuk dalam kelas ini adalah bahan berserat organis

(seperti Katun, sutera alam, wol sintetis, rayon serat poliamid,

kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, polivinil, karet,

dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan pernis atau bahan

pencelup lainnya. Termasuk juga bahan termoplastik yang dapat

lunak pada suhu rendah. 

2. Kelas A, suhu kerja maksimum 150°C

Yaitu bahan berserat dari kelas Y yang telah dicelup dalam pernis

aspal atau kompon, minyak trafo, email yang dicampur dengan

vernis dan poliamil atau yang terendam dalam cairan dielektrikum

(seperti penyekat fiber pada transformator yang terendam minyak).

Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang telah

dicelup, termasuk kawat email (enamel) yang terlapis damar-oleo

dan damar-polyamide. 

3. Kelas E, suhu kerja maksimum 120°C

Yaitu bahan penyekat kawat enamel yang memakai bahan pengikat

polyvinylformal, polyurethene dan damar epoxy dan bahan pengikat

lain sejenis dengan bahan selulosa, pertinaks dan tekstolit, film

triacetate, film dan serat polyethylene terephthalate.

4. Kelas B, suhu kerja maksimum 130°C

Yaitu Yaitu bahan non-organik (seperti : mika, gelas, fiber,

asbes) yang dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau

kompon, dan biasanya tahan panas (dengan dasar minyak pengering,

bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya).

5. Kelas F, suhu kerja maksimum 155°C

Bahan bukan organik dicelup atau direkat menjadi satu dengan

epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan panas tinggi.

6. Kelas H, suhu kerja maksimum 180°C

Semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas

fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat

(kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini termasuk juga

karet silikon dan email kawat poliamid murni.

7. Kelas C, suhu kerja diatas 180°C

Bahan anorganik yang tidak dicelup dan tidak terikat dengan

substansi organic, misalnya mika, mikanit yang tahan panas

(menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan

bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas

C yaitu politetra fluoroetilen (Teflon).

Macam-macam bahan penyekat

• Bahan penyekat bentuk padat, bahan listrik ini dapat

dikelompokkan menjadi beberapa macam, diantaranya yaitu: bahan

tambang, bahan berserat, gelas, keramik, plastik, karet, ebonit

dan bakelit, dan bahan-bahan lain yang dipadatkan. 

• Bahan penyekat bentuk cair, jenis penyekat ini yang banyak

digunakan pada teknik listrik adalah air, minyak transformator,

dan minyak kabel. 

• Bahan penyekat bentuk gas, yang sering digunakan untuk

keperluan teknik listrik diantaranya: udara, nitrogen, hidrogen,

dan karbondioksida. 

BAHAN SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor telah memberikan pengaruh besar dan menjadi

bagian yang tak terpisahkan dalam peradaban manusia saat ini.

Kita bisa menemukan semikonduktor pada jantung chip mikroprosesor

hingga pada transistor. Nyaris semua peralatan elektronik

bergantung sepenuhnya pada keberadaan semikonduktor. Sementara

itu, kebanyakan chip dan transistor berbasis semikonduktor terbuat

dari unsur semikonduktor silikon. Mungkin kita pernah mendengar

ekspresi seperti Silicon Valley dan Silicon Economy, itulah sebabnya

silikon merupakan unsur yang sangat penting pada setiap peralatan

elektronik.

Silikon merupakan unsur yang mudah ditemui. Sebagai contoh,

silikon merupakan penyusun utama dari pasir dan quartz. Jika kita

perhatikan silikon pada tabel periodik, kita bisa lihat posisinya

berada di sebelah aluminium, di bawah karbon, dan di atas

germanium.

Posisi karbon, silikon, dan germanium pada tabel periodik

Karbon, silikon, dan germanium memiliki sifat yang unik pada

struktur elektroniknya. Setiap unsur ini memiliki 4 elektron

valensi. Sifat tersebut memungkinkan karbon, silikon, dan

germanium membentuk kristal dengan keunggulan tertentu yang dapat

dimanfaatkan dalam peralatan elektronik. Keempat elektron valensi

membentuk ikatan kovalen yang sempurna dengan empat atom tetangga

sehingga membentuk suatu kisi kristal. Pada karbon, bentuk

kristalnya adalah intan, sedangkan pada silikon, bentuk

kristalnya keperakan dan tampak seperti material logam.

Material logam cenderung bersifat sebagai konduktor yang baik

untuk listrik karena biasanya logam memiliki elektron-elektron

bebas yang bisa bergerak dengan mudah di antara atom-atom.

Kelistrikan di sini tentunya melibatkan aliran elektron. Meskipun

silikon tampak seperti logam, namun pada dasarnya silikon

bukanlah konduktor yang baik. Seluruh elektron valensi pada

kristal silikon terlibat dalam ikatan kovalen sempurna yang

membuat elektron-elektron tersebut tidak bisa bergerak dengan

bebas. Kristal silikon murni lebih dekat kepada sifat insulator,

hanya sedikit arus listrik yang bisa melaluinya. Namun, kita bisa

mengubah sifat kristal tersebut hanya dengan melalui sebuah

proses yang disebut sebagai doping.

Dalam struktur kristal silikon, seluruh atom silikon berikatan

secara sempurna dengan empat atom tetangganya. Tidak ada elektron

bebas tersisa untuk mengalirkan arus. Hal ini mengakibatkan

kristal silikon secara mendasar merupakan sebuah insulator.

Dalam proses doping, pada dasarnya kita mencampurkan sejumlah

kecil ketidakmurnian (impurity) ke dalam kristal silikon. Ada dua

macam ketidakmurnian ini:

1) Tipe-n: Pada doping tipe-n, unsur fosfor atau arsenik

ditambahkan ke dalam silikon dengan jumlah yang kecil. Fosfor dan

arsenik masing-masing memiliki 5 elektron valensi sehingga ada 1

elektron yang tidak bisa memiliki tempat untuk berikatan di dalam

kristal silikon. Elektron ini bebas bergerak ke sekitarnya. Kita

hanya memerlukan sedikit saja ketidakmurnian untuk menghasilkan

cukup banyak elektron bebas yang bisa membuat arus listrik

mengalir di dalam silikon. Silikon tipe-n merupakan konduktor

listrik yang baik. Karena elektron memiliki muatan negatif, dari

situlah sebutan “tipe-n” berasal.

2) Tipe-p: Pada doping tipe-p, unsur boron dan galium merupakan

pendoping yang biasa digunakan. Boron dan galium hanya memiliki 3

elektron valensi. Ketika unsur ini bercampur dengan kristal

silikon, akan terbentuk suatu “lubang” (hole) pada kisi kristal.

Lubang ini merupakan tempat yang tidak bisa terbentuk ikatan dari

elektron silikon di dalamnya. Ketidakhadiran elektron pada lubang

tersebut memberikan efek muatan positif. Oleh karena itu nama

doping ini adalah “tipe-p”. Hole bisa mengalirkan arus. Sebuah hole

akan menerima sebuah elektron dari tetangganya sehingga hole

tampak bergerak sepanjang ruang. Silikon tipe-p dalam hal ini

juga merupakan konduktor yang baik.

Meski hanya sejumlah kecil doping yang diberikan pada struktur

kristal silikon murni, doping tipe-n ataupun tipe-p dapat

mengubah kristal silikon dari sifat insulator menjadi konduktor.

Oleh karena itu, kita menyebutnya sebagai semikonduktor.

Sebenarnya silikon tipe-n ataupun tipe-p tidaklah istimewa-

istimewa amat, namun jika kita menggabungkan keduanya, akan

muncul sifat yang sangat menarik pada persambungan semikonduktor

tersebut. Sifat unik ini muncul pada perangkat elektronik bernama

diode.

Diode merupakan perangkat semikonduktor paling sederhana yang

mungkin dibuat. Sebuah diode memungkinkan arus untuk mengalir

pada satu arah, tetapi tidak pada arah sebaliknya. Barangkali

kita pernah melihat pintu putar pembatas di stadion atau pusat

perbelanjaan yang hanya bisa dilalui ke satu arah tertentu dan

menghambat orang untuk bergerak mundur kembali ke arah

sebelumnya. Nah, diode bisa dibayangkan seperti pintu tersebut.

Sekarang perhatikan diagram berikut ini.

Pada skema ini arus listrik tidak akan mengalir di persambungan

diode (gambar dari http://howstuffworks.com).

Meskipun semikonduktor tipe-n pada prinsipnya merupakan konduktor

dan tipe-p juga merupakan konduktor, namun kombinasi keduanya

pada persambungan diode seperti pada gambar tidak akan memberikan

arus listrik. Elektron bermuatan negatif pada semikonduktor tipe-

n akan tertarik ke kutub positif baterai, sedangkan hole

bermuatan positif pada semikonduktor tipe-p akan tertarik ke

kutub negatif baterai. Arus tidak mengalir karena masing-masing

hole dan elektron bergerak di arah yang salah.

Nah, jika kita sekarang balikkan arah kutub baterai, arus listrik

dapat mengalir dengan sempurna. Alasannya adalah elektron bebas

di dalam semikonduktor tipe-n akan ditolak oleh kutub negatif

baterai, demikian pula hole di dalam semikonduktor tipe-p akan

ditolak oleh kutub positif baterai. Pada persambungan diode,

elektron bebas dan hole tersebut kemudian dapat bertemu. Elektron

akan mengisi lubang kekosongan yang dibuat hole. Peristiwa ini

terjadi terus-menerus di sepanjang sambungan sehingga sebagai

efeknya arus listrik dapat mengalir.

Diode dapat dimanfaatkan dalam berbagai cara. Salah satu

contohnya, setiap perangkat yang menggunakan baterai biasanya

menyisipkan diode untuk mencegah kesalahan operasi yang terjadi

akibat aliran arus pada arah yang salah. Diode secara sederhana

akan memblok setiap arus yang meninggalkan baterai jika baterai

tersebut dibalik arahnya. Dengan cara ini, perangkat elektronik

yang sensitif terhadap arah aliran arus dapat terlindungi dan

bekerja dengan optimal.

Tentunya ada pula keterbatasan diode disebabkan ketidaksempurnaan

respon arus terhadap tegangan pada diode. Sebuah diode yang ideal

diharapkan dapat memblok seluruh arus ketika diberikan panjar

mundur (reverse-bias) dari suatu baterai. Namun, diode pada

kenyataannya rata-rata masih membiarkan sekitar 10 mikroampere

arus melewati dirinya pada kondisi tersebut. Bahkan, jika kita

memberikan tegangan balik yang terlalu besar pada diode, bisa

jadi sambungan diode tersebut rusak total dan akhirnya seluruh

arus akan mengalir. Untungnya pada kebanyakan kasus, tegangan

yang dibutuhkan untuk merusak diode tersebut masih jauh lebih

besar daripada tegangan yang lazim dijumpai suatu sirkuit

elektronik.

Sementara itu, jika diode diberi panjar maju (forward-bias), pada

kenyataannya kita tetap membutuhkan tegangan minimal agar arus

dapat mengalir melalui persambungan diode. Untuk silikon, nilai

tegangan tersebut berkisar 0,7 volt. Tegangan ini dibutuhkan

untuk memulai proses kombinasi elektron dan hole pada

persambungan diode.

Karakteristik arus dan tegangan pada kebanyakan diode.

Selain diode, perangkat elektronik lainnya yang sangat bergantung

pada teknologi semikonduktor adalah transistor. Transistor dan

diode memiliki beberapa kesamaan sifat. Namun transistor memiliki

sifat unik lain yang dihasilkan dari 3 komponen semikonduktor

yang menyusunnya. Transistor paling sederhana dapat dibentuk

sebagai suatu sandwitch semikonduktor bertipe n-p-n ataupun p-n-p.

Dengan struktur tersebut, transistor bisa berfungsi sebagai

sakelar (switch) serta penguat (amplifier) sinyal listrik, yang

disesuaikan dengan tegangan yang diberikan.

Skema dasar transistor (gambar dari http://howstuffworks.com).

Dalam bentuk paling sederhananya, transistor tampak seperti dua

buah diode yang disambungkan dan berimpit di tengahnya. Kita bisa

menebak bahwa jika kita mengalirkan arus dari salah satu ujung

transistor ke ujung lainnya tidak akan ada arus yang mengalir.

Namun, jika kita berikan sedikit arus pada bagian tengah

transistor, sejumlah arus yang lebih besar dapat mengalir melalui

keseluruhan transistor.

Dengan sifat seperti itu, transistor menjadi komponen elektronik

paling mendasar dalam berbagai rangkaian elektronik yang sangat

kompleks. Chip pada perangkat-perangkat elektronik yang kita

miliki saat ini tersusun dari jutaan transistor yang terintegrasi

dengan sangat rapat dalam ruang yang kecil. Perkembangan

fabrikasi chip ini, yang pada dasarnya bergantung pada sifat

semikonduktor penyusunnya, kemudian menghasilkan beragam

peralatan elektronik yang digunakan masyarakat dalam kehidupan

sehari-hari.

Soal-Soal Sifat-Sifat bahan1. Benda yang termasuk konduktor adalah ….     a. Kawat besi, sendok baja, gunting besi     b. Kain, kayu, udara     c. Ruang hampa, kapas, kain d. Udara, gas, air     e. Semua jawaban di atas benar2. Bahan yang mempunyai sifat konduktor adalah ….     a. Logam     b. Kayu     c. Plastik    d. Karet e. Benang3. Yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada Konduktor adalah Karakteristik … a. Mekanik b. Fisik c. Listrik d. Semi konduktor e. Konduktor4. Kawat yang berpenampang bulat adalah … a. Kawat lilit b. Kawat padat c. Kawat berongga d. Kawat pagar e. Kawat gerbang5. Benda yang tidak dapat menghantarkan panas disebut ….     a. Konduktor     b. Isolator     c. Radiasi     d. Konveksi e. Infeksi6. Bahan yang mempunyai sifat isolator adalah ….    a. Kawat    b. Kain    c. Tembaga    d. Alumunium e. Perak

7. Kayu merupakan bahan isolator sehingga digunakan untuk membuat….     a. Wajan     b. Panci     c. Kompor     d. Gagang panci e. Pisau8. Pegangan setrika terbuat dari kayu karena ….     a. Sifatnya tidak menghantarkan panas     b. Sifatnya menghantarkan panas     c. Sifatnya memindahkan panas     d. Sifatnya ringan dan penghantar panas e. Semua jawaban diatas benar9. Umumnya alat memasak terbuat dari logam karena ….      a. Logam tidak menyerap panas dengan baik      b. Logam menyerap panas dengan baik      c. Logam dapat meningkatkan panas dari kompor      d. Logam tidak mudah menyerap panas e. Logam dapat meningkatkan kinerja kompor10. Tujuan adanya ruang hampa udara pada termos adalah untuk ….     a. Menyimpan panas     b. Menyekat panas     c. Meneruskan panas     d. Menyalurkan panas e. Menjadi konduktor11. Kelompok isolator berikut ini yang benar adalah ….     a. Kayu, besi, tembaga     b. Seng, timbal, kertas     c. Gabus, kayu, karet     d. Emas, tembaga, kayu e. Perak, plastik, benang12. Alat yang menggunakan bahan konduktor adalah ….     a. Piring     b. Ember     c. Setrika     d. Baskom e. Handuk13. Berikut adalah sifat-sifat bahan konduktor, kecuali: a. Daya hantar listrik

b. Koefisian suhu tahanan c. Daya hantar panas d. Kekuatan tegangan tarik e. Kebal terhadap tegangan listrik14. Wolfram merupakan bahan listrik yang berfungsi untuk.. a. Menghantarkan listrik b. Menghilangkan daya hantar c. Tidak menghantarkan panas d. Menyekat panas e. Mengisolasi listrik

15. Air raksa sangat berbahaya apabila disalahgunakan. Tetapi airraksa dapat berfungsi untuk ..

a. Bahan penyekat b. Bahan konduktor c. Bahan isolator d. Bahan khusus e. Bahan magnetis16. Berikut macam-macam bahan konduktor, kecuali …. a. Tembaga b. Perak c. Baja d. Kayu e. Platina17. Nilai tahanan jenis dari perak adalah …. a. 0,32 b. 0,16 c. 0,0016 d. 0,016 e. 0,03218. Minyak kabel dapat berfungsi sebagai … a. Penghantar listrik b. Penghantar panas c. Mengisolasi listrik d. Menghantarkan gas e. Mengisi tangki gas19. Berikut adalah aplikasi dari bahan penyekat adalah... a. Beton        

b. Kabel         c. Sekring d. Rantai e. Saklar20. Berikut adalah sifat-sifat dari bahan listrik, kecuali... a. Konduktor           b. Isolator                c. Semikonduktor d. Magnetik e. Elastis21. Sifat mekanis di mana suatu benda kembali ke bentuk semula setelah diberi gaya adalah... a. Korosi                b. Memuai              c. Elastis d. Menyusut e. Membeku

22. Logam dapat digolongkan dalam dua bagian, yaitu... a. Logam padat, logam cair            b. Logam besi, logam non ferro      c. Logam tanah, logam sintetis d. Logam tanah, logam besi e. Logam sintetis, logam besi23. Berikut yang termasuk logam besi, kecuali... a. Baja karbon             b. Baja paduan             c. Baja tahan karat d. Magnesium e. Besi tuang24. Yang termasuk sifat kimia adalah... a. Korosi                     b. Memuai                  c. Elastis d. Menyusut e. Membeku  25. Apa saja yang mempengaruhi tahanan jenis? a. Massa jenis, suhu                  

b. Medan listrik, massa jenis      c. Medan listrik, suhu d. Tahanan, luas bahan e. Luas bahan, medan listrik26. Apakah bentuk dari persamaan tahanan jenis? a. W= F.S               b. R= ρl/A              c. F= m.a d. I= V/R e. a=V/t27. Apa saja bahan yang termasuk logam non ferro? a. Al, Mg, Cu        b. P, S, Al              c. Cu, Mg, C d. P, Mg, S e. N, F, Cl28. Berikut adalah sifat konduktor sebagai penghantar listrik, kecuali... a. Dayahantarlistrik     b. Dayahantarpanas     c. Massa jenis bahan d. Koefesien temperatur R e. Daya tegangan tarik

29. Apakah satuan dari tahanan jenis? a. Volt                b. Ampere          c. Ohm meter d. m/s      e. volt ampere30. Contoh dari bahan penyekat gas adalah... a. Nitrogen             b. Ebonit                 c. Asbes d. Minyak transformator e. Mikafolium31. Sifat utama yang dimiliki oleh bahan isolator adalah... a. Tahanan yang besar             b. Daya hantar listrik besar       

c. Daya tegangan tarik besar d. Tahan korosi e. Elastisitas tinggi32. Yang merupakan bahan semi konduktor tipe-P adalah... a. Germanium        b. Iodin                     c. Silikon d. Tembaga e. Barium33. Pada saluran kabel tanah, bahan isolator yang sering digunakan adalah... a. Ebonit, XLPE          b. Asbes, ebonit           c. Mikafolium, PVC d. PVC, XLPE e. PVC, asbes34. Contoh dari bahan penyekat cair adalah... a. Nitrogen             b. Ebonit                c. Asbes d. Minyak transformator e. Mikafolium35. Yang merupakan bahan semi konduktor tipe-N adalah... a. Germanium         b. Iodin                    c. Silikon d. Tembaga e. Barium

36. Bahan yang biasa digunakan untuk penyaluran listrik adalah... a. Aluminium, besi        b. Besi, tembaga            c. Besi, magnesium d. Magnesium, tembaga e. Aluminium, tembaga