Download pdf - Materi Ilmu Bahan Listrik

HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT

1

PENDAHULUAN 1 UMUM Ilmu bahan listrik adalah merupakan bagian dari ilmu logam (metalurgie), dimana di dalam bahan listrik terutama dibahas mengenai sifat-sifat bahan yang dipergunakan/ berhubungan dengan listrik. Kita semua telah mengetahui bahwa suatu bahan/ zat terdiri dari molekul-molekul, tiap-tiap molekul terdiri dari atom itu sendiri dibangun oleh satu inti atom bermuatan positif yang disebut proton dan dikelilingi oleh satu atau lebih elektron yang bermuatan negatif. Teori kuantum menyatakan bahwa gerakan elektron-elektron dalam mengelilingi intinya mengikuti lintasan yang berbeda-beda akan tetapi tertentu. Dan untuk setiap lintasan elektron yang tertentu ini memiliki energi yang tertentu pula. Adapun besarnya energi ini tergantung pada jarak rata-rata lintasan elektron tersebut terhadap intinya. Adalah mungkin bahwa beberapa elektron walaupun lintasannya berbeda-beda akan memiliki jarak rata-rata lintasan yang sama, sehingga akan memiliki energi yang sama pula. Elektronelektron yang demikian dikatakan berada dalam satu energi level.

Lintasan elektron-elektron yang berbeda-beda ini dapat dinyatakan dalam beberapa bilangan kuantum, yakni : 1. Principle Quantum Number, n yang menyatakan adanya beberapa bilangan kuantum elektron terhadap intinya. n memiliki harga 1,2,3, 2. Orbital/Angular Momentum Quantum Number, yang menyatakan bentuk lintasan elektron terhadap intinya. mempunyai harga 0 n - 1 3. Magnetik Quantum Number, m yang menyatakan letak lintasan elektron yang satu terhadap yang lain. m mempunyai harga - m 4. Spin Quantum Number, ms yang menyatakan perputaran elektron terhadap porosnya. ms mempunyai harga - dan . Dari kuantum state yang telah disebut diatas terdapat suatu hubungan : 0 n-1 - m (I.1) ms = dan m = 0, ms = jadi untuk n=1 = 0,1 n=2 = 0 m = 0 dan ms = =1 m = -1,0,1 dan ms = dan seterusnya. Dalam bentuk terminologi spektroskopi dinyatakan dalam huruf, yaitu : = 0 dinyatakan dengan huruf S = 1 dinyatakan dengan huruf p = 2 dinyatakan dengan huruf d = 3 dinyatakan dengan huruf f = 4 dinyatakan dengan huruf g = 5 dinyatakan dengan huruf h = 6 dinyatakan dengan huruf i


2

ENERGI ELEKTRON Seperti yang telah diuraikan di atas, bahwa elektron adalah merupakan bagian dari suatu atom. Istilah atom berasal dari kata Atomas (bahasa Yunani kuno) berarti yang pertama, tidak dapat di bagi.: 1. Teori Atom Demokritus Demokritus (460 370 SM) menyatakan bahwa atom merupakan bagian terkecil dari benda. 2. Teori Atom Dalton Dalton (1766 1844) mengemukakan dalam teorinya tentang atom suatu unsur, seperti berikut : Bahwa atom merupakan bagian terkecil suatu unsur yang tidak dapat dipecah/ dibagi lagi. Bahwa atom suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain. Bahwa untuk atom dari unsur yang sama, akan mempunyai berat atom/ nomer massa, ukuran dan massa yang sama. Bahwa pada reaksi kimia, massa atom sebelum dan sesudah reaksi adalah tetap, selain itu penggabungan dari atom-atom ini mengikuti suatu perbandingan yang tetap (tertentu). Bahwa bila suatu 2 macam atom membentuk suatu senyawa atau lebih, maka perbandingan atom-atom yang sama pada senyawa tersebut merupakan bilangan bulat yang sederhana, missal 3:2; 3:4 dll. 3. Model Atom Thomson Setelah penemuan electron yang merupakan bagian dari suatu atom pada tahun 1897, selin itu bahwa suatu atom dalam keadaan normal tidak bermuatan, diguanakan oleh Thomson untuk menyusun teori model atomnya sebagai berikut : bahwa atom terdiri dari muatan positif yang tersebar merata diseluruh isi atom dan electron-elektron juga tersebar didalamnya, dimana muatan positif atom sama dengan muatan negatif dari elaktronya, sehingga atom menjadi netral. 4. Model Atom Rutherford Menurut Rutherford, elektron dalam sebuah atom bergerak mengelilingi intinya berbentuk lingkaran. Atom Hidrogen (H) mempunyai satu electron. Electron ini bergerak mengelilingi intinya (berupa lingkaran) dan dapat digambarkan sebagai berikut : Ek=1/2 (mV2) Ep= -ks2 r2

Gambar 1.1 Bagan gaya tarik antara inti dan electron Hidrogen. Energi electron yang ada dalam lintasannya terdiri dari : Energi potensial2 Ep = - k e ..(1-2)

r

Energi kinetik Ek = mV2 =r mV x 2 r2

=

r s2 xk 2 2 r

=

k 2

e2 r

..

(1-3) dimana : e = muatan electron = 1,60 x 10-19 Coulomb r = jari-jari electron terhadap intinya. Newton .m 2 K= konstanta = 9 X 109 = Coulomb 2 ks2 r2

= gaya tarik antara inti dan electron


3

yang besarnya = gaya

sentrypetal

mV r

2

.


4

Sehingga energi total electron : E = -

k .e 2 k .e 2 + r 2r k .e 2 =.(1-4) r

Apabila r besar, maka harga E akan kecil. Oleh karena itu, harga E makin kecil apabila harga r makin besar. Arus listrik diasumsikan sebagai electron yang bergerak, dimana arahnya berlawanan dengan arah gerakan electron tersebut. B A A Adanya arus listrik, maka akan menimbulkan medan magnit yang arahnya berubah-ubah, maksudnya arah medan pada waktu berada pada titik A (tegak lurus pada bidang gambar yang menuju ke kita), berbeda dengan pada waktu dititik B (tegak lurus pada bidang gambar dan meninggalkan kita). Jadi akan terjadi medan magnit yang selalu berubah-ubah secara periodic. Electron yang bergerak mengelilingi intinya ini akan menimbulkan gelombang-gelombang elektromaknetik. Dengan perkataan lain electronelektron ini akan memancarkan energy. Karena memancarkan energi, maka energi electron makin lama makin menyusut, sehingga jari-jari lintasanya akan mengecil. Jadi lintasan electron tidak lagi merupakan lingkaran dengan jari-jari yang sam, melainkan merupakan putaran berpilin yang mendekati intinya, sehingga dikatakan bahwa atom Hidrogen tidak stabil. Hal ini merupakan keberatan yang pertama dari atom model Rutherford. Adapun kedua dapat dijelaskan sebagai berikut : Bila electron mempunyai lintasan yang makin menciut, maka waktu putaranyapun akan semakin bertambah sedikit. Sehingga frekwensi gelombang elektromaknetis yang dipancarkanya menjadi bermacam-macam. Jadi atom Hidrogen bukanya menunjukan suatu spectrum yang kontinu (hal ini bertentangan dengan hasil pengamatan dengan spectrometer yang menunjukan garis-garis khas dari atom Hidrogen). Gambar 1.2 Gerak Elektron dan Arah Gaya Magnit.

: 3

4

5

6

7

8

~ Spektru m kuantum

=4,86x10-7 m Biru

=4,34x10-7 m ungu

=3,65x10-7 m

=4,10x10-7 m Ultra ungu

=6,56x10-7 merah


5

5. Model Aton Bohr Hasil spektrometer menunjukkan bahwa spektrum hidrogen terdiri dari deretan garis-garis yang terpisah-pisah menurut aturan tertentu yang dikenal sebagai deret Balmer. Niels Bohr (1885-1962) menyusun model atom hidrogen di dasarkan pada model atom Rutherford dan teori kuantum pada tahun 1913 berdasarkan dua postulat, yaitu : Elektron tidak dapat berputar sekitar inti melalui setiap lintasan, akan tetapi hanya melalui lintasan-lintasan tertentu tanpa membebaskan energi. Dimana dalam lintasan ini elektron mempunyai momentum anguler sebesar : m.V.r = n dimana : n = bilangan kuantum h = konstanta plank Sebuah elektron akan menyerap atau memancarkan energi apabila bergerak dari lintasan yang satu ke lintasan yang lain. energi ini berupa suatu foton cahaya sebesar : h.f (f = frekuensi foton) = (n1 n2) dimana : n1 = bilangan kunatum lintasan elektron awal n2 = bilangan kuantum lintasan elektron setelah perpindahan Jadi bila elktron bergerak dari lintasan yang mempunyai energi tinggi berpindah ke lintasan yang mempunyai rendah foton tersebut dipancarkan, apabila terjadi sebaliknya maka foton tersebut akan diserap. Dari persamaan (1-5) kelihatan bahwa besarnya energi akan berubah pada setiap lintasan denganh 2h .. (1-6) 2

1.

h 2

(1-5)

2.

, dan kecapatannya adalah :n.h , bila dikwadratkan menjadi : 2.m.r

V= V2 =

n h2 4 2 m 2 r 2

k .e 2 V2 = m.r

}

n2 r= m.e 2 k

( 2h )2

Harga konstanta-konstantanya adalah : m = masa elektron 9 x 10-31 Kg e = muatan elektron = 1,60 x 10-19 Coloumb Newton .m 2 k = konstanta yang besarnya = 9 X 109 Coulomb 2 h = konstanta plank = 6,62 x 10-34 Joule detik sehingga untuk harga : n = 1 jari-jari lintasan elektron r = 5,28 x 10-11 m = 0,528 Angstrom n = 2 r = 4 x 0,528 Angstrom = 2,112 Angstrom


6

SUSUNAN BERKALA UNSUR-UNSUR Bohr dan Stoner menyusun model-model atom berdasarkan pada pola atom hidrogen. Tiap atom tersusun oleh inti atom yang bermuatan positif dengan satu atau beberapa elektron di sekitarnya yang bermuatan negatif. -e -e N=1 Z=1 HIDROGEN 10+ n=1 z=2 HELIUM -e -e -e -e n =2 z=3 LITHIUM + 12 -e

11+ -e

-e -e N= 2 n=3 n=3 Z = 10 z = 11 z = 12 NEON NATRIUM MAGNESIUM Gambar 1.4 Skema Bohr dan Stoner untuk beberapa unsure susunan berkala. Hampir seluruh massa atom terdapat pada intinya. Massaq suatu atom sama dengan bobot atom unsure atom tersebut dikalikan satuan massa atom. Nomor atom Z menunjukan muatan positif inti dan jumlah electron yang mengelilinginya. Atom Lithium, dengan Z=3, mempunyai 3 muatan positif pada inti dan 3 elektron pada kedua lintasanya. Atom Kalsium dengan Z=19, mempunyai 19 muatan positif pada inti dan 19 elektron pada lintasan-lintasanya. Electron-elektron bergerak pada lintasannya. Menurut model atom Bohr lintasanlintasan dengan n=1,2,3.dan seterusnya dinamakan kulit-kulit electron. Dimulai dengan Hidrogen, kulit atom unsure-unsur berturut-turuit mempunyai 1 elektron, 2 elektron pada Helium dan seterusnya. Kulit electron yang pertama, n=1, dikatakan telah penuh apabila mengandung 2 elektron. Kulit yang kedua, n=2, telah penuh apabila mengandung 8 elektron, kulit yang ketiga, n=, penuh apabila terisi 18 elektron dan seterusnya, bila kulit ke n telah terisi 2 n2 elektro, m,aka kulit tersebut telah penuh dan merupakan kulit yang tertutup. Jadi untuk kulit-kulit tertutup berl;aku ketentuan : (table 1.1) Table 1.1. jumlah electron tertutup dalam tiap kulit. Bilangan kuantum (n) 1 2 3 4 ..dst Jumlah electron (2n2) 2 8 18 32 Yang dimaksud dengan jumlah electron pada table 1.1 diatas adalah untuk jumlah electron pada kulit terluar bila dalam keadaan penuh/tetutup. Sedangkan bila setelah dijumlahkan electron-elektronnya, maka sisa elejktron tersebut terletak pada kulit terluar (terbuka) dan electron-elektron sisa inilah mudah keluar dari ikatan intinya bila mendapat pengaruh dari luar. Hal ini dapat dilihat pada gambar 1.4. untuk atom unsure magnesium yang mempunyai 12 elektron, dariu table 1.1 dapat dilihat : - Pada kulit 1 (n=1) ada 2 elektron. - Pada kulit 2 (n=2) ada 8 elektron. Total electron pada kulit 1 dan 2 adalah 10 elektron, ini berarti 2 elektron sisanya berada pada kulit ke 3. perincian jumlah electron pada kulit-kulitnya tersebut diatas juga dapat dihitung dari terminology . Berikut (table 1.2) diberikan jumlah electron atau nomor atom dari unsure-unsur atom :


7

Nomo r atom 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 55 56 57 58 59

Unsur Hidrogen Selium Lithium Berallium Baron Karbon Nitrogen Oksigen Flour Neon Natrium Magnesium Aluminium Silicon Pospor Belerang Khlor Argen Kalium Kalsium Seanidium Titanium Vanadium Chromium Nangan Besi Cobalt Casium Barium Cerium

Tabel 1.2 Tabel Unsur-unsur Atom Deret Nomo Simbol Unsur atom r atom 1,00 H 28 Nikel 8 4,00 Ne 29 Tembaga 3 Li 6,94 30 Seng 9,01 Be 31 Gallium 3 10,0 B 32 Germanium 2 12,0 C 33 Arsenio 1 14,0 N 34 Selenium 1 O 16 35 Bromine F 19 36 Krypton Ne 20,1 37 Rubidium 22,1 Na 38 Stroatium 9 24,5 Mg 39 Xitrium 8 16,9 Ai 40 8 28,0 Si 41 Hiobium 9 30,9 P 42 8 32,0 S 43 Technetium 7 33,4 Cl 44 6 39,4 A 45 4 K 39,1 46 40,0 Ca 47 Perak 6 44,9 Se 48 Cadmium 6 Ti 47,9 49 Indium 50,9 V 50 Timah 5 52,0 Cr 51 1 54,9 Nn 52 Tellurium 4 55,8 Fe 53 Iodiae 5 58,9 Co 54 Xenen 4 79 Air raksa 80 Thallium 81 Timah hitam Ce 82 Eismeth 83 Polonium

Simbol Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr X

Deret atom 58,71 63,54 65,38 69,78 72,59 74,92 78,96 79,91 83,8 85,47 87, 63 .. . . .. . 101,1 102,9 108,4

Mg Tl

200,6 204,4


8

60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 Yeterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platina Emas Re Os Ir Pt Au Promethium Europium Terbium Dyaprosium Holmium Erbium Eu Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta

144, 3 -147 152 158, 9 162, 5 164, 9 167, 3 168, 9 173 175 178, 5 181 183, 9 186, 2 190, 2 192, 2 195, 1 197

84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101

Astatine Francium Nadium Actinium Thorium Protectinum Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Hendelevium Hebelium U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Fr Ac Th

-237 -242 -243 -245 -249 -249 -253


9

IKATAN ANTAR ATOM DAN ANTAR MOLEKUL Sebagaimana telah diuraikan didepan bahwa suatu benda terdiri dari molkul-molekul (ikatan atom). Ayom itu sendiri terdiri dari inti (proton) dan electron yang mengelilingi intinya. Macam-macam ikatan : 1. Ikatan Ionik. 2. Ikatan Kovalen. 3. Ikatan logam. 4. Ikatan-ikatan kombinasi. 5. Ikatan van der Haole. 6. Ikatan Hidrogen. 1. Ikatan Ionik. Pada atom-atom yang mempunyai kuilit electron tertutup, misalnya atom He dan Be sukar bereaksi, sehingga dikatakan atom dalam dalam keadaan stabil. Sebuah atom cendarung untuk memperoleh atau memberikan elektronya sehingga akan mempunyai kul;it yang tertutup dengan bekerjasama dengan atom lain. Atom Li yang mempunyai 3 elektron, 2 pada kulit yang pertama dan 2 pada kulit terluar, lebih senang untuk melepaskan 1 elektron yang terluar tersebut. Atom F dengan 9 elektron lebih senang untuk menangkap 1 elektron lagi. Dengan demikian kedua atom ini dapat bekerjasama membentuk molekul LiF dengan memindahkan 1 elektron Li ke F. Ayom Li1+ dan atom F menjadi ion F1-. Ikatan yang timbul ini adalah ikatan elektrostatik atau disebut juga ikatan ion, yang dapat digambarkan sebagai berikut : +

+

+ (F) + .ev ( Li + ) + (y - ) Gambar 1.5 Perpindahan electron pada LiF. Ion-ion yang terbentuk tarik-menarik secara elektrostatik. 2. Ikatan kovalen. Atom-atom yang tidak mungkin mengadakan perpindahan electron masih dapat mengadakan ikatan-ikatan dengan cara pemakaian bersama sepasang electron atau lebih, hal ini biasanya dinamakan pasangan electron sekutu. Dan ikatannya dinamakan ikatan kovalen. Atom Hidrogen hanya mempunyai 1 elektron, sedangkan menurut aturan yang ada, agar atom menjadi stabil memerlukan dua electron pada kulit pertama. Oleh karena itu 2 atom Hidrogen dapat memanfaatkan secara bersama kedua electron yang dimilikinya dan terbentuklah molkul H2, yang dapat digambarkan sebagai berikut : -e -e -e + ( Li ) H + H H2 -e Gambar 1.6 Ikatan kovalen pada molekul H2. Pada molekul ini electron sekutu akan mnengitari kedua inti Hidrogen. Untuk mengimbangi gaya tolak listrik antara kedua inti atom Hidrogen, maka electron sekutu tadi lebih sering ada diantara kedua inti dari pada disebelah luar inti-inti tersebut. Bila jarak antara gaya tolak-menolak kedua inti dengan Hidrogen adalah 7,24x10-11m, maka terjadilah keseimbangan antara gaya tolak-menolak kedua inti dengan gaya tarik-menarik inti dengan electron. Atom-atom unsure lain, misalnya karbonm, silicon germanium juga mempunyai kecenderungan membentuk ikatan kovalen. Perbedaanya pada unsure-unsur ini ialah terbentuknya molekul yang sangat besar yaitu bahan padat. Pada umumnya


10

senyawa kovalen tidak sepadat senyawa ion, molekul-molekul unsure murni merupakan senyawa kovalen. 3. Ikatan logam. Ikatan yang terjadi pada kristal logam oleh atom-atomnya tidak dapat dikatakan ikatan ion atau kovalen. Pada ikatan ion atau kovalen, electron terikat pada atyom tertentu. Pada logam, kulit terluar atom hanya mempunyai sedikit electron. Electron-elektron tersebut mudsh dilepaskan bebas, dan bergerak bebas meninggalkan ion-ion logam yang bermuatan opositif. Dengan demikian day a ikat yang terjadi seolah-olah terbentuk dari muatan positif ion yang diletakan dalam kabut muatan negative yang homogen\, ikatan seperti ini disebut ikatan logam. 4. Kombinasi ikatan-ikatan. Ada zat yang atom-atomnya terikat dengan cara lebih dari satu macam, pada Hidrogenchlorida HCL misalnya, electron-elektron valensinya dapat terbagi berdasarkan 2 macam konfigurasi, yakni berdasarkan ikatan ionic dan ikatan kovalen. +

H Cl H HCl Gambar 1.7 Dua alternative bentuk HCL. Kemungkinan tersebut tergantung pada keadaan. Ikatan ionic lebih banyak terjadi bila HCL ada dalam bentuk larutan, sedangkan ikatan kovalen bila berbentuk gas. Dengan demikian ikatan seperti ini dapat dianggap sebagai kombinasi antara ikatan dan ikatan kovalen. 5. Ikatan Van der Waals. Ikatan ionic, kovalen dan logam meruoakan ikatan yang kuat. Selain itu ada pula gaya tarik-menarik antar atom yang tidak sebarapa kuat yang dinamakan ikatan Van der Waals. Kulit atom Helium merupakan kulit tertutup dengan 2 elektron. Demikian pula kulit luar gas mulia lainnya seperti Neon dan Argon mempunyai kulit terluar tertutup dengan delapan electron. Atom-atom gas nulia ini tidak dapat mengadakan ikatan secara kovalen maupun ikatan ion. Atom-atom ini mempunyai ikit gaya tarik-menarik dan pada umumnya tetap bersifat monoton pada suhu biasa. Gas-gas ini baru akan mengembun pada suhu yang sangat rendah. Pengembunan ini meruoakan bukti bahwa ada gaya tarik-menarik antar atom yang lemah. Ikatan Van der Waals juga terjadi antar molekul, misalnya antar molekul-molekul metana CH. Pada suhu yang rendah zat ini dapat berbentuk padat. 6. Ikatan Hidrogen. Ikatan antara Hidrogen dengan atom oksigen dari molekul air yang berlainan merupakan daya tarik-menarik antara molekul-molekul, sehingga berhak dinamakan im\katan, yakni ikatan Hidrogen. Ikatan ini tidak hanya terdapat pada air, tetapi juga pada Amoniak NH3,Hidrogenfluorida HF, dan seterusnya. Ikatan Hidrogen tidak hanya terjadi antara molekul-molekul yang serupa. Amoniak dan Amoniumsuliida sangat mudah larut dalam air, karena ikatan Hidrogen antara molekul-molekul yang berlainan.


11

BENDA PADAT Benda padat sebagai molekul raksasa dimana setiap centimeter kubiknya mengamdung sekitar 1023 atom, tentunya akan memiliki berbagai sifat yang tergantung pada ikatan-ikatan electron, atom dan molekul yang membangunnya. Atom-atom pada suatu benda terikat satu dengan lainnya menurut bernagai cara seperti yang telah diuraikan didepan. Misal, garam dapur terdiri atas atom-atom Natrium dan Clor yang terikat secara ionic. Intan terdiri atas atom-atom Karbon yang saling terikat secara kovalen. Kawat tembaga terdiri atas atom-atom tembaga yang saling terikat menurut ikatan logam. Metan padat pada suhu yang rendah adalah merupakan kumpulan atom-atom Karbon dan Hidrogen yang berpasangan secara kovalen dalam molekul CH4 dan kemudian mo;ekul-molekul tersebut saling mengikat dengan ikatan Van der Waals. Dengan menggunakan sinar cahaya yang mempunyai panjang gelombang antara 4000 s/d 8000 Angstrom, kita tidak akan dapat mengamati bagaimana secara tepatnya atom-atom itu mengatur dirinya dalam molekul raksasa, sebab diperkirakan jarak antara atom-atom dalam zat padat hanya beberapa Angstrom saja. Sinar X dengan panjang gelombang beberapa Angstrom, jika dikenakan pada zat padat kebanyakan dapat menghasilkan gambar pola-pola difraksi. Hal ini menunjukan keteraturan letak atom-atom tersebut pada zat padat yang bersangkutan. Ada juga zat padat yang tidak dapat memberikan pola difraksi yang jelas ketika disinari dengan sinar X, misalnya bahan Gelas. Rupanya aturan atom-atom dalam bahan semacam ini tidak serapi bahan kristal. Bahan yang demikian ini dinamakan bahan AMORF (tanpa bentuk). Selain itu sifat-sifat zat padat ternyata tidak semata-mata ditentukan oleh atomatom pembentuknya. Kristal Intan misalnya, terdiri atas atom-atom Karbon yang tersusun menurut aturan tertentu, bahan ini terkenal sangat keras dan berwarna bening, sehingga merupakan batu perhiasan yang sangat mahal harganya. Di lain pihak, Arang juga terdiri atas atom-atom Karbon akan tetapi warnanya hitam, tidak keras dan mudah sekali dibuat sehingga harganya murah. Dari penyelidikan sinar X ternyata bahwa kristalarang mamiliki struktur kristal Intan. Hal ini menunjukan bahwa betapa perubahan cara mengatur atom saja dapat merubah bahan padat. Saat ini sudah terdapat intan-intan buatan yang berasal dari arang dimana letak atom-atom karbonnya diatur sehingga menjadi aturan intan. E Allowed band Gap Forbidden band

Allowed band Gambar 1.11 Diagram pita energi pada suatu benda. Keterangan gambar : 1 Masing-masing pita energi menunjukan bahwa disitu boleh terdapat electron (ada quantum state electron) akan tetapi belum tentu ada. Pita energi yang demikian disebut ALLOWED BAND. 2 Antara allowed band dipisahkan oleh celah atau gap. Didalam celah ini tidak boleh ada electron. Energi gap atau celah energi demikian ini disebut FORBIDDEN BAND.


12

Electron yang terdapat pada benda padat dapat dibedakan dalam 3 keadaan : 1 Elektron bebas. Artinya electron yang bebas bergerak dari satu atom ke atom yang lain, yang dapat digambarkan sebagai kabut electron yang mengelilingi atom. Benda padat yang demikian (yang mempunyai electron bebas) mudah menyalurkan arus listrik. 2 Elektron konduksi. Electron konduksi adalah electron bebas yang dihasilkan oleh karena adanya pengaruh dari luar (dapat berbentuk panas dan sebagainya). Semi konduktor.

pita valensi _ electron konduksi

muatan positif hole pita valensi Gambar 1.12 Proses terjadinya electron konduksi. 3 Elektron tak bebas. Electron ini tidak mudah lepas dari ikatan intinya, walaupun terdapat ekstasi dari luar. Biasanya electron tak bebas ini terdapat pada benda padat (metal) dengan hantaran listrik yang kecil atau sering disebut juga bahan isolator. Jadi suatu energi band (pita energi) selalu mengandung pita valensi dan allowed band yang berada diatasnya yang disebut pita konduksi. Dengan mempelajari diagram piuta energi ini, maka dapatlah ditentukan apakah suatu bahan termasuk dalam keluarga bahan penghantar, penyekat atau bahan semi konduktor. CB OL VB Keterangan : C.B F.B V.B O.L : Conduct band : Forbidden band (celah) : Valensi band : Over laping FB VB CB FB

+

CB VB

Penjelasan : 1. Bahan konduktor/penghantar. Pada diagram pita energi bahan konduktor (gambar diatas) tidak terdapat celah energi/fprbidden band, dan bahkan terdapat over lapping (tumpang- tindih) antara pita konduksi dan pita valensi, sehingga dengan mudah electron bebas dapat berpindah dari pita valensi kepita konduksi. Oleh karena itu bahan konduktor mempunyai banyak sekali pembawa muatan. 2. Bahan semi konduktor. Energi gap pada bahan semi konduktor (gambar 1.12b) adalah kecil sekali, dengan adanya celah ini meskipun kecil maka electron yang terdapat dalam pita valensi tidak dapat berpindah kepita konduksi. Apabila temperaturnya dinikkan, maka terdapat sejumlah kecil electron pada pita valensi yang berpindah ke pita konduksi (karena adanya petambahan temperature akan menimbulkan tenaga


13

termis yang cukup untuk dapat memindahkan/mengeluarkan electron dari ikatannya), dan bertugas sebagai pembawa muatan. 3. Bahan isolator. Pada bahan isolator (gambar 1.12c) terdapat celah energi besar sekali, sehingga electron yang terdapat pada pita valensi sulit untuk dapat berpindah kepita konduksi meskipun temperature dinaikkan. Oleh karena itu pada pita konduksi tidak terdapat pembawa muatan. Klasifikasi Berdasarkan penggunaannya, maka bahan listrik dapat dibedakan atas 6 (enam) macam yaitu : 1. Bahan penghantar (konduktor). Bahan penghantar (konduktor) adalah bahan yang mempunyai sifat menghantarkan arus listrik dengan baik. Dapat dipergunakan untuk memindahkan/menyalurkan energi listrik. Tahanan listriknya tidak begitu besar. Electron bebasnya dapat bergarak cepat sekali, pada temperature kamar harganya sekitar 100 km/detik. Bila bergerak tidak dalam pengaruh dalam beda potensial, maka gerakannya tidak beraturan dan bila dalam pada potensial, maka akan terjadi Drift velocity (kecepatan mengalir) dari electron dengan rumus : Vd= -E ..(1-8) Dimana : Vd = drift velocity (cm/dt) = mobilitas E = Kuat medan listrik (Volt/cm) Resistivitynya sekitar 10-2 Ohm-cm. 2. Bahan isolator. Bahan isolator adalah bahan yang sulit menghantarkan arus listrik. Electron-elektron pada bahan ini sulit bergerak bebas, karena terikat oleh inti atomnya. Tahanan listriknya besar sekali. Resistivitynya sekitar 1012 Ohm-cm. 3. Bahan super konduktor. Bahan super adalah bahan dimana pada temperature yang rendah 4,50 K tahanan listriknya berubah (turun). 4. Bahan semi konduktor. Bahan semi konduktor adalah bahan yang pada keadaan biasa/temperature kamar sulit untuk menghantar/menyalurkan arus lisatrik, tetapi bila ada pengaruh dari luar sifatnya berubah menjadi mudah/menghantar/menyalurkan arus listrik. 5. Bahan magnetic. Bahan magnetic adalah bahan yang dapat mempunyai sifat magnit. Sifat magnit ini, ada yang dari asalnya, ada yang karena pengaruh luar. Dapat menyalurkan garis-garis gaya magnit. 6. Bahan struktur. Bahan struktur adlah bahan yang dipergunakan sebagai penunjang atau ada kaitanya dengan pemakaian aliran listrik.


14

BAHAN PENGHANTAR Definisi adalah suatu bahan yang digunakan sebagai pembawa aliran listrik. Hal-hal penting: - Daya hantar listrik (electrical conduktivity) - Daya hantar panas (thermal conduktivity) - Sifat mekanis - Kemampuan menghantarkan listrik Karakteristik penghantar: 1. Karakteristik Listrik Tahanan (R): Tahanan listrik adalah suatu besaran yang menyatakan adanya hambatan dari bahan penghantar dalam menyalurkan aruslistrik. Besarnya tahanan listrik tergantung pada: - Tahanan jenis () mm2/m - Panjang saluran ( ) m - Luas penampang saluran (A) mm2 - Temperatur saluranR = A

Konduktifitas tergantung pada kemurnian bahan

%% ketakmurnian a.

=

Simens . m m 1 = 2 2 mm mm

Pengaruh temperatur pada tahanan - Untuk bahan murni Tahanan listrik suatu penghantar murni akan naik bila temperatur naik. R R2 = R1 { 1 + ( t2 t1 ) } = koefisien suhu 0,004 - Untuk bahan campuran 0 K Pertambahan tahanan listrik relatif kecil dengan pertambahan temperatur. Misalnya : Eureka (Cu (60 %) & Ni (40 %)) ; = 0,00001 Konstantan, Nikrom (Ni Cr)

b. Pengaruh Skin Effect Definisi : suatu fenomena yang terjadi pada bahan penghantar dimana terdapat distribusi kerapatan arus yang tidak merata pada penampang bahan penghantar yang dialiri arus AC yang tergantung pada frekuensi. Sebab-sebab terjadinya skin effect : - Distribusi kerapatan arus yang merata hanya terjadi pada rangkaian yang dialiri arus searah. - Pada rangkaian arus bolak-balik terjadi flux yang menyebabkan induksi diri, tegangan induksi diri tidak merata pada penampang konduktor diri dan tegangan induksi / imbas menenatang perubahan arus yang menimbulkanya sehingga kerapatan arus yang lebih tinggi terdapat lebihdekat pada permukaan. - Karena induktansi pusat lebih besar daripada di luar, maka makin jauh dari pusat, induktansi makin kecil, makin tinggi frekuensi dan makin besar diameter serta permeabilitas dari konduktor, akan makin besar pula perbedaan tegangan yang terjadi antara pusat pusat dan permukaan. Akibatnya : terdapat peningkatan resistansi efektif atau seolah-olah penampang konduktor mengecil.


15

Cara mengatasi : - frekuensi kerja direndahkan. - diameter penghantar diperkecil stranded. ds - bahan dipilih yang mempunyai permeabilitas kecil. Edx E

Hxds = Ix At r1 < r2 H1 > H2 Hx = dIx/ds Hx = Ix/2x 1 > 2 L = d /di ; l = d / df = d / di * di / df L1 > L2 = L * di / df l1 > l2 = L . di / df I1 < I2

Flux = medan magnet yang menembus suatu media (0) pada suatu luasan tertentu 2. Karakteristik Mekanis Adalah kemampuan yang harus dipunyai bahan listrik terhadap segala gaya atau tekanan / tarikan yang ada padanya. Kekuatan tarik akan naik dengan bertambahnya jumlah campuran. Kekuatan tarik kg/mm2 Kekuatan : adalah ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkanatau merusak bahan. Kekuatan tarik : suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimal dengan luas penampang mula.

Ts Ts =

gaya yang diberikan (kg) luas bidang lekukan (mm 2 )

murni

campuran

3. Kapasitas penyaluran arus Adalah kemampuan penghantar untuk dialiri arus listrik tanpa mengakibatkan perubahan bentuk / terjadinya panas yang berlebihan. 4. Daya hantar panas Adalah jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap satuan waktu: kkal/m.jam.oC 5. Timbulnya daya elektromotoris thermo Adalah daya elektromotoris yang terbangkit oleh perbedaan panas. Sifat ini penting pada kontak yang terbuat dari bahan yang berlainan. Setiap logam mempunyai muai panjang yang berbeda. Bila dua bahan yang berlainan disatukan menjadi bimetal dan dipanasi akan melengkung ke arah logam yang mempunyai muai panjang lebih kecil.

Jenis-jenis penampang penghantar - Bulat - Segi empat ( tebal dan tipis ) - Kanal - Stranded - Sesuai pesanan


16

BENTUK BAHAN KONDUKTOR - Padat - Cair - Gas Bahan konduktor berbentuk padat Tembaga : 00 200 Sifat listrik : cu lunak 0,01589 0,01742 mm2/m cu kasar 0,0160 0,0177 mm2/m 0 Sifat fisik : Daya hantar panas 0,93 cal/cm.sec. C. Tahan korosi sampai suhu yang tidak terlalu tinggi. Titik lebur 1080 0C. Sifat mekanik : - Kekuatan tarik cukup tinggi 40 s/d 50 kg/mm2 - Kekuatan tarik akan turun bila temperatur naik - Tembaga keras: bila dikehendaki tegangan tarik yang tinggi, kekerasan & daya tahan terhadap kerusakan. - Tembaga lunak: bila dipentingkan lenturnya. Penggunaan : - Sebagai penghantar pada inti kabel, Kumparan generator, trafo, motor dsb. - Sebagai pengukur temperatur (thermocouple): Cu 56 % & Ni Vm Campuran tembaga untuk memperbaiki konduktivitasnya menurun. Misal : - Timah perunggu / bronze Nikel konstantan Mangaan & Ni manganin Aluminium duralium Seng (Zn) kuningan / braso sifat mekanis, namun

Aluminium 00 200 Sifat listrik : 0,0262 0,0287 mm2/m 0 Sifat fisik : - Daya hantar panas 0,5 cal/cm.sec. C - Daya tahan terhadap korosi lebih besar daripada tembaga - Berat jenis 13 lebih kecil dari tembaga - Al tidak baik dipatri tetapi dapat dilas - Titik leburnya 660 c Sifat mekanik : - Kekuatan tariknya lebih rendah dari tembaga 15 23 kg/mm2 dan bila dipanaskan kekuatan tariknya turun - Mudah dikerjakan dibengkokkan dan dipres. Penggunaan : - Sebagai penutup transistor, karena daya hantar panas yang cukup rendah - Sebagai pelindung dari peralatan terhadap radiasi gelombang elektromagnet, karena Al termasuk bahan non magnetis - Sebagai kawat jaringan & inti kabel, karena ringan & daya hantar listriknya tinggi : - Daya hantar listrik 65 % dari Cu pada kemurnian 99,5 % - Untuk penguat digunakan baja ( 46 360 kg/mm2) ACSR - Sebagai rotor motor asinkron jenis squirrel cage, - Dll. Campuran Al : - Cu, Si, Mn, Mg


17

Bahan-bahan campuran : 1. Kuningan / Braso : adalah merupakan campuran / Alloy Cu dan Zn Sifat-sifatnya : - = 0,09 mm2/m - Warnanya kuning - Tegangan tariknya 23 s/d 40 kg/mm2 (cukup besar) - Lebih murah dari Cu murni - Mudah dikerjakan walau dalam keadaan dingin - Kurang cocok dipakai di udara terbuka, karena keretakan akibat tarik-tekan - Titik leburnya 900 0C Penggunaan : - Jarang dipakai sebagai penghantar, karena rendah - Sebagai penyalur gelombang UHF 2. Perunggu / Bronze : merupakan bentuk sederhana dari Alloy Cu & Sn (Timah) Sifat-sifatnya : - = 0,178 mm2/m (lebih besar dari kuningan) - Titik leburnya 1040 0C - Tegangan tarik 20 s/d 40 kg/mm2 - Tahan terhadap korosi Penggunaan : - Jarang dipakai sebagai penghantar, kecuali bila sifat tahan korosi yang diutamakan - Sebagai hantaran-hantaran halus / sinyal-sinyal lemah (telegraph), telephon & kawat untuk keamanan pada KA Klasifikasi Penghantar 1. Berdasarkan susunan material - Kawat dari logam murni (baik logam lunak (soft drawn) maupun logam keras (hard drawn)) - Kawat dari logam campuran, misalnya: AAAC, ACAR (sifat-sifat baru) - Kawat dari logam paduan, misalnya: ACSR (sifat-sifat tetap) Ad. Campuran : secara kimiawi timbul sifat baru Ad. Paduan : secara fisik masing-masing tetap mempunyai sifat awal 2. Berdasarkan susunan kawat / penampang - Kawat pejal (solid) - Kawat berlilit (stranded) - Kawat berongga (hollow) - Kawat serabut a. Kawat pejal (solid) Adalah kawat tunggal yang padat (tidak berongga) dan berpenampang bulat. Umumnya berpenampang s/d 10 mm2. Lebih fleksibel dalam mengerjakan/pemasangan b. Kawat berbilit (Stranded) Bila di kehendaki penampang yang lebih besar (>10 mm2), maka digunakan susunan berlilit umumnya terdiri 7 s/d 6 buah kawat tunggal, yang dililit, menjadi satu. + untuk mengurangi Skin Effect c. Kawat berongga (hollow) Adalah kawat berongga yang dibuat dengan tujuan untuk : mendapatkan garis tengah luar konduktor yang lebih besar, sehingga pendinginnya lebih sempurna dan untuk didapatkan sifat kekakuan, misalnya : pada bus bar G1. d. Kawat serabut Adalah kawat inti kabel + untuk mengatasi Skin Effect

-


18

Corona : Beberapa masalah yang di timbulkan oleh penerapan tegangan tinggi: - Isolasi penghantar dan peralatan - Gejala korona RI Power loss/hilang korona - Masalah keamanan terhadap hewan, manusia, dan lingkungan. Corona : - Sinar/pijaran di sekitar konduktor tegangan tinggi Merupakan fenomena ioninasi yang terjadi di dalam rongga pada struktur isolasi Suatu fenomena pelepasan muatan yang berkaitan dengan kondisi isolasi Proses terjadinya korona Bila dua kawat sejajar yang penampangnya kecil (dibanding jarak antara kedua kawat tersebut) diberi tegangan AC, maka korona dapat terjadi: a. Secara visual : Bila tegangan dinaikkan maka corona terjadi secara bertahap: I. Kawat kelihatan bercahanya - Mengeluarkan suara mendesis - Berbau ozon - Warna cahayanya ungu muda II. Bila tegangan dinaikkan terus. Karakteristik di atas makin nyata Cahaya makin terang. III. Bila tegangan terus dinaikkan Terjadi busur api sehingga timbul panas & rugi daya b. Secara fisis : Corona terjadi karena adanya ionisasi dalam udara, yaitu adanya kehilangan electron dari molekul udara. Oleh karena lepasnya elektron, maka apabila di sekitarnya terdapat medan listrik, elektron-elektron bebas mengalami gaya yang mempercepat gerakannya sehingga terjadi tabrakan dengan molekul-molekul lain akibatnya timbul elektron-elektron baru. Proses ini berjalan terus menerus & jumlah elektron menjadi berlipat ganda. Ionisasi mengakibatkan redistribusi (pembagian) tegangan bila redistribusi tegangan yang terjadi sedemikian rupa, sehingga gradien udara di sekitar dua kawat lebih besar dari gradien udara normal maka akan terjadi lompatan api. Gradien tegangan yang dapat menimbulkan ionisasi kumulatif di udara normal (250C, 760 mmHg) adalah 30 kV/cm. Hilang daya corona menurut PEEK:Pk = 244

( f + 25)

r (V - Vd) 2 . 10 -5 kW/kM D

dimana : = f r D V Vd : : : : :

Temperatur udara (0C) frekuensi (Hz) jari-jari konduktor (cm) jarak antara konduktor (cm) tegangan fasa (kVrms) tegangan distruptis kritis (kVrms) terhadap netral : Vd = 21,1 mo . r ln

0,392 b 273 + T

Tekanan udara (mmHg)

D r D Utk cuaca buruk : Vd =16,9 mo . r ln r

Utk cuaca baik

mo merupakan faktor tak tentu :


19

= 1,0 untuk konduktor yang permukaannya halus = 0,93 0,98 untuk konduktor yang permukaannya kasar = 0,83 0,87 untuk konduktor yang permukaannya berlilit 7 = 0,80 0,85 untuk konduktor yang permukaannya berlilit 15,37 & 61 Untuk mengurangi masalah corona, maka perlu diperhitungkan: - Jari-jari konduktor - Perbandingan D & r - Faktor permukaan

Serat Optik (optic fibre) Keuntungan : - dimensinya kecil, ringan - bebas interference elektromagnetis - tidak ada loncatan bunga api - tidak terdapat hubung singkat - kemungkinan terjadinya percakapan silang - tahan terhadap pengaruh kimia Kerugian : - terdapat daya absorbsi cahaya - terdapat kebocoran & cacat permukaan pada belokan yang tajam Sinyal listrik pengirim1 2 n1 n2

Sinyal cahaya

Transmisi serat optik 1. Inti 2. Pelapis / cladding 3. Penguat & pembungkul luas

Sinyal cahaya penerima

Sinyal listrik

penguat fiber pelindung

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam serat optik - komposisi - harus dapat dibuat panjang, tipis, fleksibel - struktur transparan dapat menyalurkan cahaya dengan efisien - indeks bias - indeks bias antara inti & pelapis n2 < n1 - pemrosesanPelapis / cladding (baju)

Single mode n1 n2

125 m 8 12 mmultimodeCladding core 125-400 m

nudara nair ngelas ndiamon

=1 = 1,3 = 1,5 = 2,42

50 200 m

Bahan serat optik : - gelas - silika (campuran Si & Cl) - plastik


20

Hukum Snell n1 Cos 1 = n2 Cos 2n2 < n1 n1 1 2 1 Sinar pantul

n=C/V n=C/V

Kecepatan cahaya di vacum 3.108 m/s

mis: 2 = 0

Cos 2 = 1

maka 2 = 1 = arc Cos n2 / n1

Sinar datang

2 = 0 2 = 1

Glass Plastik

Core S1O2 Polymethyl n1 = 1,6

Cladding B2O3 S1O2 Methyl methacylate 1,49

1 1 < 2

2 Tidak ada sinar bias Tidak ada sinar bias

Bahan konduktor berbentuk cair : - Proses penghantaran melalui zat cair disebut Elektrolisis - Penghantarnya disebut elektrolit - Proses hantaran arus dalam zat cair dinyatakan dalam : Banyaknya perubahan (zat) yang dihasilkan pada elektroda-elektroda dalam sebuah sel elektrolitis berbanding dengan jumlah jumlah muatan listrik yang mengalir melalui zat elektrolisannya. - Secara matematis dinyatakan dalam kesetaraan kimia listrik : Z = kesetaraan zat kimia W = berat elemen yang melekat ( m gram) W=Z.I.t t = detik W=Z.Q Q = muatan listrik (Coulomb) 1 C = 628.1016 elektron 1 C = 1 A * 1 dt Nama Bahan Z Unsur Kimia Nilai Aluminium 0,0936 Perak 1,118 Besi 0,289 Air Raksa 2,072 Emas 0,681 Nikkel 0,304 Tembaga 0,329 Air 0,0104 Timbal 1,072 SO4 (Sulfat) 0,4975 Seng 0,3357 Air Raksa (Hg) Merupakan logam dalam keadaan cair pada suhu kamar Sifat-sifatnya : - dapat melarutkan hampir semua logam lain, kecuali platina, nikel dan besi - berat jenis 13,6 (logam berat) - titik beku 39 0C - titik didih 357 0C - = 0,93 mm2/m - koefisien suhu tahanan = 0,00027 - mudah dioksidasi, jika dipanasi dalam udara - uapnya beracun


21

Penggunaan : - sebagai penyearah - sebagai gas lampu - sebagai penghubung Asam Sulfat (H2SO4) Adalah zat cair yang kental Sifat-sifatnya : - tidak berwarna - higroskopis - merupakan asam kuat Penggunaan : - pengisi aki : Air 90 % & H2SO4 10 % - pembersih logam Perak Nitrat (AgNO3) Sifat-sifatnya : - jika terkena sinar matahari menjadi hitam - warna seperti perak Penggunaan : - sebagai saklar pilih - sebagai elektrolit dalam penyepuhan logam dengan perak Elektrolit 1. Elektrolit kuat : asam & basa kuat, garam 2. Elektrolit lemah : sam & basa lemah, air Penggunaan : Batteray

Bahan konduktor berbentuk gas Gas sebagai penyalur electronstarter starter

TL balast starter TL balast

l balast

VK

~

VS

VL

V

t = 0 (open) : Vk = Vs ; VL = 0 t0 s/d t1 (close) : Vk = 0 ; Vs = VL VL = L di/dt ; I = VL . t/L t2 (open) : di/dt = i/t = i2 i1 / t2 t1 maka VL = V. di/dt = Penggunaan pada lampu penerangan Mercury, TL, dll Tidak semua gas sebagai penghantar : Argon, biru, dsb Neon, jingga He, putih Fungsi menjaga agar filamen tidak cepat putus.


22

BAHAN TAHANAN Adalah bahan yang mempunyai perlawanan jenis yang besar / penghantar yang sulit mengalirkan arus listrik Pemakaian bahan tahanan digolongkan menjadi : Untuk Tahanan dan Rheostat : Sifat-sifat harus dimiliki : - Tahanannya tinggi - Koefisien suhu tahanan () kecil - Daya elektromotoris thermo kecil Untuk peralatan pemanas : Sifat-sifat harus dimiliki : - Dapat menghasilkan panas yang tinggi - Tahan panas Bahan-bahan Tahanan : 1. Karbon : Sifat-sifatnya : - = 0,4 s/d 0,5 mm2/m - warnanya hitam - tidak lumer & tidak larut - tahan pada gesekan / tekanan mekanis - bila dipanasi pada temperatur tinggi menjadi grafit - tahan terhadap kejutan thermal - ringan - grafit : = 0,25 dari karbon - untuk memperbaiki konduktivitas dicampur dengan Cu, Brass, Bronze Penggunaan : - elektrode elemen kering - sikat-sikat komutasi Mesin-mesin listrik - slip ring 2. Wolfram : Sifat-sifatnya : - pada 200C = 0,0505 mm2/m - warna putih keabu-abuan (logam berat / padat linier : 19,3) - titik cair & didih 3900 0C (tertinggi) & 56300C - Ts = 590.000 psi Penggunaan : - bahan pemotong / pelubang - filamen lampu pijar - campuran bahan kontak - bagian elektroda tabung elektron 3. Timbal / timah hitam (Pb) Sifat-sifatnya : - 7 % dari Cu - mempunyai berat jenis yang tinggi - sangat lunak & mudah dikerjakan - titik leburnya 300 0C - tegangan tariknya rendah Penggunaan : - sebagai elektroda akumulator - sebagai pembungkus kabel - campuran solder - untuk sekering 4. Nikkel (Ni) Sifat-sifatnya : - 7 % dari Cu - Daya tahan terhadap karat besar - Warna putih seperti perak, keras & sukar mencair - Tidak cair 1455 0C Penggunaan : - kebanyakan dipakai sbg tahan dengan campuran : Carbon, Cooper, Chrom, Si, dsb - Rheostat & Elemen pemanas Campuran-campuran Nikel (Nikkel Alloy)


23

5. Nikkel Chromium Alloy (Ni Cr) Sifat-sifatnya : - tinggi 1,05 - koefisien temperatur rendah - tahan oksidasi (sampai 1100 0C) - tahan korosi Penggunaan : - sebagai elemen pemanas (80 % Ni & 20 % Cr) 6. Ferro Nikkel Alloy (Fe Ni) Sifat-sifatnya : - lebih rendah dari Ni - Cr - ketahanan korosi < Ni - Cr - lebih murah dari Ni -Cr Penggunaan : - tahanan daya kecil - tidak dapat sebagai elemen pemanas 7. Cooper Nikkel Alloy (Cu Ni) Sifat-sifatnya : - = 0,47 - perubahan R relatif kecil dibanding perubaahan temperatur (konstantan) Cu 60 % & Ni 40 % Penggunaan : - sebagai komponen alat ukur yang presisi - sebagai thermo couple (Cu Fe & Ni Cr) 8. Cooper Mangan Nikkel Alloy (Manganin) Sifat-sifatnya : - = 0,45 - cepat beroksidasi pada suhu tinggi Penggunaan : - sebagai tahanan alat ukur 9. Cooper Nikkel Zink Alloy (Nikellin) Sifat-sifatnya : - = 0,42 - warna putih perak Penggunaan : - sebagai elemen panas 10. Resistor Tahanan yang peka terhadap pengaruh suhu : R2 = R1 (1 + (t2 t1)) NTC PTCSbg : komponen macam-macam thermometer

+ -

VS

VL VR

i

V = VL + VR = L. di/dt + iR V = di/dt + iR/L Arus : Iss (steady state) ; I = konstan di/dt = 0 V = 0 + iR/L I = V/R itr (transient) ; V = 0 O = di/dt + iR/L i = Ae R/L . t i total = V/R + Ae R/L . t

t


24

BAHAN KONTAK Pemutusan : i terbelakang terhadap VV i off

terjadi pembusuran busur padam pada i = 0 & V menjadi maksimal

Syarat-syarat bahan kontak Harus cukup kuat terhadap gaya mekanis Harus cukup kuat terhadap arus yang mengalir Harus tahan terhadap tegangan kerja Tahanan jenis harus kecil Dapat bekerja dengan baik dimana saja Tahan terhadap korosi Titik cair cukup tinggi Faktor-faktor yang mempengaruhi tahanan kontak Tahanan jenis dari bahan kontak Lapisan permukaan dari bahan kontak Tekanan yang dikenakan, karena hal ini berpengaruh terhadap luas kontak efektif yang dialiri arus Karakteristik dari Tahanan Bahan Kontak Bila suatu bahan kontak beroksidasi (berkarat) yang pada umumnya terjadi pada lapisan permukaan kontak, maka tahan kontak akan bertambah besar sampai beberapa kali Bila dua kontak yang sebelumnya telah beroksidasi, disatukan dengan memberikan tegangan, maka tahanan kontak akan berkurang dengan bertambahnya arus, karena oksidmetal mempunyai karakteristik tahanan jenis yang negatif Bahan-bahan kontaktor listrik 1. Tembaga : mirip bahan kontak yang baik karena Murah () tahanan jenisnya rendah Kapasitas panas cukup tinggi Kekuatan mekanis cukup tinggi Kelemahan : mudah beroksidasi dengan zat asam 2. Perak : cukup baik bahan kontak terutama untuk arus yang kecil - rendah - Lambat beroksidasi - Pada temperatur di atas 2000C oksida perak berubah menjadi perak murni - Lebih tahan lama untuk arus yang kecil daripada CU Kelemahan : - Lebih mahal dari CU - Kapasitas panas lebih rendah dari CU - Lunak 3. Tungsten : sabagai bahan kontak yang baik bila dicampur dengan perak, namun pemakaiannya terbatas - Sebagai kontak penyala dengan arus > 1 - Banyak dipergunakan karena merupakan bahan magnetic yang mempunyai sifat mudah dimagnetisasi. Bahan Ferromagnetik adalah bahan dimana polarisasi magnitik terjadi dengan sendirinya pada keadaan Sub lattice/sisi-sisi yang sama Polarisasi pada sebuah Sub lattice menjadikan atom-atom bahan searah atau parallel secara keseluruhannya. Bahan yang mempunyai sifat magnit permanent dipolenya berinteraksi sedemikian rupa sehingga searah atau parallel. Bahan yang demikian di sebut bahan ferromagnetic. Apabila dipole-dipole yang berdekatan cenderung untuk parallel tetapi tak searah atau berlawanan arahnya (anti parallel), bahan tersebut dinamakan bahan anti atau bahan ferromagnetik Bahan ferromagnetik terbagi atas 2 macam : - Bahan magnit keras atau magnit permanent - Bahan magnit lemah atau sofl magnetic dibagi atas 4 macam - Soft ferrite - Hard ferrite - Square leap Ferrite - Microwave Ferrite Bahan ferromagnetic dalam perdagangan : 1. Besi murni dengan kadar 99,83% Fe Sifat : - Kejenuhan sangat tinggi - mempunyai lengkung hysterisis yang baik Penggunaan : - Untuk kutub-kutub dari mesin-mesin arus searah - Untuk rele jatuh lambat 2. Baja yang mempunyai karbon rendah; Sifat : - Permeabilitas tinggi - kerugian hysterisis rendah apabila dibandingkan dengan besi dan baja tuang Penggunaan : - Untuk solenoida arus searah - Rem magnit - Kopling magnit pada traksi listrik


42

3. Baja Tuang Sifat : - kerugian hysterisis Penggunaan : - Untuk rumah mesin 4. Baja silicon (dalam bentuk :electrical sheet) Sifat : - Mempunyai resistivity cukup besar, karena dalam bentuk lembaran maka kerugian besi yang hysterisis dan arus Eddy akan menjadi kecil Penggunaan : - Bahan inti trafo : - Bahan jangkar mesin listrik 2. Bahan Paramagnetik - Bahan Paramagnetik adalah bahan yang dapat mengalirkan garis-garis gaya magnit tetapi tidak banyak - Mempunyai magnetic permeability sedikit lebih besar dari 1. Contoh Al, Pb, Mn, Cr. - Bahan yang atomnya mempunyai banyak permanent magnetic dipole, tetapi mempunyai 1 susunan seperti gambar diatas disebut bahan paramagnetic

-

Interaksi antar dipole yang berdekatan dapat diabaikan penggunaan bahan paramagnerik : Untuk memperkecil pemanasan sebagai akibat adanya kerugian arus pusar/Eddy Untuk memperkecil pengaruh/ menutup alat-alat yang tidak boleh terkena gelombang elektro magnetic, misalnya sebagai shielding (parsial) pada alatalat elektronik

3. Bahan Diamagnetik - Bahan Diamagnetik adalah bahan yang sukar menyalurkan garis gaya magnit - mempunyai magnetic permeability sedikit lebih kecil dari 1 - Bahan Diamagnetik merupakan bahan yang tidak mempunyai permanent megnetik dipole - contoh : Bi (Bismut) - Penggunaan : Sebagai alat untuk pengukuran fluks magnet 4. Bahan non magnet Bahan non- magnetic adalah bahan yang tidak dapat dipengaruhi oleh magnet dan tidak dapat di buat menjadi magnit. Contoh : gelas, kertas, kayu, nomag, k-mol. Karena bahan diagmanetik sukar dipengaruhi ileh magnet, maka sering kali bahan diagmanetik dimasukkan dalam golongan bahan non-magnetik


43

Teori Tentang Magnet Menurut teori Weber Semua benda terdiri dari moleku-molekul, dan melekul tersebut merupakan bahan magnetic yang sangat kecil yang disebut magnet elementer Untuk benda-benda yang bukan magnit, letak magnit-magnit elemeter ini tidak menentu (tidak teratur), sehingga mereka saling menetralkan yang mengakibatkan benda tidak lagi mempunyai gaya tarik atau gaya tolak yang berarti. Pada batang magnit letak magnit-magnit elementer adalah teratur dan mengarah satujurusan sehingga satu sama lainnya saling memperkuat. Hal ini mengakibatkan batang magnit mempunyai gaya tarik atau gaya tolak pada kutub-ktubnya(ujungnya) yang cukup kuat

Menurut Weiss Weiss merupakan teori magnit dengan menggunakan teori electron. Menurut Weiss, tiap-tiap atam benda terdiri dari inti dan electron-elektron yang beredar mengelilingi intinya menurut garis lintasan edarnya (orbitnya). Selain electronelektron ini berputar mengelilingi inti menurut garis edarnya, juga berputar sekeliling sumbunya mesing-masing. Pada sumbu-sumbu electron terdapat kutub-kutub magnit elementer yaitu kutub utara dan selatan. Perputaran elektron-elektron menurut sumbunya ada yang positif dan ada yang negative, artinya arah perputaran itu ada yang searah dengan jarum jam ada pula yang berlawanan arah. Selanjutnya perputaran electron menuryt sumbunya disebut putaran electron. Untuk punter-puntiran searah electron yang tidak searah, letak poros-poros electron tidak tyeratur, sehingga saling memperlemah (menetralkan) satu dengan lainnya. Didalam atom itu sendiri terdapat kelompok-kelompok electron yang mempunyai puntiran electron searah, akan tetapi pada orbit sebelah luar juga sering terdapat electron-elektron bebas yang meloncat kian kemari, sehingga diluar terasa adanya magnit. Kelompok-kelompok electron yang mempunyai puntiran searah disebut kompleks Weiss atau kelompok Weiss dan ini akan merupakan magnit-magnit kecil yang agak kuat dalam atao-atom benda. Bahan-bahan ferromagnetic mudah dipengaruhi oleh magnet dan mempunyai sifat arah puntiran electron-elektronnya mudah disearahkan. Sifat yang sedemikian itumenyebabkan bahan ferromagnetic mudah dipengaruhi oleh magnet luar. Diantara bahan-bahan yang sudah dijadikan magnit ada yang mudah kembali atau hamper tidak dapat kembali seperti semula. Kekuatan untuk menyerahkan puntiran electron seperti semula disebut gaya kuersitif (Coercive force). Gaya Kuersitif besi lunak dan plat-plat dynamo lebih besar daripada baja atau logam campuran seperti baja-kobalt. Hal ini berarti pula bahwa gaya tolak-menolak atau tari-menarik kutub-kutub electron besidan plat dynamo juga lebih besar. Rugi-rugi besi pada bahan magnetic Rugi-rugi besi pada bahan magnetic (ironis loss) adalah besarnya kerugian daya yang dinyatakan dalam watt (kadang-kadang dalam watt/kg atau watt/Cb) yang terjadi pada bahan-bahan magnetic, karena induksi yang berubah-rubah. Rugi-rugi besi ditentukan oleh 2 komponen utama yaitu : 1. Rugi histerisis (Ph) 2. Rugi arus pusar/rugi arus eddy (Pe)


44

1. Rugi histerisis Seperti apa yangt telah didapatkan dari fisika listrik, bahwa apabila batang besi atau B batang dari bahan magnetis lainnya yang a diletakkan didalam medan magnet atau didalam Q1 lilitan ampere akan terjadi magnetisasi jadi didalam medan magnet atau didalam lilitan ampere terdapat gaya pemagnitan, dimana b P2 besarnya gaya pemagnitan nini tergantung pada P1 1 jumlah gulungan atau arus yang melewatinya. c f Gambar disamping menunjukkan gaya pemagnitan(intensitas medan magnit) H yang e merupakan sumbu datar dan sumbu tegaknya menunjukkan magnetisasi atau induksi. Makin besar intensitas medan magnet H, makin besar Q2 d pula induksi magnit B, akan tetapi pada suatu titik tertentu perubahan induksi magnit B tidak tampak meskipun H harganya bertambah besar, titik dimana harga B tetap besar meskipun harga H diperbesar disebut titik jenuh magnetisasi. Jadi apabila suatu bahan magnitis diberikan [adanya gaya pemagnetan (intensitas medan magnit) H (mulai dari 0) dan gayanya di perbesar sehingga mencapai titip P1, maka induksi B juga akan bertambah sampai titik Q1, apabila gaya pemagnetan di balikkan arahnya untuk menghilangkan induksi, maka magnetisasinya makin lama makin berkurang. Pada kenyataannya pada saat gaya pemagnetannya sudah mencapai 0, pemagnetisasi belum hilang sama sekali, melainkan masih ada yang tertinggal, magnetisasinya yang masih tinggal ini di sebut remanensi magnet ( dalam gambar di atas dinyatakan dengan 0-b) Untuk menghilangkan remanensi magnet, maka gaya pemagnetan H nya di besarkan terus sehingga mencapai titip C. Jadi setelah adanya gaya oc, magnetisasi menjadi 0. Dan jika dalam arah terbalik ini harga H terus diperbesar sehingga mencapi P2, maka induksi magnet akan menjadi semakin besar, dan harga B nya menjadi Q2. Kenaikan magnetisasi ini menuruti garis lengkung C-D. Jika dari sini arah gaya pemagnetan di balik lagi arahnya dari P2 ke 0 dan terus ke P1, maka magnetisasi mula mula turun dari d ke e, kemudian sampai ke titik nol f dan akhirnya sampai ke titik a lagi. Siklus pemagnetan dari a-b-c-d-e-f-a disebut lengkung histerisis. Dari keterangan di atas tampak bahwa induksi magnet B selalu terbelakang terhadap intensitas medan magnet H, artinya induksi magnet masih ada sisa yang tinggal ( 0-b), dan setelah arah intesitas medan magnet di rubah arahnya harganya menjadi negative ( 0- c), maka barulah magnetisasi menjadi 0 atau hilang sama sekali. Terbelakangnya induksi magnet terhadap intensitas meden magnet seperti diatas disebut histerisis. Sedangkan gaya pemagnitan yang digunakan untuk menghilangkan remanensi magnet seperti yang disebut di atas (0 - c) dan (0 f) disebut gaya ko-ersitif. Luasan yang diarsir (0-b-c) akan menimbulkan panas pada bahan megnetis dan biasanya dinamakan rugi histeris. Panas ini terjadi karena adanya gaya yang menentang berbaliknya magnitmagnit elementer bahan. Kerugian histeris ini dihitung tiap siklus. Apa bila induksi maksimum Bmax (titik q1 dan q2 ) telah diketahui, maka menurut percobaan Steinmetz yang dilakukan secara empiris dirumuskan sebagai berikut : Ph = Kh .f B1,6 maxDimana : Ph bahan : kerugian histerisis (erg/cm3/siklus) Kh : Koefisisen histeris yang besarnya tergantung pada tingkatan dan kualitas


45

Harga-harga untuk berbagai bahan : Baja tuang yang keras : 0,025 Baja tempa : 0,020 Besi tuang : 0,012 Besi plat : 0,004 Besi plat campuran silicon : 0,0010 Baja plat silicon yang terbaik : 0,00046 Perwalloy : 0,0001 Rumus empiris dari Steinmetz ini cukup teliti untuk bahan-bahan yang mempunyai induksi magnit B dari 1000 sampai 12.000 gauss, akan tetapi untuk gahan-bahan ferro magnetis yang baru dan sekarang banyak digunakan, rumus tersebut kurang teliti. Rumus yang lebih teliti adalah : Ph = Kh f Bn max /erg/cm3/siklus

Harga n antara 1,5 -2,5 (didapatkan secara empiris) Apabila volume bahan dalam cm 3 dinyatakan dengan V, dan pemagnitan selalu berubah-rubah harganya seperti pada teknik listrik arus bolak- baliktukar dengan frekuensi f (siklus/detik), sedangkan induksi magnet merata pada seluruh bahan, maka kerugian histeris menjadi : Ph = Kh . v.f Bn max (erg/det) atau Ph = Kh . v.f Bn max . 10-7 watt

2. Rugi arus pusar (Eddy current losses) Jika teras dari bahan magnetis ditempatkan didalam gulungan magnit dan gulungan itu dilalui arus listrik bolak-balik (gml) induksi didalamteras itu sendiri. Dengan sendirinya akan terdapat pula arus yang mengalir didalam teras itu sendiri. Dan arah arus ini akan berlawanan dengan arus yang ada di Dallam gulungan kawat. Arus induksi ini dinamankan arus pusar/Eddy current. Untuk teras besi yang terdiri dari bahan pejal utuh, maka harga arus pusa akan besar, karena perlawanan didalam teras itu sendiri kecil sekali. Untuk mencegah supaya tidak terjadi arus puasar yang besar, maka teras dibuat dari plat-plat tipis yang kemudian disusun sehingga menjadi bentuk teras sesuai dengan yang diinginkan. Plat yang berlapi-lapis ini diisolasi pada permukaannya dan biasanya diisolai oxida. Secara keseluruhan perlawanan plat plat ini menjadi besar sehingga arus pusarnya mengecil. Dengan adanya arus pusar, maka dadalm teras besi terdapat tenaga listrik dan tenaga listrik ini berubah menjadi panas yang merupakan kerugian, selamjutnya kerugian ini disebut kerugian tenaga arus pusaran. Secara empiris rugi arus pusar dinyatakan sebagai : Pe = ( .t . f . Bmax) 2 . V Watt 6 . c . 10 16 Dimana ;Pe t f v Bmax Untuk t f v Bmax c : rugi arus pusar (watt) : tebal plat (cm) : frekuensi (Hertz) = siklus/det : volume teras besi (cm3 ) : kerapatan fluks max : dalam m : dalam hertz : dalam m3 : dalam weber/m2 : dalam Ohm-m

( .t . f . Bmax) 2 . V Watt atau Pe = Ke f2 Bmax2 6.c. Baja plat yang mengandung silicon mempunyai perlawanan jenis yang lebih besar, sehingga arus pusar dalam teras mengecil. maka Pe =