BAB 1
Dasar Teori Elektron
1.1 Pendahuluan
Benda (padat, cair, gas) → molekul → atom (partikel terkecil). Elektron yang terdapat pada kulit terluar disebut elektron Valensi, karena menunjukkan valensi dari suatu atom. Bila atom kelebihan elektron disebut atom bermuatan negative (ion negative). Bila atom kekurangan elektron (terdapat hole/lubang) disebut atom bermuatan positive (ion positive).
Elektron yang terlepas dari lintasannya disebut elektron bebas, elektron bebaslah yang membentuk suatu aliran listrik/elektron. Konduktor adalah bahan yang banyak mengandung elektron bebas, sehingga aliran listrik dapat mengalir dengan mudah melalui bahan tersebut. Isolator (penyekat) adalah bahan yang sedikit atau tidak terdapat elektron bebas, sehingga elektron tidak dapat atau sukar mengalir melalui bahan tersebut.
1.1.1 Deskripsi
Untuk mempelajari teori elektron sehingga timbul aliran listrik, maka harus mengetahui besaran-besaran listrik. Besaran-besaran listrik yang mempengaruhi timbulnya aliran listrik, antara lain arus listrik, tahanan, dan tegangan. Apabila ketiga komponen besaran listrik ini menjadi sebuah rangkaian, maka disebut rangkaian listrik.
1.1.2 Manfaat dan Relevansi
1.1.3 Standart Kompetensi
Untuk mempelajari ilmu dalam teknik elektro lebih lanjut maka harus menguasai ilmu dasar dalam teknik elektro, ilmu dasar teknik elektro tersebut adalah teori elektron.
1.1.4 Kompetensi Dasar
Setelah mempelajari bab ini diharapkan dapat memahami dan menguasai apa yang dimaksud ; besaran-besaran listrik, arus listrik, resistansi (tahanan), potensial (tegangan), dan rangkaian listrik.
1.2 Besaran-besaran listrik
Besaran-besaran listrik ( V, I, R) yang disebut juga dengan hukum ohm, yaitu kuat arus listrik berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan hambatan.
I V R IxR V R V
I
dimana : I ; kuat arus, satuannya Ampere (A) V ; tegangan, satuannya Volt (V) R ; hambatan, satuannya Ohm (Ω)
1.3 Arus Listrik
Gambar 1. Arah arus listrik dan arah gerakan elektron.
Kuat arus listrik adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu. Benda bergerak karena ada gaya yang bekerja padanya. Muatan listrik bergerak karena ada gaya, dimana gaya yang bekerja pada muatan listrik timbul karena adanya medan listrik, yang besarnya ;
E x Q F
dimana : F = gaya (Newton) Q = muatan (coulomb)
E = medan listrik (CoulombN )
Arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir persatuan waktu, sehingga besarnya arus listrik 1 ampere menyatakan banyaknya muatan yang mengalir sebesar 1 coulomb setiap detik.
“1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 624x 1016 (6,24151 × 1018)
atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor” Rumus – rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus dan waktu : I Qt
dt dq
i
dimana : I = besarnya arus listrik yang mengalir, (ampere) Q = besarnya muatan listrik, (coulomb))
t = waktu, (detik)
elektron -1,6 x 1019C. Muatan yang bertanda sama saling tolak menolak, muatan
bertanda berbeda saling tarik menarik.
“Rapat arus adalah besarnya arus listrik tiap-tiap mm² luas penampang kawat”.
Gambar 2. Kerapatan arus listrik.
Arus listrik mengalir dalam kawat penghantar secara merata menurut luas penampangnya. Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang 4mm², maka kerapatan arusnya 3A/mm² (12A/4 mm²), ketika penampang penghantar mengecil 1,5mm², maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm² (12A/1,5 mm²). Kerapatan arus berpengaruh pada kenaikan temperatur. Suhu penghantar dipertahankan sekitar 300°C, dimana kemampuan hantar arus kabel sudah ditetapkan dalam tabel Kemampuan Hantar Arus (KHA).
Tabel 1. Kemampuan Hantar Arus (KHA)
Berdasarkan tabel KHA kabel pada tabel diatas, kabel berpenampang 4 mm², 2 inti kabel memiliki KHA 30A, memiliki kerapatan arus 8,5A/mm². Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar, semakin besar penampang penghantar kerapatan arusnya mengecil.
J = I/A I = J x A
A = I/J dimana: J = Rapat arus [ A/mm²]
I = Kuat arus [ Amp]
A = luas penampang kawat [ mm²]
1.4 Tahanan dan Daya Hantar Penghantar
Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik, tembaga dan aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan terdiri dari kumpulan atom, setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran arus listrik merupakan aliran elektron. Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya. Akibatnya terjadi gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas. Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan.
Tahanan didefinisikan sebagai berikut : “1 Ω (satu Ohm) adalah Besarnya tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0° C"
Daya hantar didefinisikan sebagai berikut : “Kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik”.
Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar arus:
R G
G R
1 1
dimana : R = Tahanan/resistansi [ Ω/ohm]
Gambar 3. Resistansi Konduktor
Tahanan penghantar besarnya berbanding terbalik terhadap luas penampangnya dan juga besarnya tahanan konduktor sesuai hukum Ohm.
“Bila suatu penghantar dengan panjang l , dan diameter penampang q serta
tahanan jenis ρ (rho), maka tahanan penghantar tersebut adalah” :
q l x R
dimana : R = tahanan kawat [ Ω/ohm] l = panjang kawat [meter/m]
ρ = tahanan jenis kawat [Ωmm²/meter] q = penampang kawat [mm²]
faktot-faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada :
• panjang penghantar.
• luas penampang konduktor. • jenis konduktor .
• temperatur.
"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur, ketika temperatur meningkat ikatan atom makin meningkat akibatnya aliran elektron terhambat. Dengan demikian kenaikan temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar".
Potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat lokasi yang berbeda potensialnya. dari hal tersebut, kita mengetahui adanya perbedaan potensial listrik yang sering disebut “potential difference atau perbedaan potensial”. satuan dari potential difference adalah Volt.
“Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik saat melakukan usaha satu joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb”. Atau Tegangan sebesar 1 Volt bila ada muatan sebesar 1 Coulomb berpindah dari satu titik ketitik yang lain dan menghasilkan energi sebesar 1 joule.
Q
Satuan tegangan adalah Volt = CoulombJoule
Sedangkan daya (P) adalah tenaga persatuan waktu.
)
dimana : V = beda potensial atau tegangan, dalam volt W = usaha, dalam newton-meter atau Nm atau joule Q = muatan listrik, dalam coulomb
akan menunjuk. Dengan kata lain syarat mengalir arus pada suatu rangkaian harus tertutup.
1.6.1 Alat Ukur.
Pemasangan alat ukur Volt meter dipasang paralel dengan sumber tegangan atau beban, karena tahanan dalam dari Volt meter sangat tinggi. Sebaliknya pemasangan alat ukur Ampere meter dipasang seri, hal ini disebabkan tahanan dalam dari Amper meter sangat kecil.
“Alat ukur tegangan adalah voltmeter dan alat ukur arus listrik adalah amperemeter”
1.6.2 Hukum Ohm
Pada suatu rangkaian tertutup, Besarnya arus I berubah sebanding dengan tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R, atau dinyatakan dengan Rumus :
I V R
R x I V
R V I
dimana ; I = arus listrik, ampere V = tegangan, volt
R = resistansi atau tahanan, ohm
Sehingga untuk menghitung Daya (P), dalam satuan watt adalah: P = I x V
P = I x I x R P = I² x R
1.6.3 Hukum Kirchoff
Gambar 5. loop arus“ KIRCHOFF “
Berdasarkan hukum Kirchoff di atas maka di dapatkan besarnya nilai masing-masing arus adalah sebagai berikut :
I1 + (-I2) + (-I3) + I4 + (-I5 ) = 0 I1 + I4 = I2 + I3 + I5
1.7 Rangkuman
Besaran-besaran listrik ( V, I, R) yang disebut juga dengan hukum ohm, yaitu kuat arus listrik berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan hambatan. Kuat arus listrik adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu. Arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir persatuan waktu, sehingga besarnya arus listrik 1 ampere menyatakan banyaknya muatan yang mengalir sebesar 1 coulomb setiap detik.
Tahanan didefinisikan sebagai berikut : 1 Ω (satu Ohm) adalah tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0°C. Daya hantar didefinisikan sebagai berikut : “Kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik”. Potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat lokasi yang berbeda potensialnya.
Pada suatu rangkaian listrik akan mengalir arus, apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut :
1. Adanya sumber tegangan 2. Adanya alat penghubung 3. Adanya beban
Alat ukur tegangan adalah voltmeter dan alat ukur arus listrik adalah amperemeter. Pada suatu rangkaian tertutup, Besarnya arus I berubah sebanding dengan tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R. Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di satu titik adalah nol (ΣI = 0).
1.8 Latihan Soal
1. Jelaskan apa yang kamu ketahui tentang elektron, dan apa hubungannya dengan aliran listrik.
2. Jumlah beban listrik dalam suatu rumah tangga 700 Watt dengan tegangan kerja 220 Volt, hitunglah besar pengaman arus yang harus digunakan, dan besarnya nilai hambatan seluruhnya.
3. Sebuah penghantar dengan panjang 8 meter dan muatan yang mengalir dalam penghantar 125 C dengan kecepatan waktu mengalir 5 detik, penghantar mempunyai tahanan jenis 0,5 Ώmm2/m dan bekerja pada tegangan 110 Volt, hitunglah besar penampang penghantar yang digunakan.
1.9 Glosarium
Arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir persatuan waktu, sehingga besarnya arus listrik 1 ampere menyatakan banyaknya muatan yang mengalir sebesar 1 coulomb setiap detik.
Alat ukur tegangan adalah voltmeter dan alat ukur arus listrik adalah amperemeter.
Besaran-besaran listrik ( V, I, R) yang disebut juga dengan hukum ohm, yaitu kuat arus listrik berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan hambatan.
yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik”.
Kuat arus listrik adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu.
Potensial listrik adalah fenomena berpindahnya arus listrik akibat lokasi yang berbeda potensialnya.
Pada suatu rangkaian tertutup, Besarnya arus I berubah sebanding dengan tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R.
Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di satu titik adalah nol (ΣI=0).
Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik saat melakukan usaha satu joule untuk memindahkan muatan listrik satu coulomb
Tahanan didefinisikan sebagai berikut : “1 Ω (satu Ohm) adalah tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0° C".
1.10 Daftar Pustaka
Gerris, P.M.J. Ilmu Bahan-bahan Terj. M. Pamenan, Jakarta, PT. Pradnya Paramita.
Kempster, M.H.A. Materials for engineers, 1981.
Muhaimin, Bahan-bahan Listrik untuk Politeknik, Jakarta, PT. Pradnya Paramita.
Wagmeuller, H.R. dan Prastawa, I.B. Pengetahuan Bahan, Bandung: Politeknik Mekanik Swiss-ITB.
BAB 2
Bahan Penyekat/Isolasi
Bahan penyekat/isolasi adalah bahan yang bersifat mengisolir arus listrik, artinya suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali terhadap arus listrik. Bahan isolasi pada umumnya terdiri dari bahbahan organik dan an-organik yang diperoleh dari proses kimia.
Sedangkan berdasarkan teori atom bahan penyekat adalah bahan yang susunan atomnya sedemikian rupa sehingga elektron di valence band tidak mampu pindah ke conduction band karena energi gap-nya besar sekali, sehingga di conduction band tidak terdapat pembawa muatan.
Agar elektron di valence band dapat pindah ke conduction band diperlukan energi luar yang besar sekali, yaitu tegangan tembus (breakdown voltage). Berikut ini bentuk dari diagram pita energi untuk bahan isolasi, semikonduktor, dan konduktor.
Bahan Isolasi Bahan Semikonduktor Bahan Konduktor
Keterangan gambar : - CB = Conduction Band - FB = Forbidden Band - VB = Valence Band - OL = Over Lopping
Gambar 6. Diagram pita energi bahan isolasi, semikonduktor, konduktor
2.1.1 Deskripsi
diserap bahan isolasi tersebut berbanding lurus dengan tegangan, frekuensi, kapasitansi, dan sudut kerugian dielektrik.
2.1.2 Manfaat dan Relevansi
Untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk suatu sistem isolasi, agar dihasilkan suatu rancangan yang paling ekonomis. Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi, dibutuhkan pengetahuan yang pasti mengenai jenis, besaran dan durasi tekanan elektrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut, dan disamping itu juga perlu untuk mempertimbangkan kondisi sekitar dimana bahan isolasi akan ditempatkan.
2.1.3 Standart Kompetensi
Setelah mempelajari karakteristik, sifat-sifat suatu bahan seorang sarjana teknik elektro diharapkan dapat merencanakan dan menempatkan suatu bahan yang berisolasi sesuai dengan penggunaannya.
2.1.4 Kompetensi Dasar
Setelah mempelajari bahan isolasi/penyekat ini diharapkan dapat menguasai sifat-sifat bahan penyekat, jenis/macam-macam bahan penyekat, kelas bahan penyaekat, sehingga dapat menempatkan bahan penyekat sesuai fungsinya.
2.2 Sifat Dielektrik Bahan Isolasi
Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi, dibutuhkan pengetahuan yang pasti mengenai jenis, besaran dan durasi tekanan elektrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut, dan disamping itu juga perlu untuk mempertimbangkan kondisi sekitar dimana isolasi akan ditempatkan. selain itu, perlu juga untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk suatu sistem isolasi, dengan demikian akan dihasilkan suatu rancangan yang paling ekonomis.
Fungsi yang penting dari suatu bahan isolasi adalah :
2. Untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi,
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan oleh medan listrik, gaya mekanik, thermal dan reaksi kimia dapat saja terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama dari semua parameter tersebut, dengan kata lain suatu bahan isolasi dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut dapat menahan semua tekanan tersebut dalam jangka waktu yang lama.
Sifat listrik yang dibutuhkan untuk suatu bahan isolasi adalah sebagai berikut : 1. Mempunyai Kekuatan Dielektrik (KD) yang tinggi, agar dimensi sistem isolasi
menjadi kecil dan penggunaan bahan semakin sedikit, sehingga harganya pun akan semakin murah.
2. Rugi-rugi dielektriknya rendah, agar suhu bahan isolasi tidak melebihi batas yang ditentukan.
3. Memiliki kekuatan kerak (tracking strength) yang tinggi, agar tidak terjadi erosi karena tekanan listrik permukaan.
4. Memiliki konstanta dielektrik yang tepat dan cocok, sehingga membuat arus pemuatan (charging current) tidak melebihi batas yang diijinkan.
Bahan isolasi juga sekaligus merupakan bahan konstruksi peralatan, oleh karena itu ia juga memikul beban mekanis, sehingga bahan isolasi harus memenuhi persyaratan mekanis yang dibutuhkan. Sifat mekanis yang dibutuhkan tergantung pada pemakaian, seperti diberikan dibawah ini.
- Isolator hantaran udara, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan regangan (tensile strength).
- Isolator pendukung pada gardu, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekuk (bending strength).
- Isolator antena, sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekan (pressure strength). - Pemutus daya (circuit breaker), sifat mekanis terpentingnya Kekuatan tekanan
dadakan (bursting pressure withstand).
pada tegangan kerja normal maupun dalam kondisi gangguan, sehingga bahan isolasi harus memiliki sifat themal sebagai berikut :
- kemampuan untuk menahan panas tinggi (daya tahan panas) - kerentanan terhadap perubahan bentuk pada keadaan panas. - konduktivitas panas tinggi.
- koefisien muai panas rendah. - tidak mudah terbakar.
- tahan terhadap busur api, dan lain-lain.
Bahan isolasi harus dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan dimana bahan itu digunakan. Oleh karena itu bahan isolasi harus memiliki kemampuan sebagai berikut :
- memiliki daya tahan terhadap minyak dan ozon.
- memiliki kekedapan dan kekenyalan higroskopis yang tinggi. - daya serap air rendah.
- stabil ketika mengalami radiasi.
Bahan isolasi untuk sistem tegangan tinggi sering menetapkan beberapa persyaratan, dan diantaranya ada yang saling bertentangan. Oleh karena itu dalam pemilihan bahan isolasi untuk suatu keperluan khusus sering dilakukan dengan mencari kompromi antara penyimpangan kebutuhan dengansifat yang diinginkan, sehingga pemilihan yang benar-benar memuaskan tidak terpenuhi. ada enam sifat listrik dielektrik, yaitu:
1. Kekuatan dielektrik 2. Konduktansi
3. Rugi-rugi dielektrik 4. Tahanan isolasi
5. Peluahan parsial (partial discharge) 6. Kekuatan kerak isolasi (tracking strength) 2.3 Sifat-sifat Bahan Penyekat
yang besar agar arus yang bocor sekecil mungkin (dapat diabaikan). 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.
Ketahanan terhadap korosi akibat gas, air, asam, basa, dan garam. Bahan isolasi juga bervariasi 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.
2.4 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
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
Suatu bahan dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan berdasarkan wujud tersebut dalam teknik listrik bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut.
1. Bahan Penghantar (konduktor) 2. Bahan Penyekat (isolator/insulator)
3. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor) 4. Bahan Magnetis.
5. Bahan Super Konduktor. 6. Bahan Nuklir.
7. Bahan Khusus (bahan untuk pembuatan kontak-kontak, untuk sekering, dan sebagainya)
1. Bahan Penghantar (konduktor) adalah bahan yang menghantarkan listrik dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity) yang besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel, kumparan/lilitan pada alat listrik yang anda jumpai. Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik listrik, bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium.
2. Bahan Penyekat (Insulator/isolator) adalah bahan yang befungsi untuk menyekat (misalnya antara 2 penghantar); agar tidak terjadi aliran listrik/kebocoran arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang tinggi. Bahan penyekat yang sering ditemui dalam teknik listrik adalah : plastik, karet, dan sebagainya.
jenis N (bahan yang kelebihan electron, sehingga bersifat negative). Ge mempunyai daya hantar lebih tinggi dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas dibanding Ge.
4. Bahan Magnetik (Magnetic Materials) dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitu ferro magnetic, para-magnetic dan dia-magnetic. Bahan ferro-magnetic adalah bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi dan mudah sekali dialiri garis-garis gaya magnet. Contoh bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi adalah besi, besi pasir, stalloy, dan sebagainya. Selain itu sering dijumpai magnet yang merupakan magnet permanen, misalnya alnico, cobalt, baja arang, dan sebagainya. Baja untuk magnet sering dijumpai pada pelat-pelat motor/generator, pelat-pelat transformator, dan sebagainya. Dalam bidang elektronika, digunakan bahan magnet misalnya pada speaker, alat-alat ukur elektronika, dan sebagainya.
5. Bahan Super Konduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur perubahan tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair. Dia menemukan bahwa tahanan listrik tiba-tiba hilang pada suhu 4,153°K. Sampai saat ini telah ditemukan sekitar 24 unsur hantaran super dan lebih banyak lagi paduan dan senyawa yang menunjukkan sifat-sifat hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar antara 1 samapai 19° Kelvin. Bahan-bahan lead (timah), tin (timah patri), alumunium, dan mercury, pada sushu mendekati 0°K mempunyai resistivitas nol.
6. Bahan Nuklir. Bahan nuklir sering dipakai sebagai bahan baker reaktor nuklir. Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan-bahan nuklir yang dapat membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat berjalan dalam keadaan dan kondisi terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat mengadakan fisi (pembelahan atom). Dalam reaktor nuklir digunakan bahan bakar uranium 235, plutonium-239, uranium-233.
Dalam pemilihan jenis bahan listrik, selain sifat listrik, perlu dipertimbangkan beberapa sifat lain dari bahan, yaitu :
benda tersebut dibuat. Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada tiga kemungkinan yang akan terjadi pada suatu benda :
• Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda mempunyai sifat kenyal (elastis)
• Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini hanya sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar gaya yang bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan menjadi berkurang.
• Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar gaya yang bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan sama sekali hilang.
B. Sifat Fisis, Benda padat mempunyai bentuk yang tetap (bentuk sendiri), dimana pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula. Isi akan bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya benda akan menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap , maka kepadatan benda akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut :
• Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan berkurang • Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akan bertambah
• Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan panas. C. Sifat Kimia, berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat dari logam. Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri dengan sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan. Biasanya reaksi kimia dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi. Sedangkan reaksi kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman.
bahan akibat reaksi kimia; reaksi antara logam dengan oksigen yang ada di udara. Sifat kimia juga termasuk sifat bahan yang beracun, kemungkinan mengadakan reaksi dengan garam, asam, dan basa.
intisari
Selain bahan penyekat atau isolator di atas, ada bahan lain yang juga banyak digunakan dalam teknik ketenagalistrikan yaitu bahan penghantar atau sering dinamakan dengan istilah konduktor. Suatu bahan listrik yang akan dijadikan penghantar, juga harus mempunyai sifat-sifat dasar penghantar itu sendiri seperti: koefisien suhu tahanan, daya hantar panas, kekuatan tegangan tarik dan lain-lain. Disamping itu juga penghantar kebanyakan menggunakan bentuk padat seperti tembaga, aluminium, baja, seng, timah, dan lain-lain. Untuk keperluan komunikasi sekarang banyak digunakan bahan penghantar untuk media transmisi telekomunikasi yaitu menggunakan serat optik.
Erat kaitannya dengan keperluan pembangkitan energi listrik, yaitu suatu bahan magnetik yang akan dijadikan sebagai medium untuk konversi energi, baik dari energi listrik ke energi mekanik, energi mekanik ke energi listrik, energi listrik menjadi energi panas atau cahaya, maupun dari energi listrik menjadi energi listrik kembali. Bahan magnetik ini tentunya harus memenuhi sifat-sifat kemagnetan, dan parameter-parameter untuk dijadikan sebagai bahan magnet yang baik. Dalam pemilihan bahan magnetik ini dapat dikelompokkan menjadi tiga macam, yaitu ferromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik.
Suatu bahan yang sekarang lagi ngetren dan paling banyak sedang dilakukan riset-riset di dunia ilmu pengetahuan dan teknologi yaitu bahan semi konduktor. Berkembangnya dunia elektronika dan komputer saat ini adalah merupakan salah satu peranan dari teknologi semikonduktor. Bahan ini sangat besar peranannya pada saat ini pada berbagai bidang disipilin ilmu terutama di bidang teknik elektro seperti teknologi informasi, komputer, elektronika, telekomunikasi, dan lain -lain. Berkaitan dengan bahan semi konduktor, pada saat ini dapat dikelompokkan menjadi dua macam yaitu semi konduktor dan super konduktor.
2.5 Jenis Bahan Isolasi
• 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.
Dalam pengelompokan di atas akan dijelaskan sebagai berikut ;
a. Bahan Isolasi Gas
Bahan isolasi gas adalah digunakan sebagai pengisolasi dan sekaligus sebagai media penyalur panas. Bahan isolasi gas yang dibahas dalam bab ini adalah : udara, sulphur hexa fluorida (SF6) sebagai titik berat di damping gas-gas lain yang lazim digunakan di dalam teknik listrik.
1. Udara
Udara merupakan bahan isolasi yang mudah didapatkan, mempunyai tegangan tembus yang cukup besar yaitu 30 kV/ cm. Contoh yang mudah dijumpai antara lain : pada JTR, JTM, dan JTT antara hantara yang satu dengan yang lain dipisahkan dengan udara. Hubungan antara tegangan tembus dan jarak untuk udara tidak linier seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 7. Vt = f (celah udara) pada p = 1 atm, F = 50 Hz
2. Sulphur Hexa Fluorida
S + 3 F2 ---SF6 + 262 kilo kalori
Molekul SF6 seperti ditunjukkan pada Gambar berikut ini.
Gambar. 8. Molekul sulphur hexa fluorida
Terlihat pada gambar 8 bahwa molekul SF6 mempunyai 6 atom Fluor yang mengelilingi sebuah atom Sulphur, di sini masing-masing atom Fluo mengikat 1buah elektron terluar atom Sulphur. Dengan demikian maka SF6 menjadi gas yang inert atau stabil seperti halnya gas mulia. Sampai saat ini SF6 merupakan gas terberat yang mempunyai massa jenis 6,139 kg/m3 yaitu sekitar 5 kali berat udara pada suhu 00 celsius dan tekanan 1 atmosfir. Sifat lainnya adalah : tidak terbakar, tidak larut pada air, tidak beracun, tidak berwarna dan tidak berbau. SF6 juga merupakan bahan isolasi yang baik yaitu 2,5 kali kemampuan isolasi udara. Perbandingan SF6 dengan beberapa gas lain seperti tercantum pada Tabel berikut ;
Tabel 2. Sifat beberapa Gas
bunga api pada waktu bekerja, misalnya : sakelar pemutus beban. Sifat dari SF6 sebagai media pemadam busur api dan relevansinya pada sakelar pemutus beban adalah :
Hanya memerlukan energi yang rendah untuk mengoperasikan mekanismenya. Pada prinsipnya SF6 sebagai pemadam busur api adalah tanpa memerlukan energi untuk mengkompresikannya, namun semata-mata karena pengaruh panas busur api yang terjadi.
Tekanan SF6 sebagai pemadam busur api maupun sebagai pengisolasi dapat dengan mudah dideteksi.
Penguraian pada waktu memadamkan busur api maupun pembentukannya kembali setelah pemadaman adalah menyeluruh (tidak ada sisa unsure pembentuknya)
Relatif mudah terionisasi sehingga plasmanya pada CB konduktivitasnya tetap rendah dibandingkan pada keadaan dingin. Hal ini mengurangi kemungkinan busur api tidak stabil dengan demikian ada pemotongan arus dan menimbulkan tegangan antar kontak.
Karakteristik gas SF6 adalah elektro negatif sehingga penguraiannya menjadikan dielektriknya naik secara bertahap.
Transien frekuensi yang tinggi akan naik selama operasi pemutusan dan dengan adanya hal ini busur api akan dipadamkan pada saat nilai arusnya rendah.
3. Gas-gas lain
Gas bentukan fluoro organic misalnya C7F14, C7F8, C14, F24 mempunyai tegangan tembus yang tinggi, berkisar antara 6 – 10 kali tegangan tembus udara. Pemakaian gas ini cocok untuk bahan isolasi pada alat-alat pemutus.
Gas karbon dioksoda (CO2) dapat digunakan sebagai gas residu pada bahan dielektrik cair (minyak) pada alat-alat tegangan tinggi, antara lain : kabel dan trafo. Gas neon adalah salah satu gas mulia yang banyak digunakan sebagai bahan pengisi lampu-lampu tabung.
b. Bahan Isolasi Cair
Karena itu persyaratan untuk bahan cair yang dapat digunakan untuk isolasi antara lain : mempunyai tegangan tembus dan daya hantar panas yang tinggi.
1. Minyak Transformator
Minyak transformator adalah minyak mineral yang diperoleh dengan pemurnian minyak mentah. Dalam pemakaiannya, minyak ini karena pengaruh panas dari rugi-rugi di dalam transformator akan timbul hidrokarbon. Selain berasal dari minyak mineral, minyak transformator dapat pula yang dapat dibuat dari bahan organik, misalnya : minyak trafo Piranol, Silikon. Sebagai bahan isolasi, minyak transformator harus mempunyai tegangan tembus yang tinggi. Pengujian tegangan tembus minyak transformator dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Gambar 9. Alat pengujian tegangan tembus minyak transformator
Jarak elektroda dibuat 2,5 cm, sedangkan tegangannya dapat diatur dengan menggunakan auto-transformator sehingga dapat diketahui tegangan sebelum saat terjadinya kegagalan isolasi yaitu terjadinya locatan bunga api. Locatan bunga api dapat dilihat lewat lubang yang diberi kaca. Selain itu dapat dilihat dari Voltmeter tegangan tertinggi sebelum terjadinya kegagalan isolasi karena setelah terjadinya kegagalan isolasi voltmeter akan menunjukkan harga nol. Tegangan temus nominal minyak transformator untuk tegangan kerja tertentu dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3. Tegangan tembus minyak transformator
Tegangan kerja peralatan Tegangan tembus (kV) untuk jarak 2,5 cm Minyak baru Sedang di pakai
Di atas 35 kV 40 35
Di bawah 6 kV 30 20
Dengan demikian dapat diketahui apakah minyak transformator ketahanan listriknya memenuhi persyaratan yang berlaku. Ketahanan listrik minyak transformator dapat menurun karena pengaruh asam dan dapat pula karena kandungan air.
2. bahan isolasi cair lain
Minyak untuk kabel yang berisolasi kertas dibuat lebih kental daripada minyak trafo, disamping itu terdapat pula bahan isolasi kabel yang di impregnasi dengan minyak yang kekentalan rendah dengan pemurnian yang tinggi, yaitu kabel untuk tegangan ekstra tinggi yang diisi minyak.
Disamping bahan-bahan diatas, terdapat pula isolasi cair sintetis yang berisi chloor (hidrokarbon seperti difenil C10H12). Bahan-bahan ini diantaranya: sovol, askarel, araclor, pyralen, shibanol. Dan bahan isolasi cair lain yang lebih mahal dari minyak trafo adalah minyak silicon.
c. Bahan Isolasi Padat
Kaca dan porselin adalah tergolong bahan mineral, tetapi penggunaannya tidak pada bentuk atau keadaan alaminya melainkan harus diproses terlebih dahulu dengan pemanasan (pembakaran), pengerasan dan pelumeran. Itulah sebabnya maka pembahasannya dipisahkan dengan pembahasan bahan mineral pada bab sebelumnya.
1. Kaca
karena pelelehannya adalah perlahan –lahan ketika suhu pemanasan di naikkan. Titik pelelehan kaca berkisar antara 500 hingga 17000 C. Makin sedikit kandungan S1O2 nya makin rendah titik pelembekan suatu kaca. Demikian pula halnya dengan muai panjangnya, makin banyak kadar S1O2 yang dikandungnya akan makin kecil. Muai panjang untuk kaca berkisar antara 5,5-10-7 hingga 150. 10-7 per derajat celcius.
2. Sitol
Sitol mempunyai bahan dasar kaca yang merupakan pengembangan baru. Pemakaian sitol adalah sangat luas, struktur dan sifat-sifatnya adalah diantara kaca dan keramik. Sitol juga disebut keramik-kaca atau kaca kristal. Yang banyak dijumpai dipasaran antara lain : pyroceram, vitoceram. Sitol mempunyai struktur kristal yang halus (hal ini yang membedakannya dengan kaca biasa) tetapi berongga. Tidak seperti halnya keramik biasa, sitol tidak dibuat dengan pembakaran tetapi cenderung dengan fusi dari bahan-bahan mentahnya dengan menjadikannya meleleh dan kemudian kristalisasi.
3. Porselin
Porselin adalah bahan isolasi kelompok keramik yang sangat penting dan luas penggunaannya. Istilah bahan -bahan keramik adalah digunakan untuk semua bahan anorganik yang dibakar dengan pembakaran pada suhu tinggi dan bahan asal berubah substansinya. Bahan dasar dari porselin adalah tanah liat. Ini berarti bahan dasar tersebut mudah dibentuk pada waktu basah, tetapi menjadi tahan terhadap air dan kekuatan mekaniknya naik setelah dibakar. Penggunaan isolator dari porselin antara lain : isolator tarik, isolator penyangga, rol isolator seperti dapat dilihat pada gambar berikut.
d. Bahan Isolasi Berserat
Kelebihan dari bahan berserat adalah mempunyai fleksibilitas yang baik, kekuatan mekanis yang tinggi, mudah diproses dan murah harganya. Adapun kekurangannya adalah higroskopis dan tegangan tembusnya rendah.
Jenis-jenis bahan isolasi berserat : Kayu
Kertas Tekstil
Akhir-akhir ini banyak tekstil sintetis yang digunakan sebagai bahan isolasi karena mempunyai beberapa keuntungan antara laian: kekuatan mekanis, elastisitas, dan tahan panas yang tinggi, higroskopisitas rendah dan lebih stabil terhadap pengaruh kimia. Serat sintetis diantanya adalah poliamid (nilon, kapron, silon, dedron), serat polyester (lavsan, terilin, tetron, dakron), seratpolistirin (PVC).
Bahan berserat anorganik : Asbes dan Fiberglass
e. Bahan Isolasi Mineral
Bahan isolasi mineral diperoleh dari tambang dan digunakan sebagai isolasi pada ikatan kimia atau keadaan alaminya tanpa proses kimia atau termal sebelumnya.
Jenis-jenis bahan isolasi minerlal: Mika
Mikanit
Mikanit komutator Mikanit lempengan Mikanit cetakan Kertas mika Mikanit fleksibel Pita mika
Marmer Batu tulis Klorida
Plastik adalah bahan sintetis yang dapat dibentuk dengan pemanasan dan dapat diperkeras bergantung pada strukturnya. Bahan isolasi plastik terdiri dari :
NYA NYM NYY Mikaleks Karet
1. Karet butadin 2. Karet butil
3. Karet polichloropen 4. Karet silicon
g. Bahan Isolasi Serat Optik
Sebagaimana namanya maka serat optik (fiber optic) dibuat dari gelas silika dengan penampang berbentuk lingkaran atau bentuk-bentuk lainnya. Pembuatan serat optik (fiber optic) dilakukan dengan cara menarik bahan gelas kental-cair sehingga dapat diperoleh serabut atau serat gelas dengan penampang tertentu. Proses ini dikerjakan dalam keadaan bahan gelas yang panas. Yang terpenting dalam pembuatan serat optik (fiber optic) adalah menjaga agar perbandingan relatif antara bermacam lapisan tidak berubah sebagai akibat tarikan. Proses pembungkusan seperti pemberian bahan pelindung atau proses pembuatan satu ikat kabel yang terdiri atas beberapa buah hingga ratusan kabel pengerjaannya tidak berbeda dengan pembuatan kabel biasa.
Perkembangan terakhir, pemakaian serat optic sebagai saluran tranmisi komunikasi jarak jauh lebih menguntungkan jika dibandingkan dengan transmisi konvensional, antara lain: saluran 2 kawat sejajar kabel koaksial.
2.6 Rangkuman
Bahan penyekat/isolasi adalah bahan yang bersifat mengisolir arus listrik, artinya suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali terhadap arus listrik. Sedangkan berdasarkan teori atom bahan penyekat adalah bahan yang susunan atomnya sedemikian rupa sehingga elektron di valence band tidak mampu pindah ke conduction band karena energi gap-nya besar sekali, sehingga di conduction band tidak terdapat pembawa muatan.
Bahan isolasi harus dapat menyesuaikan diri terhadap lingkungan dimana bahan itu digunakan. Oleh karena itu bahan isolasi harus memiliki kemampuan sebagai berikut :
- memiliki daya tahan terhadap minyak dan ozon.
- memiliki kekedapan dan kekenyalan higroskopis yang tinggi. - daya serap air rendah.
- stabil ketika mengalami radiasi.
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.
2.7 Latihan Soal
1. Sebutkan dan jelaskan sifat-sifat dari bahan penyekat/isolasi. 2. Sebutkan jenis bahan isolasi yang digunakan dalam teknik elektro. 3. Apa yang dimaksud dengan bahan isolasi ? Jelaskan.
4. Jelaskan diagram pita energi untuk bahan konduktor, semikonduktor dan bahan isolasi.
5. Bila tegangan yang bekerja pada bahan isolasi bertambah besar, maka tahanan isolasi akan berkurang, mengapa? Jelaskan.
2.8 Glosarium
Bahan penyekat digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan.
Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai dielektrik ditentukan oleh permitivitasnya, di samping jarak dan luas permukaannya.
Bahan isolasi tersebut hendaknya mampu meneruskan panas yang didesipasikan oleh penghantar atau rangkaian magnetik ke udara sekelilingnya.
Bahan isolasi hendaknya juga mempunyai permeabilitas uap (kemampuan untuk dilewati uap) yang besar, khususnya bagi bahan yang digunakan untuk isolasi kabel dan rumah kapasitor.
Pemakaian bahan isolasi sering dipengaruhi bermacam-macam energi radiasi yang dapat berpengaruh dan mengubah sifat bahan isolasi. Suhu juga berpengaruh terhadap kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas,
ketahanan terhadap pengaruh kimia dan sebagainya.
2.9 Daftar Pustaka
Gerris, P.M.J. Ilmu Bahan-bahan Terj. M. Pamenan, Jakarta, PT. Pradnya Paramita.
Kempster, M.H.A. Materials for engineers, 1981.
Muhaimin, Bahan-bahan Listrik untuk Politeknik, Jakarta, PT. Pradnya Paramita.
Wagmeuller, H.R. dan Prastawa, I.B. Pengetahuan Bahan, Bandung: Politeknik Mekanik Swiss-ITB.
BAB 3
Bahan Semikonduktor
3.1 Pendahuluan
valence band tidak dapat pindah ke conduction band, sehingga bahan semikonduktor pada temperatur 00 K merupakan bahan penyekat (isolasi).
Pada temperatur kamar, sejumlah kecil elektron dapat pindah ke conduction band (karena memiliki energi termis yang cukup) dan bertugas sebagai pembawa muatan. Pengaruh suhu pada hambat jenis logam dan semikonduktor adalah pada logam hambat jenis bertambah secara linier dengan kenaikan suhu, sedangkan pada semikonduktor berlaku sebaliknya, yaitu dengan bertambahnya kenaikan suhu maka hambat jenis secara linier akan turun.
Bahan yang memiliki nilai hambatan jenis (ρ) antara konduktor dan isolator
yakni sebesar 10-6 s.d. 104 ohm.m. Perbandingan hambatan jenis konduktor, semikonduktor, dan isolator :
Tabel 4. Daftar perbandingan hambat jenis bahan
BAHAM HAMBAT JENIS (ohm.m) SIFAT
Tembaga 1,7 x 10-8 Konduktor
Silikon (3000 K) 2,3 x 103 Semikonduktor
Gelas 7,0 x 106 Isolator
3.1.1 Deskripsi
Bahan semikonduktor adalah bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atau energy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira sebesar 1 eV. Bahan-bahan yang termasuk dalam bahan semikonduktor, antara lain;
• TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom- atom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium(In) • TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah
elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
• PENTAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb)
3.1.2 Manfaat dan Relevansi
(Ge). Jumlah elektron pada bahan silikon 14 buah, sedangkan jumlah elektron pada bahan germanium 32 buah. Sedangkan jumlah elektron valensi (elektron terluar) Si maupun Ge `masing-masing 4 buah, dan jenis ikatannya kovalen.
3.1.3 Standart Kompetensi
Mahasiswa dapat menjelaskan pengertian bahan semikonduktor, dapat menghitung konsentrasi elektron bebas pada bahan semikonduktor intrinsik, dapat menjelaskan terjadinya bahan semikonduktor tipe N dan P, dapat menghitung kenaikan daya hantar jenis akibat pengotoran semikonduktor intrinsik.
3.1.4 Kompetensi Dasar
Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat mengetahui dan menguasai pengertian bahan semikonduktor, semikonduktor instrinsik, dan semikonduktor ekstrinsik tipe P dan tipe N.
3.2 Pengertian Bahan semikonduktor
Bahan semi konduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya antara konduktif dan isolator. Tahanan jenis bahan semikonduktor antara sekitar 10-3 Ωm sampai dengans sekitar 10+3 Ωm.
Atom-atom bahan semikonduktor membentuk kristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan kovalen. Bahan semikonduktor yang banyak dipakai dalam elektkronika adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge). Pada 00 K SI mempunyai lebar pita terlarang (energy gap) 0,785 eV, sedang untuk Ge 1,21 eV.
Baik Si maupun Ge mempunyai elektron valensi 4. Ada 2 jenis bahan semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik (tidak murni). Untuk semikonduktor ekstrinsik ada 2 tipe yaitu tipe-P dan tipe-N.
3.3 Semikonduktor instrinsik
melebihi energi gap sehingga dapat meloncat dari pita valensi ke pita konduksi menjadi elektron bebas dengan meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Kekosongan ini disebut hole (lubang) dan dianggap bermuatan positif sebesar muatan elektron. Dengan demikian jika digambarkan pita energinya adalah seperti gambar berikut.
Gambar 11. Pita energi bahan semikonduktor instrinsik
Jika digambarkan ikatan kovalen atom-atomnya dan susunan kristanya dalam dua dimensi maka tampak seperti pada gambar 12, tiap atom terikat oleh ikatan kovalen dengan empat atom yang terikat. Dalam gambar ikatan kovalen dilukiskan dengan 2 garis lengkung dengan 2 elektron valensi di dalamnya yang digambarkan dengan titik hitam. Lingkaran dengan tanda +4 di dalamnya melukiskan ion-ion, yaitu inti atom beserta elektron-elektronnya kecuali 4 elektron valensi. Jadi semikonduktor intrinsik pada suhu 0 oK bersifat sebagai isolator, dan pada suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor karena adanya pembentukan pasangan-pasangan eletron bebas hole yang keduanya berlaku sebagai pembawa ikatan.
Pita Konduksi
Elektron Bebas
EG≈1,2e
Pita Terlarang
EG≈1,1ePita Valensi
Hole
Si pada 0oK Si pada 300
o K Elektron
Bebas
+4 +4 +4
Hole
+4 +4 +4
Gambar 12. Visualisasi dua dimensi ikatan kovalen bahan semikonduktor instrinsik
Jadi semikonduktor intrinsik pada suhu 0 oK bersifat sebagai isolator, dan pada suhu agak tinggi bersifat sebagai konduktor karena adanya pembentukan pasangan-pasangan elektron bebas hole yang keduanya berlaku sebagai pembawa ikatan. Jika konsentrasi (jumlah per volume) elektron bebas dalam semi konduktor instrinsik dinyatakan dengan ni dan konsentrasi hole dengan pi maka berlaku ;
ni = pi
Ketergantungan konsentrasi pembawa muatan dalam semikonduktor instrinsik nterhadap suhu dapat ditentukan berdasarkan statistik Fermi Dirac, dan menghasilkan formulasi sebagai berikut :
ni2 = AoT3 ∈-EGO/kT
Ao = tetapan tak bergantung suhu T = suhu kelvin
EGO = energi gap pada 0 oK dalam eV
K = konstante Bolzman dalam eV/oK ∈ = 2,7
Daya hantar jenis dan tahanan jenis semikonduktor intrinsik diberikan oleh persamaan-persamaan :
n p
i
en
1
σ = daya hantar listrik ρ = tahanan jenis
µn = mobilitas elektron bebas µp = mobilitas hole
Bahan semikonduktor intrinsik pada suhu yang sangat rendah: • Semua elektron berada pada ikatan kovalen
• Tak ada elektron bebas atau tak ada pembawa muatan sehingga bersifat sebagai isolator
Bahan semikonduktor intrinsik pada suhu kamar :
• Agitasi termal menyebabkan beberapa elektron valensi keluar dari ikatan kovalen menjadi elektron bebas sebagai pembawa muatan negatif
• Munculnya elektron bebas diikuti dengan terbentuknya hole (lubang) sebagai pembawa muatan positif, peristiwanya disebut pembangkitan (generation)
• Jika dipasang beda potensial, terjadi aliran arus (sebagai konduktor dengan konduktansi rendah).
3.4 Semikonduktor ekstrinsik
Semikonduktor ekstrinsik adalah bahan semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing. Dengan mencampurkan/impurity atom lain diharapkan dapat meningkatkan hantaran listrik yang lebih tinggi/baik dari pada semikonduktor instrinsik. Dopant adalah atom pengotor, atom dopant : atom murni = 1 : 106 s/d. 108. Atom-atom dopant pada semikonduktor tipe-N adalah atom-atom pentavalent, seperti P (pospor), As (arsen), Sb (antimon), sebagai pembawa muatan elektron dan dinamakan atom donor, sedangkan pada semikonduktor time-P trivalent, seperti B (boron), Ga (gallium), In (indium), sebagai pembawa muatan hole dan dinamakan atom akseptor.
3.4.1 Semikonduktor Tipe-N
sangat kecil, dengan perbandingan atom pengotor (asing) dengan atom asli berkisar antara 1 : 1 juta sampai dengan 1 : 100 juta. Tujuan ini adalah agar bahan kaya akan satu jenis pembawa muatan saja (Elektron bebas saja atau hole saja) dan untuk memperbesar daya hantar listrik.
Semikonduktor tipe N ialah semikonduktor ekstrinsik, yang diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 5 seperti As, Pb, P. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat kecil, maka setiap atom pengotor (asing) dikelilingi oleh atom-atom asli. Elektron valensi yang ke 5 dari atom pengotor tidak terikat dalam ikatan kovalen sehingga menjadi elektron bebas. Dengan demikian pada bahan ini jumlah elektron bebas akan meningkat sesuai jumlah atom pengotornya sehingga elektron bebas menjadi pembawa muatan mayoritas dan hole (yang terbentuk akibat suhu) menjadi pembawa muatan minoritas. Karena pembawa muatan mayoritasnya adalah elektron bebas, sedang elektron bebas bermuatan negatif, maka semikonduktor yang terbentuk diberi nama semi konduktor tipe N. dalam hal ini N kependekan dari kata Negatif, yakni jenis muatan mayoritasnya. Jadi tidak berarti bahwa semikonduktor ini bermuatan negatif. Semikonduktor ini tetap netral. Karena atom pengotor memberikan kelebihan elektron-elektron dalam ikatan kovalen, maka disebut donor (atom donor). Setelah donor memberikan kelebihan elektronnya, maka akan menjadi ion positif. Jika keadaan ikatan dan pita tenaganya digambarkan maka akan tampak seperti gambar di bawah ini.
E
Pita Konduksi
Tingkat energi donor 0,05eV
EC ED
Gambar 13. Pita energi semikonduktor tipe N
Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tipe N ini dinyatakan dengan nn sedang konsentrasi holenya dinyatakan dengan pn dan konsentrasi atom donor dinyatakan dengan ND maka berlaku : nn ≈ ND.
Menurut hukum massa aksi hasil kali konsentrasi pembawa muatan positif dengan pembawa muatan negatif dalam keseimbangan termal merupakan suatu tetapan yang tidak bergantung pada donor dan aseptor yang besarnya n22. Maka
Daya hantar jenis listriknya dapat dicari dari hubungan sebagai berikut :
n
Semikonduktor ini diperoleh dari semikonduktor intrinsik yang dikotori dengan atom asing yang bervalensi 3, misalnya Al, atau Ga. Karena perbandingan atom pengotor dengan atom asli sangat kecil, maka setiap atom pengotor hanya bervalensi 3 maka hanya menyediakan 3 elektron dalam ikatan kovalen, sehingga ada kekurangan (kekosongan = lubang = hole). Dengan demikian pengotoran ini menyebabkan meningkatnya jumlah hole atau dengan kata lain hole sebagai pembawa muatan mayoritas. Sedang pembawa muatan moniritasnya adalah elektron bebas yang terbentuk adalah elektron bebas yang terbentuk akibat suhu. Karena pembawa muatan mayoritasnya hole, sedang hole bermuatan positif maka semikonduktor yang terbentuk disebut semikonduktor tipe P, dalam hal ini P kependekan dari kata positif, yakni jenis muatan mayoritasnya. Jadi bukan berarti semikonduktor ini bermuatan positif,
baru dan seterusnya sehingga ada gerakan hole. Setelah hole diisi oleh elektron, aseptor akan menjadi ion negatif.
Gambar 14. Pita energi semikonduktor tipe P
Jika konsentrasi elektron bebas pada semikonduktor tope P ini disebut np, konsentrasi holenya pp dan konsentrasi aseptornya NA maka analog pada semikonduktor tipe N berlaku persamaan-persamaan :
A
Bahan semikonduktor adalah bahan yang memiliki pita terlarang (forbidden band) atau energy gap (EG) yang relatif kecil kira-kira sebesar 1 eV. Bahan-bahan
yang termasuk dalam bahan semikonduktor, antara lain;
• TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom- atom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In) • TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah
elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
• PENTAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb).
Bahan semikonduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya antara konduktif dan isolator. Tahanan jenis bahan semikonduktor antara sekitar 10-3 Ωm sampai dengans sekitar 10+3 Ωm. Atom-atom bahan semikonduktor membentuk kristal dengan struktur tetrahedral, dengan ikatan kovalen. Bahan semikonduktor yang banyak dipakai dalam elektkronika adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge). Pada 00 K SI mempunyai lebar pita terlarang (energy gap) 0,785 eV, sedang untuk Ge 1,21 eV.
Bahan Si maupun Ge mempunyai elektron valensi 4. Ada 2 jenis bahan semikonduktor yaitu semikonduktor intrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik (tidak murni). Untuk semikonduktor ekstrinsik ada 2 tipe yaitu semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N.
3.6 Latihan Soal
1. Jelaskan secara rinci pengertian bahan semikonduktor baik mengenai daya hantar jenis, unsur, struktur elektron, ikatan antar atom, maupun struktur kristalnya.
2. Tentukan konsentrasi elektron bebas pada silikon pada shu 27 oC jika EGO = 1,21 eV dan k = 8,62×10-5 (oK)-1.
3. Jelaskan terjadinya semikonduktor tipe P 4. Jelaskan terjadinya semikonduktor tipe N
Ge murni ini. Jika tiap 1010 atom Ge dikotori 1 atom donor, tentukan kenaikan σ nya.
3.7 Glosarium
Pada temperatur 00 K elektron-elektron di valence band tidak dapat pindah ke conduction band, sehingga bahan semikonduktor pada temperatur 00 K merupakan bahan penyekat (isolasi).
TRIVALENT: logam-logam yang memiliki atom- atom dengan jumlah elektron terluar 3 buah seperti Boron (B), Gallium (Ga), dan Indium (In).
TETRAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 4 buah seperti Silikon (Si) dan Germanium (Ge).
PENTAVALENT: logam-logam yang memiliki atom-atom dengan jumlah elektron terluar 5 buah seperti Fosfor (P), Arsenikum (As), dan Antimon (Sb).
Tahanan jenis bahan semikonduktor antara sekitar 10-3 Ωm sampai dengans sekitar 10+3 Ωm.
Bahan semikonduktor yang banyak dipakai dalam elektkronika adalah silikon (Si) dan Germanium (Ge), pada 00 K SI mempunyai lebar pita terlarang (energy gap) 0,785 eV, sedang untuk Ge 1,21 eV.
Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semikonduktor yang tidak ataupun belum terkotori oleh atom-atom asing.
Semikonduktor ekstrinsik adalah bahan semikonduktor yang memperoleh pengotoran atau penyuntikan (doping) oleh atom asing.
3.8 Daftar Pustaka
Millman, J., Halkias, C. C. Integrated Electronics. Tokyo : Mc Graw kogakusha, Ltd. 1979.
BAB 4
Bahan Konduktor
4.1 Pendahuluan
Bahan logam, dengan ikatannya yang lemah dengan elektron valensi, merupakan konduktor listrik dan penghantar panas yang baik. Konduktivitas ini terjadi karena hanya diperlukan energi sedikit saja untuk mengaktifkan elektron yang terdilokalisir ke level konduksi. Sebaliknya elektron memerlukan enegi yang cukup besar untuk mengatasi sela energi yang besar dalam isolator. Semikonduktor mempunyai sela energi yang kecil sehingga terdapat sejumlah elektron untuk konduksi.
Bahan konduktor adalah bahan listrik baik logam maupun non logam yang sangat mudah untuk menghantarkan listrik. Salah satu bahan penghantar adalah bahan kontak, syarat-syarat bahan kontak listrik adalah :
- harus cukup kuat terhadap gaya mekanik
- tahanan jenis harus kecil
- tahan terhadap tegangan kerja yang akan dihubungkan - tahan terhadap locatan bunga api dan suhu yang tinggi.
4.1.1 Deskripsi
Bahan penghantar adalah komponen yang memegang peranan penting dalam penyaluran tenaga listrik dari satu tempat ke tempat yang lain. Bahan-bahan yang banyak digunakan dalam penghantar listrik adalah tembaga, alumunium, dan campuran logam-logam tersebut dengan logam jenis lain.
Dalam memilih bahan penghantar yang akan digunakan untuk saluran/jaringan harus mempertimbangakan beberapa faktor ;
- Bahan konduktor harus mempunyai konduktivitas listrik yang cukup baik - cukup kuat untuk menahan gaya-gaya mekanis
- harganya harus cukup murah.
4.1.2 Manfaat dan Relevansi
Dalam konstruksi saluran peralatan-peralatan yang digunakan adalah bermacam-macam, dan setiap peralatan tersebut mempunyai fungsi yang berlainan yang menunjang terlaksananya fungsi dari saluran, sehingga saluran tersebut dapat bekerja dengan baik. Peralatan-peralatan yang penting pada saluran antara lain kawat penghantar, kabel, dan peralatan pembantu kawat penghantar.
4.1.3 Standart Kompetensi
Mahasiswa dapat menjelaskan pengertian bahan penghantar, jenis bahan konduktor, klasifikasi Konduktor menurut bahannya, klasifikasi konduktor menurut konstruksinya, klasifikasi Konduktor menurut bentuk fisiknya, karakteristik konduktor, konduktivitas listrik.
4.1.4 Kompetensi Dasar
4.2 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).
4.3 Klasifikasi Konduktor
4.3.1 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).
4.3.2 Klasifikasi Konduktor menurut konstruksinya : 1. kawat padat (solid wire) berpenampang bulat.
3. kawat berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untuk mendapatkan garis tengah luar yang besar.
4.3.3 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/NYM d. Kabel NYFGBY
4.4 Karakteristik Konduktor
Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor, yaitu :
a. Karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN 41-8:1981, maka berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30oC untuk konduktor 70 mm kemampuan maksimal dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A). b. 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 30oC, maka kemampuan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).
4.5 Konduktivitas listrik
Sifat daya hantar listrik material dinyatakan dengan konduktivitas, yaitu kebalikan dari resistivitas atau tahanan jenis penghantar, dimana tahanan jenis penghantar tersebut didefinisikan sebagai :
l A R.
R : tahanan penghantar (ohm)
ρ : konduktivitas/tahanan jenis kawat (Ωmm²/meter)
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 semikonduktor 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.
Bahan logam yang banyak digunakan sebagai konduktor dan mempunyai nilai konduktivitas listrik (ohm meter), antara lain ;
Perak ( Ag ) ………. 6,8 x 107 Tembaga ( Cu ) ……….. 6,0 x 107 Emas ( Au ) ……….. .. 4,3 x 107 Alumunium ( Al ) ………. .. 3,8 x 107 Kuningan ( 70% Cu – 30% Zn )… 1,6 x 107 Besi ( Fe ) ……… 1,0 x 107 Baja karbon ( Fe – C ) …………. 0,6 x 107 Baja tahan karat ( Fe – Cr ) …… 0,2 x 107
4.6 Kriteria mutu penghantar
