Ilmu Bahan Listrik
Macam macam bahan listrik
Ilmu Bahan Listrik - Dasar
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 :
Isolator
Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan muatan listrik. Dalam bahan isolator valensi elektronnya terikat kuat pada atom-atomnya. Bahan-bahan ini dipergunakan dalam alat-alat elektronika sebagai isolator, atau penghambat mengalirnya arus listrik. Isolator berguna pula sebagai penopang beban atau pemisah antara konduktor tanpa membuat adanya arus mengalir ke luar atau atara konduktor. Istilah ini juga dipergunakan untuk menamai alat yang digunakan untuk menyangga kabel transmisi listrik pada tiang listrik.
Beberapa bahan, seperti kaca, kertas, atau Teflon merupakan bahan isolator yang sangat bagus. Beberapa bahan sintetis masih "cukup bagus" dipergunakan sebagai isolator kabel. Contohnya plastik atau karet. Bahan-bahan ini dipilih sebagai isolator kabel karena lebih mudah dibentuk / diproses sementara masih bisa menyumbat aliran listrik pada voltase menengah (ratusan, mungkin ribuan volt).
Konduktor
Konduktor dalam teknik elektronika adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik, baik berupa zat padat, cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas, perak, tembaga, alumunium, zink, besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin besar. Jadi sebagai penghantar emas adalah sangat baik, tetapi karena sangat mahal harganya, maka secara\ ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan.
Dielektrik
Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan (polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti bahan konduktor, tetapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan
melingkupi bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik.
Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknya rendah, seperti "dielektrik", namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya mengubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor.
Semi Konduktor
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator (isolator) dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah penghantar listrik. Suatu semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, namun pada temperatur, arus tertentu, tatacara tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa berfungsi harus tahu spesifikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide.
Baterai
Baterai listrik adalah alat yang terdiri dari 2 atau lebih sel elektrokimia yang mengubah energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik. Tiap sel memiliki kutub positif (katoda) dan kutub negatif (anoda). Kutub yang bertanda positif menandakan bahwa memiliki energi potensial yang lebih tinggi daripada kutub bertanda negatif. Kutub bertanda negatif adalah sumber elektron yang ketika disambungkan dengan rangkaian eksternal akan mengalir dan memberikan energi ke peralatan eksternal. Ketika baterai dihubungkan dengan rangkaian eksternal, elektrolit dapat berpindah sebagai ion didalamnya, sehingga terjadi reaksi
kimia pada kedua kutubnya. Perpindahan ion dalam baterai akan mengalirkan arus listrik keluar dari baterai sehingga menghasilkan kerja. Meski sebutan baterai secara teknis adalah alat dengan beberapa sel, sel tunggal juga umumnya disebut baterai.
elektroda dapat dikembalikan dengan arus berkebalikan. Contohnya adalah baterai timbal-asam pada kendaraan dan baterai ion litium pada elektronik portabel.
Baterai terdiri dari berbagai bentuk dan ukuran, dari sel berukuran mini untuk alat bantu pendengaran dan jam tangan hingga bank baterai seukuran ruangan yang bisa memberikan tenaga untuk pertukaran telepon dan pusat data komputer.
Baterai memiliki energi spesifik (energi per satuan massa) yang jauh lebih rendah daripada bahan bakar biasa seperti bensin. Namun, biasanya hal ini ditutup dengan efisiensi motor listrik yang lebih tinggi daripada motor bakar dalam menghasilkan kerja mekanik.
Serat Optik
Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Sumber cahaya yang digunakan biasanya adalah laser atau LED. Kabel ini berdiameter lebih kurang 120 mikrometer.
Cahaya yang ada di dalam serat optik tidak keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara, karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit. Kecepatan transmisi serat optik sangat tinggi sehingga sangat bagus digunakan sebagai saluran komunikasi.
Perkembangan teknologi serat optik saat ini, telah dapat menghasilkan pelemahan (attenuation) kurang dari 20 decibels (dB)/km. Dengan lebar jalur (bandwidth) yang besar sehingga kemampuan dalam mentransmisikan data menjadi lebih banyak dan cepat dibandingan dengan penggunaan kabel konvensional. Dengan demikian serat optik sangat cocok digunakan terutama dalam aplikasi sistem telekomunikasi. Pada prinsipnya serat optik memantulkan dan membiaskan sejumlah cahaya yang merambat didalamnya.
Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun gelas/kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik.
Piezo Elektrik
Sebaliknya, kristal yang sama akan berubah sekitar 0,1% dari dimensi statisnya saat medan listrik eksternal diterapkan pada material. Efek piezoelektrik terbalik digunakan dalam produksi gelombang suara ultrasonik.
Piezoelektrik ditemukan pada aplikasi yang berguna, seperti produksi dan pendeteksian suara, pembangkitan voltase tinggi, frekuensi elektronik, mikrobalansi, penggerak nosel ultrasonik, dan ultrafine yang memfokuskan pada majelis optik. Ini juga merupakan dasar dari sejumlah teknik instrumental ilmiah dengan resolusi atom, mikroskop probe pemindaian, seperti STM, AFM, MTA, SNOM, dll., Dan penggunaan sehari-hari, seperti bertindak sebagai sumber pengapian untuk pemantik api, dan barbecue push-start propane, serta sumber referensi waktu pada jam tangan kuarsa.
Magnet
Magnet adalah material atau benda yang menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini tidak terlihat tapi bertanggung jawab atas sifat magnet yang paling menonjol: gaya yang menarik bahan feromagnetik lainnya, seperti besi, dan menarik atau mengusir magnet lainnya.
Magnet permanen adalah benda yang terbuat dari material yang dimagnetisasi dan menciptakan medan magnetnya sendiri. Contoh sehari-hari adalah magnet kulkas yang digunakan untuk menyimpan catatan di pintu kulkas. Bahan yang bisa dimagnetisasi, yang juga merupakan benda yang sangat tertarik pada magnet, disebut feromagnetik (atau ferrimagnetik). Ini termasuk besi, nikel, kobalt, beberapa paduan logam tanah jarang, dan beberapa mineral alami seperti lodestone. Meskipun bahan feromagnetik (dan ferrimagnetik) adalah satu-satunya yang tertarik pada magnet yang cukup kuat untuk dianggap magnetis, semua zat lainnya bereaksi lemah terhadap medan magnet, oleh salah satu dari beberapa jenis magnet lainnya.
Bahan feromagnetik dapat dibagi menjadi bahan "lunak" yang magnetis seperti besi anil, yang dapat dimagnetisasi namun tidak cenderung tetap magnet, dan bahan "keras" yang magnetis, yang melakukannya. Magnet permanen terbuat dari bahan feromagnetik "keras" seperti alnico dan ferrite yang mengalami pemrosesan khusus di medan magnet yang kuat selama pembuatan untuk menyelaraskan struktur mikrokristalin internal mereka, sehingga sangat sulit untuk diremagnetisasi. Untuk melakukan demagnetisasi magnet jenuh, medan magnet tertentu harus diterapkan, dan ambang batas ini bergantung pada koersivitas material masing-masing. Bahan "Keras" memiliki koersivitas tinggi, sedangkan bahan "lunak" memiliki koersivitas rendah.
Elektromagnet terbuat dari gulungan kawat yang berfungsi sebagai magnet saat arus listrik melewatinya namun berhenti menjadi magnet saat arus berhenti. Seringkali, koil dililitkan di sekitar inti bahan feromagnetik "lunak" seperti baja, yang sangat meningkatkan medan magnet yang dihasilkan oleh koil.
Hambatan Jenis
Hambatan jenis adalah kecenderungan suatu bahan untuk melawan aliran arus listrik. Faktor yang menentukan besar kecilnya nilai hambatan jenis suatu penghantar adalah bahan kawat penghantar tersebut.
Kawat penghantar yang dipakai pada kawat listrik pasti mempunyai hambatan, meskipun nilainya kecil. Kita mungkin menduga bahwa hambatan yang dimiliki kawat yang tebal lebih kecil daripada kawat yang tipis, karena kawat yang lebih tebal memiliki area yang lebih luas untuk aliran elektron. Kita tentunya juga memperkirakan bahwa semakin panjang suatu penghantar, maka hambatannya juga semakin besar, karena akan ada lebih banyak penghalang untuk aliran elektron.
Berdasarkan eksperimen, Ohm juga merumuskan bahwa hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang l, berbanding terbalik dengan luas penampang lintang kawat A, dan bergantung kepada jenis bahan tersebut. Secara matematis dituliskan :
R = ρ
dengan:
R = hambatan kawat penghantar (Ω)
l = panjang kawat penghantar (m)
A = luas penampang lintang penghantar (m2)
ρ = hambatan jenis kawat penghantar (Ω.m)
Konstanta pembanding disebut hambatan jenis (resistivitas). Hambatan jenis kawat berbeda-beda tergantung bahannya.
Berdasarkan persamaan dan contoh tersebut, terlihat bahwa apabila kawat penghantar makin panjang dan hambatan jenisnya makin besar, maka nilai hambatannya bertambah besar. Tetapi apabila luas penampang kawat penghantar makin besar, ternyata nilai hambatannya makin kecil. Untuk nilai hambatan jenis suatu penghantar besar kecilnya sudah ditentukan para ilmuwan.
Nilai Hambatan Jenis Berbagai Bahan
Berikut adalah hambatan jenis beberapa bahan pada suhu 20 oC
Hambatan Jenis Semikonduktor
Bahan Hambatan Jenis ρ (Ωm) Koefisien muai, α (oC)-1
Karbo (grafit) Germanium Silikon
(3-60) x 10-5
(1-500) x 10-3
0,1 – 60
– 0,0005 – 0,05 – 0,07
Hambatan Jenis Isolator
Bahan Hambatan Jenis ρ (Ωm) Koefisien muai, α (oC)-1
Kaca Karet Porselin Mika Ebonit
1011 – 1014
108 – 1013
1012 – 1014
1013
1013 – 1016
– – – – –
Nilai hambatan suatu penghantar (R) sebanding dengan hambatan jenis (ρ) , pengaruh suhu terhadap hambatan sehingga dapat ditulis :
Rt = R0 (1 + αΔT)
Dengan :
Rt = hambatan akhir (Ω)
R0 = hambatan mula-mula (Ω)
Hambatan jenis suatu penghantar bergantung pada suhu penghantar tersebut. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
ρt = ρ0 (1+αΔT)
Dengan :
α = koefisien suhu hambatan
ΔT = pertambahan suhu (oC)
ρt = hambatan jenis akhir (Ωm)
