SIFAT-SIFAT BAHAN
Bahan listrik dalam sistem tanaga listrik merupakan salah satu elemen penting yang akan menentukan kualitas penyaluran energi listrik itu sendiri . Bahan listrik yang sangat populer selama ini meliputi konduktor, semikonduktor, dan isolator. Satu lagi yang dikenal dengan super konduktor , namun masih dalam penelitian intensif para ahli . Ketiga bahan tadi secar integratif dalam sistem kelistrikan dimanfaatkan secara optimal. Seperti konduktor adalah salah satu material paling besar yang dipakai dalam penyaluran tenaga listrik baik alumunium maupun tembaga atau campuran dengan bahan lain.
Suatu bahan dapat berbentuk padat , cair atau gas. Wujud bahan tertentu juga bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan besdasarkan wujud tersebut dalam teknik listik bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut :
1. Bahan penghantar (Konduktor)
2. Bahan penyekat (Isolator)
3. Bahan setengah penghantar (Semi konduktor)
4. Bahan magnetis
5. Bahan Super konduktor
6. Bahan nuklir
7. Bahan khusus
Penghantar dalam teknik adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik , baik berupa zat padat , cair atau gas. Karena sifatnya yang konduktif maka di sebut konduktor . Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya logam bersifat konduktif. Emas , perak , tembaga , alumunium , zink, besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin besar . jadi sebagai penghantar emas adalah sangat baik , tetapi sangat mahal harganya , maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan .
BAHAN KONDUKTOR
A. Pengertian Bahan Penghantar ( Konduktor )
Bahan konduktor merupakan penghantar listrik yang baik . Bahan ini mempunyai daya hantar listrik(Electrical Conductivity) yang besar dan tahanan listrik(Electrical resistance) yang kecil. Bahan penghantar listrik berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel , kumparan/ lilitan yang ada pada alat listrik yang anda jumpai . Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik listrik , bahan penghantar yang sering di jumpai adalah tembaga dan alumunium .
B. Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan-persyaratan sebagai berikut.
1. Konduktifitasnya cukup baik.
2. Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi.
3. Koefisien muai panjangnya kecil.
4. Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar
Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:
a. Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.
b. Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang diberi
campuran dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk
menaikkan kekuatan mekanisnya.
c. Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan dengan cara
kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).
C. Klasifikasi konduktor menurut konstuksinya :
1. Kawat padat (solid wire) berpenampang bulat.
2. Kawat berlilit (standart wire) terdiri 7 sampai dengan 61 kawat padat yang dililit menjadi satu, biasanya berlapis dan konsentris.
3. kawat berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untuk mendapatkan garis tengah luar yang besar.
D. Karakteristik konduktor
Ada 2 (dua) jenis karakteristik konduktor , yaitu :
1. Karakteristik mekanik, yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada konduktor (dari SPLN 41-8:1981, untuk konduktor 70 mm berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30 oC, maka kemampuan maksimal dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).
2. Karakteristik listrik, yang menunjukkan kemampuan dari konduktor terhadap arus listrik yang melewatinya (dari SPLN 41-10 : 1991, untuk konduktor 70 mm2 berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30 oC, maka kemampuan maksimum dari konduktor untuk menghantar arus adalah 275 A).
E. Kriteria Bahan Konduktor
Konduktivitas logam penghantar sangat dipengaruhi oleh unsur – unsur pemadu, impurity atau ketidaksempurnaan dalam kristal logam, yang ketiganya banyak berperan dalam proses pembuatan pembuatan penghantar itu sendiri. Unsur – unsur pemandu selain mempengaruhi konduktivitas listrik, akan mempengaruhi sifat – sifat mekanika dan fisika lainnya. Logam murni memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik dari pada yang lebih rendah kemurniannya. Akan tetapi kekuatan mekanis logam murni adalah rendah.
Penghantar tenaga listrik, selain mensyaratkan konduktivitas yang tinggi juga membutuhkan sifat mekanis dan fisika tertentu yang disesuaikan dengan penggunaan penghantar itu sendiri.
Selain masalah teknis, penggunaan logam sebagai penghantar ternyata juga sangat ditentukan oleh nilai ekonomis logam tersebut dimasyarakat. Sehingga suatu kompromi antara nilai teknis dan ekonomi logam yang akan digunakan mutlak diperhatikan. Nilai kompromi termurahlah yang akan menentukan logam mana yang akan digunakan. Pada saat ini, logam Tembaga dan Aluminium adalah logam yang terpilih diantara jenis logam penghantar lainnya yang memenuhi nilai kompromi teknis ekonomis termurah.
Dari jenis–jenis logam penghantar pada tabel 1. diatas, tembaga merupakan penghantar yang paling lama digunakan dalam bidang kelistrikan. Pada tahun 1913, oleh International Electrochemical Comission (IEC) ditetapkan suatu standar yang menunjukkan daya hantar kawat tembaga yang kemudian dikenal sebagai International Annealed Copper Standard (IACS). Standar tersebut menyebutkan bahwa untuk kawat tembaga yang telah dilunakkan dengan proses anil (annealing), mempunyai panjang 1m dan luas penampang 1mm2, serta mempunyai tahanan listrik (resistance) tidak lebih dari 0.017241 ohm pada suhu 20oC, dinyatakan mempunyai konduktivitas listrik 100% IACS.
Akan tetapi dengan kemajuan teknologi proses pembuatan tembaga yang dicapai dewasa ini, dimana tingkat kemurnian tembaga pada kawat penghantar jauh lebih tinggi jika dibandingkan pada tahun 1913, maka konduktivitas listrik kawat tembaga sekarang ini bisa mencapai diatas 100% IACS. Untuk kawat Aluminium, konduktivitas listriknya biasa dibandingkan terhadap standar kawat tembaga. Menurut standar ASTM B 609 untuk kawat aluminium dari jenis EC grade atau seri AA 1350(*), konduktivitas listriknya berkisar antara 61.0 – 61.8% IACS, tergantung pada kondisi kekerasan atau temper. Sedangkan untuk kawat penghantar dari paduan aluminium seri AA 6201, menurut standar ASTM B 3988 persaratan konduktivitas listriknya tidak boleh kurang dari 52.5% IACS. Kawat penghantar 6201 ini biasanya digunakan untuk bahan kabel dari jenis All Aluminium Alloy Conductor (AAAC).
Disamping persyaratan sifat listrik seperti konduktivitas listrik diatas, kriteria mutu lainnya yang juga harus dipenuhi meliputi seluruh atau sebagian dari sifat – sifat atau kondisi berikut ini, yaitu:
a. Komposisi kimia.
b. Sifat tarik seperti kekuatan tarik (tensile strength) dan regangan tarik (elongation).
c. Sifat bending
d. Diameter dan variasi yang diijinkan.
e. Kondisi permukaan kawat harus bebas dari cacat, dan lain-lain.
F. Sifat-Sifat Bahan Konduktor :
Bahan-bahan listrik mempunyai sifat-sifat penting ,seperti :
a. Daya hantar listrik
b. Koefisian suhu tahanan
c. Daya hantar panas
d. Kekuatan tegangan tarik , dan
e. Timbulnya daya eletro-motoris termo
a) Daya Hantar Listrik
Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari bahannya. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1mm2 pada temperatur200C dinamakan hambatan jenis. Besarnya hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
R= ρl/A
dimana :
R : Hambatan dalam penghantar, satuanya ohm (Ω)
ρ : hambatan jenis bahan, dalam satuan ohm.mm2/m
l : panjang penghantar, satuannya meter (m)
A : luas penampang kawat penghantar, satuanya mm2
b) Koefisien Temperatur Hambatan
Telah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan mengalami perubahan volume bila terjadi perubahan temperatur. Bahan akan memuai jika temperatur suhu naik dan akan menyusut jika temperatur suhu turun. Besarnya perubahan hambatan akibat perubahan suhu dapat diketahui dengan persamaan ;
R = R0 { 1 + α (t – t0)},
dimana :
R : besar hambatan setelah terjadinya perubahan suhu
R0 : besar hambatan awal, sebelum terjadinya perubahan suhu
T : temperatur suhu akhir, dalam 0C
t0 : temperatur suhu awal, dalam 0C
α : koefisien temperatur tahanan
nilai tahanan jenis , berat jenis dan titik cair dari bermacam-macam bahan dapat dilihat pada tabel 6.1
Nama bahan
Tahanan Jenis
Berat Jenis
Titik Cair
Perak
Tembaga
Cobalt
Emas
Alumunium
Molibdin
Wolfram
Seng
Kuningan
Nikel
Platina
Nikeline
Timah putih
Baja
Vanadium
Bismuth
Mangan
Timbel
Duralumunium
Manganin
Konstanta
Air raksa
0,016
0,0175
0,022
0,022
0,03
0,05
0,05
0,06
0,07
0,079
0,1
0,12
0,12
0,13
0,13
0,2
0,21
0,22
0,48
0,48
0,5
0,958
10,5
8,9
8,42
19,3
2,56
10,2
19,1
7,1
8,7
8,9
21,5
-
7,3
7,8
5,5
9,85
7,4
11,35
2,8
-
8,9
13,56
960
1083
1480
1063
660
2620
3400
420
1000
1455
1774
-
232
1535
1720
271
1260
330
-
-
-
-38,9
Bahan penghantar yang paling banyak dipakai adalah tembaga , karena tembaga merupakan bahan penghantar yang paling baik setelah perak dan harganya pun murah karena banyak terdapat dimana-mana . Akhir-akhir ini banyak digunakan alumunium dan baja sebagai penghantar walaupun tahanan jenisnya cukup besar , hal ini dengan pertimbangan sangat berlimpah dan harganya menjadi lebih murah .
c) Daya Hantar Panas
Daya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam satuan Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam pemakaian mesin listrik beserta perlengkapanya. Pada umumnya logam mempunyai daya hantar panas yang tinggi sedangkan bahan-bahan bukan logam rendah.
d) Daya Tegangan Tarik
Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk hantaran diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai untuk keperluan tersebut harus diketahui kekuatanya. Terutama menyangkut penggunaan dalam pendistribusian tegangan tinggi. Penghantar listrik dapat berbentuk padat , cair , atau gas . yang berbentuk padat umumnya logam , elektrolit dan logam cair (air raksa) merupakan penghantar cair , dan udara yang diionisasikan dan gas-gas mulia (neon) ,kripton ,dsb) sebagai penghantar bentuk gas .
e) Timbulnya daya Elektro-motoris Termo
Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis, karena dalam suatu rangkaian, arus akan menimbulkan daya elektro-motoris termo tersendiri bila terjadi perubahan temperatur suhu.
Daya elektro-motoris termo dapat terjadi lebih tinggi, sehingga dalam pengaturan arus dan tegangan dapat menyimpang meskipun sangat kecil. Besarnya perbedaan tegangan yang dibangkitkan tergantung pada sifat-sifat kedua bahan yang digunakan dan sebanding dengan perbedaan temperaturnya. Daya elektro-motoris yang dibangkitkan oleh perbedaan temperatur disebut dengan daya elektro-motoris termo.
G. Macam-macam Bahan Konduktor
Fungsi penghantar pada teknik lisrik adalah untuk menyalurkan energi listrik adalah untuk menyalurkan energi listrik dari satu titik ke titik lain . Penghantar yang lazim digunakan antara lain :
Tembaga dan Alumunium. Beberapa bahan penghantar yang masih ada dan relevasinya ,antara lain :
a. Alumunium
b. Tembaga
c. Baja
d. Wolfram
e. Molibdenum
f. Platina
g. Air raksa
h. Bahan-bahan resistivitas tinggi
i. Timah hitam
BAHAN PENYEKAT
Bahan penyekat digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan. Untuk itu pemakaian bahan penyekat perlu mempertimbangkan sifat kelistrikanya. Di samping itu juga perlu mempertimbangkan sifat termal, sifat mekanis, dan sifat kimia. Sifat kelistrikan mencakup resistivitas, permitivitas, dan kerugian dielektrik. Penyekat membutuhkan bahan yang mempunyai resistivitas yang besar agar arus yang bocor sekecil mungkin. Yang perlu diperhatikan di sini adalah bahwa bahan isolasi yang higroskopis hendaknya dipertimbangkan penggunaannya pada tempat-tempat yang lembab karena resistivitasnya akan turun. Resistivitas juga akan turun jika tegangan yang diberikan naik.
Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai dielektrik ditentukan oleh permitivitasnya, di samping jarak dan luas permukaannya. Besarnya permitivitas udara adalah 1,00059, sedangakan untuk zat padat dan zat cair selalu lebih besar dari itu. Apabila bahan isolasi diberi tegangan bolak-balik maka akan terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut. Besarnya kerugian energi yang diserap bahan isolasi tersebut berbanding lurus dengan tegangan, frekuensi, kapasitansi, dan sudut kerugian dielektrik. Sudut tersebut terletak antara arus kapasitif dan arus total (Ic + Ir).
Suhu juga berpengaruh terhadap kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas, ketahanan terhadap pengaruh kimia dan sebagainya. Bahan isolasi dapat rusak diakibatkan oleh panas pada kurun waktu tertentu. Waktu tersebut disebut umur panas bahan isolasi. Sedangakan kemampuan bahan menahan suhu tertentu tanpa terjadi kerusakan disebut ketahanan panas. Menurut IEC (International Electrotechnical Commission) didasarkan atas batas suhu kerja bahan, bahan isolasi yang digunakan pada suhu di bawah nol (missal pada pesawat terbang, pegunungan) perlu juga diperhitungkan karena pada suhu di bawah nol bahan isolasi akan menjadi keras dan regas. Pada mesin-mesin listrik, kenaikan suhu pada penghantar dipengaruhi oleh resistansi panas bahan isolasi. Bahan isolasi tersebut hendaknya mampu meneruskan panas yang didesipasikan oleh penghantar atau rangkaian magnetik ke udara sekelilingnya.
Kemampuan larut bahan isolasi, resistansi kimia, higroskopis, permeabilitas uap, pengaruh tropis, dan resistansi radio aktif perlu dipertimbangkan pada penggunaan tertentu. Kemampuan larut diperlukan dalam menentukan macam bahan pelarut untuk suatu bahan dan dalam menguji kemampuan bahan isolasi terhadap cairan tertentu selama diimpregnasi atau dalam pemakaian. Kemampuan larut bahan padat dapat dihitung berdasarkan banyaknya bagian permukaan bahan yang dapat larut setiap satuan waktu jika diberi bahan pelarut. Umumnya kemampuan larut bahan akan bertambah jika suhu dinaikkan.
Ketahanan terhadap korosi akibat gas, air, asam, basa, dan garam bahan isolasi juga nervariasi antara satu pemakaian bahan isolasi di daerah yang konsentrasi kimianya aktif, instalasi tegangan tinggi, dan suhu di atas normal. Uap air dapat memperkecil daya isolasi bahan. Karena bahan isolasi juga mempunyai sifat higroskopis maka selama penyimpanan atau pemakaian diusahakan agar tidak terjadi penyerapan uap air oleh bahan isolasi, dengan memberikan bahan penyerap uap air, yaitu senyawa P2O5 atau CaC12. Bahan yang molekulnya berisi kelompok hidroksil (OH) higrokopisitasnya relative besar dibanding bahan parafin dan polietilin yang tidak dapat menyerap uap air. Bahan isolasi hendaknya juga mempunyai permeabilitas uap (kemampuan untuk dilewati uap) yang besar, khususnya bagi bahan yang digunakan untuk isolasi kabel dan rumah kapasitor. Di daerah tropis basah dimungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga. Suhu yang tinggi disertai kelembaban dalam waktu lama dapat menyebabkan turunnya kemampuan isolasi. Oleh karena bahan isolasi hendaknya dipisi bahan anti jamur (paranitro phenol, dan pentha chloro phenol).
Pemakaian bahan isolasi sering dipengaruhi bermacam-macam energi radiasi yang dapat berpengaruh dan mengubah sifat bahan isolasi. Radiasi sinar matahari mempengaruhi umur bahan, khususnya jika bersinggungan dengan oksigen. Sinar ultra violet dapat merusak beberapa bahan organic. T yaitu kekuatan mekanik elastisitas. Sinar X sinar-sinar dari reactor nuklir, partikel-partikel radio isotop juga mempengaruhi kemampuan bahan isolasi. Sifat mekanis bahan yang meliputi kekuatan tarik, modulus elastisitas, dan derajat kekerasan bahan isolasi juga menjadi pertimbangan dalam memilih suatu jenis bahan isolasi.
Pembagian Kelas Bahan Penyekat
Bahan penyekat listrik dapat dibagi atas beberapa kelas berdasarkan suhu kerja maksimum, yaitu sebagai berikut:
1. Kelas Y, suhu kerja maksimum 90°C
Yang termasuk dalam kelas ini adalah bahan berserat organis (seperti Katun, sutera alam, wol sintetis, rayon serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen, polivinil, karet, dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan pernis atau bahan pencelup lainnya. Termasuk juga bahan termoplastik yang dapat lunak pada suhu rendah.
2. Kelas A, suhu kerja maksimum 150°C
Yaitu bahan berserat dari kelas Y yang telah dicelup dalam pernis aspal atau kompon, minyak trafo, email yang dicampur dengan vernis dan poliamil atau yang terendam dalam cairan dielektrikum (seperti penyekat fiber pada transformator yang terendam minyak). Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang telah dicelup, termasuk kawat email (enamel) yang terlapis damar-oleo dan damar-polyamide.
3. Kelas E, suhu kerja maksimum 120°C
Yaitu bahan penyekat kawat enamel yang memakai bahan pengikat polyvinylformal, polyurethene dan damar epoxy dan bahan pengikat lain sejenis dengan bahan selulosa, pertinaks dan tekstolit, film triacetate, film dan serat polyethylene terephthalate.
4. Kelas B, suhu kerja maksimum 130°C
Yaitu Yaitu bahan non-organik (seperti : mika, gelas, fiber, asbes) yang dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau kompon, dan biasanya tahan panas (dengan dasar minyak pengering, bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya).
5. Kelas F, suhu kerja maksimum 155°C
Bahan bukan organik dicelup atau direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan panas tinggi.
6. Kelas H, suhu kerja maksimum 180°C
Semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat (kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni.
7. Kelas C, suhu kerja diatas 180°C
Bahan anorganik yang tidak dicelup dan tidak terikat dengan substansi organic, misalnya mika, mikanit yang tahan panas (menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas C yaitu politetra fluoroetilen (Teflon).
Macam-macam bahan penyekat
Bahan penyekat bentuk padat, bahan listrik ini dapat dikelompokkan menjadi beberapa macam, diantaranya yaitu: bahan tambang, bahan berserat, gelas, keramik, plastik, karet, ebonit dan bakelit, dan bahan-bahan lain yang dipadatkan.
Bahan penyekat bentuk cair, jenis penyekat ini yang banyak digunakan pada teknik listrik adalah air, minyak transformator, dan minyak kabel.
Bahan penyekat bentuk gas, yang sering digunakan untuk keperluan teknik listrik diantaranya: udara, nitrogen, hidrogen, dan karbondioksida.
BAHAN SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor telah memberikan pengaruh besar dan menjadi bagian yang tak terpisahkan dalam peradaban manusia saat ini. Kita bisa menemukan semikonduktor pada jantung chip mikroprosesor hingga pada transistor. Nyaris semua peralatan elektronik bergantung sepenuhnya pada keberadaan semikonduktor. Sementara itu, kebanyakan chip dan transistor berbasis semikonduktor terbuat dari unsur semikonduktor silikon. Mungkin kita pernah mendengar ekspresi seperti Silicon Valley dan Silicon Economy, itulah sebabnya silikon merupakan unsur yang sangat penting pada setiap peralatan elektronik.
Silikon merupakan unsur yang mudah ditemui. Sebagai contoh, silikon merupakan penyusun utama dari pasir dan quartz. Jika kita perhatikan silikon pada tabel periodik, kita bisa lihat posisinya berada di sebelah aluminium, di bawah karbon, dan di atas germanium.
Posisi karbon, silikon, dan germanium pada tabel periodik
Karbon, silikon, dan germanium memiliki sifat yang unik pada struktur elektroniknya. Setiap unsur ini memiliki 4 elektron valensi. Sifat tersebut memungkinkan karbon, silikon, dan germanium membentuk kristal dengan keunggulan tertentu yang dapat dimanfaatkan dalam peralatan elektronik. Keempat elektron valensi membentuk ikatan kovalen yang sempurna dengan empat atom tetangga sehingga membentuk suatu kisi kristal. Pada karbon, bentuk kristalnya adalah intan, sedangkan pada silikon, bentuk kristalnya keperakan dan tampak seperti material logam.
Material logam cenderung bersifat sebagai konduktor yang baik untuk listrik karena biasanya logam memiliki elektron-elektron bebas yang bisa bergerak dengan mudah di antara atom-atom. Kelistrikan di sini tentunya melibatkan aliran elektron. Meskipun silikon tampak seperti logam, namun pada dasarnya silikon bukanlah konduktor yang baik. Seluruh elektron valensi pada kristal silikon terlibat dalam ikatan kovalen sempurna yang membuat elektron-elektron tersebut tidak bisa bergerak dengan bebas. Kristal silikon murni lebih dekat kepada sifat insulator, hanya sedikit arus listrik yang bisa melaluinya. Namun, kita bisa mengubah sifat kristal tersebut hanya dengan melalui sebuah proses yang disebut sebagai doping.
Dalam struktur kristal silikon, seluruh atom silikon berikatan secara sempurna dengan empat atom tetangganya. Tidak ada elektron bebas tersisa untuk mengalirkan arus. Hal ini mengakibatkan kristal silikon secara mendasar merupakan sebuah insulator.
Dalam proses doping, pada dasarnya kita mencampurkan sejumlah kecil ketidakmurnian (impurity) ke dalam kristal silikon. Ada dua macam ketidakmurnian ini:
1) Tipe-n: Pada doping tipe-n, unsur fosfor atau arsenik ditambahkan ke dalam silikon dengan jumlah yang kecil. Fosfor dan arsenik masing-masing memiliki 5 elektron valensi sehingga ada 1 elektron yang tidak bisa memiliki tempat untuk berikatan di dalam kristal silikon. Elektron ini bebas bergerak ke sekitarnya. Kita hanya memerlukan sedikit saja ketidakmurnian untuk menghasilkan cukup banyak elektron bebas yang bisa membuat arus listrik mengalir di dalam silikon. Silikon tipe-n merupakan konduktor listrik yang baik. Karena elektron memiliki muatan negatif, dari situlah sebutan "tipe-n" berasal.
2) Tipe-p: Pada doping tipe-p, unsur boron dan galium merupakan pendoping yang biasa digunakan. Boron dan galium hanya memiliki 3 elektron valensi. Ketika unsur ini bercampur dengan kristal silikon, akan terbentuk suatu "lubang" (hole) pada kisi kristal. Lubang ini merupakan tempat yang tidak bisa terbentuk ikatan dari elektron silikon di dalamnya. Ketidakhadiran elektron pada lubang tersebut memberikan efek muatan positif. Oleh karena itu nama doping ini adalah "tipe-p". Hole bisa mengalirkan arus. Sebuah hole akan menerima sebuah elektron dari tetangganya sehingga hole tampak bergerak sepanjang ruang. Silikon tipe-p dalam hal ini juga merupakan konduktor yang baik.
Meski hanya sejumlah kecil doping yang diberikan pada struktur kristal silikon murni, doping tipe-n ataupun tipe-p dapat mengubah kristal silikon dari sifat insulator menjadi konduktor. Oleh karena itu, kita menyebutnya sebagai semikonduktor. Sebenarnya silikon tipe-n ataupun tipe-p tidaklah istimewa-istimewa amat, namun jika kita menggabungkan keduanya, akan muncul sifat yang sangat menarik pada persambungan semikonduktor tersebut. Sifat unik ini muncul pada perangkat elektronik bernama diode.
Diode merupakan perangkat semikonduktor paling sederhana yang mungkin dibuat. Sebuah diode memungkinkan arus untuk mengalir pada satu arah, tetapi tidak pada arah sebaliknya. Barangkali kita pernah melihat pintu putar pembatas di stadion atau pusat perbelanjaan yang hanya bisa dilalui ke satu arah tertentu dan menghambat orang untuk bergerak mundur kembali ke arah sebelumnya. Nah, diode bisa dibayangkan seperti pintu tersebut.
Sekarang perhatikan diagram berikut ini.
Pada skema ini arus listrik tidak akan mengalir di persambungan diode (gambar dari http://howstuffworks.com).
Meskipun semikonduktor tipe-n pada prinsipnya merupakan konduktor dan tipe-p juga merupakan konduktor, namun kombinasi keduanya pada persambungan diode seperti pada gambar tidak akan memberikan arus listrik. Elektron bermuatan negatif pada semikonduktor tipe-n akan tertarik ke kutub positif baterai, sedangkan hole bermuatan positif pada semikonduktor tipe-p akan tertarik ke kutub negatif baterai. Arus tidak mengalir karena masing-masing hole dan elektron bergerak di arah yang salah.
Nah, jika kita sekarang balikkan arah kutub baterai, arus listrik dapat mengalir dengan sempurna. Alasannya adalah elektron bebas di dalam semikonduktor tipe-n akan ditolak oleh kutub negatif baterai, demikian pula hole di dalam semikonduktor tipe-p akan ditolak oleh kutub positif baterai. Pada persambungan diode, elektron bebas dan hole tersebut kemudian dapat bertemu. Elektron akan mengisi lubang kekosongan yang dibuat hole. Peristiwa ini terjadi terus-menerus di sepanjang sambungan sehingga sebagai efeknya arus listrik dapat mengalir.
Diode dapat dimanfaatkan dalam berbagai cara. Salah satu contohnya, setiap perangkat yang menggunakan baterai biasanya menyisipkan diode untuk mencegah kesalahan operasi yang terjadi akibat aliran arus pada arah yang salah. Diode secara sederhana akan memblok setiap arus yang meninggalkan baterai jika baterai tersebut dibalik arahnya. Dengan cara ini, perangkat elektronik yang sensitif terhadap arah aliran arus dapat terlindungi dan bekerja dengan optimal.
Tentunya ada pula keterbatasan diode disebabkan ketidaksempurnaan respon arus terhadap tegangan pada diode. Sebuah diode yang ideal diharapkan dapat memblok seluruh arus ketika diberikan panjar mundur (reverse-bias) dari suatu baterai. Namun, diode pada kenyataannya rata-rata masih membiarkan sekitar 10 mikroampere arus melewati dirinya pada kondisi tersebut. Bahkan, jika kita memberikan tegangan balik yang terlalu besar pada diode, bisa jadi sambungan diode tersebut rusak total dan akhirnya seluruh arus akan mengalir. Untungnya pada kebanyakan kasus, tegangan yang dibutuhkan untuk merusak diode tersebut masih jauh lebih besar daripada tegangan yang lazim dijumpai suatu sirkuit elektronik.
Sementara itu, jika diode diberi panjar maju (forward-bias), pada kenyataannya kita tetap membutuhkan tegangan minimal agar arus dapat mengalir melalui persambungan diode. Untuk silikon, nilai tegangan tersebut berkisar 0,7 volt. Tegangan ini dibutuhkan untuk memulai proses kombinasi elektron dan hole pada persambungan diode.
Karakteristik arus dan tegangan pada kebanyakan diode.
Selain diode, perangkat elektronik lainnya yang sangat bergantung pada teknologi semikonduktor adalah transistor. Transistor dan diode memiliki beberapa kesamaan sifat. Namun transistor memiliki sifat unik lain yang dihasilkan dari 3 komponen semikonduktor yang menyusunnya. Transistor paling sederhana dapat dibentuk sebagai suatu sandwitch semikonduktor bertipe n-p-n ataupun p-n-p. Dengan struktur tersebut, transistor bisa berfungsi sebagai sakelar (switch) serta penguat (amplifier) sinyal listrik, yang disesuaikan dengan tegangan yang diberikan.
Skema dasar transistor (gambar dari http://howstuffworks.com).
Dalam bentuk paling sederhananya, transistor tampak seperti dua buah diode yang disambungkan dan berimpit di tengahnya. Kita bisa menebak bahwa jika kita mengalirkan arus dari salah satu ujung transistor ke ujung lainnya tidak akan ada arus yang mengalir. Namun, jika kita berikan sedikit arus pada bagian tengah transistor, sejumlah arus yang lebih besar dapat mengalir melalui keseluruhan transistor.
Dengan sifat seperti itu, transistor menjadi komponen elektronik paling mendasar dalam berbagai rangkaian elektronik yang sangat kompleks. Chip pada perangkat-perangkat elektronik yang kita miliki saat ini tersusun dari jutaan transistor yang terintegrasi dengan sangat rapat dalam ruang yang kecil. Perkembangan fabrikasi chip ini, yang pada dasarnya bergantung pada sifat semikonduktor penyusunnya, kemudian menghasilkan beragam peralatan elektronik yang digunakan masyarakat dalam kehidupan sehari-hari.
Soal-Soal Sifat-Sifat bahan
1. Benda yang termasuk konduktor adalah ….
a. Kawat besi, sendok baja, gunting besi
b. Kain, kayu, udara
c. Ruang hampa, kapas, kain
d. Udara, gas, air
e. Semua jawaban di atas benar
2. Bahan yang mempunyai sifat konduktor adalah ….
a. Logam
b. Kayu
c. Plastik
d. Karet
e. Benang
3. Yang menunjukkan keadaan fisik dari konduktor yang menyatakan kekuatan tarik dari pada
Konduktor adalah Karakteristik …
a. Mekanik
b. Fisik
c. Listrik
d. Semi konduktor
e. Konduktor
4. Kawat yang berpenampang bulat adalah …
a. Kawat lilit
b. Kawat padat
c. Kawat berongga
d. Kawat pagar
e. Kawat gerbang
5. Benda yang tidak dapat menghantarkan panas disebut ….
a. Konduktor
b. Isolator
c. Radiasi
d. Konveksi
e. Infeksi
6. Bahan yang mempunyai sifat isolator adalah ….
a. Kawat
b. Kain
c. Tembaga
d. Alumunium
e. Perak
7. Kayu merupakan bahan isolator sehingga digunakan untuk membuat ….
a. Wajan
b. Panci
c. Kompor
d. Gagang panci
e. Pisau
8. Pegangan setrika terbuat dari kayu karena ….
a. Sifatnya tidak menghantarkan panas
b. Sifatnya menghantarkan panas
c. Sifatnya memindahkan panas
d. Sifatnya ringan dan penghantar panas
e. Semua jawaban diatas benar
9. Umumnya alat memasak terbuat dari logam karena ….
a. Logam tidak menyerap panas dengan baik
b. Logam menyerap panas dengan baik
c. Logam dapat meningkatkan panas dari kompor
d. Logam tidak mudah menyerap panas
e. Logam dapat meningkatkan kinerja kompor
10. Tujuan adanya ruang hampa udara pada termos adalah untuk ….
a. Menyimpan panas
b. Menyekat panas
c. Meneruskan panas
d. Menyalurkan panas
e. Menjadi konduktor
11. Kelompok isolator berikut ini yang benar adalah ….
a. Kayu, besi, tembaga
b. Seng, timbal, kertas
c. Gabus, kayu, karet
d. Emas, tembaga, kayu
e. Perak, plastik, benang
12. Alat yang menggunakan bahan konduktor adalah ….
a. Piring
b. Ember
c. Setrika
d. Baskom
e. Handuk
13. Berikut adalah sifat-sifat bahan konduktor, kecuali:
a. Daya hantar listrik
b. Koefisian suhu tahanan
c. Daya hantar panas
d. Kekuatan tegangan tarik
e. Kebal terhadap tegangan listrik
14. Wolfram merupakan bahan listrik yang berfungsi untuk..
a. Menghantarkan listrik
b. Menghilangkan daya hantar
c. Tidak menghantarkan panas
d. Menyekat panas
e. Mengisolasi listrik
15. Air raksa sangat berbahaya apabila disalahgunakan. Tetapi air raksa dapat berfungsi untuk ..
a. Bahan penyekat
b. Bahan konduktor
c. Bahan isolator
d. Bahan khusus
e. Bahan magnetis
16. Berikut macam-macam bahan konduktor, kecuali ….
a. Tembaga
b. Perak
c. Baja
d. Kayu
e. Platina
17. Nilai tahanan jenis dari perak adalah ….
a. 0,32
b. 0,16
c. 0,0016
d. 0,016
e. 0,032
18. Minyak kabel dapat berfungsi sebagai …
a. Penghantar listrik
b. Penghantar panas
c. Mengisolasi listrik
d. Menghantarkan gas
e. Mengisi tangki gas
19. Berikut adalah aplikasi dari bahan penyekat adalah...
a. Beton
b. Kabel
c. Sekring
d. Rantai
e. Saklar
20. Berikut adalah sifat-sifat dari bahan listrik, kecuali...
a. Konduktor
b. Isolator
c. Semikonduktor
d. Magnetik
e. Elastis
21. Sifat mekanis di mana suatu benda kembali ke bentuk semula setelah diberi gaya adalah...
a. Korosi
b. Memuai
c. Elastis
d. Menyusut
e. Membeku
22. Logam dapat digolongkan dalam dua bagian, yaitu...
a. Logam padat, logam cair
b. Logam besi, logam non ferro
c. Logam tanah, logam sintetis
d. Logam tanah, logam besi
e. Logam sintetis, logam besi
23. Berikut yang termasuk logam besi, kecuali...
a. Baja karbon
b. Baja paduan
c. Baja tahan karat
d. Magnesium
e. Besi tuang
24. Yang termasuk sifat kimia adalah...
a. Korosi
b. Memuai
c. Elastis
d. Menyusut
e. Membeku
25. Apa saja yang mempengaruhi tahanan jenis?
a. Massa jenis, suhu
b. Medan listrik, massa jenis
c. Medan listrik, suhu
d. Tahanan, luas bahan
e. Luas bahan, medan listrik
26. Apakah bentuk dari persamaan tahanan jenis?
a. W= F.S
b. R= ρl/A
c. F= m.a
d. I= V/R
e. a=V/t
27. Apa saja bahan yang termasuk logam non ferro?
a. Al, Mg, Cu
b. P, S, Al
c. Cu, Mg, C
d. P, Mg, S
e. N, F, Cl
28. Berikut adalah sifat konduktor sebagai penghantar listrik, kecuali...
a. Dayahantarlistrik
b. Dayahantarpanas
c. Massa jenis bahan
d. Koefesien temperatur R
e. Daya tegangan tarik
29. Apakah satuan dari tahanan jenis?
a. Volt
b. Ampere
c. Ohm meter
d. m/s
e. volt ampere
30. Contoh dari bahan penyekat gas adalah...
a. Nitrogen
b. Ebonit
c. Asbes
d. Minyak transformator
e. Mikafolium
31. Sifat utama yang dimiliki oleh bahan isolator adalah...
a. Tahanan yang besar
b. Daya hantar listrik besar
c. Daya tegangan tarik besar
d. Tahan korosi
e. Elastisitas tinggi
32. Yang merupakan bahan semi konduktor tipe-P adalah...
a. Germanium
b. Iodin
c. Silikon
d. Tembaga
e. Barium
33. Pada saluran kabel tanah, bahan isolator yang sering digunakan adalah...
a. Ebonit, XLPE
b. Asbes, ebonit
c. Mikafolium, PVC
d. PVC, XLPE
e. PVC, asbes
34. Contoh dari bahan penyekat cair adalah...
a. Nitrogen
b. Ebonit
c. Asbes
d. Minyak transformator
e. Mikafolium
35. Yang merupakan bahan semi konduktor tipe-N adalah...
a. Germanium
b. Iodin
c. Silikon
d. Tembaga
e. Barium
36. Bahan yang biasa digunakan untuk penyaluran listrik adalah...
a. Aluminium, besi
b. Besi, tembaga
c. Besi, magnesium
d. Magnesium, tembaga
e. Aluminium, tembaga
