ISOLATOR PENDAHULUAN
Isolator merupakan salah satu komponen sistem tenaga lstrik yang berfungsi untuk mengisolasi konduktor jaringan bertegangan dengan tiang penyangga atau menara (tower). Bahan yang sering digunakan untuk isolator tegangan tinggi terbuat dari bahan keramik dan gelas. Kelebihan bahan isolasi keramik dan gelas adalah kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah, tahan korosi, keras dan kuat. Namun, bahan isolasi keramik dan gelas memiliki kelemahan dari segi mekanis yaitu berat dan permukaannya yang bersifat menyerap air (hygroscopic) sehingga lebih mudah terjadi arus bocor pada permukaan yang akhirnya dapat menyebabkan menyebabkan lewat denyar (flashover).
Salah satu alternative alternative adalah menggunak menggunakan an bahan isolasi polimer polimer sebagai sebagai isolator isolator tegangan tinggi. Dibanding dengan bahan keramik atau bahan gelas, bahan isolasi polimer memiliki keuntungan antara lain : sifat dielektris, resistivitas volume dan sifat termal lebih baik, konstruksi relatif lebih ringan (rapat massa rendah), kedap air (hidrophobik), ketahanan kimia yang baik, ketahanan yang tinggi terhadap asam, serta proses pembuatan tidak memerlukan memerlukan suhu yang tinggi dan relatif lebih cepat. Sedangkan Sedangkan kekurangannya kekurangannya antara lain : bahan isolator polimer kurang tahan terhadap perubahan cuaca sehingga akan menyebabkan kekuatan mekanis menurun dan kerusakan fisik isolator.
Kead Keadaa aan n ling lingku kung ngan an sepe sepert rtii kele kelemb mbab aban an,, cura curah h huja hujan n yang yang meny menyeb ebab abka kan n permukaan isolator basah, hal ini menjadikan isolator semakin dilapisi dengan kotoran dan bahan kimia dalam jangka panjang. Ketika isolator basah, arus bocor yang mengalir pada permukaan isolator is olator akan a kan menjadi sangat tinggi yang selanjutnya sela njutnya mengakibatkan flashover pada permukaan isolator. Sementara pada saat kondisi kering lapisan polusi ini tidak memiliki efek yang terlalu merugikan pada isolator.
Untuk itu penulis melakukan pengujian tegangan flashover dan arus bocor pada isolator yang terbuat dari bahan polimer resin epoksi silane bahan pengisi silika kondisi basah dan kering yang diharapkan dapat mengetahui kinerja isolator dalam keadaan tersebut.
TINJAUAN PUSTAKA Isolator Isolator mempunyai sifat atau kemampuan untuk dapat memisahkan secara elektris dua buah penghantar penghantar atau lebih yang berdekatan berdekatan sehingga arus listrik tidak mengalir dari konduktor konduktor jaringan ke tanah. tanah. Dengan Dengan demikian demikian konstruksi konstruksi harus sangat diperhatikan diperhatikan dan bahan isolasi haruslah mempunyai kekuatan dielektrik yang baik sehingga sifat hantarannya dapat dikurangi.
Konstruksi dan jenis isolator Bagian utama dari suatu isolator terdiri dari bahan dielektrik, jepitan logam dan tonggak logam.Umumnya dielektrik isolator terbuat dari bahan porselen, gelas, polimer
dan karet-silikon (silicon rubber), sedangkan jepitan terbuat dari besi tuangan atau baja. Dilihat dari lokasi pemasangan, isolator terdiri dari isolator pasang dalam (indoor) dan dan isol isolat ator or pasa pasang ng luar luar (out (outdo door or). ). Isol Isolat ator or pasa pasang ng luar luar dibu dibuat at bers bersir irip ip untu untuk k memperpanjang lintasan arus bocor dan mencegah terjadinya jembatan air yang terbentuk jika isolator dibasahi oleh air hujan. Dilihat dari konstruksinya isolator terdiri dari isolator pendukung dan isolator gantung/suspension. Isolator pendukung terdiri dari tiga jenis, yaitu : isolator pin, isolator post, dan isolator pin – post. Dilihat dari bentuknya, isolator gantung terdiri dari dua jenis yaitu isolator piringdan isolator silinder .
Bahan-bahan Isolasi Baha Bahan n isol isolas asii yang yang bias biasaa dipe diperg rgun unak akan an pada pada isol isolat ator or salu salura ran n udar udaraa yang yang dioperasikan dioperasikan pada tegangan tinggi tinggi (di atas 1 kV) adalah bahan porselin, porselin, bahan gelas serta bahan polymer (composite).
Bahan Porselin (keramik) Porselin terbuat dari tanah liat china (china clay) yang terdapat di alam dalam bentuk alumunium silikat. Bahan tersebut dicampur kaolin, felspar dan quarts. Kemudian campuran ini dipanaskan dalam tungku yang suhunya dapat diatur. Bahan porselin dibakar sampai keras, halus mengkilat dan bebas dari lubang-lubang.
Untuk mendapatkan sifat-sifat listrik dan sifat mekanis yang baik, harus dipilih suhu pemrosesan bahan isolasi yang sesuai, karena jika bahan isolasi diproses pada suhu yang agak rendah, sifat mekanisnya baik, tetapi bahan tetap berlubang-lubang. Sedangkan jika diproses pada suhu yang tinggi, lubang-lubangnya berkurang tetapi bahan menjadi rapuh. Isolator porselin yang baik secara mekanis mempunyai kuat dielektrik kira-kira 60 kV/cm, kuat tekan dan kuat tariknya masing-masing 70.000 kg/cm2 dan 500 kg/cm2. Beberapa kelebihan isolator porselin/keramik antara lain: 1. Stabil, adanya ikatan ionik yang kuat antaratom yang menyusun keramik, seperti silikon dan oksigen dalam silica dan silicates, membuatnya strukturnya sangat stabil dan biasanya tidak mengalami degradasi karena pengaruh lingkungan. Ini berarti bahwa isolator keramik tidak akan rusak oleh pengaruh UV, kelembaban, aktivitas elektrik, dsb. 2. Mempunyai kekuatan mekanik yang baik , merupakan ciri alami bahwa bahan kerami keramik k mempun mempunyai yai sifat sifat mekani mekanik k yang yang kuat, kuat, sehing sehingga ga pada pada pemaka pemakaian ian isolat isolator or porselin sebagai terminal kabel, bushing, dan arrester surja tidak memerlukan material lain untuk meyokongnya. 3. Harganya penyus usun un pors porsel elin in sepert sepertii clay clay,, felds feldspa parr dan dan quart quartzz Harganya relatif relatif murah murah , peny harganya relatif murah dan persediaannya berlimpah. 4. Tahan lama, proses pembuatan porselin yang terdiri dari beberapa proses seperti pencetakan dan pembakaran dalam mengurangi kadar air menyebabkan porselin mempunyai sifat awet.
Di samping kelebihan-kelebihan di atas, isolator porselin mempunyai beberapa kekurangan, yaitu:
1. Mudah pecah, isolator porselin rentan pecah pada saat dibawa maupun saat instalasi. Vandalisme merupakan faktor utama yang yang menyebabkan isolator pecah. 2. Berat, salah satu sifat dari keramik adalah mempunyai massa yang berat. Oleh karenanya, pada isolator porselin berukuran besar dan berat biasanya mahal karena biaya yang dikeluarkan untuk pengiriman dan instalasi. 3. Berlubang akibat pembuatan kurang sempurna , berdasarkan pengalaman isolator porselin yang berlubang dapat meyebabkan terjadinya tembus internal (internal dielectric breakdown). 4. Bentuk geometri kompleks , porselin mempunyai relatif mempunyai karakteristik jarak rayap yang kecil, oleh karenanya untuk memperpanjang jarak rayap tidak dilakukan dengan memperbesar diameter atau memperpanjang isolator melainkan mendesain isolator dengan membuat shed-shed. Hal ini membuat bentuknya menjadi kompleks. 5. Mudah terpolusi , permukaan porselin bersifat hidrophilik, yang berarti bahwa permukaan porselin mudah untuk menangkap air, sehingga pada kondisi lingkungan yang berpolusi mudah untuk terbentuk lapisan konduktif di permukaannya. Hal ini yang dapat menyebabkan kegagalan isolasi yaitu flashover.
Bahan Gelas
Selain bahan porselin, bahan gelas juga banyak digunakan sebagai isolator pasangan luar (outdoor insulator) atau isolator saluran udara (overhead insulator), karena bahan gelas mempunyai kelebihan-kelebihan sebagai berikut: 1. Kuat dielektriknya tinggi, sekitar 140 kV/cm. 2. Koefesien muainya rendah
3. Mudah didesain (karena kuat dielektrikanya tinggi) 4. Kuat tekannya lebih besar daripada porselin 5. Karena sifatnya yang tembus pandang, adanya keretakan, ketidakmurnian bahan, adanya gelembung udara dan pecahnya isolator mudah diketahui 6. Bahan hampir merata (homogen)
Selain keuntungan-keuntungan yang dimilikinya, isolator gelas juga mempunyai kerugian sebagai berikut: 1.
Uap air mudah mengembun pada permukaannya.
2.
Oleh karena itu debu dan kotoran akan mudah mengumpul pada permukaannya, kejadian ini akan memudahkan mengalirnya arus bocor serta terjadinya flashover
3.
Untuk dipergunakan pada sistem tegangan yang tinggi, gelas tidak dapat dicor dalam bentuk yang tidak beraturan, karena pendinginan yang tidak teratur akan menimbulkan tekanan dari dalam.
4.
Mudah pecah, sama seperti bahan porselin, bahan gelas mempunyai sifat yang mudah pecah pula. Vandalisme merupakan penyebab utama pecahnya isolator gelas (misal ditembak).
Bahan Polimer (Composite)
Bahan polimer telah dipakai selama kurang lebih 50 tahun dan mengalami perkembangan pesat dibanding bahan lainnya. Menurut R. Hackam, pada tahun 1940 telah
dipakai bisphenol epoxy resin untuk isolator dalam, cycloaliphatic epoxy untuk isolator luar (1950). Selanjutnya terjadi perkembangan pesat dalam pemakaian polimer untuk bahan isolator dan dibuat untuk skala komersial. Ethylene Propylene Rubber (EPR) dibuat oleh Ceraver, Francis (1975), Ohio Brass, USA (1976), Sedivar, USA (1977), dan Lapp, USA (1980). Silicone Rubber (SIR) dibuat oleh Rosenthal, Jerman (1976) dan Reliable, USA (1983), serta penggunaan cycloaliphatic epoxy pada jaringan transmisi di United Kingdom (1977). Isolator komposit (composite insulator) telah digunakan di beberapa negara lebih dari tiga dekade sebagai alternatif pengganti isolator porselin dan gelas. Isolator komposit menunjukkan performansi yang bagus pada beberapa kondisi, terutama untuk daerah berpolusi. Beberapa kelebihan yang dimiliki oleh isolator polimer: 1.
Ringan, kepadatan material polimer lebih rendah dibandingkan keramik
maupun gelas, hal ini menyebabkan isolator polimer ringan, sehingga mudah dalam penanganan maupun instalasi. 2.
Bentuk geometri sederhana , karena mempunyai karakteristik jarak
rayap yang relatif besar menyebabkan desain isolator polimer sederhana. 3.
Tahan terhadap polusi, karena bahan polimer mempunyai sifat
hidrophobik (menolak air) yang baik. Sehingga air atau kotoran lainnya akan sukar menempel pada permukaannya meskipun dioperasikan pada kondisi lingkungan yang berpolusi maka isolator polimer mempunyai ketahanan tegangan lewat-denyar yang baik. 4.
Waktu pembuatan lebih singkat dibandingkan dengan isolator porselin,
namun tidak mengurangi performansinya. 5.
Tidak terdapat lubang karena pembuatan , karena sifat polimer yang
berbeda dengan porselin dalam hal pembuatannya. Sehingga memungkinkan tidak terjadinya tembus internal. Sedangkan kekurangan yang dimilki oleh isolator polimer adalah:
1. Penuaan/degradasi pada permukaannya (surface ageing), stress yang disebabkan antara lain karena korona, radiasi UV atau zat kimia dapat menyebabkan reaksi kimia pada permukaan polimer. Sehingga dapat merusak permukaan polimer (penuaan) yang dapat menghilangkan sifat hidrofobiknya, 2. Mahal, bahan penyusun polimer lebih mahal dibandingkan dengan porselin maupun gelas. 3. Kekuatan mekaniknya kecil, isolasi polimer biasanya tidak mampu untuk menyokong dirinya sendiri. Oleh karenanya dalam instalasi dibutuhkan peralatan lain seperti jacket (oversheath) sebagai penyokongnya. 4. Kompabilitas material, produk polimer menpunyai interface lebih dari satu sumbu bergantung pada fungsi dan desainnya. Apabila terdapat banyak interface menyebabkan pengaruh penting pada perekatnya. Oleh karenya harus diketahui dengan jelas sebelum menggunakan isolator polimer, sebab dapat menimbulkan korosi atau retakan apabila formulasinya tidak sesuai.
Karakteristik isolator Karakteristik elektrik isolator Karakteristik
elektrik
dari
isolator
yang
dimaksud
adalah
kemampuan
menahanflashoverdan arus bocor.Isolator yang terpasang pada jaringan udara (terutama jaringan outdoor) sangat mudah dipengaruhi oleh perubahan kondisi lingkungan udara sekitar. Perubahan-perubahan tersebut dapat mempengaruhi kinerja dari isolator, yaitu kemampuan isolator menahan tegangan. Apabila di permukaan isolator terbentuk lapisan polutan akan mempengaruhi kinerja dari isolator tersebut. Kinerja isolator juga akan berbeda apabila permukaan isolator dalam kondisi basah dan dalam kondisi kering. Karakteristik mekanis isolator Karakteristik mekanis suatu isolator ditandai dengan kekuatan mekanisnya, yaitu beban mekanis terendah yang mengakibatkan isolator tersebut rusak. Kekuatan mekanis ini ditentukan dengan membebani isolator dengan beban yang bertambah secara bertahap hingga isolator terlihat rusak. Kekuatan mekanis suatu isolator dinyatakan dalam tiga keadaan beban, yaitu kekuatan mekanis tarik, kekuatan mekanis tekan dan kekuatan mekanis tekuk.
Desain isolator polimer Pada gambar dibawah memperlihatkan susunan dasar isolator polimer, yang terdiri dari inti (core)dan pembungkus (shed) yang kedua ujungnya dihubungkan dengan fitting yang terbuat dari logam.
Fitting pada sebuah isolator polimer dirancang untuk mampu menahan beban yang berasal dari isolator. Sebuah fitting terbuat dari bahan logam tuang atau tempaan antara lain aluminium, tembaga, baja. Fitting pada isolator polimer berguna sebagai pemegang dari inti, dimana pada desainnya inti diletakkan pada posisi terjepit di dalam fitting. Inti (core) pada isolator polimer berguna untuk memperkuat atau menambah kekuatan mekanik dari isolator polimer. Inti (core) terbuat dari bahanfiberglass, resin epoksi yang kemudian dibungkus shed. Resin epoksi sebagai salah satu bahan polimer Cairan resin epoksi merupakan cairan yang memiiki sifat kekentalan yang rendah sehingga mudah bercampur (masuk tahap termoset) didalam pembuatannya. Cairan resin yang lain diantaranya :phenolic, polyester, acrylics dibuat dalam proses yang sama, tetapi resin epoksi mempunyai kombinasi antara lain : Sifat kekentalan rendah, mudah dibentuk, penyusutan rendah, kerekatan tinggi, sifat mekanis tinggi, isolasi listrik yang tinggi, ketahanan kimia baik.
Bahan pengisi isolator Penggunaan bahan pengisi pada suatu produk tuangan mengandung dua tujuan secara teknis dan secara ekonomis. Secara teknis, penggunaan bahan pengisi dimaksudkan sebagai upaya memodifikasi kinerja polimer tersebut seperti untuk meningkatkan sifat mekanis dan untuk menurunkan sifat absorbsi air. Bahan pengisi yang digunakan adalah silicone rubber dan pasir silika. Bahan campuran ini digunakan untuk memperbaiki
karakteristik dari isolator polimer tersebut. Dan perbandingan komposisi dari bahan pengisi antara karet silikon dan pasir silika adalah 1:1.
Mekanisme arus bocor Pengamatan arus bocor ini memerlukan osiloskop sebagai alat bantu. Input tegangan yang masuk ke dalam osiloskop harus sesuai dengan karakteristik kemampuan osiloskop tersebut. Piranti pengamanan dan perlindungan bagi osiloskop diperlukan untuk membatasi tegangan besar yang masuk ke dalam osiloskop dengan cara memasang rangkaian pembagi tegangan dan sela jarum[6].
Flashover pada isolator Flashover
yang terjadi
pada permukaan
isolator padat
disebabkan oleh
teganganyang harus ditahan oleh permukaan isolator melebihi kemampuannya.Kemampuan permukaan isolator menahan tegangan ditentukan oleh besarnya resistans permukaan bahan dan jenis bahan, juga dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti : adanya kontaminasi pada permukaan isolator, kelembaban udara, suhu udara dan tekanan udara[1]. Berhubung tegangan flashover dipengaruhi oleh kondisi udara sekitar, maka data pengujian harus dikoreksi dengan kondisi udara standar, yang mengacu pada standar IEC 60 – 1 (1989) dengan persamaan berikut : dengan : Vs : tegangan lompatan dalam keadaan standar Vb : tegangan lompatan yang diukur pada Keadaan sebenarnya d : kepadatan udara relatif tB : suhu sekeliling pada saat pengujian (oC) bB : tekanan udara pada saat pengujian (mbar)
Sudut kontak Sudut kontak merupakan sudut yang dibentuk antara permukaan bahan uji dengan air destilasi yang diteteskan ke permukaan bahan uji. Pengukuran sudut kontak pada suatu
bahan isolasi dilakukan untuk mengetahui sifat permukaan bahan, hidofobik atau hidrofilik. Sifat hidrofobik merupakan suatu karakteristik bahan isolasi, bahan masih mampu bersifat menolak air yang jatuh di permukaannya. Sifat hidrofobik berguna untuk isolasi pasangan luar karena dalam keadaan basah atau lembab tidak akan terbentuk lapisan air yang kontinu pada permukaan isolator, sehingga permukaan isolator tetap memiliki konduktivitas yang rendah, akibatnya arus bocor sangat kecil. Perhitungan sudut kontak sudut kontak = 0.5 x (sudut kanan+sudut kiri)
METODOLOGI Bahan Isolator Bahan isolator yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bahan dasar polimer resin epoksi jenis DGEBA (Diglycidyl Ether Of Bisphenol – A), bahan pematang atau pengeras MPDA (Metaphenylene-diamine). 2. Bahan pengisi yaitu Silicone rubberatau Silane atau biasa disebut lem kaca, dipasaran dikenal dengan Sealant. 3. Bahan pengisi pasir silica Dengan urutan pencampuran bahan dimulai dari Epoxy resin dilanjutkan Pasir silika kemudian Lem kaca (sealant) yang terakhir adalah Epoxy hardener.
Isolator uji Dalam pengujian ini, isolator yang digunakan adalah isolator dengan variasi tiga sirip, yaitu variasi sirip besar besar besar (BBB) dan sirip besar kecil besar (BKB).Berikut adalah bentuk isolator yang diuji. Variasi isolator BKB dan BBB yang diuji masing – masing dibedakan menjadi BKB asli ( belum dilapisi ) dan BKB sesudah dilapisi resin epoksi silane, demikian juga dengan variasi BBB dibedakan menjadi BBB asli ( belum dilapisi ) dan BBB sesudah dilapisi resin epoksi silane.
Gambar sketsa isolator 3 sirip BBB dan BKB
Peralatan pengujian 1.
Peralatan pengujian tegangan tinggi Perlatan pengujian tegangan tinggi terdiri dari trafo uji dan panel pengendali.
2.
Chamber pengujian Merupakan tempat pengujian isolator.
3.
Thermometer, barometer, dan hygrometer Digunakan untuk mengetahui kondisi lingkungan saat pengujian.
4.
Seperangkat alat pembasahan Menggunakan sprayer, kompresor dan alat pembantu penyemprotan.
5.
PembagiTeganganYang berfungsimembagitegangan agarteganganyang masuk sesuai dengan kemampuan osiloskop.
6.
Sela jarum untuk melindungi pembagi tegangan dan osiloskop apabila terjadi flashover.
7.
Osiloskop untuk melihat gelombang tegangan yang menunjukkan adanya arus bocor melalui sampel uji.
8.
Peralatan pengukuran sudut kontak Kotak sumber cahaya, pipet, aquades, dan gelas.
Pengujian sudut kontak Langkah pengujian sudut kontak yaitu sebagai berikut: 1. Meletakkan isolator dan menghidupkan kamera, keduanya diposisikan sedemikian rupa sehingga pada layar kamera, permukaan isolator tampak seperti garis lurus. 2. Meneteskan air sebanyak 50 µl. Air yang diteteskan ini berupa aquades. 3. Menghidupkan sumber cahaya agar ketika diambil foto, titik air pada permukaan sampel tampak jelas. 4. Memfoto dengan kamera digital, sehingga hasilnya dapat langsung dimasukkan ke dalam komputer untuk mendapatkan besar sudut kontak yang terukur.
Rangkaian pengujian sudut kontak
Pengujian tegangan flashover Pengujian tegangan lewat denyar dilakukan dengan memberikan tegangan yang secara terus-menerus dinaikkan sampai pada akhirnya terjadi flashover. Berikut adalah rangkaian pengujian tegangan flashover :
Rangkaian pengujian tegangan Flashover
Pengujian arus bocor Pada pengujian arus bocor ini bertujuan untuk mengetahui besarnya arus bocor yang terjadi pada isolator saat diberi tegangan yang bervariasi. Variasi tegangan yang diterapkan dalam pengujian adalah 4.66 kV, 9.32 kV, 13.98 kV, 18.64 kV, 23,3 kV, 27.96 kV. Rangkaian pengujian arus bocor diperlihatkan pada gambar dibawah ini.
Rangkaian pengujian arus bocor
HASIL DAN ANALISA Hasil pengujian dan pembahasan tegangan flashover 1. Tegangan flashover kondisi kering Kondisi kering disini adalah kondisi dimanapengujian dilakukan pada kondisi
kelembaban yang normal (58%-67%), kondisi ini menggambarkan kondisi normal ketika isolator gantung dipasang di lapangan dan keadaan cuaca dalam keadaan cerah.
Grafik tegangan flashover pada kondisi kering Dari grafik terlihat bahwa isolator dengan variasi sirip BKB kecenderungan memiliki nilai flashover lebih tinggi dibandingkan dengan isolator variasi sirip BBB.Hal ini salah satunya disebabkan karena isolator dengan variasi sirip BKB jarak flashovernya lebih panjang daripada variasi BBB. Semakin panjang jarak yang dilewati oleh loncatan api akan semakin besar tegangan flashovernya.
Tegangan flashover kondisi basah Pada pengujian ini yang dimaksud basah adalah kondisi dimana permukaan isolator basah (berembun), bukan kondisi basah karena hujan yang besar.Pengkondisian kondisi basah dilakukan dengan menyemprotkan aquades sebanyak 1 liter.Setelah dilakukan penyemprotan segera dilakukan pengujian sebelum permukaan isolator kembali kering.
Kondisi tegangan flashover pada kondisi basah
Dari grafik terlihat bahwa isolator dengan variasi sirip BKB kecenderungan memiliki nilai flashover lebih tinggi dibandingkan dengan isolator variasi sirip BBB.Hal ini salah satunya disebabkan karena isolator dengan variasi sirip BKB jarak flashovernya
lebih panjang daripada variasi BBB. Namun, dalam kondisi basah (berembun) kemungkinan nilai flashover variasi BBB lebih besar dari variasi BKB bias terjadi, hal ini dikarenakan dalam kondisi basah kelembabannya akan tinggi jadi loncatan api saat terjadi flashover bias melewati jarak rambat isolator. Lintasan jarak rambat yang dilaui variasi BBB lebih panjang dibandingkan dengan variasi BKB.
Hasil pengujian dan pembahasan arus bocor Arus bocor kondisi kering kondisi ini menggambarkan kondisi normal ketika isolator gantung dipasang di lapangan dan keadaan cuaca dalam keadaan cerah. Berikut merupakan data hasil pengujian arus bocor pada kondisi kering:
Grafik nilai arus bocor kondisi kering
Arus bocor kondisi basah Pengujian arus bocor pada kondisi basah dimaksudkan untuk mengetahui besarnya arus bocor pada kondisi basah (berembun).
Grafik nilai arus bocor kondisi basah Dari kedua gambar diatas, terlihat bahwa nilai arus bocor mempunyai
kecenderungan meningkat seiring dengan meningkatnya variasi tegangan yang diberikan pada isolator uji. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi tegangan yang diberikan maka arus bocor yang terjadi akan semakin besar. Dari grafik diatas juga dapat dilihat arus bocor antara varisi BKB dan BBB, nilai arus bocor variasi BKB lebih besar dibandingkan dengan variasi BBB.Hal ini disebabkan karena jarak lintasan variasi BKB lebih pendek dari variasi BBB, maka nilai arus bocornya lebih besar.Semakin panjang jarak lintas/jarak rayap dan semakin besar luas penampang isolator semakin kecil nilai arus bocornya. Sementara dilihat dari pengaruh pelapisan pada permukaan isolator, untuk arus bocor kondisi kering isolator dengan lapisan resin silane memiliki nilai lebih kecil dibandingkan dengan tanpa lapisan (asli). Hal ini menunjukkan bahwa dengan pelapisan resin silane pada isolator meningkatkan resistifitas pada permukaan isolator, sehingga apabila resistifitas meningkat maka akan lebih sulit untuk dialiri arus atau arus bocornya lebih kecil.
Karakteristik Elektrik Isolator terdiri dari bahan isolasi yang diapit oleh elektroda-elektroda. Dengan demikian, maka isolator terdiri dari sejumlah kapasitansi. Karena kapasitansi ini, maka distribusi tegangan pada sebuah rentengan isolator menjadi tidak seragam. Potensial pada ujung yang terkena tegangan (ujung yang memegang kawat penghantar) adalah paling besar. Karakteristik elektrik suatu isolator dinilai dari tegangan lewat-denyar yang terdiri dari tegangan-tegangan lewat-denyar frekuensi rendah, impuls dan tembus merusak (puncture). · Tegangan lewat-denyar frekuensi rendah kering (dry power frequency flashover voltage) adalah tegangan lewat-denyar yang terjadi bila tegangan diterapkan di antara kedua elektroda isolator yang bersih dan kering permukaannya, nilainya konstan serta merupakan nilai dasar dari karakteristik isolator. · Tegangan lewat-denyar frekuensi rendah basah (wet power frequency flashover voltage) adalah tegangan lewat-denyar yang terjadi bila tegangan diterapkan di antara dua elektroda isolator yang basah karena hujan atau sengaja dibasahi.
· Tegangan lewat-denyar impuls (impuls flashover voltage) adalah tegangan lewatdenyar yang terjadi bila tegangan impuls dengan gelombang standar diterapkan. Menurut standar IEC besarnya gelombang impuls standar adalah 1,2 x 50ms. Karakteristik impuls terbagi atas polaritas positif dan negatif. Biasanya, tegangan dengan polaritas positif yang dipakai (memberikan nilai lewat-denyar lebih rendah). Untuk polaritas positif, tegangan lewat-denyar badah dan kering sama. · Tegangan tembus (puncture) merupakan tembus yang menyebabkan perusakan bahan isolasinya. Sedangkan perusakan bagian isolator yang disebabkan oleh pemanasan lebih tidak dikategorikan sebagai puncture.
Karakteristik Mekanis Isolator harus memiliki kekuatan mekanis guna memikul beban mekanis penghantar yang diisolasikannya. Bahan isolasi, sebagai bagian utama sebuah isolator, mempunyai sifat sebagai besi cor, dengan kuat tekan (compressive strength) yang besar dan kuat tarik (tensile strength) yang lebih kecil, Untuk porselin, kuat 400-900 kg/cm2, sedangkan kuat tekannya 10 kali lebih besar. Gaya tarik terhadap isolator yang telah dipasang relatif besar, sehingga kekuatan bahan isolasi dan gaian-bagian yang disemenkan padanya harus dibuat lebih besar dari kekuatan bagian-bagian logamnya. Kegagalan Isolator Secara garis besar isolator tegangan tinggi mempunyai dua fungsi, yaitu fungsi mekanik dan elektrik. Secara mekanik, isolator berfungsi untuk mendukung atau menahan konduktor pada tegangan tinggi, sedangkan secara elektrik isolator berfungsi sebagai pemisah, yaitu untuk mencegah mengalirnya arus dari penghantar ke tanah atau ke menara penopang saluran udara. Pada saluran transimisi atau distribusi kegagalan isolasi dapat disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut:
· Isolator pecah, disebabkan pemuaian yang tidak merata dan konstraksi yang terjadi di dalam semen, baja, dan bahan porselin. Kegagalan ini juga bisa disebabkan pergantian musim yang mencolok dan pemanasan lebih. · Bahan isolasi berlubang-lubang. Lubang terjadi karena bahan porselin diproses pada suhu rendah hingga mudah menyerap air. Kejadian ini menurunkan kekuatan isolasi dan arus merembes melalui isolator. · Ketidakmurnian bahan isolasi. Di tempat yang mengalami ketidakmurnian bahan isolasi pun akan terjadi kebocoran. · Bahan tidak dapat mengkilap, sehingga air akan tetap tinggal padanya, lalu menyebabkan penimbunan debu dan kotoran membentuk lapisan yang bersifat menghantar dan memperpendek jarak rayap (creepage-distance). · Tekanan secara mekanis, misalnya karena penumpukkan isolator. Jika bahannya kurang kuat dapat menyebabkan isolator pecah. · Tembus dan lewat-denyar (flashover). Lewat-denyar, yaitu pelepasan muatan destruktif (bersifat merusak) yang melintasi pada seluruh bagian permukaan isolator. Pelepasan muatan ini disebabkan pembebanan medan listrik pada permukaan isolator melebihi harga ketahanan elektriknya. Lewat-denyar menimbulkan pemanasan dan ini dapat merusak isolator. Penyebabnya: pengotoran permukaan isolator, surja hubung dan surja petir. Sedangkan tembus (puncture) adalah pelepasan muatan disruptif pada bagian isolasi isolator, khusus terjadi pada isolasi padat saja. 5 Parameter Isolator Parameter isolator merupakan parameter-parameter yang terdapat pada isolator itu sendiri yang mempengaruhi sifat kerjanya, apabila dipasang pada daerah yang berpolusi. Dalam kondisi berpolusi, nilai tahanan permukaan sangat dipengaruhi oleh resistivitas timbunan kotoran yang menempel pada permukaan isolator, sehingga untuk menjaga agar nilai tahanan permukaan tetap tinggi dengan memperpanjang jarak rayap tidak cukup. Bangunan isolator akan mempengaruhi laju penimbunan kotoran, kapasitas
Jenis Isolator Jaringan Isolator yang digunakan untuk saluran distribusi tenaga listrik berdasarkan fungsi dan konstruksinya dapat dibedakan dalam 4 macam, yaitu : Beberapa jenis isolator yang digunakan untuk jaringan distribusi primer maupun sekunder adalah :
1.
solator Jenis Pasak (pin type insulator).
Isolator jenis pasak (pin type insulator), digunakan pada tiang- tiang lurus (tangent pole) dan tiang sudur (angle pole) untuk sudut 5° sampai 30°. Banyak terbuat dari bahan porselin maupun bahan gelas yang dibentuk dalam bentuk kepingan dan bagian bawahnya diberi suatu pasak (pin) yang terbuat dari bahan besi atau baja tempaan. Tiap kepingan diikatkan oleh suatu bahan semen yang berkualitas baik. Bentuk kepingan dibuat mengembang ke bawah
seperti
payung,
untuk
menghindarkan air hujan yang menimpa permukaan kepingan secara mudah. Banyaknya kepingan tergantung pada kekuatan elektris bahan kepingan. Biasanya jumlah kepingan ini maksimum lima buah. Isolator pasak yang mempunyai satu keping, biasanya digunakan untuk jaringan distribusi sekunder pada tegangan 6 kV ke bawah yang terbuat dari bahan gelas atau porselin. Untuk jaringan distribusi primer biasanya terdiri dari dua keping yang terbuat dari bahan porselin. Isolator jenis pasak ini banyak digunakan pada tiang-tiang lurus (tangent pole) dengan kekuatan tarikan sudut (angle tensile strenght) hingga 10°. Kawat penghantar jaringan diletakkan di bagian atas untuk posisi jaringan lurus, sedangkan untuk jaringan dengan sudut di bawah 10° kawat penghantarnya diikatkan pada bagian samping agar dapat memikul tarikan kawat.
Isolator jenis pasak
Kekuatan tarik isolator jenis pasak ini lebih rendah bila dibandingkan dengan
isolator jenis gantung, karena kekuatan isolator jenis pasak ini ditentukan oleh kekuatan pasaknya terhadap gaya tarikan kawat penghantar. Pemasangan isolator jenis pasak ini direncanakan pada puncak tiang maupun pada palang kayu (cross-arm) yang disekrupkan pada isolator tersebut. Pemasangan isolator jenis pasak pada tiang kayu saluran satu fasa yang memiliki sudut : 0° sampai 5°, dan sudut 5° sampai 30°, serta untuk saluran tiga fasa dengan sudut 0° sampai 5°, dan untuk sudut 5° sampai 30°. Isolator jenis pasak banyak digunakan karena : a.
lebih banyak jaringan dibuat lurus
b.
sudut saluran dibuat kurang dari 15°
c.
isolator jenis gantung lebih mahal dari isolator jenis pasak
d.
konstruksi tiang dibuat dengan cross-arm (travers) lebih menonjolkan ke laur sudut.
2. Isolator Jenis Pos (post type insulator). Isolator jenis pos (post type insulator) , digunakan pada tiang- tiang lurus (tangent pole) dan tiang sudur (angle pole) untuk sudut 5° sampai 15°. Dibandingkan dengan isolator jenis pasak, isolator jenis pos ini lebih sederhana perencanaannya. Diameternya lebih kecil dan tak menggunakan kepingan-kepingan seperti isolator jenis pasak. Terdapat lekukanlekukan pada permukaannya untuk mengurangi hantaran yang terjadi pada isolator. Makin tinggi tegangan isolasinya makin banyak lekukan-lekukan tersebut. Isolator jenis pos ini bagian atasnya diberi tutup (cap) dan bagian bawah diberi pasak yang terbuat dari bahan besi atau baja tempaan. Bahan yang digunakan untuk isolator jenis pos ini terbuat dari bahan porselin basah yang murah harganya.
Isolator jenis pos Kekuatan mekanis isolator jenis pos ini lebih tinggi dibandingkan isolator jenis pasak dan penggunaannya hanya pada jaringan ditribusi primer untuk tiang lurus (tangent pole) pada sudut 5 ° sampai 15°. Isolator jenis pos yang digunakan untuk jaringan distribusi 20 kV, memiliki tegangan tembus sebesar 35 kV dengan kekuatan tarik (tensile strenght) sebesar 5000 pon.
3.
Isolator Jenis Gantung (suspension type insulator). Isolator jenis gantung (suspension type insulator), digunakan pada tiang-tiang sudur
(angle pole) untuk sudut 30° sampai 90°, tiang belokan tajam, dan tiang ujung (deadend pole). Isolator jenis clevis lebih banyak digunakan karena lebih kokoh dan kuat dalam penggandengannya, serta tidak ada kemungkinan lepas dari gandengannya, karena pada ujungnya digunakan mur baut untuk mengikatnya.
Isolator gantung (suspension insulator) terdiri dari sebuah piringan yang terbuat dari bahan porselin, dengan tutup (cap) dari bahan besi tempaan (melleable iron) dan pasaknya terbuat dari bahan baja yang diikatkan dengan semen yang berkualitas, sehingga membentuk satu unit isolator yang berkualitas tinggi. Dibandingkan isolator jenis pasak, isolator gantung ini hanya mempunyai satu piringan yang terbuat dari bahan porselin atau bahan gelas biru kelabu (blue gray glaze). Dengan menggunakan bahan gelas biru kelabu ini harga isolator dapat ditekan lebih murah dan dapat digunakan untuk beberapa gandengan. Umumnya isolator gantung dengan bahan gelas ini digunakan untuk jaringan distribusi primer, sedangkan isolator gentung dari bahan porselin banyak digunakan untuk gandengan-gandengan pada jaringan transmisi tegangan tinggi.
Isolator gantung jenis clevis dan jenis ball and socket
Dilihat dari konstruksinya, isolator gantung ini dikenal dalam dua jenis, yaitu jenis clevis dan jenis ball and socket. Jenis clevis ini memiliki bentuk tutup (cap) dan pasaknya (pin) berbentuk pipih dengan lubang ditengahnya, yang digunakan untuk keperluan penggandengan dari beberapa isolator gantung dengan mengikatnya dengan mur baut sehingga bisa lebih kuat penggan-dengannya. Jenis ball and socket memiliki bentuk tutup (cap) berlubang (socket) untuk
menyangkut-kan pasak (pin) yang berbentuk bulat (ball), sehingga penggandengan dari bebarapa isolator gantung tidak menggunakan baut (bolt) lagi. Kedua jenis ini yang paling banyak dipakai adalah jenis clevis, karena dibandingkan dengan jenis ball and socket maka jenis clevis ini lebih kokoh dan kuat serta tidak ada kemungkinan lepas. Isolator gantung mempunyai kualitas tegangan isolasi tidak begitu tinggi dibandingkan isolator jenis pasak, karena isolator gantung hanya memiliki satu piringan untuk setiap unit isolator. Oleh sebab itu agar memenuhi kebutuhannya maka isolator gantung ini digandeng-gandengkan satu unit dengan unit yang lain agar memdapatkan kualitas tegangan isolasi yang tinggi. Bila digandengkan isolator gandeng mempunyai kualitas yang lebih tinggi dari isolator jenis pasak. Makin banyak gandengannya makin tinggi kualitas tegangan isolasinya. Saluran transmisi banyak sekali menggunakan isolator gantung ini. Karena kekuatan mekanis isolator gantung ini lebih tinggi bila digandengkan, maka banyak digunakan untuk menahan besarnya tarikan atau ketegangan kawat pada tiang-tiang sudut (angle pole), tiang belokan tajam, dan tiang ujung (deadend pole).
4. Isolator Jenis Cincin (spool type insulator). Isolator jenis cincin (spool type insulator), digunakan pada tiang- tiang lurus (tangent pole) dengan sudut 0° sampai 10°, yang dipasang secara horizontal maupun vertikal. Isolator cincin bentuknya bulat berlubang ditengahnya seperti cincin yang hanya terdapat satu atau dua lekukan saja yang seluruhnya terbuat dari bahan porselin.
Isolator jenis cincin Isolator cincin ini tidak menggunakan pasak (pin) sehingga isolator cincin memiliki kualitas tegangannya lebih rendah. Biasanya tak lebih dari 3 kV. Isolator cincin ini besarnya tidak lebih dari 7,5 cm tinggi maupun diameternya, yang dipasangkan pada jaringan distribusi sekunder serta saluran pelayanan ke rumah-rumah. Isolator ini dipasang pada sebuah clamp (pengapit) dengan sebuah pasak yang dimasukkan ke dalam lubang ditengahnya. Pemasangan secara horizontal digunakan untuk jaringan lurus (tangent line) dengan sudut antara 0° sampai 10°. Untuk jaringan lurus
(angle line) untuk sudut lebih dari 10° dipasang pada kedudukan vertikal. Kesemuanya dipasang pada tiang penyangga dengan jarak satu meter dari tiang atau 60 cm dari palang kayu (cross arm).
Karaktristik Isolator Jaringan Karakteristik Isolator a. Mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi agar dapat menahan beban kawat penghantar b. Memiliki konstanta dielektrikum (relative
permittivity)
yang tinggi, agar
memberikan kekuatan dielektrik (dielectric strength) tinggi juga. c. Mempunyai tahanan isolasi (insulation resistance) yang tinggi agar dapat menghindari kebocoran arus ke tanah. d. Mempunyai perbandingan (ratio) yang tinggi antara kekuatan pecah dengan tegangan loncatan api (flashover voltage). e. Menggunakan bahan yang tidak berpori-pori dan tidak terpengaruh oleh perubahan temperature f. Bebas dari kotoran dari luar dan tidak retak maupun tergores, agar dapat dilewati oleh air atau gas di atmosfir g. Mempunyai kekuatan dielektrik (dielectric strenght) dan kekuatan mekanis (mechanis strenght) yang tinggi h. Bahan yang mampu mengisolir atau menahan tegangan yang mengenainya. i.
Harganya murah
j.
Tidak terlalu berat
Karakteristik Elektris Isolator memiliki dari dua elektroda yang terbuat dari bahan logam berupa besi atau baja campuran sebagai tutup (cap) dan pasak (pin) yang dipisahkan oleh bahan isolasi. Dimana tiap bahan isolasi mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan yang mengenainya tanpa menjadi rusak, yang disebut dengan kekuatan dielektrikum. Apabila tegangan diterapkan pada isolator yang ideal di kedua elektroda tersebut, maka dalam waktu singkat arusnya yang mengalir terhenti dan didalam bahan isolasi terjadi suatu muatan (Q). Hal ini menunjukkan adanya perbedaan tegangan (V) diantara kedua elektroda. Besarnya muatan itu adalah :
Q = C.V Dimana nilai kapasitas C tergantung pada nilai konstanta dielektrik dari suatu bahan uang terdapat diantara kedua elektroda tersebut. Makin tinggi nilai konstanta dielektrikum suatu bahan isolasi makin besar kapasitansi isolasi tersebut. Untuk bahan isolasi porselin dan gelas nilai konstante dielektriknya lebih tinggi dibandingkan dengan bahan-bahan isolasi yang lain. Bandingkan konstante dielektrik bahan-bahan di bawah ini. Nilai Konstante Dilektrikum Beberapa Bahan Macam bahan Macam bahan ε Ebinit Fiber Gelas Mika Minyak
Selain
2,8 2,5-5 5,4-9,9 2,5-6,6 2,2-6,6
nilai
konstante
Paraffin Kertas Porselin Air Kayu
dielektrik
yang
ε 2,1-2,5 2,0-2,6 5,7-6,8 2,0-3,5 2,5-7,7
mempengaruhi
nilai
kapasitansi, luas dan tebalnya suatu bahan mempengaruhi juga nilai kapitansi tersebut. Makin besar volume suatu bahan makin bertambah tinggi muatannya, dan makin besar nilai kapasitansinya yang ditentukan dengan persamaan. A C=ε 4πd
Dimana : C= kapasitansi suatu bahan (Farad) ε= konstanta dilektrikum A= luas permukaan bahan (m 2 ) d= diameter atau tebal bahan (m)
Nilai kapasitansi ini akan diperbesar lagi karena kelembaban udara, debu, panas udara, kerusakan mekanis, proses kimia serta tegangan lebih yang mempengaruhi permukaan dari bahan isolasi tersebut. Oleh karena itu pendistribusian tegangan pada bahan isolasi tidak seragam, dan lebih besar pada bagian yang terkena tegangan. Hal ini disebabkan terjadinya arus
kebocoran (leakage current) yang melalui permukaan bahan tersebut. Arus kebocoran ini kecil kalau dibandingkan dangan arus yang mengalir pada bahan isolasi tersebut, yang besarnya adalah : I=V/R Dimana: I = Arus bocor V = tegangan R = besar isolasi
Hal tersebut diatas membuat isolator manjadi tidak ideal, yang seharusnya arus mengalir berhenti dalam waktu yang singkat, akan tetapi turun perlahan-lahan. Lihat gambar grafik dibawah ini. Akan tidak ideal lagi isolator tersebut apabila terjadi tegangan yang diterapkan diantara kedua elektroda isolator tersebut mengalami tegangan loncatan api (flash over voltage) atau tegangan tembus pada isolator ini. Dalam sistim tenaga listrik tegangan loncatan api ini biasa dikatakan sebagai tegangan lebih (over voltage) yang ditimbulkan dari dua sumber. Pertama sumber berasal dari sistim itu sendiri yang berupa hubungan singkat (short circuit), sedang yang kedua sumber dari luar sistim biasa disebut gangguan sambaran petir. Tegangan tembus inilah yang terutama menentukan nilai suatu isolator sebagai penyekat dan menunjukkan kekuatan dielektrik dari isolator yang besarnya untuk tiap-tiap isolator berbeda-beda seperti yang terlihat pada tabel-tabel dibawah ini. Isolator terdiri dari bahan porselin yang diapit oleh elektroda- elektroda. Dengan demikian isolator terdiri dari sejumlah kapasistansi. Kapasistansi ini diperbesar oleh terjadinya lapisan yang menghantarkan listrik, karena kelembaban udara, debu dan bahan bahan lainnya pada permukaan isolator tersebut. Karena kapasistansi ini maka distribusi tegangan pada saluran gandengan isolator tidak seragam. Potensial pada bagain yang terkena tegangan (ujung saluran) adalah paling besar dengan memasang tanduk busur api (arcing horn), maka distribusi tegangan diperbaiki. Tegangan lompatan api (flashover voltage) pada isolator terdiri atas tegangantegangan lompatan api frekuensi rendah (bolak0balik), impuls dan tembus dalam minyak (bolak-balik frekuensi rendah). Tegangan lompatan api frekuensi rendah kering adalah tegangan lompatan apai yang terjadi bila tegangan diterapkan diantara kedua elektroda
isolator yang bersih dan kering permukaanya, nilai konstanta serta nilai dasar karakteristik isolator. Tegangan lompatan api basah adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan diterapkan diantara tegangan kedua elektroda isolator yang basah karena hujan, atau dibasahi untuk menirukan hujan. Tegangan lompatan api impuls adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan impuls dengan gelombang standar diterapkan. Karakteristik impuls terbagi atas polaritas positif dan negative. Biasanya tegangan dengan polaritas positif (yang memberikan nilai loncatan api yang rendah) yang dipakai. Untuk polaritas positif tegangan loncatan api basah dan kering sama. Tegangan tembus (puncture) frekuensi rendah menunjukan kekuatan dielektrik dari isolator, dan terjadi bila tegangan frekuensi rendah diterpkan antara kedua elektroda isolator yang dicelupkan pada minyak sampai isolator tembus. Untuk isolator dalam keadaan baik tegangan tembus ini lebih tinggi dari tegangan loncatan api frekuensi rendah, dan nilainya kira-kira 140 kV untuk isolator gantung 250 mm.
Karakteristik Mekanis Kecuali harus memenuhi persyaratan listrik, isolator harus memiliki kekuatan mekanis guna memikul beban mekanis penghantar yang diisolasikannya. Porselin sebagai bagian utama isolator, mempunyai sifat sebagai besi cor, dengan tekanan-tekanan yang besar dan kuat-tarik yang lebih kecil. Kuat tariknya biasanya 400-900 kg/cm2 , sedangkan kuat tekanannya 10 kali lebih besar. Porselin harus bebas dari lubang-lubang (blowholes) goresan- goresan, keretakankeretakan, serta mempunyaia ketahanan terhadap perubahan suhu yang mendadak tumbukan-tumbukan dari luar. Gaya tarik isolator yang telah dipasang relatif besar, sehingga kekuatan porselin dan bagian-bagian yang disemenkan padanya harus dibuat besar dari kekuatan bagian bagian logamnya. Kekuatan mekanis dari isolator gantung dan isolator batang panjang harus diuji untuk mengetahui kemampuan mekanis dan keseragamannya. Kekuatan jenis ini dan line post ditentukan oleh kekuatan pasaknya (pin) terhadap moment tekukan (bending momen) oleh penghantar. Pengkajian kekuatannya karena itu dilakukan dengan memberikan beban kawat secara lateral terhadap pasak.
Dalam perencanaan saluran transmisi udara, tegangan lebih pada isolator merupakan
factor
penting.
Ditempat-tempat
dimanan
pengotoraqn
udara
tidak
mengkhawatirkan, surja-hubung (switching-surge) merupakan factor penting dalam penentuan jumlah isolator dan jarak isolator. Karakteristik lompatan api dari surja-hubung lain dari karakteristik frekuensi rendah dan impuls.
Penggunaan Isolator Pada Jaringan Distribusi Ditinjau dari segi penggunaan isolator pada jaringan distribusi dapat dibedakan menjadi
besar
kecil
tegangan,
yaitu
tegangan
rendah
(SUTR)
dan
tegangan
menengah/tinggi (SUTM). 1.
Pada Saluran Udara Tegangan Rendah (SUTR)
Isolator SUTR adalah suatu alat untuk mengisolasi kawat penghantar dengan tiang dan traves. Isolator yang baik harus memiliki cirri-ciri, yaitu sudut dan lekukkan yang licin dan tidak tajam, guna menghindari kerusakan kawat penghantar akibat tekanan mekanis pada saat pemasangan. Disamping itu isolator SUTR harus memenuhi persamaan mekanis, elektris, dan thermis, mempunyai ketahanan terhadap tembusan dan loncatan arus rambat listrik. Juga tahanan terhadap gaya mekanis, perubahan suhu, dan cuaca sesuai dengan keadaan kerja setempat. Pada pemasangan SUTR pemakaian jenis isolator dibedakan sesuai dengan lokasi berdiri tiang. Untuk tiang yang berdiri ditengah-tengah jaringan yang lurus digunakan isolator pasak type “RM”. Lokasi tiang yang berdiri pada akhir atau ditikungan jaringan SUTR digunakan isolator pasak jenis Spool Isolator dan Isolator pasak Type “A”, dan isolator line-post. Sedangkan untuk tiang penegangan dipergunakan isolator gantung. Sebelum isolator dipasang pada SUTR terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan secara visual mengenai bentuk ukuran, dan keadaan isolator itu sendiri. Disamping itu isolator harus terbuat dari bahan porselen yang diglasir, mempunyai kualitas isolator arus listrik tinggi, tidak berlapis-lapis, tidak berlubang, dan tidak cacat. Bahan pin isolator harus diglavanis sehingga tidak mudah berkarat. Pemasangan pin pada poros isolator harus lurus. Pemasangan pin pada poros idolator dilakukan dengan
coran timah hitam.
2.
Saluran Udara Tegangan Menengah (SUTM)
Isolator yang digunakan untuk jaringan SUTM, karakteristiknya dan konstruksi dapat dilihat dibawah ini : Temperature maksimum: 40O Temperature normal: 28 O Temperature minimal: 16 O Dalam jaringan SUTM ini mempergunakan isolator jenis sangga dan isolator suspension (isolator gantung). Didalam pemasangan isolator suspension maupun isolator sangga, diperiksa baut dan mur yang ada harus dikunci dengan kuat. Isolator itu dipasang pada traves dengan mengunci mur dan baut yang terdapat pada plat penegang. Didalam memasang isolator suspension dilakukan setiap satu persatuan unit. Setiap satu jaringan SUTM yang terdapat sambungan saluran udara pada tiang, dibutuhkan senam unit isolator suspension dan satu isolator sangga. Isolator sangga berfungsi sebagai penyangga kawat penghantar yang ditengah jaringan melintasi traves. Sebagai pengunci kawat penghantar dibutuhkan enam buah klem penyambung yang terbuat dari bahan yang sama dengan bahan penghantar. Pada traves diakhiri saluran SUTM dipakai tiga unit isolator suspension.
KONDUKTOR 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).
Klasifikasi Konduktor
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).
Klasifikasi konduktor menurut konstruksinya:
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.
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 d. Kabel NYFGBY
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, C, maka ° berselubung AAAC-S pada suhu sekitar 30 2untuk konduktor 70 mm 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 30o C, maka kemampuan maksimum dari konduktor
untuk
menghantar
arus
adalah
275
A).
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: ρ = R.A/L dimana; A : luas penampang (m2) l : Panjang penghantar (m) Ώ : tahanan jenis penghantar (ohm.m) R : tahanan penghantar (ohm) ρ : konduktivitas
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 semi konduktor 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.
-----------------------------------------------------------------------------------------Logam Konduktivitas listrik ohm meter Perak ( Ag )
6,8 x 107
Tembaga ( Cu )
6,0 x 107
Emas ( Au )
4,3 x 107
Alumunium ( Ac )
3,8 x 107
Kuningan ( 70% Cu – 30% Zn )
1,6 x 107
Besi ( Fe )
1,0 x 107
Baja karbon ( Ffe – C )
0,6 x 107
Baja tahan karat ( Ffe – Cr )
Kriteria mutu penghantar
0,2
x
107
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 s ekarang 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.
KONDUKTOR II
Konduktor (penghantar) : suatu bahan yang dapat menghantarkan arus listrik. Sifat terpenting konduktor: -
sifat daya hantar listrik (electrical conductivity) yang tinggi, atau
-
tahanan jenis (resistivity) yang rendah
Konduktivitas maupun resistivitas besarnya tergantung pada struktur internal dari bahan penghantar tersebut. Sifat-sifat lain yang harus dimiliki oleh konduktor : -
daya h antar panas (thermal conductivity) atau sifat-sifat termis dan sifat-sifat mekanis lain seperti kekuatan tarik/tekan atau kemampuannya dalam menahan tegangan tarik dan sebagainya.
Tahanan jenis beberapa bahan listrik
Nama bahan
Aluminium
Tahanan jenis pada 0o C
Tahanan jenis pada 20o C
( Ω mm 2/m)
( Ω mm2/m)
0 026
0 0287
Tembaga Lunak Tembaga Keras Emas Besi Murni Perak Timah
0,01589 0,016 0,0222 0,0885 0,0151 0,105
0,01742 0,0177 0,0236 0,0995 0,01629 0,115
I. Pengaruh perubahan temperatur terhadap nilai tahanan (resistansi).
a. Bahan Murni Rt 2
=
[
(
Rt 1 1 + α t 2
−
t 1
)]
dimana: Rt 2
= tahanan dari bahan pada temperatur t 2 (Ω)
Rt 1
= tahanan dari bahan pada temperatur t 1 (Ω)
t1
= temperatur permulaan yang rendah ( oC)
t2
= temperatur yang lebih tinggi ( oC)
α
= koefisien suhu tahanan pada masa konstan (Ω/oC)
Untuk perhitungan yang lebih teliti, harga α, bisa digunakan persamaan berikut : α 1 =
1 1
+
( t − 20)
α
dimana: α
= koefisien suhu tahanan pada temperatur standar 20o C
α1 = koefisien suhu tahanan pada temperatur t o C
R
R1
R0 0
a
a
T(0C)
0 f
d
f
y
x
Pertambahan harga tahanan listrik sebagai fungsi dari temperatur
b. Bahan campuran Pertambahan harga/nilai tahanan listrik pada bahan campuran apabila suhu dinaikkan adalah relatif kecil dan tidak teratur. Contohnya pada bahan Eureka (konstantan), yaitu campuran 60% Cu dan 40% Ni), karena pertambahan nilai resistansi yang kecil, maka α sering diabaikan.
II. Efek Kulit ( Skin Effect )
Skin Effect adalah gejala ketidaksama-rataan arus yang mengalir dalam suatu pengantar yang dialiri arus bolak-balik. Hal ini disebabkan karena adanya frekuensi pada arus yang mengalir tersebut. 2
2
1111
Kerapatan
arus
pada
suatu
penghantar
dialiri arus AC
Arus bolak-balik (AC) yang mengalir pada penghantar, akan menimbulkan fluksi (ф). Fluksi ini akan menimbulkan induktansi diri ( self inductance) dan akan membangkitkan tegangan :
L
=
d φ di
ε =
dan
d φ dt
Didapat : ф1< ф2 dan L1>L2, dari sini didapat hubungan; i akan sebanding dengan ф sehingga : i1
ф1< ф2.
Menurut Maxwell dan Rayleight, perbandingan antara tahanan skin effect ( R s) terhadap tahanan arus searah ( R) adalah : R s R
=1 + m 12 4
2
1
2
1 m − 180 4
2
2
Sedangkan perbandingan antara reaktansi skin effect (As) terhadap reaktansi arus searah (A) adalah : A s A
2
2
m 2 12 m 2 =1 − + 24 4 4320 4 1
dimana : m= 8
R ⋅ f ⋅ l ×10 −9 R
f = frekuensi (Hz) l = panjang saluran (m)
Di dalam pemakaian praktisnya rumus-rumus di atas menjadi : m
= 0,3 f ⋅ A
Sedangkan rumus R s secara empiris adalah : m +1 1+ 48 = R , untuk m = 0 s/d 3 2 2
R
s
1 / 2
m
+ 0, 26 , untuk m diatas 3 2 2
R s = R
Cara mengatasi Skin Effect : •
Frekuensi kerja diturunkan
•
Diameter penghantar diperkecil atau menggunakan penghantar serabut
III. Jenis-jenis penampang bahan penghantar
Penampang bahan penghantar umumnya dibuat dalam berbagai bentuk. Sesuai dengan tujuan penggunaannya. Berdasarkan bentuknya, bahan penghantar dibedakan antara lain
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Penampang bahan penghantar (a) bulat (b) segi empat tipis (c) segi empat tebal (d) kanal (e) stranded (berlilit atau serabut)
Berdasarkan susunan kawat/penampang, dibedakan antara lain : •
Kawat pejal
•
•
Kawat berlilit
•
Kawat berongga Kawat serabut
Berdasarkan susunan/struktur material : • • •
Kawat/ bahan dari logam murni Kawat/ bahan dari logam campuran (alloy) Kawat/ bahan dari logam paduan
IV. Klasifikasi Bahan Konduktor
Menurut bentuknya/wujudnya, bahan konduktor dapat dibagi dalam 3 jenis, yakni: a. Bahan konduktor berbentuk padat b. Bahan konduktor berbentuk cair
c. Bahan konduktor berbentuk gas
1. Tembaga (Cu)
Sifat-sifat elektris bahan tembaga dapat dilihat pada tabel 1. Daya hantar panasnya 0,93 kal/cm sec oC. Daya tahan tembaga terhadap korosi sangat besar. Titik leburnya 1080 0C. Kekuatan menahan gaya tarik/tekan cukup tinggi, yaitu sekitar 40-50 kgf/mm2 Tidak rapuh (artinya dapat dibengkokan tetapi tidak mudah putus/patah). Penggunaan tembaga antara lain: •
sebagai bahan penghantar pada inti kabel, kumparan-kumparan trafo, generator dan motor, serta jaringan listrik karena bahan tembaga mempunyai konduktifitas yang cukup tinggi.
•
sebagai alat/bahan pengukur temperatur (pada termokopel)
•
Tembaga keras (hard drawn copper ), digunakan apabila diperlukan untuk menahan tegangan tarik/tekan yang tinggi dan tahan terhadap medan keras.
•
Tembaga lunak (analed copper ), digunakan apabila dipentingkan sifat lenturnya.
•
Dicampur dengan bahan lain (banyak kita jumpai di pasaran ) -
tahanan jenisnya akan turun,
-
supaya sifat-sifat mekanisnya dapat ditingkatkan sesuai kebutuhan atau untuk keperluan tertentu.
2. Aluminium (Al)
Sifat elektris : lihat tabel 1. Sifat-sifat fisik yang lain : •
Daya hantar panasnya = 0,5 kal/cm sec oC
•
Daya tahan terhadap korosi lebih besar daripada tembaga.
•
Massa jenisnya ± 3 kali lebih kecil daripada masa jenis tembaga.
•
Aluminium tidak baik untuk dipatri, akan tetapi dapat dilas.
•
Titik leburnya 660 o C
Sifat-sifat mekanis :
•
kekuatan menahan tegangan tarik/tekan lebih rendah daripada tembaga yaitu ±1523 kgf/mm2 akan tetapi aluminium mudah dikerjakan, dibengkokkan atau dipress.
Sehingga aluminium banyak dipakai antara lain : •
Sebagai penutup pada transistor, karena mempunyai daya hantar panas yang cukup tinggi.
•
Sebagai bahan pelindung pada bagian-bagian peralatan yang tidak boleh terkena gelombang elektromagnetik, karena aluminium termasuk bahan yang magnetis.
•
Sebagai bahan yang digunakan pada kumparan transformator arus, rotor dsb. karena pengerjaannya mudah.
Karena kemampuan menahan tegangan tariknya tidak terlalu besar, maka bila diperkuat atau dipadukan dengan bahan/kawat baja (baja mempunyai tegangan tarik ±46 s/d 380 kgf/mm2) akan diperoleh kawat atau bahan yang disebut dengan istilah ACSR ( Aluminium Cable Stell Reinforce).
3. Bahan campuran
a. Kuningan ( Brass) •
Campuran antara tembaga (Cu) dan seng (Zn).
•
Warnanya kuning,
•
Tegangan tarik maksimum : 23 s/d 40 kgf/mm 2
•
Harganya lebih murah dibandingkan dengan bahan tembaga murni
•
Mudah dikerjakan walaupun dalam keadaan dingin
•
Kurang cocok bila dipakai dalam udara terbuka
•
Titik leburya 900o C.
•
Kurang tepat dipakai sebagai konduktor karena konduktivitasnya rendah, tetapi cocok dipergunakan sebagai media gelombang UHF ( microwave).
b. Perunggu ( Bronze) •
Campuran antara tembaga (Cu) dan timah (Sn).
•
Tahanan jenisnya lebih besar daripada bahan kuningan
•
Titik leburnya 1040 0 C, tegangan tariknya 20 s/d 40 kgf/mm 2
•
Mempunyai daya tahan yang baik terhadap korosi.
•
Sebagai penghantar/konduktor biasanya dipakai untuk hantaran-hantaran yang halus, misalnya untuk kawat telegraf, telepon, dan sebagainya.
V. Bahan tahanan (resistor)
Bahan tahanan (resistor ) adalah suatu bahan listrik yang dapat menyalurkan arus listrik, akan tetapi mempunyai tahanan listrik (resistivitas) yang tinggi atau konduktivitasnya rendah.
Contoh bahan tahanan adalah sebagai berikut: 1. Wolfram
Wolfram termasuk jenis logam yang sangat berat Berwarna putih keabu-abuan Mempunyai titik cair tertinggi diantara logam-logam padat Sifat-sifatnya : •
Sifat mekanis: tegangan tarik maksimum : 590.000 psi
•
Modulus elastisitas : 10.106 psi
•
Titik cair : 3.390o C
•
Titik didih : 5.930o C
•
Konduktivitas termis : 0,4 cal/cm sec oC
•
Koefisien muai panjang : 4,5x10-6
•
Sifat kimia : pada suhu 2000 0 C, 1001 gram wolfram murni dapat bersenyawa dengan O2 membentuk WO2 dan WO3.
• •
Sifat elektris : tahanan jenisnya mendekati linier terhadap perubahan temperatur. Magnetic susceptibility, Xm, : 6,8x10-5 (termasuk bahan magnetik)
Penggunaan wolfram : sebagai filament lampu pijar, campuran bahan kontak, elektroda gas mulia, dan bagian bagian dari tabung elektroda.
2. Timbel/timah hitam (Pb)
Di pasaran banyak dijumpai sebagai timbel dan berupa lempengan 3x1,5 m atau 10x2,5 m dengan tebal kira-kira 0,3-12 mm. Sifat-sifatnya antara lain : •
Sangat lunak dan mudah dikerjakan
•
Mempunyai berat jenis/ massa jenis yang tinggi
•
Titik leburnya rendah ± 300 o C
•
Tahanan jenisnya ± 7%-nya tahanan jenis tembaga
•
Tegangan tariknya rendah
Penggunaannya antara lain sebagai elektroda akumulator, pembungkus kabel, campuran solder, dan untuk bahan pembuat sekering.
VI. Thermistor •
“Thermistor” berasal dari kata thermally sensitive resistor .
•
Thermistor adalah suatu jenis tahanan yang peka terhadap perubahan temperatur atau memiliki harga koefisien suhu tahanan (α) yang tinggi
•
Ditemukan oleh Michael Faraday berdasarkan (α) negatif dari silver sulfida pada tahun 1833.
(a)
(b)
Gambar 4. Simbol dari Thermistor
(a) Thermistor dengan pemanas langsung
(b) Thermistor dengan pemanas tidak langsung
Thermistor pada umumnya didasarkan pada “a negative temperature coefisien (NTC)”, atau ada pula yang berdasarkan pada “a positive temperature coefisien (PTC)”.
Penggunaannya : •
Basic Thermistor Circuit
•
Gas Analyzer
•
Half Bridge Thermometer
•
Thermal
•
Basic Four Arm Bridge
Two
•
Pilot
Or
Flame
Alarm
Control
Thermistor
Thermometer
For
Motor •
Type Thermometer
Protection
•
Voltage Regulation
•
Temperature Measurement
•
Remote Control
•
Anemometer
•
Audio
•
Flow Meter
•
Vacuum Gauge
•
Audio Expander
•
Altimeter
•
Pilot Lamp Protection
•
Rf Power Meter
•
Crystal
•
Measuring Micro Wave
Compressor
(Umeter)
Oscillator
Stabilization
Meter
VII. Corona •
Gejala corona, yang dapat mengakibatkan gangguan pada komunikasi radio ( radio interference) dan daya hilang ( power losses) corona.
•
Masalah isolasi pada kawat penghantar.
•
Masalah isolasi pada peralatan listrik.
•
Masalah keamanan terhadap manusia, hewan atau barang.
1. Proses terjadinya corona
Bila ada 2 kawat penghantar yang sejajar (berpenampang kecil bila dibandingkan dengan jarak antara kedua kawat tersebut) diberi tegangan listrik bolak-balik, maka corona
dapat terjadi dan bila tegangan listrik tersebut dinaikkan secara bertahap, maka corona pun akan naik secara bertahap. a.
Secara visual Pertama-tama kawat kelihatan bercahaya, mengeluarkan suara yang mendesis
(hissing ) dan berbau ozon (O 3). Warna cahaya tersebut makin lama makin jelas kelihatan, cahaya semakin bertambah terang apabila tegangan listriknya dinaikkan terus dan akhirnya akan terjadi busur api. Corona mengeluarkan panas dengan terjadinya power losses dan hal ini dapat diukur dengan Watt-meter. Bila udara disekitar konduktor tersebut dalam keadaan lembab, maka corona ini dapat menghasilkan asam nitrogin ( Nitrous Acid ), hal ini akan mempengaruhi power losses, atau dengan perkataan lain kehilangan dayanya lebih besar. Apabila tegangan listriknya merupakan tegangan searah, pada kawat positip pada jaringan, akan kelihatan dalam bentuk cahaya yang uniform (seragam) pada seluruh kawat, sedangkan untuk kawat nolnya ( ground ), corona hanya terjadi pada tempat-tempat tertentu saja (Spooty).
b.
Secara fisis Corona terjadi karena adanya ionisasi dalam udara disekitar konduktor, selain itu
molekul udara disekitar penghantar/konduktor tersebut kehilangan elektron. Dengan lepasnya elektron dan ionisasi ini dan disertai adanya medan listrik, maka elektron -elektron bebas tersebut akan mengalami gaya, sehingga gerakannya dipercepat. Akibatnya elektron ini akan mengalami tabrakan dengan molekul lain sehingga akan menimbulkan ion-ion dan elektron -elektron baru. Proses ini berjalan terus-menerus, sehingga jumlah ion dan elektron bebas menjadi berlipat ganda (bila gradien potensialnya cukup besar). Ionisasi udara dapat mengakibatkan redistribusi tegangan dan bila redistribusi ini besarnya sedemikian rupa sehingga gradien udara (tegangan listrik) diantara dua kawat lebih besar daripada gradien udara normal, maka akan terjadi loncatan bunga api. Bila hanya sebagian saja dari udara antara dua kawat yang terionisasikan, maka corona merupakan sampul yang mengelilingi kawat tersebut. Gradien tegangan listrik seragam yang dapat menimbulkan ionisasi kumulatif di udara normal (25 oC, 760 mmHg) adalah 30 kV/cm.
2. Kerugian daya corona
Kerugian daya corona menurut PEEK dinyatakan sebagai berikut: Pk =
244 r ( f + 25 )V (V −Vd ) 210 −5 kWatt/km D δ
dimana: δ =
0,392 b 273 + T
D = jarak antar kawat (cm) f
= frekuensi (Hz)
V = tegangan fasa (kV rms)
r
= jari-jari kawat (cm)
Vd = tegangan distribusi kritis (kV rms)
Rumus di atas berlaku untuk satu konduktor saja. Penerapan secara praktisnya, umumnya digunakan rumus sebagai berikut: Vd = 21,1.m0 .r .δ ln
D r
dimana : mo = factor tak tentu (irregular factor ) = 1,00 untuk konduktor yang permukaannya halus = 0,93-0,98 untuk penghantar kasar = 0,83-0,87 untuk kawat berlilit 7 = 0,80-0,85 untuk kawat berlilit 15, 37 dan 61
Untuk mengurangi masalah corona, maka perlu diperhitungkan masalah: •
Jari-jari konduktor
•
Perbandingan antara jarak konduktor dengan jari-jari konduktor
Faktor permukaan
MAGNET
Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan dapat digolongkan menjadi 5 yaitu diamagnetik, paramagnetik, ferrimagnetik
(ferri).
Parameter–parameter
feromagnetik, anti ferromagnetik, dan
dari bahan
magnetik
tersebut
adalah
permeabilitas dan susceptibilitas magneti, momen magnetik, dan magnetasi. Ada beberapa cara untuk mengubah bahan magnetik lunak untuk menjadi baja kelistrikan, namun cara yang paling praktis adalah dengan menambah silikon ke dalam komposisinya. Cara ini akan mengurangi rugi histeris dan arus pusar dengan tajam karena relativitasnya bertambah Bahan magnetik lunak lain yang banyak digunakan adalah paduan anatara besi dan nikel. Pada saat sebuah bahan ferromagnetik diamagnetisasi, umumnya secara fisik akan terjadi perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut magnetostriksi. Namun pengaruh dari magnetostriksi sangatlah terbatas yaitu pada penggunaan bahan-bahan yang relatif tinggi magnetotriksinya harus rendah.
Bahan Magnetik
Bahan magnetik adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen pembentuknya. Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan dapat digolongkan menjadi 5 yaitu diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, anti ferromagnetik, dan ferrimagnetik (ferri). Bahan diamagnetik adalah bahan yang sulit menyalurkan garis gaya magnet (ggm). Bahan paramagnetik adalah bahan yang dapat menyalurkan ggm tetapi tidak banyak. Permeabilitasnya sedikit lebih besar dari 1, susunan dua kutubnya tidak beraturan. Bahan ferromagnetik mudah menyalurkan ggm. Permeabilitasnya jauh di atas 1. Bahan anti ferromagnetik mempunyai suscepbilitas positif yang kecil pada segala suhu, tetapi perubahan suscepbilitas karena suhu adalah keadaan yang sangat khusus. Susunan dwikutubnya adalah sejajar tetapi berlawanan arah. Bahan ferrimagnetik memiliki resisitivitas yang jauh lebih tinggi dibanding bahan ferromagnet. Resisitivitas bahan ferromagnet adalah rendah. Hal ini yang menyebabkan pemakaian ferromagnet terbatas pada frekuensi rendah. Sedangkan pada bahan ferrimagnetik resisitivitasnya jauh lebih tinggi dibanding bahan ferromagnet. Karena itu ferrimagnet (ferrit)
layak digunakan pada peralatan yang menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy yang terjadi padanya kecil.
Gambaran dwikutub bahan-bahan magnet seperti gambar.
(a)
(b)
(c)
(d) Susunan dwikutub bahan-bahan magnetik
a.
paramagnetic
b.
ferromagnetic
c.
antiferromagnetik
d.
ferrimagnetik
Bahan-bahan Ferromagnetik
Bahan-bahan ferromagnetik dapat dikategorikan menjadi dua yaitu:
1.
Bahan yang mudah dijadikan magnet yang lazim disebut bahan magnetik lunak. Bahan ini banyak digunakan untuk inti transformator, inti motor atau generator, rele, peralatan sonar atau radar.
2.
Bahan ferromagnetik yang sulit dijadikan magnet tetapi setelah menjadi magnet tidak mudah kembali seperti semula disebut bahan magnetik keras, bahan ini digunakan untuk pabrikasi magnet permanen.
Sifat-sifat bahan magnetik adalah mirip dengan sifat-sifat bahan dielektrik. Momen atom dan molekul-molekul yang menyebabkan adanya dwikutub adalah sama dengan momen dwikutub pada bahan dielektrik. Magnetisasi pada bahan magnet seperti halnya polarisasi pada bahan dielektrik. Setiap bahan magnetik memiliki parameter-parameter magnetik di antaranya Permeabilitas dan susceptibilitas magnetik, momen magnetik, magnetisasi. Berdasarkan susceptibilitasnya dapat dibedakan sifat kemagnetan suatu bahan yaitu -5 -3 untuk Xm negatif 10 adalah diamagnetik, untuk Xm kecil dan positif 10 pada suhu kamar (karena Xm berbanding terbalik dengan suhu) adalah paramagnetik , untuk Xm yang besar adalah ferromagnetik .
Penggolongan Bahan-bahan Magnetik
Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan dapat digolongkan menjadi
5 yaitu: diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, anti ferromagnetik, dan
ferrimagnetik (ferri). 1. Bahan diamagnetik adalah bahan yang sulit menyalurkan garis gaya magnet (ggm). Permeabilitasnya sedikit lebih kecil dari 1 dan tidak mempunyai dwikutub yang permanen. Bahan-bahan diamagnetik antara lain: Bi, Cu, Au, Al2O3, Ni SO4. 2. Bahan paramagnetik adalah bahan yang dapat menyalurkan ggm tetapi tidak banyak. Permeabilitasnya sedikit lebih besar dari 1, susunan dwikutubnya tidak beraturan. Bahan-bahan paramagnetik antara lain: Al, Pb, Fe2SO4, FeSO4, FeCl2, Mo, W, Ta, Pt, dan Ag. 3. Bahan ferromagnetik mudah menyalurkan ggm. Permeabilitasnya jauh di atas 1. Bahan ferromagnetik antara lain: Fe, Co, Ni, Gd, Dy. Resisitivitas bahan ferromagnet adalah rendah. Hal ini yang menyebabkan pemakaian ferromagnet terbatas pada frekuensi rendah. 4. Teori anti ferromagnetik dikembangkan oleh Neel seorang ilmuwan Perancis. Bahan anti ferromagnetik mempunyai suscepbilitas positif yang kecil pada segala suhu, tetapi perubahan suscepbilitas karena suhu adalah keadaan yang sangat
khusus. Susunan dwikutubnya adalah sejajar tetapi berlawanan arah. Bahan anti ferromagnetik antara lain: MnO2, MnO, FeO, dan CoO. Bahan ferrimagnetik memiliki resisitivitas yang jauh lebih tinggi disbanding bahan ferromagnet. Karena itu ferrimagnet (ferrit) layak digunakan pada peralatan yang menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy yang terjadi. padanya kecil. Rumus bahan ferrimagnetik adalah MO. Fe2O3 (M adalah logam bervalensi 2 yaitu Mn, Mg, Ni, Cu, Co, Zn, Cd). Contoh: ferrit, seng, nikel rumusnya adalah αNiO, βZnO, Fe2O3 dimana α+β =1 Sifat-sifat bahan magnetik adalah mirip dengan sifat-sifat bahan dielektrik. Momen atom dan molekul-molekul yang menyebabkan adanya dwikutub adalah sama dengan momen dwikutub pada bahan dielektrik. Magnetisasi pada bahan magnet seperti halnya polarisasi pada bahan dielektrik.
Parameter – Parameter Magnetik 1. Permeabilitas dan susceptibilitas magnetic
Pada perhitungan – perhitungan tentang magnet, terdapat hubungan antara fluxi 2 (B) dengan satuan Wb/m atau tesla dengan kuat medan (H) dengan satuan A lilit/ m sebagai berikut : B=μ H
μ = μr . μo
sehingga :
B = μr . μo . H
μ adalah permeabilitas bahan yang merupakan hasil perkalian permeabilitas absolut (μo) dengan permeabilitas relatif (μr) . Besarnya μo = 4. π . 10
-7
H/m. Kuantitas
yang diekspresikan (μr – 1) disebut magnetisasi per unit dari intensitas maka demikian pula dengan μr- 1. Besarnya μ untuk bahan ferromagnetik adalah tidak konstan. Jika arus I dialirkan melalui kumparan dengan inti adalah bertambah dari nol bertahap sehingga medan magnet dan rapat fluksi bertambah. Pada gambar 4.2 kurva OP mula – mula naik dengan tajam , kemudian setelah mencapai tahapan tertentu kurvanya mendatar, hal ini karena B telah mencapai kejenuhan (saturasi). Pada gambar 4.2 setelah titik P dicapai , kemudian I diturunkan secara bertahap, maka diperoleh kurva PQ yaitu pada saat I sama dengan nol, masih terdapat sisa kemagnetan (Br) . Daya Koersip (coersive force) yaitu apabila besar H akan bertambah sehingga B menjadi nol dititik R dan diperoleh Hc . Selanjutnya prosedur diatas diulang maka didapat kurva PQRSCTP yang disebut Jerat Histerisis magnetik yang luasnya sebanding dengan volume bahan magnetic yang dimagnetisasi , dan kalau inti diberi arus bolak – balik akan menimbulkan eddy current yang disebut arus pusar atau arus focoult.
+B
P Q
Br R
-H
T
0
+H
He C q S
-B
Jerat histerisis bahan ferro
2. Momen magnetic
Jika sebuah yang dilewati arus (I) diletakan pada rapat fluksi yang merata akan menimbulkan torsi , besar torsi akan tergantung pada : Luas kumparan , arus dan rapat fluksi
yang terpotong bidang kumparan. Momen dwikutub magnetik hubungan dengan torsi adalah :
pm = I . A kumparan
Pm dengan satuan A/m2 adalah merupakan vektor yang arahnya tegak lurus terhadap kumparan. Apabila batang magnet permanen diletakan didalam medan yang merata akan menyebabkan torsi . Jika magnet mendapatkan kutub – kutub bebas yang berlawanan, dikatakan sebagai momen dwikutub sebagai produk dari kuat kutub dan jarak antara kutubkutub.
3. Magnetisasi
Semua bahan adalah memungkinkan menghasilkan medan magnetik , dari itu secara eksperimental untuk menimbulkan momem magnetik. Besar momen ini per unit volume disebut magnetisasi dari madium (M) dengan satuan C/m.dt atau A/m . Induksi magnetik (rapat fluksi) adalah penjumlahan dari effek pada keadaan fakem suatu bahan, besar rapat fluksi (B) menjadi : B = μo . H +
μo . M M =( μ – 1) . H
= Xm . H
Xm adalah susceptifitas magnetik . Magnetisasi (M) dari bahan dapat diekspresikan 2 2 sebagai momen dwikutub magnetik (pm) dengan satuan C. m / dt atau A/m dimana M = N . pm N adalah jumlah dwikutub magnetic per unit volume.
Berdasarkan susceptibilitasnya dapat dibedakan sifat kemagnetan suatu bahan yaitu -5 -3 untuk Xm negatif 10 adalah diamagnetik, untuk Xm kecil dan positif 10 pada suhu kamar (karena Xm berbanding terbalik dengan suhu) adalah paramagnetik , untuk Xm yang besar adalah ferromagnetik .
Laminasi Baja Kelistrikan
Cara yang paling praktis untuk mengubah bahan magnetik lunak untuk menjadi baja kelistrikan adalah dengan menambah silikon ke dalam komposisinya. Cara ini akan mengurangi rugi histeris dan arus pusar dengan tajam karena relativitasnya bertambah. Paduan baja dengan tambahan silikon sekarang ini merupakan bahan yang sangat penting untuk bahan megnetik lunak pada teknik listrik. Namun perlu diingat bahwa penambahan silikon akan menyebabkan bahan menjadi rapuh. Tabel berikut
memberikan data campuran silikon pada baja sehubungan dengan
relativitas dan massa jenisnya. Campuran Si pengaruhnya terhadap relativitas & masa jenis Baja. Kandungan Si (%) 0,8 – 1,8
2 Resistivitas ohm.mm /m 1,25
3 Masa Jenis g/cm 7,8
1,8 – 2,8
0,4
7,75
2,8 – 4,0
0,5
7,65
4,0 – 4,8
0,75
7,75
Laminasi untuk transformator umumnya mengandung Si sekitar 4%, sedangkan untuk jangkar motor listrik kandungan Si-nya 1 – 2 %. Namun hal ini dapat diubah-ubah berdasarkan standar masing-masing negara penghasil mesin-mesin tersebut. Selanjutnya periksa Tabel 10.2. Ketebalan laminasi baja transformator untuk inti peralatan listrik adalah 0,1 hingga 1 mm dan yang bisa dipasarkan adalah 0,35 mm dan 0,5 mm dalam bentuk lembaran 2 x 1 m; 1,5 x 0,75 m. Kurva magnetisasi baja transformator seperti ditunjukan pada Gambar. Berikut 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8
B (tesla)
0.6 0.4 0.2 0
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
H (A/m)
Kurva B – H baja
transformator
Baja listrik jenis lain adalah baja listrik dengan proses dingin. Kemampuan baja listrik sangat tinggi terutama jika fluksi magnetiknya searah deng an panjang laminasi. Karena kristal baja ini dibuat searah dengan proses dingin dan aniling pada ruang yang diisi hidrogen. Baja ini digunakan pada pembuatan inti transformator dengan lilitan jenis ribbon (misalnya : transformator arus). Baja ini memungkinkan mengurangi berat dan dimensi transformator 20 hingga 25% dan untuk transformator radio, hal tersebut dapat mencapai 40%. Bahan Magnetik Lunak Lain
Bahan magnetik lunak yang banyak digunakan adalah paduan besi-nikel. Kurva pada Gambar.diatas menunjukkan hubungan permeabilitas dengan komposisi antara besi dan nikel. Pada komposisi nikel 20% paduan menjadi non-magnetis dan permeabilitas maksimum dicapai pada komposisi nikel 21,5% . Paduan yang terdiri dari besi-nikel dengan tambahan molybdenum, chromium atau tembaga dinamakan permalloy. Permalloy dibedakan berdasarkan kandungan nikelnya, permalloy nikel rendah yaitu permalloy yang mengandung nikel 40-50% dan permalloy nikel tinggi yaitu permalloy yang mengandung nikel 72-80 %. Permalloy nikel rendah mempunyai permeabilitas yang lebih rendah disbanding permalloy nikel tinggi, namun induksinya lebih tinggi pada keadaan jenuh. Permeabillitas permalloy berbanding terbalik dengan frekuensinya, seperti yang ditunjukkan Gambar.4.4. Permalloy yang mengandung Ni sangat tinggi akan mempunyai permeabilitas yang tinggi (hingga 800.000) setelah diadakan tritmen termal.
Daya
koersipnya rendah yaitu 0,32 hingga 0,4 ampere lilit/m. Permalloy difabrikasi pada lembaran tipis hingga sampai 3 mikron. Permalloy sensitif terhadap benturan dan kemagnetannya sangat dipengaruhi tekanan. 20000
µo
15000
10000
5000
0
Hz frekuensi
µµo = f (f) pada permalloy
Permeabilitas absolut dari paduan alfiser yang komposisinya 9.5% Si, 5,6% Al dan sisanya besi, berkisar antara 10.000 hingga 35.000, daya koersip 1,59 Ampere lilit/m dan 2 resitivitasnya 0,81 Ohm mm /m Alfiser sangat regas, sehingga sangat mudah dijadikan bubuk untuk dibuat bahan dielektrikmagnet. Harganya lebih murah daripada permalloy karena kompsisinya tidak tergantung Ni. Camalloy termasuk bahan magnetik lunak yang komposisinya 66,5% Ni, 30% Cu, 3,5% Fe. Yang menarik dari bahan ini adalah bahan akan kehilangan sifat ferromagntiknya (titik Curie) pada suhu yang relative rendah yaitu 100 C (titik Curie untuk Fe adalah 768 C). Bahan-bahan ferromagnetik yang berubah ukurannya pada medan magnet diantaranya Ni, beberapa paduan antara Fe, Cr, Co dengan Al. Gejala perubahan ukuran tersebut dinamakan magnetostriksi. Dielektrikmagnet digunakan untuk inti peralatan rangkaian rangkaian magnetik yang bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi dengan kerugian arus pusar yang rendah. Sekarang banyak digunakan Ferrit pada peralatan yang bekerja pada frekuensi tinggi. Bahan ini adalah kompon keramik yang mempunyai rumus umum MOFeO3. M adalah logam diantara Fe, Cu, Mn, Zn, danNi. Ferrit dibuat dengan campuran senyawa-senyawa Oksidanya dengan perbandingan yang tepat dalam bentuk bubuk, dengan tambahan sebikit bahan-bahan organik untuk mengikat atau merekatkan, ditekan dan o dipanasi 1100 – 1400 C di ruang yang berisi oksida. 2 7 Ferrit adalah semikonduktor yang mempunyai resitifitas antara 10 hingga 10
Ω cm. Karena Resitivitas yang tinggi tersebut, maka sangat tepat digunakan pada frekuensi tinggi karena rugi daya yang disebabkan arus pusar adalah kecil. Ferrit mempunyai massa 3 o o jenis 3 - 5 g/cm kapasitas termal 0,17 kalori/g C, konduktivitas panas 5.10 W/cm C, 5 o muai panjang 10 / C.
Bahan-bahan magnetik lunak Klasifikasi
Komposisi
Hc
Br
1
(sisanya % Fe) 2
Ampere lilit/m 3
Wb/m^2 4
I.
Besi murni untuk baja listrik
0,01 % C
6,32 - 31,6
2,1 - 2,15
II. Besi tuang
2 – 3,5 %C
126,4
>1,5
Baja trafo I
0,7 % Si
158
2,1
Baja trafo II
1% Si
252,8
2
Baja trafo III
1,7 - 2,7 % Si
63,2 - 79
1,95
Baja trafo IV
3,4 - 4,3 % Si
23,7 - 47,7
1,9
36 %Si
7,9
1,3
99% Ni; 0,2 % Cu
1,2
0,6
50% Ni
4,74 - 1,9
1,5
76 % Ni; 5 % Cu
1,2
0,8
79 % Ni; 55 Mo;
0,47
0,78
III. Dinamo dan Transformator
IV. Bahan-bahan yang mengandung Ni Permenorm 3601K1 (it) Nikkel murni Hyperm Memetal Supermalloy
0,5% Mn
V Bahan-bahan yang mengandung Al Sendust
5.4 %Al; 9,6 % Si
1,74
1,1
Vacadur
16 Al
3,95
0,9
VI Bahan-bahan yang mengandung Co Vacaflux 50
49% C0; 1,8 V
110,6
2,35
Cobal murni
99 % Co
790
7,8
VII.Paduan Termo
30 Ni induksinya sangat tergantung pada suku, misalnya : H = 7900 Ampere lilit/m t = 0o C t = 20o C t = 60o C
Termofluks 65/1000
B = 0,41
B = 0, 3
B = 0,065
Keterangan : it adalah inti toroida 1 A lilit /m = 0,0126 Oersted 1Wb/m2
= 104 Gauss
Bahan-bahan yang mempunyai jerat histerisis persegi seperti yang ditunjukkan pada gambar digunakkan pada komputer sebagai perangkat memory atau komponen opersi logic, sebagai alat switching dan penyimpan informasi.
+B
-H
+H
-B
Jerat histerisis
ferrit
Bahan Magnet Permanen
Magnet permanen digunakan pada instrumen pengindraan, rele, mesin-mesin listrik yang kecil dan banyak lagi. Baja karbon yaitu baja dengan komposisikarbon 0,4 hingga 1,7 % merupakan bahan dasar pembuatan magnet permanen. Walaupun bahan ini tergolong harganya murah tetapi kualitas kemagnetannya tidak terlalu tinggi. Kemagnetan bahan ini relatif lebih mudah untuk hilang terutama disebabkan oleh pukulan atau vibrasi. Untuk menaikkan mutu kemagnetannya, mka baja karbon ditambah wolfram, kromium atau kobal.
Magnet yang dibuat dari karbon murni, wolfram, kromium, dan baja kobal harus dikeraskan di dalam air atau minyak mineral sebelum dimagnetisasi.
4000 μ0
3000 2000 1000
0
50
100
150
200
0
T( C) μ0 = f(T) beberapa ferrit
Bahan paduan alni terdiri dari aluminium, nikel dan besi . Jika bahan tersebut ditambah lagi dengan Si, maka paduan disebut alnisi. Sedangkan alnico adalah bahan paduan yang terdiri dari aluminium, nikel dan kobal. Bahan-bahan tersebut mempunyai sifat kemagnetan yang tinggi dan lebih murah dibanding baja kobal kualitas tinggi.
Vectolit adalah bahan paduan yang terdiri dari besi, kobal oksida oksida sedangkan ferroxdure adalah bahan paduan yang terdiri dari besi oksida dan barium, bahan ini juga disebut barium ferrit dan di pasaran dengan nama arnox, indox atau ferroba, pembuatannya adalah dari bubuk bahan yang ak an dipadukan pada suhu yang tinggi. Penggunaanya antara
lain
:
magnet pada
pengeras
suara,perangkat
penggandeng magnetik. Beberapa sifat kemagnetan dari bahan magnet permanen paduan seperti terlihat pada tabel berikut:
Beberapa Bahan Magnet Keras
Nama
Baja wolfram Baja chrom Baja kobal Alni Alnisi Alnico II Alnico V Vektolit Platina kobal
Komposisi
Hc A-lilit/m
Br 2 Wb/m
93,3% Fe, 0,7%C, 6%W 96%Fe, 1%C, 3%Cr 59%Fe, 1%C, 5%Cr, 5%W, 30%Co 57%Fe, 4%Cu, 25%Ni, 14%Al 51%Fe, 1%Si, 34%Ni, 14%Al 55%Fe, 17%Ni, 12%Co, 10%Al 51%Fe, 24%Co, 14%Ni, 8%Al 44%Fe3O4, 30%Fe2O3, 26%Co2O3 77%Pt, 23%Co
4.800 4.800 17.500
1,05 0,9 0,9
(BH) Maks 3 J/m 2.400 2.200 7.440
43.800
0,55
4.400
63.700
0,4
50.000
0,7
50.000
1,2
70.000
0,6
11.20 0 17.00 0 45.00 0 4.000
200.000
0,45
16.00 0
Magnetostriksi
Pada saat sebuah bahan ferromagnetik diamagnetisasi, umumnya secara fisik akan terjadi perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut magnetostriksi. Terdapat tiga jenis magnetostriksi, yaitu : a. Magnetostriksi longitudinal, yaitu
perubahan
panjang
searah
magnetisasi. Perubahan ini dapat bertambah panjang atau berkurang.
dengan
b. Magnetostriksi transversal, yaitu perubahan dimensi tegak lurus dengan arah magnetisasi. c. Magnetostriksi volume, yaitu perubahan volume sebagai akibat dari kedua efek diatas. Perubahan panjang atau ( ∆ℓl) searah induksi magnetisasi disebut Efek joule. Magnetostriksi joule (τ ) adalah perbandingan antara perubahan panjang (∆ℓ) dengan -6
panjang semula (ℓ). Umumnya harga tidak lebih dari 30.10 . magnetostriksi beberapa bahan ditunjukan pada gambar.
+Ve 36% Ni + 64% Fe
H
0 Fe Co
Ni -Ve
Magnetostriksi joule sebagai fungsi dari medan magnet (H)
Perubahan searah panjang juga menyebabkan perubahan permeabilitas kearah perubahan panjang tersebut. Hal ini disebut Efek Villari. Secara umum dapat dikatakan bahwa permeabilitas akan naik karena penurunan perubahan atau kenaikan tegangan tarik. Sebaliknya untuk bahan dengan τ negatif, tekanan yang digunakan akan mengurangi permeabilitas.
Secara praktis pengaruh dari penggunaan magnetostriksi adalah sangat terbatas. Beberapa pemakaian yang memperhatikan magnetostriksi antara lain : Oscilator frekuensi tinggi dan Generator super sound, Proyektor suara bawah air, Detektor-detektor suara. Karena permeabilitas adalah berhubungan dengan magnetostriksi, maka untuk penggunaan bahan bahan yang permeabilitasnya tinggi harus diusahakan megnetostriksinya serendah mungkin.
SUPER KONDUKTOR SEJARAH SUPERKONDUKTOR
Superkonduktor ditemukan pada tahun 1911 oleh Heike Kamerlingh Onnes (Gambar 1) saat ia mempelajari sifat-sifat logam pada suhu rendah. Beberapa tahun sebelumnya ia telah menjadi orang pertama untuk mencairkan helium, yang memiliki titik didih 4.2 K pada tekanan atmosfer, dan ini telah membuka kisaran baru suhu penyelidikan eksperimental.
Heike Kamerlingh Onnes (kiri) dan Van der Waals Johannes samping kondensor helium (1908).
Pada saat mengukur ketahanan suatu tabung kecil diisi dengan air raksa, ia heran untuk mengamati bahwa perlawanan yang jatuh dari ~ 0,1 pada suhu 4,3º K untuk kurang dari 3x10-6 pada 4,1º K. Di bawah 4.1 K, merkuri dikatakan superkonduktor, dan tidak ada eksperimen belum terdeteksi perlawanan terhadap aliran arus yang stabil dalam bahan superkonduktor. Suhu di bawah ini yang menjadi superkonduktor merkuri dikenal sebagai T c suhu kritis. Kamerlingh Onnes dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 1913 'untuk penyelidikan tentang sifat materi pada temperatur rendah yang menyebabkan, antara lain, untuk produksi helium cair' (Nobel Prize).
Grafik
menunjukkan
ketahanan
suatu
spesimen
merkuri versus suhu absolute
Karena ini penemuan awal, lebih banyak unsur telah ditemukan untuk menjadi superkonduktor. Memang, superkonduktor ini tidak berarti sebuah fenomena yang langka, 62
sebagai sebagai tabel periodik periodik pada Gambar 3 menunjukkan. menunjukkan. Blok merah muda gelap menunjukkan menunjukkan unsurunsur-uns unsur ur yang menjad menjadii superk superkond ondukt uktor or pada pada tekana tekanan n atmosf atmosfer, er, dan angka angka di bagian bagian bawah sel temperatur kritis mereka, yang berkisar dari 9,3 K untuk niobium (Nb, Z = 41) sampai dengan 3 x 10 K untuk rhodium (Rh, Z = Z = 45). Blok orange adalah unsur yang menjadi superkonduktor hanya di bawah tekanan tinggi. Keempat blok pink pucat adalah elemen yang superkonduktor dalam bentuk tertentu: karbon (C, Z = 6) dalam bentuk nanotube, kromium (Cr, Z = 24) sebagai film tipis, paladium (Pd, Z = 46) setelah iradiasi dengan partikel alpha, dan platinum (Pt, Z = 78) sebagai bubuk dipadatkan. Perlu dicatat bahwa tembaga tembaga (Cu, Z = 29), perak (Ag, Z = 47) dan emas (Au, Z = 79), tiga elemen yang merupakan konduktor yang sangat baik pada suhu kamar, jangan menjadi superkonduktor bahkan pada suhu terendah yang dicapai.
Tabel Periodik superkonduktor menampilkan semua elemen yang dikenal dan suhu kritis mereka.
Sebuah kemajuan besar dalam pemahaman tentang superkonduktivitas datang pada tahu tahun n 1933 1933,, keti ketika ka Wa Walt lter er Meis Meissn sner er dan dan Robe Robert rt Ochs Ochsen enfe feld ld mene menemu muka kan n bahw bahwaa superkonduktor lebih dari konduktor listrik sempurna. Mereka juga memiliki sifat penting 63
tidak termasuk medan magnet dari interior mereka. Namun, bidang ini dikecualikan hanya jika berada di bawah suatu kekuatan kritis bidang tertentu, yang tergantung pada bahan, suhu dan geomet geometri ri spesim spesimen. en. Di atas atas ini kuat medan medan kriti kritiss superk superkondu ondukti ktivit vitas as menghi menghilan lang. g. Brothers Fritz dan Heinz Fritz London mengusulkan sebuah model yang menggambarkan pengecualian lapangan pada tahun 1935, tetapi itu merupakan 20 tahun sebelum penjelasan mikroskopis dikembangkan. Teori kuantum lama ditunggu superkonduktivitas diterbitkan pada 1957 oleh tiga fisikawan AS, John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer, dan mereka mereka dianuge dianugerah rahii Hadiah Hadiah Nobel Nobel untuk untuk Fisika Fisika pada tahun tahun 1972 'untuk 'untuk teori teori mereka mereka bersama-sama dikembangkan superkonduktivitas, biasanya disebut teori BCS '(Nobel Prize kutipan). Menurut teori mereka, di negara superkonduktor ada interaksi tarik menarik antara elektron yang dimediasi oleh getaran kisi ion. Sebagai konsekuensi dari interaksi ini adalah bahwa pasangan elektron yang digabungkan bersama-sama, dan semua pasangan elektron mengembun menjadi negara kuantum makroskopik, yang disebut kondensat, yang meluas melalui superkonduktor. Tidak semua elektron bebas dalam sebuah superkonduktor berada di kondensat, mereka yang berada dalam keadaan ini disebut electron superkonduktor, dan yang lainnya disebut sebagai elektron normal. Pada suhu yang sangat jauh lebih rendah dari temper temperatu aturr kritis kritis,, ada elektr elektron on normal normal sangat sangat sediki sedikit, t, tetapi tetapi kenaika kenaikan n propor proporsi si normal normal elektr elektron on dengan dengan naiknya naiknya suhu, suhu, sampai sampai pada suhu suhu kritis kritis semua semua elektr elektron on adalah adalah normal normal.. Kare Karena na elekt elektro ron n super superkon kondu dukt ktor or dihu dihubun bungka gkan n dala dalam m keada keadaan an makr makros osko kopi pik, k, mere mereka ka berperilaku koheren, dan konsekuensi dari hal ini adalah bahwa ada jarak karakteristik dimana kepadatan jumlah mereka bisa berubah, dikenal sebagai panjang koherensi (dengan huru huruff kecil kecil xi Yunan Yunani, i, diuc diucap apkan kan 'ksy 'ksye' e'). ). Dibu Dibutu tuhk hkan an seju sejuml mlah ah besa besarr ener energi gi untuk untuk menyebarkan sebuah electron dari kondensat - lebih dari energi termal yang tersedia untuk sebuah sebuah elektr elektron on di bawah bawah temper temperatu aturr kritis kritis - sehing sehingga ga elektr elektron on superk superkond ondukt uktor or dapat dapat mengalir tanpa tersebar, yaitu, tanpa perlawanan. Teori BCS berhasil menjelaskan banyak sifat superkonduktor diketahui, tetapi diperkirakan merupakan batas atas dari sekitar 30 K untuk temperatur kritis. Penemuan lainnya teoritis penting dibuat pada tahun 1957. Alexei Abrikosov memprediksi keberadaan jenis kedua superkonduktor yang berperilaku dengan cara yang berbeda dari unsur-unsur seperti timah dan timah. Jenis baru ini superkonduktor akan mengusir lapangan dari interior bila kuat medan diterapkan rendah, tetapi melalui berbagai kekuatan medan listrik superkonduktor akan threaded oleh daerah logam normal melalui medan magnet yang bisa lulus. Penetrasi lapangan berarti bahwa superkonduktivitas 64
bisa ada dalam kekuatan medan magnet sampai 10 T atau lebih, yang membuka kemungkinan banyak aplikasi. Untuk pekerjaan ini, dan penelitian berikutnya, Abrikosov menerima Hadiah Nobel untuk Fisika pada tahun 2003 "untuk sumbangan pionir pada teori superkonduktor dan superfluids '(Nobel Prize) Pada awal 1960-an sudah ada kemajuan besar dalam teknologi superkonduktor, dengan penemuan paduan yang superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi daripada suhu kritis superkonduktor unsur. Secara khusus, paduan dari niobium dan titanium (NbTi, T c = 9 K. 8) dan niobium dan timah (Nb 3 Sn, Tº = 18K.1) yang menjadi banyak digunakan untuk menghasilkan magnet tinggi lapangan, dan dorongan utama untuk pengembangan ini adalah persyaratan untuk magnet yang kuat untuk akselerator partikel, seperti Tevatron di Fermilab di Amerika Serikat. Pada waktu yang sama, Brian Jose Josephs phson on memb membua uatt predi prediks ksii teor teorit itis is penti penting ng yang yang memi memili liki ki konse konseku kuen ensi si besa besarr bagi bagi penerapan superkonduktivitas pada skala yang y ang sangat kecil. kec il. Dia memperkirakan bahwa bah wa arus dapat mengalir antara dua superkonduktor yang dipisahkan oleh lapisan isolasi sangat tipis. Efek Efek Josephs Josephson on tunnel tunneling ing disebut disebut demiki demikian an telah telah banyak banyak diguna digunakan kan untuk untuk melakuk melakukan an pengukuran berbagai sensitif, termasuk penentuan konstanta fisik fundamental dan pengukuran medan magnet yang merupakan miliar (10 9) kali lebih lemah dari medan magnetic Bumi. Pentingnya karyanya diakui pada saat ia dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika Fisika pada tahun 1973 'untuk prediksi prediksi teoretis tentang sifat supercurrent supercurrent melalui pembatas terowongan, khususnya fenomena yang secara umum dikenal sebagai efek Josephson' (Nobel Prize). Perburuan superkonduktor dengan suhu kritis yang lebih tinggi terus berlanjut di dekade berikutnya publikasi teori BCS, meskipun prediksi yang bahwa batas atas untuk Tc kurang dari 30 K. Grail suci bagi para ilmuwan yang bekerja di wilayah ini adalah materi yang superkonduktor pada suhu nitrogen cair (77 K), atau, bahkan lebih baik, pada suhu kamar. Ini berarti bahwa semua teknologi dan biaya yang terkait dengan penggunaan helium cair cair untuk untuk pending pendingina inan n dapat dapat ditiad ditiadakan akan,, dan aplika aplikasi si superk superkond ondukt uktivi ivitas tas segera segera akan menjadi jauh lebih ekonomis berharga. Terobosan itu datang pada tahun 1986, ketika Georg Bedn Bednor orzz dan Alex Alex Mull Muller er mene menemu muka kan n bahw bahwaa kera kerami mik k terb terbua uatt dari dari bari barium um,, temb tembag agaa lantanum, dan oksigen menjadi superkonduktor pada 30 K, suhu tertinggi kritis diketahui pada waktu itu. Penemuan itu sangat mengejutkan karena bahan ini merupakan isolator pada pa da suhu suhu kamar kamar.. Tahun Tahun beri beriku kutn tnya ya mere mereka ka mener menerim imaa Hadi Hadiah ah Nobe Nobell untuk untuk Fisi Fisika ka 'unt 'untuk uk terobosan penting mereka dalam penemuan superkonduktivitas pada bahan keramik' (Nobel 65
Prize), dan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan hadiah diikuti publikasi hasil mereka mencerminkan pentingnya melekat pada pekerjaan mereka . Sebagai hasil dari terobosan ini, banyak ilmuwan lain mulai memeriksa bahan serupa. Pada tahun 1987, Paulus Chu menghasilkan bahan keramik baru dengan mengganti lantanum oleh yttrium, dan menemukan bahwa mereka memiliki temperatur kritis 90 K. Ini lompatan besar pada suhu kritis memungkinkan untuk menggunakan nitrogen cair sebagai pendingin, dan dengan janji kelayakan komersial untuk material baru, berebut seorang pun terjadi untuk menemukan superkonduktor suhu tinggi baru dan untuk menjelaskan mengapa mereka superconduct pada temperatur tinggi seperti . Pada saat penulisan (2005), suhu kritis tertinggi 138 K, untuk talium-doped-cuprate merkuri, Hg 0,8 Tl 0. 2 Ba 2 Ca2 Cu3 O
suhu kritis T c berbagai superkonduktor diplot terhadap tanggal penemuan mereka.
Dalam beberapa tahun terakhir, tidak ada bahan dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, namun penemuan lain sama pentingnya telah dibuat. Ini termasuk penemuan
bahwa,
terhadap kebijaksanaan
konvensional,
beberapa
bahan
pameran
koeksistensi ferromagnetism dan superkonduktivitas. Penemuan mengejutkan seperti ini menuntut bahwa para ilmuwan terus menerus memeriksa kembali teori lama berdiri di superkonduktivitas dan mempertimbangkan kombinasi baru dari elemen. Sayangnya, tidak ada superkonduktor tersebut belum ditemukan dengan suhu kritis di atas suhu kamar, sehingga pendinginan cryogenic masih menjadi bagian penting dari aplikasi superkonduktor. 66
Kesulitan dengan fabrikasi bahan keramik ke kabel melakukan atau strip juga memperlambat pengembangan
aplikasi baru superkonduktor temperatur tinggi. Namun, meskipun
kekurangan ini, penggunaan komersial superkonduktor terus meningkat.
Perbandingan Superkonduktor dengan Konduktor biasa
Hal-hal yang menjadi permasalahan dalam penggunaan penghantar konvensional yang sering digunakan ( penghantar tembaga maupun aluminium) adalah : 1. Hambatan jenis suatu penhantar yang tidak disukai, karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. 2. Dengan memperbesar diameter penghantar akan menyebabkan hambatan pada suatu penghantar akan menurun. Tetapi dengan memperbesar diameter penghantar, otomatis akan membuat masa penhantar tersebut menjadi lebih berat dan dimensinyapun akan menjadi labih besar
Dari uraian diatas dapat diketahui bahwa, penghantar konvensioanal yang sampai saat ini masih diaplikasikan, khususnya tembaga dan aluminium, masih mempunyai hambatan jenis yang bisa menyebabkan kerugian daya. Sebagai contoh :
Bahan Aluminium. Aluminium murni mempunyai massa jenis 2,7 g/cm3, ? -nya 1,4. 105, titik leleh 6580C dan tidak korosif. Daya hantar aluminium sebesar 35 m/ohm.mm2 atau kira-kira 61, 4 67
% daya hantar tembaga. Aluminium murni dibentuik karena lunak, kekuatan tariknya hanya 9 kg/mm2. Untuk itu jika aluminium digunakan sebagai penghantar yang dimensinya cukup besar, selalu diperkuat dengan baja atau paduan aluminium. Penggunaan yang demikian mis alnya pada : ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced), ACAR (Aluminium Conductor Alloy Reinforced).
Bahan Tembaga Tembaga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi yaitu 57 ? mm2/m pada suhu 200C. Koefisien suhu (? ) tembaga 0,004 per 0C. Kurva resistivitas tembaga terhadap suhu adalah tidak linier seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini:
Kurva resistivitas tembaga terhadap suhu
Dari kedua contoh diatas dapat dilihat bahwa, kedua jenis bahan penghantar tersebut masih mempunyai hambatan jenis. Besar hambatan jenis suatu bahan penghantar, akan mempengaruhi dari pada tegangan maupun daya yang dikirimkannya dari sisi sumber ke sisi beban. Karena semakin besar hambatan jenis dari bahan penghantar tersebut, maka semakin berkurang kemampuan daya hantar dari penghantar tersebut. Di bawah ini contoh dari berbagai macam hambatan jenis logam yang salah satunya digunakan sebagai bahan utama dari penghantar.
68
Tabel bahan-bahan utama penghantar
Apabila sebuah transmisi pendistribusian jaringan listrik menggunakan bahan superkonduktor, maka kerugian drop tegangan dan drop daya dapat dihindari. Mengapa bisa demikian? Karena bahan superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Artinya, bahan superkonduktor apabila sudah mencapai nilai suhu kritisnya, hambatan jenis bahan tersebut akan menurun atau bahkan hilang sama sekali. Tetapi apabila suhu dari bahan superkonduktor tersebut sudah diatas nilai suhu kritisnya ataupun diatas kuat medan magnetnya, maka secara otomatis bahan tesebut akan menjadi konduktor biasa.
69
grafik medan magnet superkonduktor lebih kecil dari medan kritis
Perkembangan bahan superkonduktor dari saat pertama kali ditemukan sampai sekarang dapat diikuti pada tabel di bawah ini.
Superkonduktor Keramik
Bahan superkonduktor suhu tinggi yang memiliki bahan dasar keramik secara teoritis belum dapat dijelaskan tuntas. Ia tidak bisa digolongkan ke dalam tipe I maupun II karena ada beberapa sifatnya yang unik. Bentuk kristalnya termasuk golongan perovskite, suatu bentuk kristal kubus yang cukup populer. Rumus umum molekul perovskite adalah ABX3 , dimana A dan B adalah kaiton logam dan X adalah anion non logam. Banyak bahan elektronis yang memiliki bentuk perovskite ini, misalnya PbTiO3 dan PbZrO3 yang bersifat piezoelektrik kuat sehingga baik 70
digunakan untuk pressure-gauge. Superkonduktor suhu tinggi ini ternyata berupa perovskite yang cacat. Misalnya YBCO yang ditemukan oleh Chu Chingwu cs. dari Universitas Houston berbentuk 3 kubus perovskite dengan rumus molekul YBa2Cu3O6,5 , yang menunjukkan defisiensi atom oksigen sebagai anionnya (mestinya ada 9 atom). Nama lain untuk YBCO ini adalah 1-2-3, menunjukkan perbandingan cacah atom Y, Ba dan Cu di dalam kristalnya. Atom-atom tembaganya terletak pada suatu lapisan inilah arus listrik lewat dalam bahan YBCO. Struktur yang demikian memiliki andil yang besar bagi sifat superkonduktivitas suhu tinggi, terbukti senyawa barium-kalium - bismuth-oksida buatan AT & T Bell Laboratoies (1988) cuma memiliki Tc = 30 K, senyawa ini tentu saja tidak memiliki atom tembaga sebagai lapisan penghantar elektron. Elektron-elektron juga dalam keadaan berpasangan, hal ini telah dibuktikan dengan dijumpainya flukson yang merembes di dalamnya. Flukson adalah kuantum fluks magnetik dalam superkonduktor, besarnya kira-kira 2 x 10-15 weber, dalam perhitungan besarnya ini bersesuaian dengan kehadiran partikel bermuatan listrik dua kali muatan elektron. Watak-wataknya yang masih perlu penjelasan teoritis adalah tarikan antar electron dalam pasangan Cooper yang ternyata masih cukup kuat walaupun suhu transisinya tinggi. Padahal suhu yang tinggi menyebabkan bertambahnya cacah phonon, sehingga ikatan elektron itu seharusnya akan hancur karenanya. Dalam kaitan ini peranan kerangka kristal harus kembali dipertanyakan. Mungkin saja kotoran di dalamnya yang justru mampu meredam interaksi phonon atau gangguan-gangguan lain termasuk medan magnet yang besar agar ia tetap stabil sebagai superkonduktor.
Sifat lain yang tidak menguntungkan dari YBCO adalah mudahnya ia melepaskan oksigen
ke
lingkungannya,
padahal
dengan
berkurangnya
atom
oksigen
sifat
superkonduktornya akan hilang. Lagi pula ia terlalu rapuh untuk dibentuk menjadi kawat. Lebih jauh lagi Philip W. Anderson (pemenang hadiah Nobel 1977 bidang Fisika) mengemukakan peranan besaran spin dalam fenomena superkonduktor suhu tinggi ini, pernyataan ini telah didukung oleh data percobaan MIT oleh RJ Birgeneau.
Aplikasi Superkonduktor
71
Memang sampai saat ini aplikasi superkonduktor masih belum diproduksi dan di aplikasi secara luas, tetapi masih pada tahap penelitian. Karena superkonduktor sampai saat ini masih membutuhkan pendinginan agar mencapai suhu kritis dari bahan tersebut. Dari penelitian para ahli tentang superkonduktor yang sudah dilakukan, ada beberapa yang sudah digunakan secara permanen dan ada pula yang masih dalam pengembangan pada laboratorium-laboratorium tertentu.
Efisiensi dan Desain yang Dinamis
Manfaat yang terbesar dengan ditemukannya bahan superkonduktor adalah jelas terasa pada bidang kelistrikan. Andai saja jika pada generatr konvensional efisiensinya terletak antara 98,5 sampai 99,0 persen, maka pada pada generator superkonduktor efisiensinya mencapai 99,6 persen. Peningkatan yang cukup signifikan ini disebabkan karena superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet yang sangat kuat. Misalkan ada konduktor berupa kabel sepanjang 1000 km dipakai untuk menyalurkan daya listrik sebesar 100 watt dari ujung yang satu ke ujung yang lain, maka resistensi kabel itu akan mengkorupsi sebagian daya yang disalurkannya, akibatnya di ujung kabel itu daya yang sampai tidak sampai 100 watt, mungkin hanya 90 watt atau bahkan hanya 10 watt. Nah superkonduktor diharapkan memiliki resistensi yang kecil sehingga bila menggunakan kabel dengan bahan tersebut diujung kabel kita masih mendapat daya sebesar 100 watt. Manfaat lainnya, penggunaan superkonduktor memungkinkan pembuatan generator listrik dengan ukuran yang jauh lebih kecildibandingkan dengan ukuran genaratr konvensional yang masih menggunakan kawat tembaga. Dari segi berat, generator konvensional 500 MW dari bahan konduktor mempunyai berat hingga 400 ton, sementara dengan menggunakan bahan superknduktor beratnya hanya 210 ton. Tak heran desain yang ramping dan dinamis dengan berat lebih ringan ini menyebabkan banyak oerusahaan yang mempelajari dan memproduksi generator berbahan superkonduktr. Antara lain, Westinghouse serta EPRI (Electric Power Research Institute) bekerja sama membuat generator terpasang 300 MVA, Electric de France (EdF) di Perancis juga sedang mempelajari desain generator superkonduktor 600 MW, sedangkan Central Electric Research Laboratory di Inggris mempelajari desai generator superkonduktor 500 MW. Manfaat lain yang tidak kalah pentingnya dari bahan superkonduktor adalah peluang 72
menggunakan kawat superkonduktor dalam sistem transmisi tenaga listrik. Brookaven National Laboratory telah menguji saluran transmisi sepanjang115,5 meter dengan tegangan 138 kV sejak tahun 1982. bahkan untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana memanfaatkan kabel superkonduktor berpendingin netrogen cair sebagai pengganti kabel bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Penggantian ini dapat menaikkan efisiensi sebesar 7.000 persen dari segi tempat, karena 18.000 pon kabel tembaga dapat digantikan oleh 250 pon kabel superkonduktor. Arus yang ditransmisikan dengan kabel superkonduktor jauh lebih besar
Penyimpan Energi Listrik
Banyak cara yang dilakukan untuk menyimpan energi listrik. Salah satunya adalah dengan cara elektrokimia yang menggunakan bantuan baterai. Teknik ini memungkinkan penyimpanan energi listrik secara efisien antara 50 hingga 90 persen. Cara
lain
yang
juga
bisa
dilakukan
adalah
memaksimalkan
penggunaan
superkonduktor. Superkonduktor bisa digunakan sebagai alat penyimpan energi listrik atau sering disebut dengan nama Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES). Efisiensi penyimpanan denga teknolgi ini mencapai 95 persen. Meski penyimpanan dengan sistem SMES untuk kondisi saat ini masih dinilai mahal, namun dengan penemuan superkonduktr suhu tinggi diharapakan persoalan biaya tersebut dapat diturunkan. SMES biasanya dipakai antara lain untuk stabilisasi frekuensi dan tegangan serta unutk peredaman osilasi dalam sistem penyediaan tenaga listrik. Dengan demikian apabila dalam sistem pembangkit energi terdapat kelebihan daya, maka kelebihan daya tersebut dapat disimpan dengan teknik SMES ini.
Banyak sudah negara-negara maju yang menggunakan teknik penstabilan listrik ini dengan menggunakan bantuan superkonduktor. American Superconductor Corporation, sebuh perusahaan ketenagalistrikan di AS, telah diminta untuk memasang satu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan unutk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan. Juga di Jepang yang memulai suatu percobaan untuk membuat SMES dengan ukuran 100 kWh. 73
Elektromagnet
Karena konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resistansi, maka dimungkinkan membuat
selenoide
dengan super
konduktor
tanpa
kerugian yang
menimbulkan panas. Selenoide dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet nol untuk kawat yang digunakan memungkinkan membangkitkan sebuah medan magnet tipis dari lilitan. Karena dengan bahan super konduktor memungkinkan membuat elektromagnet yang kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari elektromagnet dengan super konduktor antara lain : komponen Magneto Hidro Dinamik.
Elemen Penghubung
Karena super konduktor mempunyai Hc dan Tc, maka dalam pemakaian super konduktor sebagai elemen penghubung dapat menggunakan pengaruh salah satu besaran di atas. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan super konduktor akan dapat berubah sifatnya dari super konduktor menjadi konduktor biasa k arena pengubahan suhu atau medan magnet di atas nilai kritisnya. Pemutus arus yang bekerja dipengaruhi oleh magnetik dielektrik Cryotron, misalnya digunakan pada pemutus komputer.
Bidang Transportasi
Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam. Kereta terbang? Kereta api yang begitu berat dan panjang bisa terbang? Apa mungkin?
74
Kenapa tidak? Pesawat saja bisa terbang, bahkan mobil-mobil terbang pun kini sedang dikembangkan teknologinya. Sekarang giliran alat transportasi lain yang ikut-ikutan bosan menyentuh daratan sebagai landasannya. Tetapi kereta api yang bisa terbang ini memiliki konsep dan teknologi yang sangat jauh berbeda dengan pesawat terbang dan mobil terbang. Ini karena pesawat terbang menjelajahi angkasa pada ketinggian yang sangat besar dan melibatkan konsep-konsep aerodinamika. Kereta api terbang yang dikenal sebagai Magnetically Levitated Train ( Maglev Train) ini hanya akan melayang setinggi beberapa sentimeter di atas rel kereta. Hanya beberapa sentimeter, tetapi kereta itu benarbenar terbang karena sama sekali tidak bersentuhan dengan rel kereta. Kereta ini juga tidak akan memiliki sayap seperti pesawat terbang (dalam aerodinamika, sayap merupakan bagian paling penting untuk terbang). Dan selain bisa terbang, kereta ini juga bias meluncur dengan kecepatan sangat tinggi. Sesuai dari namanya: Magnetically Levitated Train. Ini berarti kereta bias terangkat karena adanya gaya-gaya magnet. Kita tahu bahwa magnet itu memiliki dua kutub, Utara (U) dan Selatan (S). Kita juga tahu bahwa kutub Utara dan kutub Selatan selalu tarik-menarik, sedangkan kutub-kutub sejenis (Utara dengan Utara atau Selatan dengan Selatan) selalu tolak-menolak. Prinsip dasar yang sederhana inilah yang diaplikasikan untuk menjalankan dan ‘menerbangkan’ Maglev Train. Kereta api ini memiliki rel (lintasan) kereta yang berbeda dengan rel kereta yang sudah kita kenal selama ini. Pada kedua sisi lintasan Rel kereta terbang ini terdapat dindingdinding yang dilengkapi dengan kumparan-kumparan kawat. Oleh prinsip induksi elektromagnet, kumparan-kumparan kawat ini dapat menjadi magnet. Kereta bisa bergerak 75
maju karena adanya interaksi antara magnet-magnet pada dinding-dinding itu dengan magnet-magnet pada kereta.
Pada Gambar A kita bisa melihat jajaran magnet di sepanjang dinding dan di sepanjang kereta (huruf-huruf U menunjukkan kutub Utara, dan S menunjukkan kutub Selatan). Jajaran magnet di sepanjang dinding ini dihasilkan oleh arus listrik bolak-balik dari stasiun-stasiun terdekat. Kutub Utara (U) di gerbong kereta paling depan ditarik oleh kutub Selatan dan ditolak oleh kutub Utara dinding lintasan. Hal yang sama terjadi pada sisi kereta yang lain. Pada gambar, panah berwarna hijau menunjukkan gaya tarik antara kutub Utara dan Selatan yang menarik maju kereta. Panah kecil berwarna biru menunjukkan gaya tolak antar kutub sejenis (Utara dengan Utara, Selatan dengan Selatan). Gaya tarik dan gaya tolak yang bekerja bersamaan ini membuat kereta bergerak maju dengan mulus. Tetapi ini baru prinsip yang digunakan untuk bergerak maju. Apa prinsip yang digunakan untuk mengangkat kereta sehingga bisa ‘terbang’? Prinsipnya tetap sama! Gaya tarik dan gaya tolak kutub-kutub magnet! Pada Gambar B kita melihat adanya magnet pada dinding lintasan. Magnet ini dihasilkan oleh induksi elektromagnet akibat gerakan kereta. Ketika posisi kereta beberapa sentimeter dibawah pusat magnet dinding ini, maka kutub Selatan dinding akan menarik kereta ke atas dan kutub Utaranya akan mendorong kereta juga ke atas. Gaya tarik dan gaya dorong ini membuat kereta melayang , tidak menyentuh rel sama sekali. Dinding yang memagari lintasan kereta ini tidak hanya berfungsi untuk menarik dan mendorong kereta supaya bergerak maju dan mengangkat kereta sehingga bisa melayang. Ada satu fungsi lainnya yang tidak kalah pentingnya, yaitu sebagai pengendali arah laju kereta ( guidance). Maksudnya adalah supaya kereta tidak pernah keluar jalur dan tetap 76
berada di tengah-tengah lintasan setiap saat. Prinsip magnet kembali digunakan sebagai pengendali. Ketika kereta oleng ke kiri, gerakan kereta ini mengakibatkan kumparan kawat dinding kiri dan kanan menjadi magnet. Magnet pada dinding kiri dan dinding kanan diusahakan memiliki kutub yang sama, misalnya kutub Utara. Misalnya gerbong kereta yang berhadapan dengan dinding di sisi kiri memiliki kutub Utara juga, dan gerbong kereta yang berhadapan dengan dinding di sisi kanan memiliki kutub Selatan. Pada sisi kiri akan terjadi tolak-menolak antara kutub Utara dari dinding dan kutub Utara gerbong kereta. Pada sisi kanan terjadi tarik-menarik antara kutub Utara dinding dan kutub Selatan kereta. Gaya-gaya ini akan mengembalikan kereta pada posisi sebelum oleng. Demikian juga jika kereta oleng ke kanan, kereta akan dikembalikan ke posisi semula oleh gaya magnet ini. Jadi gaya magnet ini akan mempertahankan kereta supaya tetap berada di lintasannya (stabil di tengah-tengah lintasan), tidak akan keluar jalur. Kereta api Maglev yang super cepat ini juga memiliki kelebihan lain yang sudah pasti tidak dimiliki oleh kereta api lainnya. Satu hal yang selalu menjadi ciri khas kereta api adalah suaranya. Kereta api selalu menghasilkan suara ribut dan bising yang mengganggu telinga. Kereta Maglev justru hampir tidak bersuara sama sekali! Ini karena kereta tidak bersentuhan (tidak mengalami gesekan) dengan permukaan apa pun sehingga tidak ada suara yang tercipta akibat gesekan. Teknologi kereta terbang ini semakin maju dengan aplikasi konsep superkonduktor. Bahan superkonduktor ini dapat menolak medan magnet. Ini berarti magnet yang diletakkan di atas bahan superkonduktor akan melayang (terbang) karena tidak bisa mendekati bahan superkonduktor itu (mengalami gaya tolak). Dari penemuan-penemuan yang telah dicapai, begitu banyak manfaat yang dapat diraih dari penggunaan superkonduktor. Dari beberapa uji coba hingga saat ini, menimbulkan banyak harapan, bahwa kelak di kemudian hari, superkonduktor suhu tinggi akan mewarnai peralatan-peralatan maupun prduk-produk kelistrikan mutakhir yang memberikan berbagai keuntungan. Yang pasti, dengan kehadiran alat-alat listrik superkonduktor sangat mengefisienkan konsumsi energi listrik yang demikian tinggi. Penghematan yang sangat luar biasa dalam pemakaian energi listrik ini jelas mengurangi biaya yang harus dikeluarkan.
Sungguh merupakan sebuah tantangan besar bagi para ahli dari berbagai bidang untuk memahami lebih jauh fenomena superkonduktor jenis baru ini. Tampaknya bahan ini akan 77
semakin merajai teknologi pada masa yang akan datang, yaitu abad XXI.
SUPER KONDUKTER II Pengertian Superkonduktor
Bahan superkonduktor adalah bahan yang pada suhu tertentu (sangat rendah) tahanannya mendekati nol sehingga apabila dialiri arus listrik arus akan terus mengalir dengan tidak usah ditambah tenaga lagi. Menurut percobaan Dr. Palmer N. Peters, ahli fisika antariksa NASA, USA (1988) superkonduktor dibawah pengaruh medan magnet ternyata dapat mengembang di udara (efek suspensi). Sebaliknya apabila besi magnetnya dalam posisi bebas dan berada di dekat superkonduktor besi magnet juga dapat mengambang di udara (efek levitasi). Pada bahan konduktor yang sering dijumpai sehari-hari selalu mempunyai tahanan yang disebabkan oleh resistivitas yang dimiliki oleh konduktor itu sendiri. resistivitas akan mencapai harga nol pada suhu kritis (Tc). Sedangkan pada superkonduktor saat ini sedang dikembangkan usaha untuk mencapai suhu kritis pada bahan-bahan yang akan dijadikan superkonduktor. Sehingga dapat dikatakan bahan superkonduktor merupakan bahan yang masih memerlukan penelitian untuk penyempurnaan lebih lanjut. Selain itu bahan superkonduktor memiliki medan magnet yang lebih kecil dibandingkan dengan medan kritisnya (Hc). Seperti gambar dibawah ini : Medan magnet B
Bc 0 Tc
T
Suhu
Daerah superkonduktor pada bidang medan magnet dan suhu
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa suatu superkonduktor akan hilang superkonduktivitasnya jika suhu dan medannya diatas titik kritis. Superkonduktor ini 78
melukiskan gejala resistansi sangat rendah (hampir tidak ada sama sekali) dalam konduktivitas listrik pada suhu rendah. Salah satu cara yang sudah kita ketahui untuk menurunkan resistansi kawat dan konduktor lain terhadap arus listrik adalah dengan menggunakan kawat dan kabel yang lebih besar. Itulah sebabnya mengapa, misalnya dalam perangkat stereo kita gunakan kawat pengeras suara yang besar untuk memperkecil kerugian daya pada dalam kawat itu sendiri. Untuk alasan yang sama (mengurangi kerugian resistansi) kita gunakan kawat ukuran besar dalam pengawatan peralatan rumah yang membutuhkan arus tinggi, seperti alat-alat rumah tangga, mesin cuci, pengering rambut. Sehingga dapat disimpulkan bahwa superkonduktivitas berhubungan dengan mengalirkan listrik melalui konduktor dengan kerugian daya yang sangat kecil yang idealnya tanpa kerugian sama sekali. Ada sekitar 30 unsur dan 100 senyawa yang dapat digunakan sebagai bahan superkonduktor. Suhu kritis tertinggi superkonduktor adalah 18,1 derajat Kelvin, yaitu senyawa Nb3 Sn. Dibawah ini merupakan tabel suhu kritis dari beberapa bahan superkonduktor : 0
Unsur Ti Zn Al Tl In Sn Hg Ta V Pb Nb Tc Th U
0,49 0,82 1,20 2,38 3,40 3,73 4,16 4,39 5,1 7,22 8,00 11,2 1,3 0,68
0
Senyawa
Tc ( K)
Tc ( K)
Na Bi Ba Ba3 Nb2 Zn Mo N Mo Re V2,95 Ga Nb N V3 Si Nb3Al Nb3Sn
2,2 6,0 10,8 12,0 12,6 14,4 15,2 17,1 18,0 18,1
Cu S
1,6
Pb Sb
1,5
Suhu kritis (Tc) beberapa bahan superkonduktor
Namun hal itu (suhu kritis) tidak selalu terjadi pada bahan yang pada suhu kamar merupakan konduktor yang baik (misalnya : Cu, Ag, Au). Bahan itu akan menjadi superkonduktor pada kondisi yang lebih mudah dibandingkan bahan lain yang pada suhu kamar konduktivitasnya lebih jelek. Dari tabel diatas dapat diambil beberapa kesimpulan bahwa: 79
a.
Logam-logam
menovalen
adalah
bukan
superkonduktor. b.
Logam-logam ferromagnetic dan anti ferromagnetic adalah bukan superkonduktor.
c.
Konduktor yang baik pada suhu kamar adalah bukan superkonduktor dan logam superkonduktor sebagai logam normal adalah bukan konduktor yang baik pada suhu kamar.
d.
Film tipis dari Be, Bi dan Fe adalah superkonduktor.
e.
Bismut, Pb dan Fe menjadi superkonduktor jika mendapat tekanan yang tinggi.
Bahan superkonduktor dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu : a) Jenis I Yang termasuk jenis bahan superkonduktor I yaitu Pb, Ag dan Sn yang menyalurkan arus pada permuakaannya sampai kedalaman 10 – 4 mm pada medan magnet hingga setinggi-tingginya adalah kuat medan magnet Nb dan paduan Pb. Pada bahan superkonduktor jenis I yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet tanpa kerugian karena medan listriknya di semua tempat adalah nol.
b) Jenis II Pada superkonduktor jenis II, jika medan magnetnya mencapai medan kritis dan suhu kritisnya relatif (kondisi tersebut lebih tinggi dari jenis I), keadaan superkonduktor tidak langsung berubah menjadi konduktor normal, tetapi menjadi bahan yang merupakan peralihan atau dari kondisi superkonduktor menjadi konduktor normal. Pada jenis ini yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet dengan kerugian yang sangat kecil dan dapat diabaikan. Sampai saat ini superkonduktor belum dipabrikasi dalam skala yang besar. Mesinmesin listrik, transformator dan kabel sedang dikembangkan dengan menggunakan superkonduktor. Karena dengan menggunakan superkonduktor, efisiensi dapat dicapai 99,99 %. Kabel superkonduktor berdiameter beberapa centimeter dapat digunakan untuk menyalurkan semua daya yang dihasilkan semua pembangkit listrik di Indonesia. Perangkat-perangkat yang sudah umum menggunakan superkonduktor yaitu: 80
1. Elektromagnet Karena konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resistansi, maka dimungkinkan solenoid dengan superkonduktor tanpa kerugian yang menyebabkan panas. Solenoid dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet nol untuk kawat yang digunakan adalah memungkinkan untuk membangkitkan sebuah medan magnet kritis dari lilitan. Karena dengan bahan superkonduktor dimungkinkan untuk membuat bahan elektromagnet yang kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari elektromagnet dengan superkonduktor antara lain pada komponen magneto Hidro Dinamik.
2. Elemen penghubung Karena superkonduktor
mempunyai Hc dan
To,
maka
dalam
pemakaian
superkonduktor sebagai elemen penghubung dapat menggunakan pengaruh salah satu besaran diatas. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan superkonduktor akan dapat berubah sifatnya dari superkonduktor menjadi konduktor biasa karena pengubahan suhu atau medan magnet diatas nilai kritisnya. Pemutus arus yang kerjanya dipengaruhi oleh magnetic dielektrik Cryotron, misalnya digunakan pada pemutus computer.
Aplikasi Superkonduktor
Sejak ditemukannya superkonduktor sampai saat ini, pemakaian superkonduktor dalam beberapa bidang telah menjadi demikian popular. Aplikasi superkonduktor dipelopori dari bidang industri, terutama elektronik, yaitu sejak berkembangnya teknologi komputer dan mikroprosesor.
Aplikasi Superkonduktor di Bidang Komputer
Kemajuan teknologi dan mikroprosesor dimotori oleh kemajuan miniaturisasi dan kecepatan pemrosesan. Dalam suatu chip komputer, yang besarnya tidak lebih dari ukuran lubang jarum, terdapat juataan komponen aktif yang bila diuraikan lagi akan menjadi juataan switch yang biasanya dibuat dari bahan metal film ataupun emas. Efisiensi dan efektivitas makin ditingkatkan dengan membuat switch dari bahan superkonduktor. Hal yang sama terjadi juga dalam pembuatan sel-sel memori komputer. Keunggulan superkonduktor dibandingkan material-material lainnya menyebabkan perkembangan teknologi komputer dan mikroprosesor makin cepat. Aplikasi dari superkonduktor dalam teknologi komputer 81
biasa disebut dengan istilah cryotrons.
Aplikasi Superkonduktor di Bidang Fisika
Dalam bidang fisika, yaitu yang melahirkan superkonduktor, kemajuan aplikasi superkonduktor juga pesat. Salah satu bidang yang telah mengaplikasikan superkonduktor adalah bidang fusilaser. Teknologi kriogenik telah menjadi suatu hal yang tidak dapat dipisahkan dalam proses fusilaser, yaitu suatu proses penghasil energi harapan di masa yang akan datang. Dalam proses tersebut suatu energi dalam jumlah yang sangat besar akan dihasilkan sebagai akibat reaksi fusi antara isotop hidrogen. Kontruksi reaktor tempat reaksi berlangsung sebagian besar dibangun dengan teknologi superkoduktor.
Aplikasi Superkonduktor di Bidang Kedokteran
Bidang kedokteran ternyata juga memanfaatkan teknologi dari superkonduktor. Berbagai penelitian menunjukkan, dalam temperature yang cukup rendah sekitar 170 0K operasi terhadap pasien akan dapat berhasil dengan baik, misalnya untuk operasi saraf, pengobatan terhadap tumor serta operasi mata.
Aplikasi Superkonduktor di Bidang Industri Tenaga Listrik
Bagi sekian banyak bidang yang memanfaatkan teknologi superkonduktor tersebut, bidang industrilah yang paling terlibat atau yang paling banyak menggunakan. Percepatan perkembangan industri seolah-olah makin besar seiring dengan perkembangan teknologi kriogenika dan superkonduktor. Bidang teknik tenaga listrik saat ini khususnya di negara maju telah memanfaatkan teknologi superkonduktor. Dengan teknologi supercanggih ini transmisi dan distribusi tenaga dapat dilakukan dengan sempurna. Dengan menggunakan superkonduktor dapat dicapai hasil guna yang hampir 100 %. Sebelum superkonduktor ditemukan, penghilangan kerugian dari energi yang disalurkan tersebut dianggap suatu hal yang mustahil. Karena setiap konduktor selalu memiliki hambatan listrik berapun kecilnya. Bila ada arus mengalir melalui konduktor tersebut, akan terjadi rugi tenaga yang sebanding dengan kuadrat arus dan sebanding dengan besarnya hambatan. Dapat dibayangkan berapa besarnya tenaga yang terbuang bila arus yang mengalir mempunyai beberapa arus amper. Belum lagi bila terjadi kenaikan temperatur, baik dari luar maupun dari rugi-rugi itu, yang 82
akan menyebabkan kenaikan hambatan penghantar, yang berarti juga tenaga yang hilang akan makin besar. Tetapi itu semua dapat teratasi dengan adanya penemuan superkonduktor, dengan kelebihan-kelebihannya, efisiensi seratus persen bukan hal yang tidak mungkin dapat dilakukan. Karena bila hambatan superkonduktor menjadi semakin kecil atau mendekati nol, maka rugi tenaga akan menjadi kecil juga. Bahkan seperti telah disebutkan sebelumnya rugi tenaga tidak mustahil juga akan menjadi nol.
Aplikasi Superkonduktor di Bidang Telekomunikasi
Dalam bidang telekomunikasi unsur superkonduktif memungkinkan penerapannya di kemudian hari pada pen-switch-an telekomunikasi kecepatan tinggi, guna menyediakan pentransmisian denyut dalam pikodetik tanpa cacat. Penerapan superkonduktor dalam piranti praktik akan sangat bergantung pada apakah mereka dapat diadakan dalam bentuk yang bermanfaat dengan sifat-sifat yang diperlukan. Kini superkonduktor A15 konvensional banyak digunakan dalam fisika tenaga tinggi, dan dalam terapan biomedik, sebagai hasil dari program penelitian dan pengembangan (R&D) yang sangat berhasil selama tahun 1970-an untuk menghasilkan kawat. Penerapan material bersuhu operasi nitrogen cair dalam lapangan telekomunikasi, masalah teknis pendinginan dapat diadakan dengan mudah dan murah. Karena itu sifat-sifat menswitch cepat pada peranti penemuan Josephson akan dapat diterapkan dalam sakelar-sakelar jaringan utama, namun rupa-rupanya tidak akan diterapkan dalam jaringan lokal mengingat masalah-masalah perawatannya. Jika pengoperasian material dapat ditingkatkan sampai suhu lingkungan ataupun lebih tinggi lagi, maka lingkungan terapan yang berpotensi sangatlah luas. Saluran transmisi superkonduktor akan mudah menjadi saingan serat optic dalam hal pengoperasian lebar jalur dan dalam hal biaya pemakaian dalam jarak pendek, terutama kalau isyarat dikirim secara listrik
dan
tidak
memerlukan pngubahan
ke cahaya untuk
dipancarkan. Antena
superkonduktor akan mungkin digunakan pada telepon sel kecil. Sakelar superkonduktor mungkin banyak digunakan dalam jaringan telekomunikasi. Detektor superkonduktif tidak saja akan dapat digunakan dalam komunikasi radio tunggal melainkan juga sebagai detektor opto-elektronik akhiran. Salah satu aspek yang memukau pada superkonduktor ialah bahwa merupakan rumpun baru sama sekali, dengan sederetan sifat-sifat yang belum diteliti keseluruhannya. Maka tidak disanksikan superkonduktor yang baru akan besar dampaknya dalam teknologi. 83
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[1]. 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[2]. 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. Sejarah serat optic Penggunaan cahaya sebagai pembawa informasi sebenarnya sudah banyak digunakan sejak zaman dahulu, baru sekitar tahun 1930-an para ilmuwan Jerman mengawali eksperimen untuk mentransmisikan cahaya melalui bahan yang bernama serat optik. Percobaan ini juga 84
masih tergolong cukup primitif karena hasil yang dicapai tidak bisa langsung dimanfaatkan, namun harus melalui perkembangan dan penyempurnaan lebih lanjut lagi. Perkembangan selanjutnya adalah ketika para ilmuawan Inggris pada tahun 1958 mengusulkan prototipe serat optik yang sampai sekarang dipakai yaitu yang terdiri atas gelas inti yang dibungkus oleh gelas lainnya. Sekitar awal tahun 1960-an perubahan fantastis terjadi di Asia yaitu ketika para ilmuwan
Jepang
berhasil membuat jenis serat optik
yang mampu
mentransmisikan gambar. Di lain pihak para ilmuwan selain mencoba untuk memandu cahaya melewati gelas (serat optik) namun juga mencoba untuk ”menjinakkan” cahaya. Kerja keras itupun berhasil ketika sekitar 1959 laser ditemukan. Laser beroperasi pada daerah frekuensi tampak sekitar 1014 Hertz-15 Hertz atau ratusan ribu kali frekuensi gelombang mikro. Pada awalnya peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan merepotkan. Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah. Laser juga belum terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun, pancarannya gampang meliuk-liuk mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu, sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba di tujuan akhir pada banyak titik dengan simpangan jarak hingga hitungan meter. Sekitar tahun 60-an ditemukan serat optik yang kemurniannya sangat tinggi, kurang dari 1 bagian dalam sejuta. Dalam bahasa sehari-hari artinya serat yang sangat bening dan tidak menghantar listrik ini sedemikian murninya, sehingga konon, seandainya air laut itu semurni serat optik, dengan pencahayaan cukup mata normal akan dapat menonton lalulalangnya penghuni dasar Samudera Pasifik. Seperti halnya laser, serat optik pun harus melalui tahap-tahap pengembangan awal. Sebagaimana medium transmisi cahaya, ia sangat tidak efisien. Hingga tahun 1968 atau berselang dua tahun setelah serat optik pertama kali diramalkan akan menjadi pemandu cahaya, tingkat atenuasi (kehilangan)-nya masih 20 dB/km. Melalui pengembangan dalam teknologi material, serat optik mengalami pemurnian, dehidran dan lain-lain. Secara perlahan tapi pasti atenuasinya mencapai tingkat di bawah 1 dB/km.
85
Kronologi perkembangan serat optic •
1917 Albert Einstein memperkenalkan teori pancaran terstimulasi dimana jika ada atom dalam tingkatan energi tinggi
•
1954 Charles Townes, James Gordon, dan Herbert Zeiger dari Universitas Columbia USA, mengembangkan maser yaitu penguat gelombang mikro dengan pancaran terstimulasi, dimana molekul dari gasamonia memperkuat dan menghasilkan gelombang elektromagnetik . Pekerjaan ini menghabiskan waktu tiga tahun sejak ide Townes pada tahun 1951 untuk mengambil manfaat dari osilasi frekuensi tinggi molekular untuk membangkitkan gelombang dengan panjang gelombang pendek pada gelombang radio.
•
1958 Charles Townes dan ahli fisika Arthur Schawlow mempublikasikan penelitiannya yang menunjukan bahwa maser dapat dibuat untuk dioperasikan pada daerah infra merah dan spektrum tampak, dan menjelaskan tentang konsep laser.
•
1960 Laboratorium Riset Bell dan Ali Javan serta koleganya William Bennett, Jr., dan Donald Herriott menemukan sebuah pengoperasian secara berkesinambungan dari laser helium-neon.
•
1960 Theodore Maiman, seorang fisikawan dan insinyur elektro dari Hughes Research Laboratories, menemukan sumber laser dengan menggunakan sebuah kristal batu rubi sintesis sebagai medium.
•
1961 Peneliti industri Elias Snitzer dan Will Hicks mendemontrasikan sinar laser yang diarahkan melalui serat gelas yang tipis(serat optik). Inti serat gelas tersebut cukup kecil yang membuat cahaya hanya dapat melewati satu bagian saja tetapi banyak ilmuwan menyatakan bahwa serat tidak cocok untuk komunikasi karena rugi rugi cahaya yang terjadi karena melewati jarak yang sangat jauh.
•
1961 Penggunaan laser yang dihasilkan dari batu Rubi untuk keperluan medis di Charles Campbell of the Institute of Ophthalmology at Columbia-Presbyterian Medical Center dan Charles Koester of the American Optical Corporation menggunakan prototipe ruby laser photocoagulator untuk menghancurkan tumor pada retina pasien. 86
•
1962 Tiga group riset terkenal yaitu General Electric, IBM, dan MIT’s Lincoln Laboratory
secara
simultan
mengembangkan
gallium
arsenide
laser
yang
mengkonversikan energi listrk secara langsung ke dalam cahaya infra merah dan perkembangan selanjutnya digunakan untuk pengembangan CD dan DVD player serta penggunaan pencetak laser . •
1963 Ahli fisika Herbert Kroemer mengajukan ide yaitu heterostructures, kombinasi dari lebih dari satu semikonduktor dalam layer-layer untuk mengurangi kebutuhan energi untuk laser dan membantu untuk dapat bekerja lebih efisien. Heterostructures ini nantinya akan digunakan pada telepon seluler dan peralatan elektronik lainnya.
•
1966 Charles Kao dan George Hockham yang melakukan penelitian di Standard Telecommunications Laboratories Inggris mempublikasikan penelitiannya tentang kemampuan serat optik dalam mentransmisikan sinar laser yang sangat sedikit rugiruginya dengan menggunakan serat kaca yang sangat murni. Dari penemuan ini, kemudian para peneliti lebih fokus pada bagaimana cara memurnikan bahan serat kaca tersebut.
•
1970 Ilmuwan Corning Glass Works yaitu Donald Keck, Peter Schultz, dan Robert Maurer melaporkan penemuan serat optik yang memenuhi standar yang telah ditentukan oleh Kao dan Hockham. Gelas yang paling murni yang dibuat terdiri atas gabungan silika dalam tahap uap dan mampu mengurangi rugi-rugi cahaya kurang dari 20 decibels per kilometer , yang selanjutnya pada 1972, tim ini menemukan gelas dengan rugi-rugi cahaya hanya 4 decibels per kilometer. Dan juga pada tahun 1970, Morton Panish dan Izuo Hayashi dari Bell Laboratories dengan tim Ioffe Physical Institute dari Leningrad, mendemontrasikan laser semikonduktor yang dapat dioperasikan pada temperatur ruang. Kedua penemuan tersebut merupakan terobosan dalam komersialisasi penggunaan fiber optik.
•
1973 John MacChesney dan Paul O. Connor pada Bell Laboratories mengembangkan proses pengendapan uap kimia ke bentuk ultratransparent glass yang kemudian menghasilkan serat optik yang mempunyai rugi-rugi sangat kecil dan diproduksi secara masal.
87
Proses pengendapan uap kimia untuk memodifikasi serat optik •
1975 Insinyur pada Laser Diode Labs mengembangkan Laser Semikonduktor, laser komersial pertama yang dapat dioperasikan pada suhu kamar.
•
1977 Perusahaan telepon memulai penggunaan serat optik yang membawa lalu lintas telepon. GTE membuka jalur antara Long Beach dan Artesia, California, yang menggunakan transmisi LED. Bell Labs mendirikan sambungan yang sama pada sistem telepon di Chicago dengan jarak 1,5 mil di bawah tanah yang menghubungkan 2 switching station.
•
1980 Industri serat optik benar-benar sudah berkibar, sambungan serat optik telah ada di kota kota besar di Amerika, AT&T mengumumkan akan menginstal jaringan serat optik yang menghubungkan kota kota antara Boston dan Washington D.C., kemudian dua tahun kemudian MCI mengumumkan untuk melakukan hal yang sama. Raksasaraksasa elektronik macam ITT atau STL mulai memainkan peranan dalam mendalami riset-riset serat optik.
•
1987 David Payne dari Universitas Southampton memperkenalkan optical amplifiers yang dikotori (dopped) oleh elemen erbium, yang mampu menaikan sinyal cahaya tanpa harus mengkonversikan terlebih dahulu ke dalam energi listrik.
88
•
1988 Kabel Translantic yang pertama menggunakan serat kaca yang sangat transparan, dan hanya memerlukan repeater untuk setiap 40 mil.
•
1991 Emmanuel Desurvire dari Bell Laboratories serta David Payne dan P. J. Mears dari Universitas Southampton mendemontrasikan optical amplifiers yang terintegrasi dengan kabel serat optik tersebut. Dengan keuntungannya adalah dapat membawa informasi 100 kali lebih cepat dari pada kabel dengan penguat elektronik (electronic amplifier).
•
1996 TPC-5 merupakan jenis kabel serat optik yang pertama menggunakan penguat optik. Kabel ini melewati samudera pasifik mulai dari San Luis Obispo, California, ke Guam, Hawaii, dan Miyazaki, Jepang, dan kembali ke Oregon coast dan mampu untuk menangani 320,000 panggilan telepon.
•
1997 Serat optik menghubungkan seluruh dunia, Link Around the Globe (FLAG) menjadi jaringan kabel terpanjang di seluruh dunia yang menyediakan infrastruktur untuk generasi internet terbaru.
Sistem Komunikasi Serat Optik (SKSO) Berdasarkan penggunaannya maka SKSO dibagi atas beberapa generasi yaitu :
Generasi kedua (mulai 1981) Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran teras serat diperkecil agar menjadi tipe mode tunggal. Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias teras. Dengan sendirinya transmitter juga diganti dengan diode laser, panjang gelombang yang dipancarkannya 1,3 mm. Dengan modifikasi ini generasi kedua mampu mencapai kapasitas transmisi 100 Gb.km/s, 10 kali lipat lebih besar daripada generasi pertama.
Generasi ketiga (mulai 1982) Terjadi penyempurnaan pembuatan serat silika dan pembuatan chip diode laser berpanjang
gelombang
1,55
mm.
Kemurnian
bahan
silika ditingkatkan
sehingga
transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 mm sampai 1,6 mm. Penyempurnaan ini meningkatkan kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s.
89
Generasi keempat (mulai 1984) Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya yang dipakai bukan modulasi intensitas melainkan modulasi frekuensi, sehingga sinyal yang sudah lemah intensitasnya masih dapat dideteksi. Maka jarak yang dapat ditempuh, juga kapasitas transmisinya, ikut membesar. Pada tahun 1984 kapasitasnya sudah dapat menyamai kapasitas sistem deteksi langsung. Sayang, generasi ini terhambat perkembangannya karena teknologi piranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal. Tetapi tidak dapat disangkal bahwa sistem koheren ini punya potensi untuk maju pesat pada masa-masa yang akan datang. Generasi kelima (mulai 1989)
Pada generasi ini dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi repeater pada generasi-generasi sebelumnya. Sebuah penguat optik terdiri dari sebuah diode laser InGaAsP (panjang gelombang 1,48 mm) dan sejumlah serat optik dengan doping erbium (Er) di terasnya. Pada saat serat ini disinari diode lasernya, atom-atom erbium di dalamnya akan tereksitasi dan membuat inversi populasi*, sehingga bila ada sinyal lemah masuk penguat dan lewat di dalam serat, atom-atom itu akan serentak mengadakan deeksitasi yang disebut emisi terangsang (stimulated emission) Einstein. Akibatnya sinyal yang sudah melemah akan diperkuat kembali oleh emisi ini dan diteruskan keluar penguat. Keunggulan penguat optik ini terhadap repeater adalah tidak terjadinya gangguan terhadap perjalanan sinyal gelombang, sinyal gelombang tidak perlu diubah jadi listrik dulu dan seterusnya seperti yang terjadi pada repeater. Dengan adanya penguat optik ini kapasitas transmisi melonjak hebat sekali. Pada awal pengembangannya hanya dicapai 400 Gb.km/s, tetapi setahun kemudian kapasitas transmisi sudah menembus harga 50 ribu Gb.km/s.
Generasi keenam Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer memelopori sistem komunikasi soliton. Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen panjang gelombang. Komponenkomponennya memiliki panjang gelombang yang berbeda hanya sedikit, dan juga bervariasi dalam intensitasnya. Panjang soliton hanya 10-12 detik dan dapat dibagi menjadi beberapa komponen yang saling berdekatan, sehingga sinyal-sinyal yang berupa soliton merupakan 90
informasi yang terdiri dari beberapa saluran sekaligus (wavelength division multiplexing). Eksperimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa 5 saluran yang masingmasing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Cacah saluran dapat dibuat menjadi dua kali lipat lebih banyak jika dibunakan multiplexing polarisasi, karena setiap saluran memiliki dua polarisasi yang berbeda. Kapasitas transmisi yang telah diuji mencapai 35 ribu Gb.km/s. Cara kerja sistem soliton ini adalah efek Kerr, yaitu sinar-sinar yang panjang gelombangnya sama akan merambat dengan laju yang berbeda di dalam suatu bahan jika intensitasnya melebihi suatu harga batas. Efek ini kemudian digunakan untuk menetralisir efek dispersi, sehingga soliton tidak akan melebar pada waktu sampai di receiver. Hal ini sangat menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan dapat diabaikan. Tampak bahwa penggabungan ciri beberapa generasi teknologi serat optik akan mampu menghasilkan suatu sistem komunikasi yang mendekati ideal, yaitu yang memiliki kapasitas transmisi yang sebesar-besarnya dengan tingkat kesalahan yang sekecilkecilnya yang jelas, dunia komunikasi abad 21 mendatang tidak dapat dihindari lagi akan dirajai oleh teknologi serat optik.
Kelebihan Serat Optik Dalam penggunaan serat optik ini, terdapat beberapa keuntungan antara lain[3] : 1. Lebar jalur besar dan kemampuan dalam membawa banyak data, dapat memuat kapasitas informasi yang sangat besar dengan kecepatan transmisi mencapai gigabit per detik dan menghantarkan informasi jarak jauh tanpa pengulangan 2. Biaya pemasangan dan pengoperasian yang rendah serta tingkat keamanan yang lebih tinggi 3. Ukuran kecil dan ringan, sehingga hemat pemakaian ruang 4. Imun, kekebalan terhadap gangguan elektromagnetik dan gangguan gelombang radio 5. Non-Penghantar, tidak ada tenaga listrik dan percikan api 6. Tidak berkarat
91
Kabel Serat Optik Secara garis besar kabel serat optik terdiri dari 2 bagian utama, yaitu cladding dan core
[4]
. Cladding adalah selubung dari inti (core). Cladding mempunyai indek bias lebih
rendah dari pada core akan memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core kembali kedalam core lagi.
Bagian-bagian serat optik jenis single mode Dalam aplikasinya serat optik biasanya diselubungi oleh lapisan resin yang disebut dengan jacket , biasanya berbahan plastik . Lapisan ini dapat menambah kekuatan untuk kabel serat optik, walaupun tidak memberikan peningkatan terhadap sifat gelombang pandu optik pada kabel tersebut. Namun lapisan resin ini dapat menyerap cahaya dan mencegah kemungkinan terjadinya kebocoran cahaya yang keluar dari selubung inti. Serta hal ini dapat juga mengurangi cakap silang (cross talk ) yang mungkin terjadi[2]. Pembagian serat optik dapat dilihat dari 2 macam perbedaan : 1. Berdasarkan mode yang dirambatkan[5] : •
Single mode : serat optik dengan inti (core) yang sangat kecil (biasanya sekitar
8,3 mikron), diameter intinya sangat sempit mendekati panjang gelombang sehingga cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding selongsong (cladding ). Bahagian inti serat optik single-mode terbuat dari bahan kaca silika (SiO2) dengan sejumlah kecil kaca Germania (GeO2) untuk meningkatkan indeks biasnya. Untuk mendapatkan performa yang baik pada kabel ini, biasanya untuk ukuran selongsongnya adalah sekitar 15 kali dari ukuran 92
inti (sekitar 125 mikron). Kabel untuk jenis ini paling mahal, tetapi memiliki pelemahan (kurang dari 0.35dB per kilometer), sehingga memungkinkan kecepatan yang sangat tinggi dari jarak yang sangat jauh. Standar terbaru untuk kabel ini adalah ITU-T G.652D, dan G.657[6]. •
Multi mode : serat optik dengan diameter core yang agak besar yang
membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini. 2. Berdasarkan indeks bias core[3] : •
Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yang
homogen. •
Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin
kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar. Serat graded indeks memungkinkan untuk membawa bandwidth yang lebih besar, karena pelebaran pulsa yang terjadi dapat diminimalkan.
Pelemahan Pelemahan ( Attenuation) cahaya sangat penting diketahui terutama dalam merancang sistem telekomunikasi serat optik itu sendiri. Pelemahan cahaya dalam serat optik adalah adanya penurunan rata-rata daya optik pada kabel serat optik, biasanya diekspresikan dalam decibel (dB) tanpa tanda negatif. Berikut ini beberapa hal yang menyumbang kepada pelemahan cahaya pada serat optik [7]: 1.
Penyerapan (Absorption) Kehilangan cahaya yang disebabkan adanya kotoran dalam serat optik.
2.
Penyebaran (Scattering)
3.
Kehilangan radiasi (radiative losses) Reliabilitas dari serat optik dapat ditentukan dengan satuan BER (Bit error rate). Salah satu ujung serat optik diberi masukan data tertentu dan ujung yang lain mengolah data itu. Dengan intensitas laser yang 93
rendah dan dengan panjang serat mencapai beberapa km, maka akan menghasilkan kesalahan. Jumlah kesalahan
persatuan
waktu
tersebut dinamakan
BER. Dengan
diketahuinya BER maka, Jumlah kesalahan pada serat optik yang sama dengan panjang yang berbeda dapat diperkirakan besarnya.
Kode warna pada kabel serat optik Selubung luar Dalam standarisasinya kode warna dari selubung luar ( jacket ) kabel serat optik jenis Patch Cord adalah sebagai berikut: Warna selubung luar Kuning Jingga Aqua Abu – abu Biru
Artinya serat optik single-mode serat optik multi-mode Optimal laser 10 giga 50/125 mikrometer serat optik multi-mode Kode warna serat optik multi-mode, yang tidak digunakan lagi Kadang masih digunakan dalam model perancangan
Konektor Pada kabel serat optik, sambungan ujung terminal atau disebut juga konektor, biasanya memiliki tipe standar seperti berikut: 1. FC (Fiber Connector): digunakan untuk kabel single mode dengan akurasi yang sangat tinggi dalam menghubungkan kabel dengan transmitter maupun receiver. Konektor ini menggunakan sistem drat ulir dengan posisi yang dapat diatur, sehingga ketika dipasangkan ke perangkat lain, akurasinya tidak akan mudah berubah. 2. SC (Subsciber Connector): digunakan untuk kabel single mode, dengan sistem dicabut-pasang. Konektor ini tidak terlalu mahal, simpel, dan dapat diatur secara manual serta akurasinya baik bila dipasangkan ke perangkat lain. 3. ST (Straight Tip): bentuknya seperti bayonet berkunci hampir mirip dengan konektor BNC. Sangat umum digunakan baik untuk kabel multi mode maupun single mode. Sangat mudah digunakan baik dipasang maupun dicabut. 4. Biconic: Salah satu konektor yang kali pertama muncul dalam komunikasi fiber optik. Saat ini sangat jarang digunakan. 94
5. D4: konektor ini hampir mirip dengan FC hanya berbeda ukurannya saja. Perbedaannya sekitar 2 mm pada bagian ferrule-nya. 6. SMA: konektor ini merupakan pendahulu dari konektor ST yang sama-sama menggunakan penutup dan pelindung. Namun seiring dengan berkembangnya ST konektor, maka konektor ini sudah tidak berkembang lagi penggunaannya. 7. E200 Selanjutnya jenis-jenis konektor tipe kecil: 1. LC 2. SMU 3. SC-DC Selain itu pada konektor tersebut biasanya menggunakan warna tertentu dengan maksud sebagai berikut: Warna konektor Biru Hijau
Arti Physical Contact (PC), 0°
Keterangan yang paling umum digunkan untuk serat
Angle Polished (APC), 8°
optik single-mode. sudah tidak digunakan lagi untuk serat optik multi-mode
Hitam Abu – abu, krem Putih Merah
Physical Contact (PC), 0° Physical Contact (PC), 0° Physical Contact (PC), 0°
serat optik multi-mode Penggunaan khusus
SEMIKONDUKTOR 1.
PENGERTIAN
a.
Pengertian Umum
95
Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan ini sifatnya berada diantara insulator dan konduktor. Bahan – bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas.
b.
Pengertian Khusus
Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di antara insulator dan konduktor. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai insulator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor (K. Muller 1986). Konduktivitas
listrik
adalah
ukuran
dari
kemampuan
suatu bahan
untuk
menghantarkan arus listrik . Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah konduktor , muatan-muatan bergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus listrik. Konduktivitas listrik
didefinsikan sebagai ratio dari rapat arus
terhadap kuat medan
listrik : . Pada beberapa jenis bahan dimungkinkan terdapat konduktivitas listrik yang anisotropik. Lawan dari konduktivitas listrik adalah resistivitas listrik
atau biasa disebut
sebagai resistivitas saja, yaitu ;
.
Insulator adalah materi yang dapat mencegah penghantaran panas, ataupun muatan listrik . Lawan dari insulator, adalah konduktor, yaitu materi yang dapat menghantar panas Untuk sejenis polimer, silikone.
2.
SUSUNAN ATOM SEMIKONDUKTOR
Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu96
satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular
setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon
merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). Struktur atom kristal silikon, satu inti atom (nucleus) masing-masing memiliki 4 elektron valensi. Ikatan inti atom yang stabil adalah jika dikelilingi oleh 8 elektron, sehingga 4 buah elektron atom kristal tersebut membentuk ikatan kovalen dengan ion-ion atom tetangganya. Pada suhu yang sangat rendah (0°K). Struktur atom silikon divisualisasikan seperti pada gambar berikut.
gb 1.struktur dua dimensi kristal Silikon. Ikatan kovalen menyebabkan elektron tidak dapat berpindah dari satu inti atom ke inti atom yang lain. Pada kondisi demikian, bahan semikonduktor bersifat isolator karena tidak ada elektron yang dapat berpindah untuk menghantarkan listrik. Pada suhu kamar, ada beberapa ikatan kovalen yang lepas karena energi panas, sehingga memungkinkan elektron terlepas dari ikatannya. Namun hanya beberapa jumlah kecil yang dapat terlepas, sehingga tidak memungkinkan untuk menjadi konduktor yang baik. Ahli-ahli fisika terutama yang menguasai fisika quantum pada masa itu mencoba memberikan doping pada bahan semikonduktor ini. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat menghantarkan listrik.
3. PROSES SEMIKONDUKTOR Doping semikonduktor
97
gb 2. diagram doping semikonduktor. Distribusi Fermi-Dirac sebagai dasar struktur pita dalam semikonduktor. Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopant. Doping sejumlah besar ke semikonduktor dapat meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya, polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam (J.G. Bednarz 1986).
Doping dalam produksi semikonduktor, doping menunjuk ke proses yang bertujuan menambah ketidakmurnian (impuritya) kepada semikonduktor sangat murni (juga disebut intrinsik ) dalam rangka mengubah sifat listriknya. Ketidakmurnian ini tergantung dari jenis semikonduktor. Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik. Beberapa dopant biasanya ditambahkan ketika boule ditumbuhkan, memberikan setiap wafer doping awal yang hampir seragam. Untuk membedakan unsur sirkuit, wilayah terpilih (biasanya dikontrol oleh photolithografi) didop lebih lanjut dengan Proses difusi atau implantasi ion, metode kedua lebih populer dalam produksi skala besar karena kemudahan pengontrolannya. Jumlah atom dopant yang dibutuhkan untuk menciptakan sebuah perbedaan dalam kemampuan sebuah semikonduktor sangat kecil. Bila sejumlah kecil atom dopant ditambahkan (dalam order 1 setiap 100.000.000 atom), doping ini disebut rendah atau ringan. 98
Ketika lebih banyak atom dopant ditambahkan (dalam order 10.000) doping ini disebut sebagai berat atau tinggi. Hal ini ditunjukkan sebagai n+ untuk dopant tipe-n atau p+ untuk doping tipe-p.
4.
BAHAN SEMIKONDUKTOR
a.
Persiapan Bahan semikonduktor
Semikonduktor dengan properti elektronik yang dapat diprediksi dan handal diperlukan untuk produksi massa. Tingkat kemurnian kimia yang diperlukan sangat tinggi karena adanya ketidaksempurnaan, bahkan dalam proporsi sangat kecil dapat memiliki efek besar pada properti dari material. Kristal dengan tingkat kesempurnaan yang tinggi juga diperlukan, karena kesalahan dalam struktur kristal (seperti dislokasi, kembaran, dan retak tumpukan) menganggu properti semikonduktivitas dari material. Retakan kristal merupakan penyebab utama rusaknya perangkat semikonduktor. Semakin besar kristal, semakin sulit mencapai kesempurnaan yang diperlukan. Proses produksi massa saat ini menggunakan ingot (bahan dasar) kristal dengan diameter antara empat hingga dua belas inci (300 mm) yang ditumbuhkan sebagai silinder kemudian diiris menjadi wafer. Karena diperlukannya tingkat kemurnian kimia dan kesempurnaan struktur kristal untuk membuat perangkat semikonduktor, metode khusus telah dikembangkan untuk memproduksi bahan semikonduktor awal. Sebuah teknik untuk mencapai kemurnian tinggi termasuk pertumbuhan kristal menggunakan proses Czochralski. Langkah tambahan yang dapat digunakan untuk lebih meningkatkan kemurnian dikenal sebagai perbaikan zona. Dalam perbaikan zona, sebagian dari kristal padat dicairkan. Impuritas cenderung berkonsentrasi di daerah yang dicairkan, sedangkan material yang diinginkan mengkristal kembali sehingga menghasilkan bahan lebih murni dan kristal dengan lebih sedikit kesalahan. Dalam pembuatan perangkat semikonduktor yang melibatkan heterojunction antara bahan-bahan semikonduktor yang berbeda, konstanta kisi, yaitu panjang dari struktur kristal yang berulang, penting untuk menentukan kompatibilitas antar bahan. No
Nama SemiKonduktor
Penggunaannya 99
1 2 3 4
Barium Titinate (Ba Ti) Bismut Telurida (Bi2 Te3) Cadmium sulfide (Cd S) Gallium arsenide (Ga As)
Termistor (PTC) Konversi termo elektrik Sel Fotokonduktif Dioda, transistor, laser, led, generator gelombang
5 6
Germanium (Ge) Indium antimonida (In Sb)
Mikro Diode, transistor Magnetoresistor, piezoresistor, detektor
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Indium arsenida (In As) Silikon (Si) Silikon Carbida (Si Cb) Seng Sulfida (Zn S) Germanium Silikon (Ge Si) Selenium (Se) Aluminium Stibium (Al Sb) Gallium pospor (Ga P) Indium pospor (In P) Tembaga Oksida Plumbun Sulfur (Pb S) Plumbun Selenium (Pb Se) Indium Stibium (In Sb)
radiasi inframerah Piezoresistor Diode, transistor, IC Varistor Perangkat penerangan elektro Pembangkitan termoelektrik Rectifier Diode penerangan Diode penerangan Filter inframerah Rectifier Foto sel Foto sel Detektor inframerah, filter inframerah, generator Hall
Silikon adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Si dan nomor atom 14. Merupakan unsur terbanyak kedua di bumi. Senyawa yang dibentuk bersifat paramagnetik. Unsur kimia ini ditemukan oleh (Jons Jakob Berzelius 1923) silikon hampir 25.7% mengikut berat. Biasanya dalam bentuk silikon dioksida (silika) dan silikat. Silikon sering digunakan untuk membuat serat optik dan dalam operasi plastik digunakan untuk mengisi bagian tubuh pasien dalam bentuk silikon.
5. CARA KERJA SEMIKONDUKTOR 100
Dalam kinerja semikonduktor kami mengambil transistor sebagai contoh dari cara kerja semikonduktor. Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang
serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik. Untuk mengerti cara kerja semikonduktor , misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah tegangan elektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air murni dianggap sebagai isolator . Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator ), karena pembawa muatanya tidak bebas. Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik , dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan electron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk. Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon. Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).
101
Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun d i dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya. Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut. Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal, untuk mengubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible (tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak. Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini terbentuk karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikan di antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang 102
disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor, bagian-bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.
6. PENGELOMPOKAN SEMIKONDUKTOR
Semikonduktor saat ini mempunyai peranan penting di bidang elektronika dan penggunaannya tidak terbatas pada arus lemah. Hal penting dalam semi konduktor adalah memahami susunan pita dan atom konduksi elektroniknya baik pada bahan konduktor maupun pada semi konduktor. Pada bahan tersebut terdapat pita konduksi maupun pita valensi, dimana kedua pita tersebut saling menumpuk, dan pada isolator jarak keduanya cukup jauh. Pada semi konduktor jarak keduanya tidak terlalu jauh dan ini memungkinkan terjadinya tumpang tindih jika dipengaruhi : panas, medan magnet, dan tegangan yang cukup tinggi. Perbandingan jarak kedua pita disebut celah energi. Berbagai penelitian celah energi pada intan 6 ev dan intan merupakan bahan isolator dengan resistivitas tinggi, sedangkan bahan semikonduktor mempunyai celah energi lebih sempit daripada isolator 0,12 – 5,3 ev seperti Si sebagai salah satu bahan semikonduktor dengan celah energi 1,1 ev. Berdasarkan lebar dan sempitnya celah energi dari bahan-bahan intan, semikonduktor, konduktor terlihat bahwa untuk menjadikan bahan semikonduktor agar menghantar listrik diperlukan energi yang tidak besar. Silikon dan germanium murni disebut semi konduktor intrinsik jika belum mendapatkan bahan tambahan, sedangkan yang sudah mendapatkan bahan tambahan disebut ekstrinsik . Bahan tambahan yang dimaksud arsenikum (As) atau boron (B). Bahan semikonduktor yang mendapatkan tambahan As akan menjadi semi konduktor jenis N, sedangkan yang mendapatkan tambahan B akan menjadi semi konduktor jenis P. Beberapa bahan tambahan untuk semikonduktor dapat dilihat pada tabel Enegi Ionisasi di bawah ini ; Bahan Pengotoran
Si (ev)
Ge (ev)
(Tipe – N) Pospor
0,044
0,012 103
Arsen
0,049
0,013
Antimon
0,039
0,010
Bahan Pengotoran
Si (ev)
Ge (ev)
(Tipe – P) Boron
0,045
0,010
Aluminium
0,057
0,010
Gallium
0,065
0,011
Indium
0,16
0,011
Semikonduktor dikelompokkan menjadi dua yaitu ; a. Semikonduktor Intrinsik
Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor yang belum disisipkan atom-atom lain (atom pengotor). Untuk menjadikan pita valensi bertumpang tindih dengan pita konduksi diantaranya diperlukan medan. Sebagai contoh : Si mempunyai celah energi 1 ev. Ini 0 diperkirakan beda energi antara dua inti ion yang terdekat dengan jarak ±1 A (10
Maka dari itu diperlukan gradien medan
±1V / 10 −
10
−10
m) .
m untuk menggerakan elektron dari
bagian atas pita valensi ke bagian bawah pita konduksi. Namun gradien sebesar itu kurang praktis. Kemungkinan lain untuk keadaan transisi yaitu tumpang tindih kedua pita dapat diperoleh dengan pemanasan. Pada suhu kamar ada juga beberapa elektron yang melintasi celah energi dan hal ini menyebabkanterjadinya semi konduksi. Pada semikonduktor intrinsik, konduksi tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa adanya pengaruh tambahan. Kristal Si dan Ge murni adalah semikonduktor intrinsik. Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas pita valensi ke bagian pita konduksi karena energi termal adalah penyeban konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak melintasi celah energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi – Dirac ; P ( E ) ?
1
(1? e ) ( E ? Ef ) / K .T
104
Dimana Ef : tingkat fermi, K : konstanta boltzman = 8,64.10 –5 ev / 0K, E-Ef : E g/2, Eg : besaran celah energi termal KT pada suhu kamar (0,026 ev). Karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan, maka persamaan di atas dapat ditulis :
P ( E ) ? e(? Eg / 2 KT ) Karena perpindahan elektron dari pita valensi, maka pada pita valensi terjadi lubang di setiap tempat yang ditinggalkan elektron tersebut. Suatu semi konduktor intrinsik mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan elektron pada pita konduksi. Pada pemakaian elektron yang lari ke pita konduksi dari pita valensi, misalnya karena panas dapat dipercepat menggunakan keadaan kosong yang memungkinkan pada pita konduksi. Pada waktu yang sama lubang pita valensi juga bergerak tetapi berlawanan arah dengan gerakan elektron. Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan nh.
b.
Semikonduktor ekstrinsik
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang sudah dimasukkan sedikit ketidakmurnian (doping) atau pengotoran dari luar (ekstraneous inqurities). Akibat doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu tipe-N (pembawa muatan elektron) dan semikonduktor tipe-P (pembawa muatan hole). 1)TIPE – N Misalnya pada bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor ) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron.
105
gb 3. struktur stom semikonduktor type – n. 2) TIPE – P Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalent yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang bolong (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p.
gb 4. struktur stom semikonduktor type – p. 7. ALAT SEMIKONDUKTOR a. Alat Semikonduktor
106
Alat Semikonduktor atau semiconductor devices, adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakan sifat-sifat materi semikonduktor , yaitu Silikon , Germanium , dan Gallium Arsenide . Alat-alat semikonduktor jaman sekarang telah menggantikan alat thermionik (seperti tabung hampa ). Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi
elektronik dalam bentuk padat (solid state), bukannya bentuk hampa (vacuum state) atau bentuk gas (gaseous state). Alat-alat semikonduktor dapat ditemukan dalam bentuk-bentuk
dicrete (potongan) seperti transistor, diode, dll, atau dapat juga ditemukan sebagai bentuk terintegrasi dalam jumlah yang sangat besar (jutaan) dalam satu keping Silikon yang dinamakan Sirkuit terpadu (IC). adapun jenis IC yang bertegangan tinggi ( High Voltage IC ) adalah IC berdaya monolitik bertegangan tinggi dengan menggunakan struktur bebas pengancing dielektrik yang unik. Penggerak motor chip tunggal ( single chip motor driver ), gate driver dan IC pencitraan ultrasound untuk aplikasi industri, konsumen dan medis. b. Dasar alat semikonduktor
Bila sebuah semikonduktor murni dan tidak ter"eksitasi" oleh sebuah input seperti medan listrik dia mengijinkan hanya jumlah sangat kecil arus listrik untuk berada dalam dirinya, dan ia merupakan sebuah insulator . Alasan utama mengapa semikonduktor begitu berguna adalah konduktivitas semikonduktor yang dapat dimanipulasi dengan menambahkan ketidakmurnian (doping, dengan pemberian sebuah medan listrik, dikenai cahaya, atau dengan cara lain. CCD, sebagai contoh, unit utama dalam kamera digital, bergantung pada kenyataan bahwa konduktivitas semikonduktor meningkat dengan terkenanya sinar. Operasi transistor tergantung konduktivitas semikonduktor yang dapat ditingkatkan dengan hadirnya sebuah medan listrik. Konduksi arus dalam sebuah semikonduktor terjadi melalui elektron yang dapat bergerak atau bebas dan lubang. Lubang bukan partikel asli; dalam keadaan yang membutuhkan pengetahuan fisika semikonduktor untuk dapat mengerti: sebuah lubang adalah ketiadaan sebuah elektron. Ketiadaan ini, atau lubang ini, dapat diperlakukan sebagai muatan-positif yang merupakan lawan dari elektron yang bermuatan-negatif. Untuk mudahnya penjelasan "elektron bebas" disebut "elektron", tetapi harus dimengerti bahwa mayoritas elektron dalam benda padat, tidak bebas, tidak menyumbang kepada konduktivitas. 107
Bila sebuah kristal semikonduktor murni sempurna, tanpa ketidakmurnian, dan ditaruh di suhu yang mendekati nol mutlak dengan tanpa "eksitasi" (yaitu, medan listrik atau cahaya), dia tidak akan berisi elektron bebas dan tidak ada lubang, dan oleh karena itu akan menjadi sebuah insulator sempurna. Pada suhu ruangan, eksitasi panas memproduksi beberapa elektron bebas dan lubang dalam pasangan-pasangan, tetapi kebanyakan semikonduktor pada suhu ruangan adalah insulator untuk kegunaan praktikum. Sebagai contoh aplikasi Semikonduktor yaitu ; dioda dan transistor. DIODA
Jika dua tipe bahan semikonduktor ini dilekatkan–pakai lem barangkali ya :), maka akan didapat sambungan P-N ( p-n junction) yang dikenal sebagai dioda. Pada pembuatannya memang material tipe P dan tipe N bukan disambung secara harpiah, melainkan dari satu bahan (monolithic) dengan memberi doping (impurity material ) yang berbeda.
gb 5. simbol sambungan p-n Jika diberi tegangan maju ( forward bias), dimana tegangan sisi P lebih besar dari sisi N, elektron dengan mudah dapat mengalir dari sisi N mengisi kekosongan elektron (hole) di sisi P.
gb 6. forward bias. Sebaliknya jika diberi tegangan balik (reverse bias), dapat dipahami tidak ada elektron yang dapat mengalir dari sisi N mengisi hole di sisi P, karena tegangan potensial di 108
sisi N lebih tinggi. Dioda akan hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier ). Dioda, Zener, LED, dan Varactor. Dioda Bertegangan Tinggi (High Voltage Diodes) Menyediakan jajaran produk dioda daya yang serbaguna termasuk tipe dioda kaca dengan keandalan yang tinggi, perangkat pelindung tekanan tegangan ( surge suppression ) untuk melindungi peralatan elektronik (terutama dalam aplikasi otomotif) dan jenis bertegangan tinggi untuk pengoperasian tampilan pada frekuensi tinggi. Tersedia dalam bentuk axial lead , press-fit dan paket pemasangan permukaan ( surface mount ). TRANSISTOR
Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.
GB 7. Transistor through-hole (dibandingkan dengan pita ukur sentimeter). Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada di tengah, di antara emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutup negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutup positif. bi=2 dan polar = kutup. (William Schockley pada tahun 1951) adalah seseorang yang pertama kali menemukan transistor bipolar.
109
GB 7.Transistor NPN dan PNP Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian – rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen-komponen lainnya. Cara Kerja Transistor
Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor, bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET), yang masing-masing bekerja secara berbeda. Transistor
bipolar
dinamakan
demikian
karena
kanal
konduksi
utamanya
menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut. FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut. 110
BAHAN ORGANIK DAN SINTETIS Bahan organik adalah bahan – bahan yang dihasilkan oleh alam. Sedangkan bahan sintetis adalah bahan tiruan yang diciptakan oleh manusia. Bahan Tambang
Bahan tambang adalah bahan yang berasal dan terdapat dari penggalian dalam tanah dalam bentuk bijih (seperti besi, seng, bongkahan batu : pualam, batu tulis, dll.) yang harus diproses dahulu untuk mendapatkan bahan yang dikehendaki. Beberapa macam bahan tambang tersebut antara lain : a. Batu pualam, yaitu batu kapur (CaCo3) atau dolomit merupakan bongkahan
batu besar yang dipotong-potong menjadi lempengan tebal dengan ukuran tertentu. b. Asbes, yaitu bahan berserat, tidak kuat dan mudah putus, dan sebenarnya kuat
baik digunakan untuk penyekat listrik.. c. Mika. Mika ini mempunyai sifat-sifat teknis yang baik, sehingga banyak
digunakan sebagai bahan penyekat. d. Mikanit . Yaitu Mika yang telah mendapat perubahan bentuk maupun susunan
bahannya sesuai kebutuhan. Tujuan melapis mika dan terkadang dengan tambahan kain, kertas atau pita adalah untuk memperoleh tebal yang dikehendaki agar dapat mempertinggi daya sekat listrik, dan untuk menanbah kekuatan mekanis agar tidak retak jika digulung atau dilipat. e. Mikafolium. Yaitu sejenis mikanit dan sebagai bahan menggunakan mika
yang ditaburkan di atas lapisan kertas tipis dengan perekat pernis dan bahan sintetis lain. Mikafolium mudah dibengkokan dengan cara pemanasan, dan bahan ini digunakan sebagai penyekat untuk pembungkus kawat atau batang lilitan pada mesin-mesin listrik tegangan tinggi. f.
Mikalek . Yaitu dengan menggunakan gelas dan plastik sebagai bahan dasar,
bubuk mika sebagai pengisi dan ditambah perekat pernis kemudian dicetak. Pengepresan cetakan membutuhkan suhu yang tinggi untuk dapat melunakan gelas, sehingga bahan ini mempunyai kekuatan mekanis yang tinggi. 111
g. Batu tulis. Yaitu merupakan bahan penyekat dengan bentuk berlapis -lapis
dan mudah dibelah-belah dengan pahat atau martil. Batu tulis ini tidak dapat digosok halus seperti pualam, mempunyai mekanis kuat sebagai penyekat, tetapi kurang menarik dan dapat menyerap air. Walaupun lebih tahan terhadap asam dan panas tetapi bahan ini sudah jarang dipakai. h. Phlogopite . Yaitu batu ambar mika yang mengandung kalium, silikat
magnesium aluminium yang berasal dari kanada dan madagaskar. Sedangkan Muscivite adalah mika putih yang mengandung kalium, silikat aluminium
yang merupakan salah satu bahan penyekat terbaik karena lebih kuat, lebih keras, lebih fleksibel daripada Phlogopite dan juga tahan terhadap asam dan zat alkali.
Bahan Berserat
Bahan dasar yang dipergunakan untuk bahan berserat berasal dari tiga mac am, yaitu tumbuh-tumbuhan, binatang, dan bahan tiruan (sintetis). Sebenarnya bahan ini kurang baik sebagai bahan penyekat listrik karena sifatnya sangat menyerap cairan, sedangkan cairan itu dapat merusak penyekat yang menyebabkan daya sekatnya menurun. Tetapi karena faktorfaktor lain seperti : bahan berlimpah sehingga murah harganya; daya mekanisnya cukup kuat dan fleksibel; dan dengan disusun berlapis-lapis dan dicampur dengan zat-zat tertentu untuk meningkatkan daya sekat, daya mekanis dan daya tahan panas, sehingga bahan berserat ini banyak dipakai sebagai penyekat listrik. Beberapa bahan yang termasuk bahan berserat, antara lain : a. Benang
Benang merupakan hasil pemintalan pertama dari sebuah kapas yang berserat cukup panjang, setelah biji-bijinya yang menempel dipisahkan terlebih dahulu. Dari kumpulan benang ini dapat dibuat tali, pita, dan kain tenun, yang selanjutnya disebut dengan tekstil. Dalam bidang kelistrikan banyak digunakan sebagai penyekat kawat. benang banyak dipakai untuk penyek at kawat halus yang digunakan dalam pembuatan pesawat-pesawat cermat seperti pengukuran listrik. Sekarang banyak digunakan benang sintetis dari bahan plastik, gelas, dan sebagainya karena lebih kuat dan tahan panas. b. Tekstil
112
Dengan menenun benang menjadi tekstil (pita dan kain dengan berbagai macam corak, ukuran dan kualitas) maksudnya adalah untuk memperoleh penyekat yang lebih baik, yaitu pertama lebih kuat, dan kedua dalam beberapa hal mempermudah teknis pelaksanaan (membalut lilitan penyekat kawat). Selain tekstil dari kapas, ada juga dari serat yumbuhyumbuhan yang dikenal dengan nama lena (linnen). Bahan ini lebih kuat daripada kertas. Pada tekstil ini ada yang terbuat dari bahan tiruan (sintetis), dimana bahan ini digunakan dalam bidang kelistrikan sebagai penyekat kawat-kawat lilitan mesin listrik, pengikat, dan sebagainya. Karena sifat tekstil ini dapat menyerap cairan, maka untuk memperbaiki daya sekatnya dilapisi atau dicelup ke dalam cairan lak penyekat. c. Kertas
Bahan dasar kertas adalah selulosa, dimana bahan ini adalah zat sel tumbuh tumbuhan yang terdapat antara kulit dan batangnya. Selulosa ini berserat, fleksibel, lunak dan menyerap air, sedangkan bahan pembuat kertasnyadiambil dari kayu, merang, rami, majun (sisa bahan tekstil), dan lain-lain. Kertas yang terlalu kering atau lembab, kekuatan penyekatnya berkurang karena kertas sangat menyerap cairan, sehingga untuk mengatasinya kertas dilapisi lak penyekat. Penggunaan kertas untuk penyekat selain sebagai pembalut lilitan kawat dan kumparan, juga untuk penyekat kabel dan kondensator kertas. Untuk memenuhi tebal yang diharapkan kertas dibuat berlapis -lapis. d. Prespan
Prespan juga sebetulnya kertas, karena bahan dasarnya sama hanya berbeda sifatsifatnya saja. Dibandingkan dengan kertas, prespan lebih padat sehingga kurang menyerap air. Padat karena pembuatannya ditekan dengan tegangan tinggi sehingga lebih keras dan lebih kuat, tetapi dapat dibengkokan dengan tidak retak-retak sehingga baik sekali untuk penyekat alur stator atau rotor mes in listrik, juga pada transformator sebagai penyekat lilitan dan kawatnya. Prespan ini di pasaran berbentuk lembaran atau gulungan dengan ukuran tebal antara 0,1 sampai 5 mm, warnanya kekuning-kuningan, coklat muda atau abu. Karena daya menyerap air masih ada, maka dalam pelaksanaannya selalu masih perlu dilapisi lak penyekat. e. Kayu
Pada tahun-tahun yang silam, kayu banyak digunakan sebagai penyekat misalnya untuk tiang listrik, karena terdapat dimana-mana dan harganya murah. Sekarang kayu banyak terdesak oleh besi, beton, dan bahan sintetis. Kelebihan kayu adalah kekuatan mekanisnya 113
cukup tinggi tergantung dari macam dan kerasnya kayu, tetapi kelemahannya adalah menyerap air, dapat rusak karena hama dan penyakit serangga sehingga mudah rapuh. Supaya day a tahan lama, maka kayu harus diawetkan lebih dahulu. f. Fiber Pulkanisir
Proses pembuatan bahan ini sebelum digulung pada silinder baja, kertas dilewatkan melalui larutan chlorida seng (ZnCl2) yang panas. Tiap lapisan direkatkan dengan perekat sampai mencapai tebal lapisan yang dikehendaki pada gulungan tersebut. Pembersihan kembali zat chlorida seng dilakukan dengan air bersih, kemudian di pres menjadi lembaran, papan, atau dibuat pipa dengan tebal antara 0,5 sampai 25 mm. Bahan ini kuat sekali, tetapi menyerap air sehingga sebelumnya dilapis dahulu dengan parapin, minyak transformator atau zat lain serupa. g. Kain Pernis
Bahan kain yang telah dipernis sering disebut dengan cambric. Kelebihan bahan ini adalah fleksibel, kekuatan mekanisnya tinggi sedangkan lapisan pernisnya merupakan penyekat listrik yang baik. Sehingga daya penyekat semacam ini sangat luas digunakan pada pekerjaan mesin listrik, peralatan, serta kabel listrik selain dijadikan pita dan pembalut. Macam penyekat ini dapat digunakan untuk suhu sekitar 1000C, dengan bahan sintetis seperti polyester dan polyamid. Kain pernisan dijual dalam gulungan dengan lebar kira-kira 1 yard dan panjang antara 45 yard sampai 90 yard. h. Pita Penyekat
Bahan ini banyak digunakan dalam bidang instalasi listrik, yang merupakan pita penyekat dengan campuran karet dalam gulungan kecil antara 1 dan 5 cm lebar dan garis tengah luar kira-kira 15 cm. Tebal pita kira-kira 0,25 mm. Sekarang banyak pita perekat terbuat dari bahan sintetis kuat dan tidak menyerap air, tetapi tidak untuk suhu yang tinggi. Gelas dan Keramik a. Gelas
Gelar merupakan penyekat yang baik untuk arus listrik, tetapi kekuatan mekanisnya kecil dan sangat rapuh tidak seperti bahan keramik. Pemakaian dalam teknik listrik antara lain untuk pembuatan bola lampu pijar, termometer-kontak (untuk mengontrol suhu tertentu suatu tenpat seperti tempat penetasan telur), dan lain-lain. Untuk hiasan penerangan listrik banyak dipakai ornamen kaca yang dibuat dari kaca susu, kaca kabur (matglas) dan kaca opal, yang dalam perdagangan terdapat bermacam-macam bahan gelas seperti gelas kristal, 114
gelas kali, gelas natron, dan gelas flint . Bahan baku pembuatan gelas adalah kuarsa dan kapur yang dicairkan bersama-sama dengan bahan lainnya. Paduan kuarsa dengan oksida timbel menghasilkan gelas kristal, bahan baku ditambah dengan potas menghasilkan gelas kali, dan penambahan soda menghasilkan gelas natron. Pengerjaan bahan baku di atas biasanya dipanaskan sampai + 20000C, sehingga menjadi encer dan baru dikerjakan. b. Keramik
Keramik didapat dari bahan galian dengan melalui proses pemanasan, kemudian dijadikan barang keramik, seperti cangkir teko, dalam teknik listrik digunakan untuk penyekat loceng dan mantal. Keramik yang digunakan untuk keperluan teknik listrik harus mempunyai daya sekat yang besar dan dapat menahan gaya mekanis yang besar seperti porselin dan steatit. Bahan penyekat dari porselin seperti : penyekat lonceng, penyekat mantel, penyekat cincin, penyekat tegangan tinggi, sekering pipa porselin, dan lain-lain. Sedangkan bahan penyekat terbuat dari steatit, antara lain : sakelar, kontak tusuk, manikmanik penyekat kawat penghubung yang dapat melentur (fleksibel) dan letaknya berdekatan dengan alat pemanas listrik, untuk pembuatan bumbung penerus (tube), pena-kontak -baut, badan alat-alat pemanas seperti kompor listrik, seterika, dan lain-lain.
Plastik
Plastik merupakan paduan dari dua bahan yaitu bahan perekat (seperti damar atau resin) dan bitumin dengan bahan pengisi serbuk batu, serbuk kayu dan katun. Menurut paduannya, ada bermacam-macam bahan plastik, diantaranya bakelit . Ada dua jenis plastik yang perlu kita ketahui, yaitu : a. Thermoplastik. Bahan ini pada suhu 600C sudah menjadi lunak, dan pemanasan
sampai mencair tidak merubah struktur kimiawi b. Thermosetting plastik. Bahan ini setelah mengalami proses pencairan dan cicetak
menjadi barang akan mengalami perubahan struktur kimiawi, hingga tidak dapat lunak lagi walaupun dipanaskan. Beberapa bahan pengisi paduan dalam pembuatan plastik selain yang telah disebutkan di atas, antara lain : mika, alpha selulosa, kain kapas, kertas, asbes, grafit, karbon, dan kanvas.
Karet, Ebonit dan Bakelit
115
