Makalah
Pengetahuan Bahan Listrik
BAHAN
SUPERKONDUKTOR
DOSEN
PEMBIMBING: Fathurrahman, S.T.,M.Eng.Sc
Disusun
oleh:
Muhammad Al-Muchlis
Fitrah Maulana Akbar
Raja Ilham Syahputra
Fathul Hadi
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TARBIAH
DAN KEGURUAN
UNIVERSITAS
ISLAM NEGERI AR A- RANIRY
BANDA ACEH
2017
KATA
PENGANTAR
Puji dan syukur kita
panjatkan kehadirat Allah SWT, Karena dengan taufik dan hidayah-Nya kami dapat
menyusun sebuah makalah dengan judul “Bahan Super Konduktor”. Kemudian shalawat
beriring salam tak lupa kita sanjungkan ke haribaan Nabi Besar Muhammad SAW,
yang telah membawa kita dari alam jahiliyyah ke alam yang penuh dengan ilmu
pengetahuan seperti yang bisa kita rasakan pada saat ini.
Pada kesempatan ini
penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu
penulis dalam menyelesaikan penyusunan makalah ini. kami menyadari bahwa
penyusunan makalah ini jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu kami sangat
mengharapkan kritikan sehat serta saran dari semua pihak sehingga makalah ini
menjadi sempurna. Semoga makalah ini menjadi manfaat bagi para pembacanya. Amin
Ya Rabbal A’lamin.
Banda Aceh, 3 Januari
2017
Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR........................................................................................................ .... i
DAFTAR ISI ....................................................................................................................... .... ii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar
Belakang......................................................................................................... .... 1
1.2. Rumusan masalah………………………………………………………………................................... 1
1.3. Tujuan ……………………………………………………………………………………………………………….. 2
BAB II PEMBAHASAN..................................................................................................... 2
2.1. Pengertian Bahan Superkonduktor………...……………………………………. 5
2.2. Jenis Bahan Superkonduktor ……………..…………………………………….. 8
2.3. Pemanfaatan Baahan Superkonduktor
………………………………………….. 13
BAB III PENUTUP.............................................................................................................
3.1.
KESIMPULAN........................................................................................................ 16
3.2.
SARAN.................................................................................................................... 16
DAFTAR PUSTAKA......................................................................................................... ....
BAB I
PENDAHULUAN
2.2.
Latar Belakang
Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh Heike
Kamerlingh Onnes, seorang fisikawan asal Belanda dari Universitas Leiden. Pada
10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkannya hingga suhu 4K atau -269C. Pada
1911, ia mulai mempelajari sifat-sifat listrik pada logam yang bersuhu sangat
rendah. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun
ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat
mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika emperature logam
mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti
William Kelvin memperkirakan bahwa emperat yang mengalir dalam konduktor akan
berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain
termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada
keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang
sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang
sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada
suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba
menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Demikian
dengan tidak adanya hambatan yang mengalir maka mengakibatkan arus mengalir
dengan emper yang kekal.
Memanfaatkan
zat
padat atau material padat yang memiliki sifat dan karaketristik prinsip dari daya hantar
(konduktivitas) kelistrikan membuatnya untuk dapat mengalirkan arus listrik
dalam suatu rangkaian tertutup pada kumparan superkonduktor dan kemudian
melepaskan sumber arus (tegangan di matikan atau dihilangkan; dibuat nol), lalu
diukur arus ternyata arus masih tetap mengalir pada rangkaian tersebut, oleh
karenanya fenomena ini disebut sebagai superkonduktor atau superkonduktivitas. Bahan
konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik.
Bahan konduktor yang ada sekarang ini masih memiliki nilai resistansi atau
hambatan listrik yang masih dapat menyebabakan disipasi atau hilangnya sebagian
emper listrik yang di ubah menjadi panas. Penemuan di bidang superkonduktor
memberikan fenomena berhasilnya disintesisnya suatu bahan empera yang bersifat
superkonduktor,
1.2.
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang makalah ini,
maka kami membuat suatu rumusan masalah, yaitu:
A. Pengertian
superkonduktor.
B. Jenis-jenis bahan
superkonduktor.
C. karakter dan sifat bahan superkonduktor.
D. Cara pembuatan
superkonduktor.
E. pemanfaatan
superkonduktor.
1.3 Tujuan
Adapun tujuan
dari penyusunan makalah ini dapat kami bagi menjadi dua:
Tujuan Umum
Memberikan
penjelasan mengenai bahan-bahan superkonduktor Penerapan bahan superkonduktor
dalam berbagai bidang
Tujuan
Khusus
Untuk memenuhi
tugas mata kuliah pengetahun bahan listrik
Manfaat
Makalah ini
disusun dengan maksud supaya dapat mempelajari tentang superkonduktor dan
mengetahui lebih dalam lagi mengenai contoh-contoh dari superkonduktor
tersebut.
BAB II
PEMBAHASAN
A.
Pengertian bahan superkonduktor
Bahan superkonduktor merupakan bahan
material yang memiliki hambatan listrik bernilai 0 pada suhu yang sangat
rendah, Arus yang mengalir pada rangkaian tertutup dari bahan superkonduktor
akan terus mengalir selamanya, superkonduktor dapat menghantarkan arus tanpa
adanya sumber tegangan, bahan ini terdiri dari campuran unsur-unsur tertentu
yang dapat menghantarkan arus listrik, dan Bahan ini dapat berupa konduktor,
semi konduktor mapun isolator. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah
medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner.
Suhu dan Medan Magnet Kritis
Untuk
menghasilkan keadaan atau kondisi superkonduktor membutuhkan syarat yaitu suhu
kritis (Tc), suhu kritis ini bervariasi dari tiap material, suhu kritis ini
biasanya antara 0⁰K sampai 130⁰K, di bawah suhu kritis akan menghasilkan
hambatan bernilai 0 dan bersifat emperature. Dari penelitian, logam murni
seperti emas atau tembaga yang di suhu ruang merupakan konduktor yang sangat
baik, justru mempunyai suhu kritis yang ekstrim, di bawah 4K untuk menjadi
superkonduktor. Adalah keramik yang mempunyai titik kritis cukup tinggi, di
atas titik didih nitrogen cair, sehingga lebih mudah untuk diaplikasikan.
Padahal keramik adalah isolator yang baik pada suhu ruang.
a)
Temperatur Kritis (Tc)
Ketika temperature bahan diturunkan dari
emperature ruang normal sampai pada
batas temperature tertentu bahan ini akan memiliki sifat superkonduktor.
Temperatur bahan pada saat terjadinya perubahan sifat bahan ini dinamakan
sebagai temperature kritis (Tc).
b) Medan Magnet Kritis
Medan magnet kritis adalah
batas kuatnya medan magnet sehingga bahan superkonduktor memiliki medan magnet.
Prinsip kerjanya adalah jika bahan superkonduktor yang berada dalam lingkungan
medan magnet yang kuat medan magnetnya lebih kecil dari medan magnet kritis
maka bahan superkonduktor tersebut akan ditolak oleh medan magnet (mengalami
efek meissner), sebaliknya jika kuat medan magnet luarnya lebih besar dari medan
magnet kritisnya maka bahan superkonduktor tersebut akan berubah menjadi
keadaan normal (tidak mengalami efek meissner). Ketika bahan
superkonduktor didinginkan di bawah temperature kritis (Tc) dan medan magnet
dinaikkan secara bertahap diatas medan magnet tertentu (Hc) maka sifat
superkonduktivitas bahan akan hilang sehingga menjadi bahan konduktor biasa.
c)
Efek
Meissner
Ketika superkonduktor
ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus
superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration
Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100
nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek
Meissner dan merupakan krakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah
efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet. Efek Meissner ini sangat
kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor.
Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya
terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan
sifat superkonduktivitasnya.
Contoh gambar efek meissner pada Bahan Superkonduktor :
B. Jenis-jenis bahan superkonduktor.
a.
Penemuan Bahan
Superkonduktor
Dalam
beberapa tahun terakhir para ilmuwan telah menemukan berbagai macam bahan
yang dapat menjadi superkonduktor. Bahan-bahan tersebut antara lain:
a.
Mercury (1911): Superkonduktor pertama ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes.
Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi
superkonduktor yaitu 4,2 Kelvin.
b.
Niobium Alloy (1941): Penggunaan superkonduktor dalam industri terjadi setelah
tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb3Sn), yang
menjadi superkonduktor pada suhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi
dan tahan terhadap medan magnet besar.
c.
Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor temperatur transisi
tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.
d.
Heavy Fermion (1979): Superkonduktor Heavy Fermion seperti uranium platina
(UPt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif memiliki electron
ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional tidak dapat menjelaskan
sifat superconductivity materi ini.
e.
Cuprates (1986): Cuprates merupakan superkonduktor suhu tinggi yang pertama.
Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih
pada suhu 77 Kelvin.
f.
Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang menjadi superkonduktor
ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.
g.
HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu
transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi
superkonduktor pada suhu 164 Kelvin.
h.
Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium
diboride merupakan kasus luar biasa dari superkonduktor konvensional.
i.
Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini
merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.
b. Bahan Superkonduktor
Bahan semikonduktor yang
pertama ditemukan adalah raksa oleh Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911.
Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat
superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Beberapa contoh bahan
superkonduktor yang berhasil ditemukan dan suhu kritisnya dapat dilihat pada
tabel berikut,
No
|
Bahan
|
Suhu Kritis (Tc)K
|
Tahun Ditemukan
|
1
|
Raksa Hg
|
4,2
|
1911
|
2
|
Timbal Pb
|
7,2
|
1913
|
3
|
Niobium nitrida
|
16,0
|
1960-an
|
4
|
Niobium-3-timah
|
8,1
|
1960-an
|
5
|
Al0,8Ge0,2Nb3
|
20,7
|
1960-an
|
6
|
Niobium germanium
|
23,2
|
1973
|
7
|
Lanthanum barium Tembaga
oksida
|
28
|
1985
|
8
|
Yattrium barium tembaga
oksida (1-2-3 atau YBCO) |
93
|
1987
|
9
|
Thalium barium kalsium
Tembaga oksida |
125
|
-
|
10
|
Karbon ( C )
|
15
|
-
|
11
|
HgBa2Ca2Cu3O8
|
164
|
1995
|
c) Bahan Superkonduktor tidak terjadi
pada :
1) Emas
2) Perak
3)
Bahan ferromagnetic
d)
Kelas Superkonduktor
Kelas I, (Low Temperature
Superconductor) adalah bahan yang harus berada pada suhu yang sangat
rendah untuk memiliki sifat superkonduktor.
Kelas II (High Temperature
Superconductor) adalah bahan yang dapat berada pada suhu diatas bahan kelas I
untuk menjadi superkonduktor.
e)
Teori
BCS
Pemahaman tentang
superkonduktivitas diteliti lebih jauh pada tahun 1957 olehtiga fisikawan
Amerika, John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer, melaluiteori mereka
yang disebut teori BCS. Teori BCS menjelaskan superkonduktivitas pada suhu
mendekati nol mutlak. Cooper membuktikan bahwa kisi vibrasi atomsecara langsung
mempengaruhi arus. Mereka memaksa electron untuk berpasangan dan dapat
melewati semua penghambat yang menimbulkan resistansi(hambatan) pada konduktor.
Gabungan electron ini dikenal dengan pasanganCooper (Cooper pairs). Cooper dan
teman-temannya tahu bahwa electron yang normalnya saling tolak menolak, akan
mengalami tarik menarik padasuperkonduktor. Jawaban dari masalah ini ditemukan
pada phonon, paketgelombang bunyi yang ada pada kisi yang bervibrasi. Walaupun
vibrasi kisi ini tidak dapat didengar, perannya sebagai moderator sangat
diperlukan.
f) Tipe-tipe Superkonduktor
Berdasarkan
interaksi dengan medan magnetnya, maka superkonduktor dapat dibagi menjadi dua
tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II.
Superkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan
Schrieffer) dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering
disebut pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan
penarik yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya
pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata
dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan
seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai
dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat
medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi
batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada
superkonduktor tipe I akan terus – menerus menolak medan magnet yang diberikan
hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan
berubah kembali ke keadaan normal. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan
adalah unsur-unsur tunggal.
Superkonduktor tipe II ini tidak dapat
dijelaskan dengan teori BCS karena apabila superkonduktor jenis II ini
dijelaskan dengan teori BCS, efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov
berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II
ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan
dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa
parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan bagaimana medan
magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini.
Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat memprediksikan jumlah pusaran
yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan
dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan
magnet. Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan.
Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Pada
suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II
memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I. Kelompok
superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo),
niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium
(Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan
C. karakter dan sifat bahan superkonduktor.
Karakteristik
dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol
dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah
suhu kritisnya. Adapun sifat dari bahan superkonduktor adalah sebagai berikut
a)
Sifat
Kelistrikan Superkonduktor
Ketika
medan listrik diberikan pada bahan logam,elektron akan mendapat percepatan,
medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala arah dan menumbuk atom-atom
pada kisi hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor.
Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara
elektron dengan inti atom namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami
hambatan dari atom kisi,efek ini dapat
dijelaskan oleh Teori BCS.
b)
Sifat
Kemagnetan Superkonduktor
Jika
sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak
akan ada medan magnet dalam superkonduktor,
hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam,
bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek ini
dinamakan efek meissner
c)
Sifat Quantum Superkonduktor
Teori dasar kuantum untuk superkonduktor
adalah teori BCS (1957). Teori BCS menjelaskan bahwa elektron tunggal pada
bahan superkoduktor tidak dapat menghantarkan listrik melainkan harus
berpasangan dan seluruhnya berada dalam keadaan kuantum yang sama, yang dikenal
dgn pasangan Cooper (Cooper pairs).
D. Cara
pembuatan superkonduktor.
Berikut ini beberapa cara pembuatan
superkonduktor dengan tipenya masing-masing;
1.
Cara pembuatan semikonduktor tipe- n
Cara
pembuatan semikonduktor tipe-n adalah dengan menambahkan atom pengotor
pentavalen (antimony, phosporus atau arsenic) pada silikon murni. Atom pengotor
ini mempunyai 5 elektron valensi sehingga memiliki muatan sebesar +5q. Pada
saat atom pentavalen menempati atom silicon pada kisi kristal, hanya 4 elektron
valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, sisanya yaitu sebuah
elektron akan menjadi elektron bebas apabila diberi tekanan thermal.
Atom
bebas tersebut siap untuk menghantarkan listrik. Material yang dihasilkan dari
proses pengotoran ini disebut dengan semikonduktor tipe-n karena menghasilkan
pembawa muatan negatif dari atom netral. Karena atom ini memberikan elektron
maka bisa disebut dengan atom pendonor.
2. Cara
pembuatan semikondukter tipe- p
Semikonduktor
tipe-p dibuat sengan cara menambahkan atom trivalen (aluminium, boron, galium
atau indium) pada semikonduktor murni. atom-atom ini mempunyai 3 elektron
valensi sehingga hanya dapat membuat maksimal 3 ikatan kovalen lengkap,
nantinya akan tersisa 1 muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan.
Proses
ini disebut proses pembuatan semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa
muatan negatif pada kristal yang netral. Atom tersebut juga menerima elektron
sehingga disebut dengan atom aseptor (acceptor).
E. pemanfaatan superkonduktor.
Dasar penggunaan semikonduktor adalah
terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion), dimana semikonduktor tipe-p dan
tipe-n digabungkan yang merupakan dasar terjadinya terjadinya revolusi
industri akibat ditemukan transisistor oleh wiliam Shocklye, John Barden dan
Walter Brattain di laboratorium Bell pada tahun 1948. Pemanfaatan
superkonduktor antara lain
a)
Kabel Listrik
Dengan menggunakan bahan superkonduktor, maka
energi listrik tidak akan mengalami
disipasi karena
hambatan pada bahan superkonduktor bernilai nol (lebih tepatnya mendekati 0)
sehingga penggunaan energi listrik akan semaki efektif.
b)
Kereta Maglev (Magnet Levitation)
Prinsip kerja dari kereta Maglev ini adalah
memanfaatkan gaya angkat magnetik pada relnya yang di akibatkan oleh efek
Meissner yaitu pengankatan Magnet oleh Superkonduktor sehingga terangkat
sedikit ke atas, kemudian gaya dorong dihasilkan oleh motor induksi. Kereta ini
mampu melaju dengan kecepatan 650 km\jam.
c)
Magnetic Resonance Imaging
Dipergunakan dalam bidang
kedokteran. Menggunakan medan magnet dan gelombang radio sehingga lebih aman
dibandingkan X-ray.
d)
Superconducting Quantum Interference Device (SQUID)
Dapat
mendeteksi medan magnet sangat kecil. Dipakai mencari minyak dan mineral.
e) Generator
Generator konvensional yang
menggunakan kawat tembaga memiliki efisiensi 98,5-99,0 persen, sedangkan
generator superkonduktor efisiensinya dapat mencapai 99,6 persen.
Hal ini
disebabkan superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet sangat kuat sehingga
generator dapat dibuat dengan ukuran lebih kecil dari yang konvensional.
Jepang telah
menciptakan generator superkonduktor berdaya 70 MW.
B. Keuntungan dari menggunakan
superkonduktor:
- Tidak ada energi yang terbuang ketika superkonduktor ini menghantar arus listrik. Milyaran rupiah bisa kita selamatkan dengan menggunakan superkonduktor daripada konduktor biasa.
- Karena tidak ada resistansi dalam superkonduktor, sirkuit yang menggunakan superkonduktor tidak akan menjadi panas dan jadi semakin banyak sirkuit yang bisa kita kompres per sentimeter kubik
3. superkonduktor
ini bisa berfungsi sebagai transistor (sejenis komponen sirkuit yang bisa
mengamplifikasi signal listrik dan digunakan di semua peralatan modern yang
menggunakan listrik) tetapi bisa berfungsi 100 kali lebih cepat.
BAB III
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
Superkonduktor
ialah bahan material yang memiliki hambatan listrik nol pada suhu yang sagat
rendah namun mengalirkan arus listrik dengan energy tetap. Pada dasarnya
karakteristik superkonduktor pada medan magnet bernilai nol dikenal sebagai
efek meissner. Apabila medan magnetnya terlalu besar , maka efek meissner ini
akan hilang (Menjadi nol) dan material akan kehilangan sifat konduktivitasnya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar