ringkasan buku mtl

5/25/2018 Ringkasan Buku MTL

1/50

BAB 1 : PENGENALAN BEBERAPA SIFAT BAHAN

Sebagai seorang sarjana, penting untuk mengetahui sifat bahan selama proses pembentukannnya dan

karakteristik selama pemakaian suatu material. Pertama, alasan keselamatan. Kedua, perkembangan teknologi

material yang pesat. Tanpa adanya perkembangan ini, tidak akan ada produk baru yang memenuhi kebutuhan

yang juga semakin meningkat. Contoh perkembangan teknologi material : bahan isolator, super konduktor, dansemi konduktor (silikon, gallium arsenat).

Sifat Mekanis

Seorang perencana menentukan sifat-sifat mekanik dari bahan yang akan digunakannya kemudian

menyerahkannya ke ahli teknologi material untuk dibuat sesuai spesifikasi.

Deformasi adalah perubahan bentuk karena bahan menerima gaya. Deformasi terdiri dari :

a. Deformasi Elastis : perubahan bentuk dari bahan yang mampu kembali ke bentuk semula tanpaperpindahan atom yang bersifat permanen. Elastisitas : pemulihan kembali secara utuh dari perubahan

bentuk setelah tekanan dihilangkan. Tidak ada material yang elastis sempurna berapapun tingkatan

tekanannya. Elastisitas sebuah material masih memungkinkan diubah dengan menaikkan temperatur. Air

raksa adalah contoh bahan yang mudah terdeformasi elastis dengan perubahan suhu.

b. Deformasi Plastis : perubahan bentuk permanen akibat adanya perpindahan atom secara permanen.Plastisitas : kemampuan material menahan perubahan bentuk permanen tanpa patah.

SifatSifat Mekanik suatu bahan :

a. Tegangan (Stress) : gaya yang bekerja pada bahan per satuan luas. Selama deformasi, bahan mampumenyerap energi akibat gaya yang bekerja sepanjang jarak deformasi.

b. Regangan (Strain) : besarnya perubahan perubahan bentuk/deformasi suatu bahan per satuan panjang.c. Kekuatan (Strength) : besarnya gaya yang dibutuhkan untuk merusak suatu bahan.d. Keuletan (ductility) : besarnya deformasi plastik yang dilakukan pada bahan sampai sebelum patah. Bahan

yang mudah patah dengan tanpa/sedikit pemanjangan disebut rapuh. Daya rentang/renggangnya jauh

dibawah kekuatannya sendiri.

e. Pemanjangan (elongation) : [(lflo) / lo] x 100%f. Ketangguhan (toughness) : besarnya energi yang dibutuhkan untuk mematahkan bahan.

Sifat / Karakteristik Termal

Temperatur/suhu : Tinggi/rendah termal dari suatu aktivitas. Kandungan kalor : besar energi termal. Namun,

keduanya berkaitan dengan kapasitas kalor.

Muai panas : pemuaian dialami benda yang dipanaskan sehingga ada peningkatan getaran atom atomdan mengakibatkan pertambahan panjang.

= L . T

Muai volume : pemuaian juga mengakibatkan perubahan volume. = V . T Daya hantar panas : perambatan panas melalui benda padat biasanya karena konduksi.


2/50

Q = k(). Naiknya suhu tinggi mengakibatkan perubahan susunan atom yang mengiringi pencairan.

Pengaturan kembali atom akibat perubahan suhu menyebabkan daya hantar panas terganggu.

Pengaruh Medan listrik

Medan listrik dapat merusak isolator, dikenal dengan nama kegagalan dielektrik. Logam dan semikonduktor

dapat menghantarkan listrik bila ditempatkan di medan listrik. Pembawa muatan pada logam dan

semikonduktor adalah elektron.

= = n.q.

= konduktivitasn = jumlah pembawa muatan

q = besar muatan

= mobilitas pembawa muatan

= tahanan jenis (sifat suatu bahan, tidaktergantung bentuk)

L = panjang bahan

A = luas penampang bahan


3/50

BAB 2 : IKHTISAR IKATAN

Semua bahan padat atom atom terikat, ikatan ini memberi kekuatan dan menentukan sifat sifat listrik dan

termal pada benda padat.

Atom dan Ion

Dalam ilmu bahan, atom dianggap sebagai satuan dasar dari struktur internal. Elektron, khususnya yang terluar

menentukan sifatsifat, seperti :

Sifat kimia Menentukan ikatan antara atom dengan demikian menentukan karakteristik mekanik dan kekuatan. Mengendalikan ukuran atom dan mempengaruhi konduktivitas listrik dari bahan Mempengaruhi karakteristik optik.

Orbital paling tinggi ditempati elektron valensi. Elektron ini bisa dipindahkan oleh medan listrik yang kecil. Cara

melepas elektron secara tidak sengaja : suhu terlalu ekstrem, pemakaian diluar spesifikasi, adanya gaya ext.

Ikatan Primer (Ikatan yang Kuat)

Sifat teknik suatu bahan bergantung pada gaya antaratom. Gaya tarik - menarik antaratom berpangkal pada

struktur elektronik atom. Kondisi stabil dengan 8 elektron dapat dicapai dengan : menerima elektron tambahan

(membentuk ion negatif), melepas elektron (membentuk ion positif), dan membagi elektron. Proses 1 dan 2

menimbulkan ion yang tarik menarik dengan muatan berbeda. Proses 3 dibutuhkan asosiasi antaratom yang

kuat untuk dapat saling berbagi. Ketiga proses diatas membentuk ikatan primer. Ikatan Ion : Ikatan antaratom

yang terbentuk karena adanya gaya tarik menarik muatan positif dan negatif. Syarat : jumlah muatan positif =

jumlah muatan negatif. Ikatan ion adalah sangat stabil. Ikatan Kovalen : Dimana elektron saling terbagi

antardua atom. Ikatan Logam : modelnya tidak semudah ion dan kovalen. Logam khusus memiliki elektron

yang terdislokasi dapat bergerak 3 dimensi. Elektron luar adalah yang paling lemah dan bergerak bebas = awan

/ gas elektron.

Ikatan Molekul ikatan yang lemah

Molekul : kelompok atom yang terikat dengan kuat, dengan ikatan antarkelompok atom sejenis relatif lemah.

Ikatan molekul lemah, sehingga :

Setiap molekul memiliki titik didih dan titik cair yang lebih rendah dari yang lain. Benda padat molekuler lebih lunak, karena setiap molekul dapat tergeser dengan mudah. Molekul tetap utuh dalam keadaan cair atau gas.

Ikatan Sekunder

Ikatan sekunder : ikatan yang lebih lemah, ikatan interatom, dikelompokkan sebagai ikatan Van der Walls.

Peristiwa kondensasi membuktikan bahwa ada gaya interatomik yang menarik atom atom. Kondensasi terjadi

jika energi getaran normal mengecil sehingga gaya Van der Walls menjadi cukup berarti. Proton yang terdapat

di ujung ikatan C-H, O-H, N-H tidak dikelilingi elektron, sehingga muatan positif ini menarik elektron valensi dari

molekul yang berdekatan. Jenis ikatan ini dinamakan Jembatan Hidrogen. Contoh : H2O.


4/50

BAB 3 : SUSUNAN ATOM PADA BENDA PADAT

Kristal

Pengkristalan pada logam, sebagian keramik, dan beberapa polimer terjadi saat bahan tersebut membeku.

Pengkristalan = atom mengatur diri secara teratur dan berulang dalam pola 3D. Kebanyakan kristal logam dan

beberapa keramik berbentuk kubik. Kristal bukan kubik terjadi jika pola pengulangannya tidak sama dalam arah

ketiga koordinatnya dan sudut antara ketiga sumbu kristal tidak sama dengan 90o. Cara mengetahui struktur :

sinar X dan Tomografi. Ada 7 sistem kristal yang dikenal dengan karakteristik geometrik : kubik, tetragonal,

ortorombik, monoklinik, triklinik, heksagonal, rombohedral.

Kisi Kubik

Kisi : suatu pola yang berulang dalam bentuk 3D yang terbentuk dalam kristal.

Kristal kubik terdiri 3 bentuk kisi :

Kubik sederhana Body centered cubic structure / kubik pemusatan ruang (kpr). Co : besi, krom, tungsen.

Pada temperatur ruang, bentuk volume ruang selalu berulang dengan atom di tiap sudutnya dan 1 atom

di pusat kubus. Setiap atom besi dikelilingi 8 atom tetangga (baik yang di pusat maupun di sudut kubus).

Face centered cubic structure / kubik pemusatan sisi (kps). Co : tembaga, alumunium, timah hitam, perak,dan nikel.

Selain atom atom di tiap titik sudutnya, ada juga di tengah setiap bidang permukaannya, tetapi tidak

ada satupun di pusat kubus. Setiap atom dalam bentuk kps mempunyai 12 tetangga.

Polimorfi

Variasi struktur dari molekul dengan komposisi sama disebut isomer. Perbedaan dalam strukur mempengaruhi

sifat molekul karena terjadi perubahan dalam polaritas molekul.

Polimorfi : 2 atau lebih jenis kristal dengan komposisi yang sama. Co : polimorfi karbon (grafit sbg

konduktor, isolator dan intan isolator) ; polimorfi besi (saat dipanaskan maka akan berubah dari kpr

menjadi kps dan terjadi sebaliknya waktu pendinginan).

Ketidakmurnian

Asli belum tentu murni, murni pasti asli. Meskipun benda murni, tetapi asli itu lebih baik karena beberapa

faktor : harga, nilai ekonomis, kita butuh sifat sifat karakteristik tertentu maka butuh ketidakmurnian. Contoh

:

Perak (perak 92,5% dan tembaga 7,5%) menjadikan perak tersebut lebih keras dan awet dengan hargayang lebih murah.

Kuningan (seng dan tembaga) menjadikan lebih murah, kuat, keras, dan lebih ulet dari tembaga,namun daya hantar listrik lebih rendah dari tembaga.

Ketidaksempurnaan dalam Kristal

Ketidaksempurnaan dalam Kristal dapat berupa kekosongan untuk mengimbangi kepincangan muatan.


5/50

Ketidaksempurnaan seperti kekosongan meliputi sebuah/beberapa atom = cacat titik. Ketidaksempurnaan

berbentuk garis = cacat garis. Sejumlah kecil cacat dapat menyebabkan kristal logam menjadi jauh lebih ulet

dibanding keadaan tanpa cacat.

Cacat titik yang paling sederhana adalah kekosongan, ini akibat penumpukan yang salah pada waktu kristalisasi

atau bisa juga terjadi pada suhu yang tinggi (energi termal meningkat atom atom yang melompat

meninggalkan tempatnya juga meningkat). Ada kekosongan tunggal dan ganda.

Cacat garis yang paling banyak ditemukan adalah dislokasi. Dislokasi mudah terjadi pada saat bahan mengalami

deformasi. Dislokasi ada 2 :

Dislokasi garis digambarkan sebagai sisipan satu bidang atom tambahan dalam struktur kristal. Di sekitardislokasi garis ada daerah yang mengalami tekanan dan regangan sehingga ada energi tambahan

sepanjang dislokasi tersebut.

Dislokasi ulir cacatnya menyerupai spiral.Ketidaksempurnaan kristal dalam 2D merupakan suatu batas. Batas yang paling nyata adalah permukaan luar.

Permukaan dapat dilukiskan sebagai akhir atau batas struktur kristal, dalam kenyataannya koordinasi atom

pada permukaan tidak sama dengan koordinasi atom dalam kristal.


6/50

BAB 4 : POLARISASI DIELEKTRIK

Dielektrik dibawah Pengaruh Medan Listrik

Apabila suatu bahan dielektrik berada dalam medan listrik, maka akan terjadi polarisasi. Polarisasi ini dilihat

dari parameter permitivitas (konstanta dielektrik) dan faktor disipasi (menyebabkan pemanasan dielektrik).

Pemanasan dielektrik ini akibat adanya muatan bebas dalam bahan dielektrik sehingga menyebabkan adanya

arus bocor di dalam dan pada permukaan dalam jumlah yang kecil.

Ada tegangan yang telah ditentukan bagi dielektrik, jika melebihi batasnya dapat mengakibatkan kegagalan

dielektrik (dielektrik kehilangan kemampuan isolasinya). Tegangan yang menyebabkan pecahnya dielektrik

disebut tegangan gagal. Kekuatan dielektrik (disebut juga kuat medan kritis) adalah tekanan listrik tertinggi

yang dapat ditahan oleh dielektrik tersebut tanpa merubah sifatnya menjadi konduktif, jika berubah konduktif,

maka dielekrik tersebut telah tembus listrik (breakdown).

Polarisasi dan Permitivitas Dielektrik

Polarisasi yaitu pembatasan jarak antara dua molekul terikat atau orientasi didalam suatu molekul dua kutub.

Ini terjadi karena adanya medan listrik pada suatu bahan dielektrik. Ketika molekul-molekul tersebut dikenai

medan listrik, muatan terikat yang berada pada bahan dielektrik dapat berpindah. Biasanya hubungan antara

perubahan muatan terikat dengan kuat medan listriknya berbanding linear, tapi ada yang menyimpang yang

dikenal denganferroelectric ditemukan pertama kali oleh Rochelle Salt. Elektrodaelektroda yang diisi dengan

bahan dielektrik dan dialiri arus bisa membentuk kapasitor dengan kapasitansi . Q merupakan jumlah

dari dua komponen : Q0= muatan tersimpan diantara dua elektroda jika keduanya dipisahkan hampa udara,

dan Qd= muatan diantara dua elektroda setelah polarisasi dielektrik tersebut. permitivitas dari suatu bahan

dapat didefinisikan sebagai suatu nilai perbandingan nilai kapasitansi kapasitor dielektrik tertentu, terhadap

nilai kapasitansi kapasitor hampa udara.

Mekanisme Dasar Polarisasi Dielektrik

Ada 2 jenis polarisasi :

a. Jenis polarisasi yang merupakan proses yang instan dan berkelanjutan dengan cara yang lentur tanpaterjadi disipasi energi. Contoh :

Polarisasi Elektronik timbul dari perpindahan elastis dan deformasi kulit elektron dan ion-ion. Nilaipermitivitasnya sebanding dengan kuadrat dari refractive index n. Polarisasi elektron menurun pada

saat temperatur meningkat akibat pemuaian dielekrtik akibat panas dan juga akibat penurunan jumlah

partikel per unit volume. Mekanisme polarisasi elektron dapat terjadi pada semua jenis dielektrik dan

tidak akan menyebabkan kehilangan energi.

Polarisasi ionikakibat perpindahan ion-ion berikatan elastis tidak dapat terpisahkan dari struktur solidionik. Polarisasi ionik naik seiring dengan suhu karena pemuaian panas dielektrik yang berakibat

bertambahnya jarak antar ion serta melemahnya elastisitas gaya aksi antar ion tersebut.

b. Jenis polarisasi yang prosesnya tidak instan, namun prosesnya berjalan naik dan turun secara bertahapdengan disipasi energi berupa panas pada dielektrik. Contoh :


7/50

Polarisasi relaksasi-dipole atau dipole atau polarisasi orientasi, dapat terjadi jika gaya ikatannya tidakmenahan orientasi dipole yang searah medan listrik. Saat suhu mulai naik, kekuatan ikatan melemah

dan kekentalan (viskositas) bahan menurun faktor-faktor inilah yang mendukung terjadinya polarisasi.

Namun hanya selama pelemahan ikatan molekul memiliki efek lebih besar dari peningkatan

pergerakan acak molekul-molekul tersebut. Jika pergerakan acak molekul semakin cepat maka

polarisasi dipole akan mengendur. Agar dipole-dipole permanen yang ada sebelum medan listrik

diaplikasikan dapat berubah arah searah dengan medan pada medium yang rapat, dipole tersebut

harus dapat melawan hambatan medium. Waktu yang dibutuhkan untuk mengurangi orde dipole yang

terorientasi oleh medan akibat pergerakan thermal hingga 1/e 0.368 dari harga awalnya setelah

pemindahan medan dinamakan waktu relaksasi. Contoh bahan : selulosa, es

Polarisasi relaksasi ionik terjadi pada bahan kaca inorganik dan pada substansi inorganik dari strukturkristal ionik dengan ion-ion yang terikat lemah.

Polarisasi relaksasi elektronik timbul akibat ekses elektron atau hole karena pengaruh suhu. Banyakterjadi pada dielektrik dengan indeks bias tinggi, medan intrinsik tinggi dengan peningkatan konduksi

elektronik. Contoh : titanium dioksida dengan pengotor Nb+5

, Ca+2

, Ba+2

; titanium dioksida dengan

kekosongan anion dan ion Ti+3

; sejumlah campuran dengan dasar oksida logam (titanium, niobium,

bismuth) yang memiliki valensi tidak stabil.

Polarisasi Migrasional terjadi pada frekuensi rendah dan menyebabkan disipasi energi listrik cukupbesar. Polarisasi jenis ini menyebabkan saturasi pada kekuatan medan luar tertentu, namun kenaikan

kuat medan seterusnya tidak akan mempengaruhi besar intensitas polarisasi. Dengan alasan inilah

mengapa nilai permitivitas tergantung pada nilai kuat medan dalam hal polarisasi spontan.

Pengelompokan Jenis Dielektrik Berdasarkan Mekanisme Polarisasi

Klasifikasi-klasifikasi ini membantu dalam menentukan ciri-ciri dasar sifat kelistrikan dielektrik.

1. Dielektrik yang hanya mengalami polarisasi utama (Polarisasi elektronik). Contoh : nonpolar dan polarlemahbahan padat yang ditemukan pada kondisi amorf dan kristal (paraffin, sulfur dan polystyrene) dan

juga bahan cair nonpolar danpolar lemah dan juga gas (benzena, hidrogen, dll).

2. Dielektrik yang memperlihatkan gejala polarisasi elektronik dan relaksasi dipole secara bersamaan.Contoh : organik polar (dipole), semiliquid dan bahan padat (campuran minyak-resin, resin epoksi,

selulose, beberapa jenis hidrokarbon terklorinasi, dll.).

3. Dielektrik anorganik padata. dielektrik yang dapat terkena polarisasi elektronik dan ionik. Contoh : bahan dengan struktur kristal

ionik yang rapat, seperti kuarsa, mika, garam batu, corundum, rutile

b. dielektrik yang dapat terkena polarisasi elekronik, ionik dan relaksasi. Contoh : adalah bahan gelasanorganik, bahan yang mengandung vitrous phase(porselen, mycalex), dan dielektrik kristalin dengan

struktur kisi-kisi yang tidak rapat.

4. Bahan ferroelectric. Contoh : garam Rochelle, barium titanat BaTiO3, dihidrogen potasium fosfat KH2PO4,dan lainnya dengan ciri yang dimiliki mengalami polarisasi spontan. Nilai permitivitas dari ferroelektrik

biasanya bernilai besar, dan ditandai bergantung pada besar dari medan dan nilai temperatur. Salah satu


8/50

sifat pembeda dari feroelektrik adalah histerisis dielektrik yang timbul pada bahan-bahan ini ketika

perubahan pada kepadatan fluks listrik tertinggal terhadap perubahan pada kekuatan medan listriknya.

Permitivitas Dielektrik Gas

Gas memiliki ciri berkepadatan molekul rendah akibat jarak yang besar diantara melokulnya. Polarisasi pada

bahan gas dapat jadi murni polarisasi elektronik, atau dipol jika molekulnya polar Perubahan nilai permitivitas

beserta suhu dan tekanan ditentukan sebagai perubahan jumlah molekul dalam setiap unit volume gas, no.

Nilai ini berbanding lurus terhadap tekanan dan terbalik terhadap mutlak dari suhu.

Perubahan permitivitas akibat perubahan suhu dirumuskan sebagai berikut :dt

dTC

1

TCe = (e 1) /T TCe = (e 1) /p Kuantitas ini dikenal sebagai koefisien temperatur permitivitas.

Hubungan antara permitivitas gas dengan besar tekanan:1

e dedt

=

e 1p

Banyak molekul gas yang terdapat pada satu satuan volume gas : )/(0 kTpn

Permitivitas Dielektrik Cair

Dielektrik cair dapat memiliki komposisi molekul polar (dipol) atau nonpolar. Permitivitas cairan nonpolar

berubah seiring dengan kenaikan suhu akibat penurunan jumlah molekul dalam setiap satuan volumenya.

Sedangkan nilai mutlaknya, TC e dari suatu cairan nonpolar mendekati nilai koefisien temperatur muai volume. Polarisasi pada cairan yang mengandung molekul dipol adalah akibat dari mekanisme berkelanjutan eksitasi

elektronik dan dipol. Semakin besar momen dipol permanen suatu molekul dan juga jumlah molekul per satuan

volumenya, maka akan semakin besar juga nilai permitivitas cairan tersebut. Cairan polar-kuat dengan nilai

permitivitas tinggi, seperti air dan etanol, tidak dapat digunakan sebagai dielektrik karena mereka akan bersifat

sangat konduktif.

Untuk menentukan TC e : digambar suatu garis tangent kearah kurva padatitik perpotongan yang diinginkan (titik A) dan bentuk suatu segitiga siku-siku

dengan ukuran sembarang dengan garis tangenttadi sebagai hypotenusanya.

Perbandingan dari panjang kedua kaki segitiga tersebut dianggap sebagai

perbandingan antara e dengan t, dibagi dengan nilai e pada titik A akanmemberikan nilai koefisien temperatur yang tidak diketahui. Metode ini

dapat digunakan untuk menentukan nilai TC e suatu cairan dengan mekanisme polarisasi.Disamping : hubungan frekuensi dan e . Frekuensi bernilai sangat rendah sehinggadipol-dipol dapat berbaris searah dengan medan yang diaplikasikan, maka

permitivitas e akan besar dan mendekati nilai e nilai yang didapatkan padapengaplikasian tegangan dc. Saat frekuensi menjadi tinggi hingga cukup bagi

molekul tidak dapat mengikuti perubahan medan, nilai permitivitas kontan mendekati nilai e terlepas daripolarisasi elektronik yang terjadi ( e = n2).


9/50

320 8 r

kTf

0

02

1

f

Permitivitas Dielektrik Padat

Permitivitas benda padat dapat memiliki besar yang bermacam-macam sehubungan dengan variasi pada

struktur mereka. Saat paraffin padat berubah wujud menjadi keadaan cair (titik didih 54C), nilai

permitivitasnya menurun tajam sebagai akibat dari penurunan kepadatannya. Dielektrik padat yang diwakili

oleh kristal ionik dengan struktur terikat-erat menunjukkan terjadinya kedua polarisasi yaitu polarisasi ionik

dan elektronik. Koefisien temperatur permitivitas untuk kristal ionik kebanyakan berharga positif, kecuali untuk

kristal yang mengandung ion-ion titanium : rutile (TiO2) dan jenis titanat lainnya. TC e negatif diakibatkankarena polarisasi elektronik yang terjadi pada kristal-kristal ini. Dielektrik padat dengan struktur kristal ionik

berikatan tidak erat, dimana terjadi polarisasi relaksasi-ionik bersama dengan mekanisme polarisasi elektronik

dan juga polarisasi ionik, sering kali didapat memiliki permitivitas yang relatif rendah dan nilai koefisien

temperatur tinggi. Permitivitas bahan dielektrik polar organik bergantung pada kenaikan suhu yang besar dan

frekuensi dari tegangan yang diaplikasikan, dan secara umum mengikuti aturan yang sama dengan cairan polar.

Temperatur dimana e mencapai nilai maksimum disebut titik Curie atau temperatur Curie. Pada temperaturdiatas titik Curie, bahan akan kehilangan ciri feroelektriknya, lebih rincinya, permitivitas dari bahan tersebut

tidak lagi bergantung pada kekuatan medan listrik yang diaplikasikan. Bahan feroelektrik dapat mengalami

penuaan elektrik, yang ditunjukkan sebagai penurunan nilai permitivitas seiring perjalanan waktu. Hal yang

mungkin menyebabkan fenomena ini adalah tersusun kembalinya domain-domain. Saat dipanaskan hingga

temperatur melampaui titik Curie kemudian didinginkan, nilai permitivitas feroelektrik kembali normal.

Permitivitas dapat juga dipulihkan dengan mengaplikasikan suatu medan listrik dengan kekuatan yang

ditingkatkan kepada feroelektrik tersebut. Permitivitas dari bahan dielektrik komposit padat yang terbuat dari

campuran bahan-bahan dengan permitivitas sedikit berbeda, nilainya dapat diperkirakan dengan

e x = q 1e 1x +q 2e 2x (q 1danq 2adalah volume konsentrasi dari kedua komponen tersebut, dengan mengikutiaturan q

1+ q

2= 1; dan x = konstanta yang menggambarkan penyebaran dari bahan penyusunnya dengan

rentang (+1 < x < -1)).

Saat komponennya tersusun paralel, konstanta x = +1,xx

2211

Saat komponennya tersusun seri, konstanta x = -1,

2

2

1

11

Saat komponennya terdistribusi secara acak (banyak terjadi pada sejumlah dielektrik komersial yang diminati,

seperti dielektrik keramik), nilai x = 0 , sehingga 2211 logloglog Koefisien temperatur

permitivitas untuk dielektrik campuran didapatkan dengan menurunkan persamaan diatasa dengan

memperhatikan temperatur, sehingga menghasilkan :

2211 TCTCTC

dt

d

dt

d

dt

d 2

2

21

1

11


10/50

BAB 5 : RUGI DIELEKTRIK

Konsep Umum

Rugi-rugi dielektrik adalah daya yang terdisipasi di dalam dielektrik sebagai panas, ketika dielektrik disingkap ke

medan elektrik. Hal ini disebabkan karena adanya proses konduksi di dalam dielektrik yang menyebabkan

terjadinya arus bocor dan dapat berujung kepada kegagalan termal. Rugi-rugi dielektrik didalam material isolasi

dapat digambarkan sebagai daya yang terdisipasi per unit volume, dinamakan rugi-rugi spesifik. Dalam

mengevaluasi derajat disipasi energi pada suatu medan dari sebuah dielektrik, maka digunakan sudut

kehilangan dielektrik (pelengkap daripada sudut phasa dielektrik sampai 900) dan juga tangen dari sudut

(perbedaan angular dalam phasa antara tegangan dan arus di dalam rangkaian yang bersifat kapasitif). Ketika

disipasi panas dari energi listrik bertambah, sudut phasanya berkurang, akan tetapi sudut kehilangan dielektrik

bertambah dan begitu juga fungsi tangen. Apabila tidak ada kehilangan akibat polarisasi maka muatan akan

berubah secara linear dengan tegangan dan dielektrik tersebut disebut linear. Apabila dielektrik linear tersebut

disingkap kepada polarisasi yang bergerak pelan yang menyebabkan terjadinya rugi-rugi, maka kurva muatan-

tegangan akan berbentuk ellips. Luas area ellips tersebut proporsional dengan kuantitas dari energi yang

terdisipasi oleh dielektrik pada satu putaran (cycle) dari tegangan bolak-balik. Sedangkan untuk dielektrik yang

tidak linear (ferroelectrik), kurva muatan-tegangan dapat diasumsikan sebagai loop yang bentuknya

menyerupai kurva loop hysterisis yang terjadi pada material magnetik, dalam kasus ini area dari loop

proporsional dengan energi yang hilang pada satu putaran (cycle). Rugi-rugi dielektrik juga bisa disebabkan

oleh adanya karbon, oksidasi besi dan sebagainya pada material. Bahkan sedikit saja ketidakmurnian dapat

menyebabkan rugi-rugi daya yang tinggi. Pada tegangan tinggi, rugi-rugi dielektrik timbul karena adanya

ionisasi dari gas di dalam bahan dielektrik, proses ionisasi menjadi lebih intensif pada frekuensi tinggi.

Dari teori arus bolak-balik besarnya daya aktif : cosaP VI

Untuk sirkit seri.

22 2

2 2 2 2 2 2

tan.

(1 / ) 1 tan

sa

V CV Vr V r V r P

z z x r x r x

tan sC r

Untuk sirkit parallel 2 2 2tan tan

a p

VVygP V g V b V C

y

1tan

pC R

21 tan

sp

CC

2

11

tanR r

Untuk dielektrik yang berkualitas tinggi, kita dapat mengabaikan 2tan di dalam formula diatas karena

nilainya terlalu kecil dibandingkan dengan 1 dan dengan asumsi bahwa Cp=Cs=C. Dalam kasus ini persamaan

yang menggambarkan daya yang terdisipasi pada dielektrik adalah sama untuk kedua sirkit :

2 tana

P V C Ket : R > r

Persamaan yang digunakan untuk rugi-rugi spesifik, yaitu daya yang terdisipasi dalam suatu unit volume

dielektrik adalah : 2 2 2

10

tantan

1.8 10o a

P fp E E E

V x

C1= o , komponen reaktif daya konduktif adalah : 1 101.8 10

c fCx


11/50

Dan komponen aktif dari komponen riilnya :10

tan

1.8 10a

f

x

Harus diingat bahwa kapasitansi dari dielektrik dengan rugi-rugi yang besar nilainya murni tergantung daripada

pemilihan sirkit ekivalennya. Jadi permitivitas material dengan rugi-rugi yang tinggi dalam medan ac

bergantung daripada kondisinya. Walaupun begitu tentu saja sudut kehilangan tidak tergantung daripada

pemilihan sirkit.

Jadi apabila diketahui bahwa rugi-rugi pada suatu dielektrik bergantung sepenuhnya pada arus bocor untuk

berbagai frekuensi, kehilangan tangen pada kapasitor dengan dielektrik tersebut untuk segala frekuensi dapat

dicari dari formula:1

tanCR

Ini merupakan suatu bukti bahwa rugi-rugi pada kapasitor tidak tergantung kepada frekuensinya dan

ditentukan oleh : 2 /P V R

Tetapi apabila rugi-rugi pada dielektrik sebagian besar disebabkan oleh adanya resistansi pada bagian yang

berhubungan langsung dengan sumber dan resistansi dari elektroda (sebagaimana kaca film perak pada sebuah

kapasitor mica), maka daya yang terdisipasi pada dielektrik akan bertambah secara kuadrat dari frekuensi :

2 2 2 2 2tanP V C V C Cr V C r

Pada frekuensi tinggi, kedua plate dari kapasitor harus mempunyai kemungkinan resistansi yang terendah.

Rugi-rugi dielektrik secara hebat mempengaruhi material yang digunakan pada peralatan tegangan tinggi,

frekuensi tinggi, dan tekanan tinggi. Material yang digunakan untuk peralatan tersebut harus mempunyai sudut

kehilangan yang kecil dan permitivitas yang rendah untuk mencegah kehilangan daya yang besar.

Jenis-jenis Rugi Dielektrik pada Material Isolasi

1. Rugi rugi dielektrik disebabkan karena polarisasiDapat dilihat dengan jelas pada bahan dikarenakan polarisasi relaksasi : struktur dwikutub dan

kerenggangan struktur ion dielektrik. Rugi-rugi relaksasi polarisasi disebabkan karena gangguan dari

pergerakan panas pada partikel di bawah pengaruh medan elektrik, sehingga terjadi disipasi energi dan

pemanasan dari dielektrik. Rugi-rugi tangen relaksasi berbanding dengan kurva temperatur mempunyai

sebuah titik maksimum tertentu. Pada temperatur ini waktu relaksasi pada partikel dielektrik serupa

dengan perioda dari medan elektrik bolak balik (AC) yang bekerja pada dielektrik. Pada keadaan dimana

temperatur seperti itu, ketika terjadi waktu relaksasi dari partikel melebihi setengah perioda dari

tegangan yang diberikan maka pergerakan panas pada partikel akan menjadi kurang intensif dan rugi-rugi

dielektrik akan berkurang; apabila terjadi kenaikan temperatur sehingga waktu relaksasi menjadi lebih

kecil daripada setengah perioda tegangan maka terjadi kenaikan intensitas pergerakan panas, sehingga

terjadi pelepasan ikatan diantara partikel sehingga rugi-ruginya berkurang. Rugi-rugi dielektrik pada bahan

ferroelektrik berhubungan dengan polarisasi yang spontan. Sehingga rugi-rugi pada material tersebut

menjadi lebih tinggi pada suhu di bawah titik Curie, hal ini menyebabkan pada jangkauan suhu tersebut

dikenal dengan nama polarisasi spontan. Pada bahan ferroelektrik, penuaan oleh waktu juga diikuti oleh


12/50

pengurangan rugi-rugi dielektrik. Rugi-rugi karena resonansi yang timbul pada dielektrik karena frekuensi

cahaya dapat diklasifikasikan dalam rugi-rugi polarisasi.

2. Rugi-rugi dielektrik disebabkan karena arus bocorTerjadi pada proses konduksi pada volume maupun permukaan dielektrik. Pada kasus konduksi volume,

maka tangen kehilangan :

101.8 10

tan

x

f

Rugi-rugi dielektrik tidak tergantung pada frekuensi. Rugi-rugi dielektrik dikarenakan oleh proses konduksi

naik secara eksponensial bersamaan dengan temperatur :

exp( / )P A b T expt oP P t dimana A, b, adalah konstanta dari material.

3. Rugi-rugi dielektrik disebabkan karena proses ionisasiRugi-rugi ionisasi adalah ciri khas dari dielektrik dengan bahan gas. Hal ini terjadi pada medan magnet

yang tidak seragam pada tegangan yang melebihi nilai yang berhubungan dengan proses ionisasi pada

gas. 21 ( )oiP A f V V

Tegangan yang bertanggung jawab untuk awal dari proses ionisasi bertambah seiring dengan

bertambahnya tekanan udara.

4. Rugi-rugi dielektrik disebabkan karena strukturnya yang heterogenDiamati pada dielektrik berlaminasi yang terbuat dari kertas isi (impragneted paper) dan bahan berisi

seperti di dalam plastik yang berisi, di dalam keramik dan pada turunan mika seperti mikanit dan mycalex.

Karena banyaknya variasi dari struktur dielektrik dan komponennya yang spesifik, maka tidak mungkin

untuk menghitung rugi-rugi dielektrik di dalam material.

Rugi-rugi Dielektrik pada Material Dielektrik Gas

Besarnya rugi-rugi dielektrik pada gas terhitung sangat kecil pada waktu kekuatan medan berada dibawah nilai

saat tumbukan ionisasi dari molekul gas berlangsung. Pada kasus ini, gas berlaku sebagai dielektrik sempurna.

Konduksi listrik merupakan faktor utama yang menyebabkan terjadinya rugi-rugi dielektrik pada gas. Material

gas merupakan konduktor yang sangat lemah, maka dari itu gas memiliki sudut kehilangan yang sangat kecil

sehingga dapat diabaikan, terutama pada frekuensi yang tinggi. Tangen kehilangan, tan , dapat dicari dari

persamaan tan =1.8x10

10

x fr . Volume ketahanan dari material gas terdapat pada orde 10 16.m. 1, dantangen kehilangan pada f = 50 Hz. (dalam ketiadaan ionisasi) adalah kurang dari 4 x 10

-8. Pada medan

tegangan tinggi yang tidak seragam , molekul gas mulai berionisasi yang ditandai dengan pelepasan energi pada

saat kekuatan medan di dalam titik individual melampaui nilai kritis tertentu. Pada frekuensi tinggi intensitas

ionisasi gas menjadi meningkat, maka pelepasan daya meningkat sehingga dapat mengakibatkan kelebihan

panas (overheatting) dan kegagalan/kerusakan pada benda dengan isolasi gas apabila tegangan naik melewati

Vo (gas yang terdapat pada rongga mulai berionisasi). Ionisasi pada udara ditandai dengan pembentukan ozon

dan nitrogen oksida yang membusukkan isolasi organik yang mengandung rongga gas. Pengeluaran biaya

tambahan untuk jalur/saluran tekanan tinggi (high tension), pelepasan daya akibat ionisasi udara disekitar

kabel (dikenal dengan efek korona) menyebabkan penurunan efisiensi daya transmisi.


13/50

Rugi-rugi Dielektrik pada Material Dielektrik Cair

Tingkat daya konduksi pada cairan murni netral adalah sangat rendah , begitu pula dengan besar rugi

dielektriknya. Cairan polar dapat cenderung mengalami rugi yang diakibatkan oleh polarisasi relaksasi-

dwikutub, terlepas dari perihal konduksi listrik, dimana rugi ini bergantung kepada kondisi pengoperasian

(temperatur, frekuensi). Dielektrik cair dan kental dalam bentuk bebas yang digunakan dalam bidang kelistrikan

(electrical engineering) seringkali berupa campuran antara cairan bersifat polar dan non-polar (mis. campuran

minyak-resin), ataupun cairan polar (mis. Chlorinated biphenyl).

Rugi-rugi dielektrik yang terjadi pada dielektrik cair yang memiliki molekul polar , sangat bergantung kepada

kekentalannya. Rugi-rugi dielektrik yang terjadi pada cairan polar yang kental dipengaruhi medan listrik jauh

melampaui rugi bocor. Hal tersebut dikenal dengan istilah rugi relaksasi-dwikutub.

Rugi-rugi Dielektrik pada Material Dielektrik Padat

Rugi-rugi dielektrik pada material dielektrik padat perlu dipertimbangkan hubungannya dengan struktur

materialnya yang akan memperlihatkan jenis-jenis rugi-rugi dielektrik. Rugi-rugi dielektrik pada material padat

berdasarkan jenis struktur materialnya :

5. Molekular (Bergantung pada jenis molekulnya) Molekul nonpolar (rugi-rugi dielektriknya dapat diabaikan). Co : sulfur, parafin, polimer nonpolar

seperti polyethilene, polytetrafluoroethylene, polystyrene, dll. Karena sifatnya yang hanya

mengalami kerugian dielektrik yang sangat kecil, maka material diatas digunakan sebagai dielektrik

frekuensi tinggi.

Molekul polar (berupa substansi organik). Co : selulosa (kertas, pressboard,dll), polimer polar sepertipolymethyl methacrylate (kaca organik), polymides (capron, dll), dan polyurethanes, bahan karet

(seperti ebonit), phenolformaldehyde resins (bakelite,dll), produk turunan dari selulosa, (cellulose

acetate, dll.) Material diatas mengalami rugi-rugi yang tinggi karena terjadi polarisasi relaksasi

dwikutub. Rugi-rugi pada material dielektrik diatas sangat dipengaruhi oleh temperatur. Pada

temperatur tertentu material dielektrik menunjukkan rugi maksimum atau rugi minimum. Kenaikan

rugi-rugi yang melewati titik minimum berhubungan dengan kenaikan pada rugi-rugi bocor (leakage

loss).

5. Ionik (terkait dengan penyusunan ion pada pola geometris kristal)Pada temperatur yang lebih tinggi, substansi ini menyerap energi yang terdisipasi dalam bentuk panas

yang terjadi karena arus bocor. Substansi jenis ini terdiri dari kelompok bahan kristal campuran inorganik

seperti corrundum (Al2O3) industri keramik, juga pada komposisi ultraporselen (material yang memiiki

rugi-rugi dielektrik rendah pada frekuensi tinggi. Co : rock salt (memiliki kristal murni yang

memperlihatkan rugi-rugi yang bisa diabaikan). Jumlah terkecil dari ketidakmurnian dapat mengganggu

pola geometris molekul dan meningkatkan rugi-rugi dielektrik dua sampai tiga orde. Struktur kristal

dielektrik yang renggang mengandung sejumlah substansi crystalline yang menunjukan polarisasi relaksasi

yang menyebabkan rugi-rugi dielektrik yang tinggi. Co : mullite untuk mengisolasi listrik, cordierite

(keramik yang mempunyai sifat pemuaian suhu rendah), beta-alumina (dibuat dengan cara membakar


14/50

sebagian dari bahan yang mengandung alumunium), gama-alumina, mineral zircon, (unsur pokok dari

beberapa keramik yang berjenis keras).

Rugi-rugi dielektrik dalam substansi ion yang berbentuk bebas (kaca anorganik) disebabkan oleh polarisasi

dan konduksi listrik. Rugiruginya terbagi menjadi :

Rugi-rugi yang tidak terlalu bergantung pada temperatur , melainkan bertambah meningkatsebanding dengan frekuensi (tangen kehilangan tidak bergantung pada frekuensi). ditentukan oleh

polarisasi relaksasi

Rugi-rugi yang meningkat drastis dengan temperatur yang sesuai dengan hukum eksponensial,namum memilki sedikit ketergantungan terhadap frekuensi (tangen kehilangan menurun dengan

kenaikan frekuensi). ditentukan oleh gerakan pada ikatan ion

Faktor utama yang menentukan rugi-rugi dielektrik pada kaca anorganik adalah proporsi oksida yang

dimasukkan ke dalam komposisi material kaca dan penggunaan oksida berat pada kaca alkali dapat

memperendah besar tangen kehilangan.

5. FerroelektrikRugi-rugi dielektrik berubah sedikit pada temperatur di daerah polarisasi spontan, dan menjadi turun

drastis pada saat temperatur naik melewati titik Curie, setelah melewati titik ini material mengalami

kehilangan sifat ferroelektrik dan polarisasi spontan terhenti.

5. Material campuran (Dimiliki oleh material keramik)Besarnya rugi-rugi dielektrik pada keramik tergantung dari karakter crystalline dan fase pada bentuk kaca

(vitreous), dan proporsi kuantitatif mereka. Fase pada bentuk gas mengakibatkan kenaikkan kehilangan

daya (power loss) pada keramik yang berada pada medan listrik yang kuat sehingga menyebabkan

terjadinya proses ionisasi. Rugi-raugi pada material keramik dapat menjadi terlampau tinggi apabila pada

proses produksi terbentuk substansi semikonduktor yang menyebabkan konduksi listrik pada material

tersebut. Dan juga, kenaikan rugi-rugi dielektrik pada material keramik dapat terjadi karena penyerapan

kelembaban ke dalam porinya. Mika (material heterogen), terdapatnya bahan semikonduktif pada

pecahan mika mengakibatkan kenaikan besar pada tangen kehilangan pada frekuensi rendah, yang masih

terhitung tinggi jika dibandingkan dengan besar tangen kehilangan dari pecahan mika terkecil. Kertas isi

(impregnated paper) juga termasuk kelompok material dielektrik heterogen. Besarnya rugi-rugi dielektrik

pada kertas isi ditentukan oleh sifat listrik baik secara komponen , proporsi kuantitatif , dan sisa rongga

udara. Dielektrik heterogen banyak digunakan untuk mencapai kekuatan mekanis yang diinginkan, untuk

memperkecil pengeluaran biaya, dan juga dapat memberikan sifat yang dibutuhkan dalam produk, serta

memanfaatkan bahan sisa buangan.


15/50

BAB 6 : KLASIFIKASI MATERIAL LISTRIK & PITA ENERGI

1. LogamCiri ciri : keras, daya hantar panas dan daya hantar listriknya tinggi, kedap cahaya dan biasanya dapat

dipoles sampai mengkilap/licin. Faktor yang melandasi karakteristik tersebut adalah karena adanya

beberapa elektron yang terdislokalisir dan dapat meninggalkan atom induknya sehingga mereka dengan

mudah dapat memindahkan muatan dan energi termalnya.

2. Polimer

Ciri ciri : berat jenis yang rendah dan dapat digunakan sebagai isolator panas maupun isolator listrik

yang baik. Polimer atau plastik biasanya kurang baik dalam memantulkan cahaya dan untuk lapisan yang

tipis cenderung meneruskan cahaya (tembus cahaya/transparan/bening). Selain itu polimer atau plastik

merupakan material yang flexible dan mudah untuk mengubah bentuknya (deformasi), sehingga daat

dimanfaatkan pada proses pembentukannya.

3. KeramikMerupakan campuran material : unsur logam dan unsur bukan logam. Ciri umum : keras dan getas, lebih

tahan terhadap suhu yang sangat tinggi dan lingkungan yang berat persyaratannya. Sesuai dengan sifat-

sifat dasarnya, unsur keramik dapat melepaskan elektron kulit terluarnya dan memberikannya pada atom

non logam yang mengikatnya. Akibatnya elektron-elektron tersebut tidak dapat bergerak, sehingga bahan

keramik umumnya merupakan bahan isolator listrik dan isolator panas yang baik.

Teori pita energidalam zat padat

Dalam hampir semua zat padat kristalin, baik logam maupun non logam, letak atom-atomnya sangat

berdekatan/sangat rapat, sehinga elektron valensinya membentuk sistem tunggal dari elektron milik bersama

dari kristal secara keseluruhan. Pada awalnya dianggap satu atom yang terisolasi dalam kristal. Apabila Z

adalah nomor atom, maka inti atom mempunyai muatan positif sebesar Ze, potensial elektrostatis akibat

muatan positif pada jarak r dari inti ini adalah V (r) =2Cr

Ze

Dimana C adalah konstanta (sistem satuan , CGS, C = 1` sedangkan dalam sistem MKS, C = 4 o ). Karena

elektron bermuatan negatif, maka energi potensial elektron pada jarak r dari inti adalah;

Epot(r) - eV(r) = -Cr

Ze2

V(r) positif, tetapi Epot(r) negativf

Potensial elektrostatis dan energi potensial dari satu elektron diambil sama dengan nol pada jarak tidak

terhingga dari inti. Elektron dalam atom mempunyai energi potensial dan energi kinetis, dan enegi total dari

elektron mempunyai harga-harga diskret negatif atau bertingkat-tingkat. Setiap atom individu kristal secara

keseluruhan memiliki pita energi yang terdiri dari banyak sekali tingkatan energi terpisah yang letaknya sangat

berdekatan. Karena banyaknya tingkatan energi terpisah ini sama banyaknya dengan jumlah atom dalam

kristal, pita tidak dapat dibedakan dari sebaran malar yang diijinkan untuk energi. Dengan adanya pita energi,


16/50

maka celah (gap) yang terdapat diantaranya, dan berapa banyak pita itu terisi elektron, bukan saja menentukan

sifat listrik suatu bahan (zat) padat tetapi juga merupakan dasar yang penting untuk sifat-sifat lainnya.

Lebar pita tergantung pada tingkat energi yang bersangkutan dalam atom terisolasi dan jarak antar atom dalam

kristal padat. Jarak antara atomatom dalam kristal padat satu dan lainnya berbeda, tetapi untuk benda

tertentu besarnya tetap. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa lebar pita tergantung daripada jenis kristal

padat.

Karena elektron selalu memilih keadaan dengan energi minimum, maka pita energi yang lebih rendah biasanya

terisi penuh atau diisi oleh elektron-elektron, sedangkan pita energi yang lebih tinggi dapat kosong sama sekali

(yakni tidak dihuni oleh elektron) atau mungkin juga terisi sebagian (berisi sejumlah elektron yang kurang dari

jumlah seharusnya yang dapat ditampung).

Pita terisi sebagian akan muncul/timbul jika tingkat terisi sebagian mengembang menjadi pita, atau kalau pita

terisi penuh dan kosong saling tumpang tindih. Dalam suatu zat padat dapat juga terjadi pita energi tidak

tumpang tindih, dan celah/gap diantaranya menyatakan energi yang tidak boleh dimiliki oleh elektron. Gap

seperti itu disebut pita terlarang.

Susunan pita dari benda padat memberikan dasar yang memungkinkan dikelompokkannya benda-benda

menjadi 3 kelompok yang berbeda yaitu :

Pita hantaran terisi sebagianPita hantaran kosong

Pita hantaran hampir kosong

Celah terlarangCelah terlarang

LOGAM ISOLATOR SEMIKONDUKTOR

Penuh

(Pita Valensi)Penuh

(Pita Valensi)

a. Penghantar, logam merupakan kristal benda padat yang mempunyai pita terisi sebagian. Elektron-elektron

dalam pita ini dapat bergerak bebas karena pita tidak terisi, kalau diberikan medan listrik, maka elektron-

elektron mendapatkan tambahan energi dari medan dan bergerak/loncat kedalam pita energi lebih tinggi

yang kosong yang berada berdekatan dengan tingkat-tingkat terisi dalam pita yang terisi sebagian. Dengan

demikian dalam logam mudah terjadi hantaran elektron, dan karena itu logam merupakan penghantar yang

baik. Pita yang terisi sebagian dan benda padat yang berperan untuk penghantaran elektron dinamakan pita

hantaran (zat padat), dan elektron-elektron dalam pita ini dinamakan elektron-elektron bebas.

b. Semikonduktor, pada bahan ini lebar energi terlarangnya yang berada diantara pita valensi dan pita

hantaran relatif kecil. Karena celah terlarangnya yang sempit (celah pita), maka pada temperatur kamar

beberapa elektron valensi memperoleh energi panas yang cukup untuk bergerak ke dalam pita hantaran.

Hantaran listrik semikonduktor lebih besar daripada isolator tetapi lebih kecil daripada logam.

c. Isolator, dalam kristal padat, celah energi terlarang antara pita terisi paling atas (pita valensi) dengan pita

kosong paling rendah (pita hantaran) demikian lebarnya, sehingga hanya sebagian kecil saja dari elektron-

elektron yang terangsang oleh panas (pada temperatur kamar) yang dapat melompat dari pita valensi ke

pita hantaran. Benda ini dikelompokkan sebagai Isolator karena hanya sedikit elektron bebas yang tersedia

dalam pita hantaran, dan bahan ini merupakan penghantar (baik elektrik maupun panas) yang buruk.


17/50

BAB 7 : KONDUKTOR

1. Tembaga dan AluminiumPada saat ini ada 2 (dua) jenis material yang secara komersial cocok dan banyak dipakai untuk keperluan

konduktor, yaitu tembaga (Cu) dan Aluminium (Al). Kekurangan tembaga adalah kerapatannya > dari

alumunium. Untuk menyalurkan arus listrik yang sama besarnya, maka konduktor dengan material

aluminium tetap akan lebih Ringan dibandingkan dengan tembaga, walaupun untuk itu konduktor

aluminium akan mempunyai diameter lebih besar daripada tembaga. Titik lebur tembaga lebih tinggi

daripada aluminium. Kemampuan tembaga (Cu) untuk menahan panas dan tekanan elektromagnetis

akibat pembebanan yang berlebih juga merupakan suatu pertimbangan dari segi keamanan. Faktor lain

yang menjadi pertimbangan adalah biaya isolasi yang lebih besar untuk aluminium. Campuran tembaga

(Cu) dengan sedikit perak (Ag) 0,1 %, maka konduktor tersebut dapat dipakai pada temperatur dan

tekanan yang lebih tinggi. Titik cair yang tinggi dari tembaga (Cu) serta daya hantar listrik yang tinggi

mengurangi kemungkinan kerusakan yang disebabkan oleh pemanasan titik/setempat (hot spot) atau

lompatan api (flash over) yang tiba-tiba pada waktu pengoperasiannya. Apabila terjadi pemanasan yang

sangat tinggi maka tembaga akan diuapkan, oleh karena itu tembaga dapat menahan pembakaran apabila

terjadi penyalaan (api) yang tiba-tiba.

2. Konduktivitas TembagaPada 1913 International Electrochemical Commission membentuk International Annealed Copper

Standard (IACS) dimana konduktifitas semua tingkatan dan kemurnian tembaga serta campurannya

diukur. Semua ketidakmurnian cenderung menurunkan konduktifitas tembaga. Pengendapan melalui

perlakuan panas kadang-kadang dapat digunakan memperkecil efek ini. Perak, cadmium dan seng hanya

sedikit menurunkan konduktifitas, akan tetapi meningkatkan sifat-sifat mekanis. Resistivitas listrik

tembaga akan berubah menurut temperatur.

3. Beberapa Tipe TembagaTembaga untuk penghantaran arus listrik sebaiknya yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi.

Ketidakmurnian material akan mengubah struktur kristal, dan hal ini dapat dihasilkan dari proses/cara

pembuatannya sehingga mempengaruhi sifat mekanik dan elektrik dari material tersebut. Tingkat

ketidakmurnian yang mempengaruhi sifat elektrik dan mekanik tergantung daripada banyaknya elemen

atau unsur yang ada dalam campuran material tersebut. Berikut adalah beberapa tipe tembaga:

a. Tembaga keras (hard Copper)

Tembaga jenis ini dihasilkan dari proses pencairan/peleburan/pelelehan katoda elektrolit. Kandungan

oxygennya sedikit dan berasal dari penambahan O2. Keberadaan oxygen dalam bentuk ini hanya

mempunyai pengaruh yang kecil terhadap sifat mekanik dan elektriknya. Apabila tembaga (Cu)

dipanaskan pada tekanan atmosfer yang rendah maka yang terjadi adalah lepasnya ikatan-ikatan

(berupa butiran) dan tingkat porositasnya semakin tinggi.

b. Tembaga penghantaran tinggi bebas oksigen (Oxygen free HCCu)


18/50

Harganya lebih mahal. Biasanya material ini diproduksi dengan melelehkan dan penuangan dimana

prosesnya dijaga dari udara atmosfer. Diperlukan bahan mentah yang terbaik dan sudah diseleksi,

sehingga dapat dihasilkan tembaga dengan kemurnian yang tinggi dengan kadar mencapai 99,95 %.

HC-Cu yang bisa didapat dipasaran adalah dalam bentuk batangan, wire-bar, dan billet.

4. Tembaga CampuranLima jenis tembaga campuran berikut ini, dapat dijumpai pada aplikasi yang luas dalam industri kelistrikan

dimana memerlukan penghantaran daya listrik yang tinggi. Semuanya dapat dijumpai dalam bentuk

tempaan, dan khusus untuk tembaga chromium, tembaga tellurium dan tembaga sulphur dapat dijumpai

sebagai tuangan dan bentukan. Kuantitas dari lima elemen yang diperlukan untuk memberikan perbedaan

sifat-sifat pada campuran ini sangat kecil (max 1%).

a. Tembaga Cadmium

Karakristik material ini memiliki kekuatan yang lebih besar dibawah tekanan statis yang berubah-ubah. Dipakai sebagai kawat kontak pada transportasi.

Tembaga cadmium ini juga digunakan untuk saluran transmisi udara yang mempunyai rentangyang panjang antar menaranya.

Karena tembaga cadmium mampu menahan kekerasan dan kekuatan yang diberikan oleh kerjapada temperatur diatas itu maka tembaga ini mempunyai penerapan khusus lain, dimana tembaga

berpenghantaran tinggi akan melunak. Contohnya adalah penjepit/pemegang elektroda pada

mesin las listrik, tungku pembakaran busur api (arc furnace) dan elektroda pada mesin las baja.

Tembaga cadmium juga digunakan untuk batang komutator mesin listrik. Karena batas elastisitasnya termasuk tinggi, pada kondisi pekerjaan kasar dan kuat, tembaga

cadmium juga digunakan untuk membatasi pembesaran pegas yang diperlukan untuk menyalurkan

arus.

Tuangan tembaga cadmium, untuk komponen peralatan pemutus tenaga dan transformatorsekunder pada mesin las listrik. Tembaga cadmium dapat dipatri, patri perak dan dibrazing dengan

cara yang sama seperti tembaga biasa.

b. Tembaga Chromium

Pada keadaan perlakuan panas, material dapat digunakan pada temperatur sampai sekitar 350 C

tanpa resiko kerusakan dari sifat-sifat mekanisnya. Saat dipanaskan menjadi lunak dan dapat dibentuk

oleh mesin. Tembaga chromium serupa dengan tembaga biasa dalam hal oksidasi dan skala

temperatur. Metoda penyambungannya serupa dengan tembaga cadmium. Tembaga chromium dapat

dilas dengan menggunakan teknologi pengelasan busur api berperisai gas.

c. Tembaga Perak

Tembaga perak, kapasitas penghantaran arus listrik = tembaga berpenghantaran tinggi biasa. Tembaga

perak didapatkan dalam bentuk batangan atau potongan, khususnya yang dirancang untuk segmen

komutator, rotor dan pemakaian sejenis. Tembaga perak tersedia juga sebagai penghantar dan dalam

bentuk lapisan tipis (strip). Tembaga perak dapat dipatri, dibrazing atau dilas. Dalam hal tahan korosi,

tembaga perak serupa dengan tembaga biasa.


19/50

d. Tembaga Tellurium

Ciri-ciri khusus dari material ini adalah mudah dikerjakan dengan mesin, mempunyai kapasitas penghantaran arus

listrik yang tinggi dan tahan terhadap korosi. Tembaga tellurium tidak cocok untuk dilas, walaupun demikian

pengelasan busur api berperisai gas dan pengelasan resistansi dapat dilakukan dengan hati-hati. Pemanfaatan

yang spesifik dari material ini adalah untuk badan magnetron. Tembaga tellurium dapat dipatri dan dibrazing

tanpa kesulitan.

e. Tembaga Sulphur

Seperti tembaga tellurium, tembaga sulphur adalah campuran tembaga untuk penghantaran arus listrik yang

tinggi dan lebih tahan pelunakan serta tahan terhadap korosi. Tembaga sulphur dapat dijumpai pada penggunaan

semua bagian peralatan yang memerlukan penghantaran arus listrik yang tinggi seperti: material kontak,

sambungan dan komponen listrik lainnya. Karakteristik penyambungan serupa dengan tembaga tellurium.

5. Kekuatan Mekanis Tembaga Kekuatan peregangan

Kekuatan peregangan maksimum juga tergantung kepada bentuk dan luas potongan daripada

konduktor tembaga.

KekerasanPengujian kekerasan biasanya hanya dilakukan pada kulit permukaanya saja.

Tahanan kelelahanKelelahan adalah mekanisme yang mendahului terjadinya perpatahan pada material, ini dapat

terjadi karena adanya tekanan yang berfluktuasi. Proses yang menyebabkan terjadinya

kerusakan/patah adalah karena adanya perambatan keretakan yang timbul pada suatu area/titik

pemikul beban, kemudian keretakan ini berkembang sampai menyebabkan kerusakan.

Pembentukan dan pembengkokan,High conductivity copper adalah kondisi material copper yang baik dan dapaat menahan tekukan

yang cukup dalam. Untuk menekuk ketebalan diatas 50 mm, perlu melakukan pemanasan setempat

terlebih dahulu.

5. Beberapa Sifat Mekanis dan Listrik dari TembagaRolling atau perlakuan panas dan dingin berikutnya dapat menaikkan kekuatan tarik. Dalam tembaga

terdapat sejumlah kecil oksigen berfungsi sebagai penghilang oksida tembaga, menghasilkan kekuatan

dan bertindak menghilangkan ketidakmurnian yang berbahaya seperti bismut, mencegahnya dari

pembentukan lapisan tipis yang rapuh. Pada pemakaiannya, tembaga bebas oksigen digunakan untuk

penghantaran arus listrik yang tinggi. Material tembaga lapisan tipis (strip), untuk belitan motor ac dan dc,

Ketebalan Radius minimum

... s/d 10 mm 1 x ketebalan batang

11 s/d 25 mm 1,5 x ketebalan batang

26 s/d 50 mm 2 x ketebalan batang


20/50

generator dan transformator. Material batangan biasanya digunakan untuk bus-bar. Dalam jumlah besar,

kawat berkonduktivitas tinggi digunakan pada kabel daya dan telepon dan sebagai pelindung bagian luar

kabel pelapis tembaga untuk penggunaan tahan abrasif dan tahan panas.

Campuran tembaga sulphur (0.4%) dan tembaga timah (0.8%) juga banyak digunakan karena mudah

dikerjakan dengan mesin dan memiliki sifat-sifat elektroplating.


21/50

BAB 8 : SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor memiliki celah terlarang yang relatif kecil. Bahan semikonduktor yang umum digunakan adalah

germanium dan silikon. Pada temperatur rendah bahan ini akan bersifat isolator karena pita valensi tetap

penuh dan pita konduksi tetap kosong. Apabila temperatur dinaikkan, sebagian dari elektron valensi

memperoleh energi yang lebih besar, sehingga elektron tersebut memasuki pita konduksi. Sekarang elektron-

elektron ini bebas, artinya mudah bergerak walaupun dipengaruhi oleh medan yang kecil.

1. SEMIKONDUKTOR INTRINSIKSemikonduktor intrinsik merupakan semikonduktor murni (contoh

: germanium dan silikon) yang tidak ditambahkan atom-atom lain.

Setiap atom germanium dalam kristal menyumbangkan empat

elektron, jadi atom tersebut adalah tetravalen (valensinya empat).

Gaya ikatan antara atom yang bertetangga berasal dari kenyataan

bahwa setiap elektron valensi dari germanium dimiliki bersama.

Pada temperatur yang sangat rendah (misalnya 0oK) struktur germanium akan mendekati struktur ideal

dan kristal berperilaku sebagai isolator. Akan tetapi pada temperatur kamar, beberapa dari ikatan kovalen

akan rusak oleh energi panas yang diberikan kepada kristal, sehingga dimungkinkan terjadi konduksi.

2. SEMIKONDUKTOR EKSTRINSIKApabila kita tambahkan pada silikon atau germanium murni (intrinsik) atom-atom yang bervalensi tiga

atau lima maka akan terbentuk semikonduktor yang tak murni (ekstrinsik). Atom ini akan menggeser

beberapa atom germanium dari kisi-kisi kristal. Empat dari lima elektron valensi akan mengisi ikatan

kovalen dan yang kelima akan terlepas dan dapat digunakan sebagai pembawa arus. Energi yang

diperlukan untuk melepaskan elektron yang kelima adalah sekitar 0,1 eV untuk germanium dan 0,05 eV

untuk silikon. Atom bervalensi lima yang biasa digunakan adalah atom-atom kelompok V seperti fosfor

dan arsenikum. Atom ini akan memberikan kelebihan elektron sebagai pembawa muatan negatif, oleh

karena itu dikenal sebagai ketidakmurnian donor atau jenis-n. Hal ini akan mengurangi banyaknya lubang.

Apabila atom donor ditambahkan pada suatu semikonduktor, tingkatan energi yang diperkenankan akan

berada sedikit di bawah pita konduksi. Sedangan atom bervalensi tiga yang biasa digunakan adalah atom-

atom kelompok III seperti aluminium. Atom ini akan memberikan kelebihan lubang sebagai pembawa

muatan positif dan dapat menerima elektron, oleh karena itu dikenal sebagai ketidakmurnian akseptor

atau jenis-p. Penambahan ketidakmurnian akseptor atau jenis-p ke dalam semikonduktor intrinsik, akan

terbentuk tingkatan energi yang diperbolehkan, yang letaknya sedikit di atas pita valensi. Memberi

ketidakmurnian pada semikonduktor intrinsik tidak hanya menaikkan konduktivitas, tapi dapat juga

digunakan untuk menghasilkan semikonduktor dengan pembawa listrik. Dalam semikonduktor jenis-n,

elektron disebut pembawa mayoritas dan lubang disebut pembawa minoritas. Demikian pula sebaliknya

dalam bahan jenis-p, lubang merupakan pembawa mayoritas dan elektron merupakan pembawa

minoritas.


22/50

3. ALAT SEMIKONDUKTORDisini akan dibahas penggunaan semikonduktor pada dioda. Dioda biasa digunakan sebagi penyearah

arus. Pemberian catu maju dilakukan dengan cara menghubungkan suatu baterai melewati

persambungan p-n. Kutub negatif baterai dihubungkan dengan sisi n dari persambungan dan kutub positif

dengan sisi p. Polaritas hubungan ini akan mengakibatkan lubang dalam jenis-p dan elektron pada jenis-n

bergerak melalui persambungan. Lubang dari jenis-p akan melewati persambungan ke jenis-n, demikian

pula dengan elektron dari jenis-n akan melewati persambungan ke jenis-p. Dengan demikian dioda akan

melewatkan arus.

Pemberian catu balik dilakukan dengan cara menghubungkan suatu baterai melewati persambungan p-n.

Kutub negatif baterai dihubungkan dengan sisi p dari persambungan dan kutub positif dengan sisi n.

Polaritas hubungan ini akan mengakibatkan lubang

dalam jenis-p dan elektron pada jenis-n bergerak

menjauhi persambungan. Hal ini mengakibatkan

daerah bermuatan negatif menyebar ke sebelah kiri

persambungan dan rapat muatan positif menyebar

ke sebelah kanannya. Dengan demikian seolah-olah

dioda tidak akan melewatkan arus.

4. PEMROSESAN SEMIKONDUKTORMeskipun dopant sengaja ditambahkan, tapi jumlahnya harus dikontrol per jutaan level (ppm). Biasanya

silikon (atau semikonduktor lainnya) dimurnikan semurni mungkin, kemudian baru ditambahkan dopant

tepat sesuai yang diinginkan.

Langkah-langkah mendasar dalam pemrosesan suatu semikonduktor adalah:

1. Silicon Manufacturinga. Czochralski method

b. Wafer Manufacturing

c. Crystal structure

2. Photolithographya. Photoresistsb. Photomask and Reticlesc. Patterning

3. Oxide Growth & Removala. Oxide Growth & Depositionb. Oxide Removalc. Other effectsd. Local Oxidation

4. Diffusion & Ion Implantationa. Diffusionb. Other effectsc. Ion Implantation

Kristal tunggal biasanya dibuat dengan menggunakan metode Czochralski. Penumbuhan kristal biasanya

memakai 2 metode : penarikan kristal dan metode zona mengambang.


23/50

Penyangga

Batang Benih

Batang Silikon

Proteksi Panas

Resistansi Pemanas

Melting Pot

Silikon Cair

Gambar VIII. 8, Metode penarikan kristal dengan metode Czochralski

Pertama-tama bahan semikonduktor dilebur, kemudian benih kristal tunggal dikenakan ke permukaan

dan ditarik ke atas dengan perlahan-lahan (~1mm/menit) sambil diputar (~1/det). Bila cairan sedikit di

atas titik cairnya, maka akan membeku pada kristal benih ketika benih ditarik ke atas. Atom bersolidifikasi

sesuai dengan struktur kristal benih. Selanjutnya dapat ditambahkan bahan dopant kelompok III atau V

pada bahan cair dalam jumlah (~10-6

% atom) yang diperlukan untuk menghasilkan produk jenis-p atau

jenis-n.

Teknik tersebut cukup memuaskan untuk germanium dan bahan lain yang mencair di bawah 1000oC,

namun kurang sesuai untuk silikon. Silikon mencair di atas 1400oC, sehingga mudah terkena kotoran yang

berasal dari tempat dan dinding dapur. Selain itu, dopant mudah menguap sehingga pengendalian

komposisi lebih sulit.

Diawali dengan batang (diameter > 5 cm) dari silikon polikristalin yang telah dimurnikan, yang berada di

atas piring kristal tunggal yang telah disiapkan. Keduanya mencair di tempat bersinggungan dengan

pemanasan kumparan r-f. Kumparan r-f diangkat perlahan-lahan untuk menggerakkan daerah yang cair ke

arah atas. Bahan polikristal mencair mengikuti pergerakan ke atas dan mengumpan zona cair. Kristal

tunggal awal tumbuh ke atas mengikuti pergerakan daerah bawah yang kemudian mencair. Sama dengan

proses penarikan kristal, pergerakan ke atas dari zona cair adalah sekitar ~1 mm/menit.

Kemudian batang dipotong-potong menjadi keping halus (~0,25 mm). Keping tersebut dipolis dan

dibersihkan secara kimia, kemudian ditambahkan dopant pada lapisan epitaksial. Lapisan ini adalah

lapisan yang tumbuh pada permukaan sebagai kelanjutan kristal yang berada di bawahnya. Pertumbuhan

berasal dari campuran gas dengan komposisi sedemikian rupa sehingga terbentuk lapisan jenis-n atau

jenis-p.


24/50

BAB 9 : ISOLATOR

1. Pengertian UmumSeperti telah dijelaskan pada bab sebelumnya bahwa isolator dalam kristal padat, celah energi terlarang

antara pita terisi paling atas (pita valensi) dengan pita kosong paling rendah (pita hantaran) demikian

lebarnya, sehingga hanya sebagian kecil saja dari elektron-elektron yang terangsang oleh panas (pada

temperatur kamar) yang dapat melompat dari pita valensi ke pita hantaran.

a. Sifat Mekanis : Kekuatan Tarik, Pemuluran, Kekuatan Tekan, Kerapuhan, Kelenturan.b. Sifat Panas

Jika terlalu lama berada pada suhu yang tinggi, mengakibatkan proses penuaan bahan dapatlebih cepat.

Ketahanan panas bahan adalah ketahanan bahan terhadap suhu tertentu dalam waktu tertentupula (relatif pendek)

c. Sifat Kimia

Ketahanan kimia dari bahan sangat penting sebab beberapa bahan isolasi sangat peka terhadap

pengaruh bahan-bahan kimia, missal : gas, air, asam, basa, dan alkali. Pada tegangan tinggi dapat

timbul ozon, beberapa bahan akan terpengaruh ketahanan isolasinya (karet tidak tahan terhadap

ozon).

d. Hidroskopisitas : Kemampuan atau kapasitas suatu bahan untuk menarik uap air dari udara.

Makin sedikit kapasitas uap air yang dapat diserap maka akan semakin baik isolasi tersebut.

Pengukurannya timbang berat bahan sebelum dimasukkan ke dalam oven. Setelah keluar dari

oven, timbang lagi. Maka, banyak uap air tidak boleh lebih dari 2 mg/cm 3 .

e. Penyerapan Air (%) : Kemampuan atau kapasitas suatu bahan menyerap air bila bahan tersebut

dimasukkan kedalam air. Bahan dikeringkan ditimbang celupkan ke air timbang lagi.

f. Lain-Lain

Yang perlu mendapat perhatian dari sifat-sifat bahan isolasi selain yang disebutkan diatas, adalah:

Titik leleh, Sifat larut dari bahan, Pengaruh daya tembus dari kelembaban.

Untuk daerah tropis dimana kelembaban tinggi, maka keadaan lingkungan juga harus diperhatikan

seperti: Daerah kering, Daerah basah, Daerah hujan yang tinggi, Angin, Rayap, jamur, serangga, etc.

2. Bahan-bahan Isolasia. An Organik : Marmer, Kaolin (alam) ; Gelas, Keramik (Sintetis)b. Organik : Yang dikerjakan secara mekanis (Sutera, Selulosa) ; Yang dikerjakan secara kimia ; Yang

dikerjakan secara sintetis.

Susunannya

a. Heterogen Keramik ; Homogen Gasb. Isolasi Berlapis : Padat dengan gas (gas bertekanan) ; Padat dengan cair (kapasitor etc) ; Padat

dengan padat (pada kabel fibre glass dilapisi cotton).


25/50

Penggunaannya

a. Sebagai Bahan Konstruksi : Marmer, Keramik, Gelas, Karet Sintetis atau bahan-bahan yang di press. b. Sebagai Bahan Pelapis : Asbess, Kayu Impregnated yang keras c. Sebagai Selubung

HomogenCat, Karet Lunak, PVC, PE Penyelubung berlapis Kertas dengan serbuk Bahan Pengisi : Padat (aspal) ; Cairan (oli) ; Gas (udara, N2, CO2, SF6)Untuk melakukan hal-hal tersebut diatas dapat dikerjakan secara: Mekanis / Press ; Dituang ;

Disemprot ; Dilunakkan.

3. Kerusakan Dielektrik PadatKerusakan pada dielektrik padat tergantung pada beberapa faktor antara lain :

a. Sifat/karakter medan listrik : AC/DC ; Impluse ; Frequensi rendah ; Frequensi tinggib. Adanya kesalahan/kerusakan dari bahan sendiric. Pendinginan/pemanasan bahan dielektrikd. Proses penuaan/waktu penggunaan

Jenis kerusakan yang dapat terjadi pada dielektrik padat adalah sebagai berikut :

a. Kerusakan elektris Makroskopis (pada dielektrik homogen)Berlangsungnya cepat sekali, biasa disebabkan oleh energi panas. Getaran yang terjadi pada kisi-kisi

kristal menyebabkan elektron-elektron pada atom mendapat tambahan energi. Tambahan energi ini

atau energi luar tersebut dapat menyebabkan elektron-elektron lepas dari kisi-kisinya sehingga

timbul kerusakan (terjadi ionisasi). Kerusakan seperti ini terjadi akibat Kuat Medan yang tinggi.

b. Kerusakan elektrik yang tidak homogenTerjadinya kerusakan dapat cepat sekali. Bahan dielektrik yang berpori-pori mempunyai EBd rendah

misalnya : Pada keramik yang berpori-pori cukup banyak dan besar ; Kayu. Untuk memakai bahan

yang berpori maka biasanya bahan yang ada dalam pori-pori tersebut (gas, uap air) dihilangkan lebih

dahulu dengan cara dipanaskan. Kemudian bahan tersebut diisi atau pori-pori yang sudah

ditinggalkan oleh gas/uap air tersebut diisi dengan bahan pengisi lainnya seperti oli/minyak resin,

inilah yang disebut dengan Impregneted, Contoh : kayu dan kertas.

c. Kerusakan dielektrik akibat elektro kimia

Terjadi karena proses elektrolisa, sehingga menurunkan kekuatan dielektrik. Kerusakan ini terjadi

pada suhu yang tinggi dan kelembaban yang tinggi juga. Kejadian ini merupakan proses penuaan

sehingga lama kelamaan bahan dielektrik akan menurun kemampuannya dan kemudian rusak.

Biasanya proses ini disertai dengan timbulnya Nitrogen Oxide atau Ozon yang dapat menimbulkan

kerusakan pada bahan. Proses ini berjalan lambat, tidak sekaligus tetapi secara menahun.

d. Elektro termal


26/50

Kerusakan atau retak-retak yang terdapat pada bahan dielektrik menyebabkan adanya arus bocor

dan rugi dielektrik. Adanya arus bocor dan rugi dielektrik ini merupakan sumber panas dan

menyebabkan temperatur naik. Selain itu kerusakan juga tergantung kepada frekuensi dan suhu

ruang. Jika kuat medan naik karena tegangan dinaikkan maka temperatur juga akan naik. Hal lain

yang mempengaruhi adalah kemampuan bahan dielektrik untuk melepas panas yang dihasilkan juga

memegang peranan penting. Jika panas yang dilepas oleh permukaan adalah sama dengan panas

yang ditimbulkan, maka temperatur akan konstan. Jika temperatur kritis dilampaui maka bahan akan

rusak.

4. Kerusakan Dielektrik Caira. Kerusakan karena panas

Panas Penguapan dari bahan cair tersebut dan timbul gas yang menyebabkan kerusakan pada

bahan dielektrik.

b. Kerusakan karena ionisasiAkan terjadi kerusakan akibat ionisasi jika : W = E . q . > Wionisas

cair < gas ; Ecair > Egas

Dari hal diatas dapat dikatakan bahwa bahan dielektrik cair dapat lebih baik daripada gas (untuk

beberapa jenis gas) jika tidak tercampur dengan bahan-bahan yang lain. Karena dibutuhkan Eyang

sangat besar, agar W> Wionisasi, sehingga terjadi kegagalan isolasi.

Adanya kuat Medan yang besar dapat menyebabkan timbulnya polarisasi elektron antara kedua

elektrodanya dan dapat menimbulkan kerusakan pada dielektrik cair. Adanya ketidakmurnian bahan pada

bahan dielektrik cair sangat besar pengaruhnya terhadap sifat suatu bahan dielektrik (isolasi), hal ini dapat

kita lihat pada minyak transformator. Jumlah uap air yang ada dalam minyak transformator ternyata

sangat mempengaruhi tegangan tembusnya. Minyak yang diuji adalah minyak bagian atas, tengah dan

bawah dan diuji dengan standar elektroda pada jarak 2,5 mm.

Jika EBd > 20 kv masih baik

Jika EBd < 20 kv sudah rusak

5. KeramikPada umumnya keramik mempunyai sifat-sifat yang baik yaitu: keras, kuat dan stabil pada temperatur

tinggi. Tetapi keramik bersifat Getas dan mudah patah.

Proses Pembentukan Keramik

Sebelum diproses menjadi keramik, segi penting yang harus diperhatikan karena akan sangat

mempengaruhi sifat akhirnya adalah ukuran partikel dari bubuk mineral serta distribusi (penyebaran)

ukuran partikel dimana ini akan memepengaruhi kerapatannya atau pori-porinya. Komposisi ukuran

partikel kecil akan lebih kuat, ikatan yang terjadi akan lebih banyak. Untuk penataan kerapatan yang lebih

bagus, biasanya diperoleh dengan mencampur butiran kasar dan halus, dengan demikian porositas yang


27/50

terjadi dapat dikurangi, karena butiran-butiran halus akan mengisi rongga-rongga dari butiran-butiran

kasar. Komposisi yang ideal berkisar 70 % butiran kasar dan 30% butiran halus. Campuran bubuk

biasanya diproses basah. Bahan mentah diaduk merata, setelah itu disaring, kalau akan dibentuk sebagai

isolator maka material magnetik dipisahkan dan selanjutnya air dihilangkan (secukupnya). Dengan

terjadinya pemampatan butir-butiran, maka besar dan jumlah pori-porinya dengan sendirinya akan

berkurang. Karena adanya pemampatan terhadap butiran-butiran tersebut, terutama butiran-butiran

halus mengisi dan terikat dengan butiran-butiran kasar menyebabkan banyak butiran yang melebur dan

menyatu. Pembakaran dilakukan dalam tanur, dapat berupa/jenis batch maupun kontinu. Proses

pembakaran kontinu mencakup daerah makin panas lalu makin dingin, bertahap-tahap sampai kembali ke

suhu lingkungan sekitarnya. Proses pembakaran dapat berlangsung mulai dari beberapa jam sampai lebih

dari satu hari. Pengempaan kering adalah pemampatan yang menjadikan volume lebih kecil dengan

bantuan tekanan, sehingga terbentuk kerapatan ikatan partikel yang tinggi. Cara ini banyak ditempuh

untuk membuat komponen kecil dan bentuknya rumit pada penggunaan teknik/rekayasa dan elektronika.

Proses kempa kering dimulai dengan pengisian rongga-rongga oleh bubuk, setelah itu diberi

tekanan/desakan kempa atas dan bawah. Pada bentuk geometris yang rumit dan panjang (panjang lebih

besar daripada diameter), maka yang biasa dipergunakan adalah dengan memberi tekanan hidrostatik

atau isostatik agar tekanan pada cetakan seragam.

Bentukan Plastik

Terjadinya plastisitas bila Lempung bercampur dengan air dan dimanfaatkan pada proses pembentukan

plastik. Ada 2 cara komersial untuk membentuk produk keramik pada keadaan plastis, yaitu:

EKSTRUSI : Menyangkut penekanan campuran plastis lewat lobang-lobang. JIGGERING : dengan cetakan putar, sehingga dapat membentuk satu permukaan, sedang permukaan

lainnya terbentuk oleh putaran masa plastiknya sendiri pada piranti cekung.

Tuangan

Tuang-gelincir (slip Casting), biasanya air digunakan untuk mengangkat bubuk selama proses

pembentukan Campuran Tuang Gelincir seperti adonan roti. Adonan dituang ke cetakan berpori, agar air

turun dan hilang serta bubuknya mampat menjadi padat membentuk ikatan. Tuangan pita, dipergunakan

untuk membuat lembaran tipis dari bubuk Keramik. Lembaran tersebut kemudian dibakar dan kemudian

dimanfaatkan sebagai plat tipis atau untuk basis metalisasi elektronik.

Pemanasan

Air yang berlebihan harus dihilangkan baik pada proses bentukan plastik maupun pada proses tuang

gelincir, dengan demikian diperlukan tahapan pengeringan, dimana pada lempung terdapat:

Air Suspensi dari proses tuangan Air antar Partikel yang masih ada pada bentukan plastik Air Pori antar Partikel setelah pengerutan Air Kisi dalam Struktur Kristal


28/50

Air teradsorpsi fisik hilang dengan pemanasan 1000C. Air terabsorpsi kimia hilang pada 1000

0C. Air Kisi

mulai lepas pada 6000C. Pembakaran menjadikan bubuk keramik lebih pampat dan menjadikan massa

koheren. Permukaan mengecil, volume berkurang dan karena butiran-butiran saling lebur menyatu maka

produk akan lebih kuat.

Perbedaan gelas dengan komposisi Keramik lain, terutama pada cara pembentukan, bukan pada ciri fisik

atau kimia. Gelas dibuat dengan pendinginan lelehan material yang panas, sedangkan Keramik dibentuk

pada suhu kamar dari bubuk lalu dimampatkan dengan suhu pemanasan yang tinggi. Keramik itu

polycristaline(kecuali yang monocristaline) dan kedap cahaya. Sedangkan Gelas, Homogen, Bening, Silika

merupakan bahan dasar atau kandungan dasar dari gelas.

Gelas dapat dikelompokkan berdasarkan material pembentukannya:

SodaKapurSilika : Gelas umumnya (terbanyak) Timbel Silika : bahan Gelas kristal Borosilika : untuk gelas mutu tinggi, tahan kimia dan panas Flinta : suhu bentukan tinggi, mutu tinggi, mahal untuk opti

Gelas juga dapat dikelompokkan berdaasarkan penggunaannya: Gelas Optik ; Kimia (untuk kebutuhan

gelas tahan panas dan kimia) ; Alat-alat Gelas (Jendela, Botol).

6. Kekuatan KeramikKekuatan Keramik adalah sensitive terhadap struktur. Faktor utama yang mempengaruhi struktur keramik

dan juga kekuatan : Kehalusan permukaan, Volume dan bentuk dari pori, Ukuran dan bentuk Butir, Jenis

dan bentuk fasa batas butir, dan cacat yang disebabkan oleh tegangan dalam seperti halnya tegangan

termal. Seperti telah diketahui bahwa dengan mengecilnya ukuran butir maka kekuatan akan meningkat.

Pengukuran kekuatan keramik dapat dilakukan dengan alat PALU atau dengan menjatuhkan BOLA dari

ketinggian tertentu ke permukaan keramik. Besarnya tegangan ditentukan oleh Tinggi, Jumlah Jatuhan

serta Luas Kontak Tegangan.

Kekerasan

Kekerasan yang dimiliki Intan (Kekerasan Mohs 10) dan Korundum (Kekerasan Mohs 9), adalah salah satu

ciri khas bahan keramik dengan kekerasannya yang tinggi. Kekerasan adalah ukuran tahanan bahan

terhadap deformasi plastis pada permukaan bahan. Beberapa cara pengukuran kekerasan telah

ditetapkan dengan cara deformasi yang berbeda, salah satunya ialah Kekerasan Mohs. Keramik memiliki

ketahanan termal dan kestabilan kimia dan mempunyai kemungkinan penggunaan pada temperatur tinggi

sebagai bahan teknik yang baru, yang tidak dapat diperankan oleh Logam. Gejala deformasi plastis yang

meningkat menurut waktu pada tegangan tetap pada temperatur tinggi disebut Melar Creep. Melar

adalah suatu gejala yang rumit yang melibatkan pergeseran pada batas butir, dislokasi dalam Kristal,

Difusi dari pori dan lainnya.


29/50

7. Bahan Isolasi CairFungsi dari isolasi cair adalah untuk memisahkan bagian-bagian yang mempunyai beda tegangan agar

diantarsa bagian-bagian tersebut tidak terjadi lompatan bunga api atau percikan, sebagai media

pendingin. Isolasi cair biasanya digunakan pada peralatan listrik seperti pemutus tenaga (memadamkan

busur api), transformator (pendingin dan media isolasi) dan lain sebagainya. Inti dan kumparan dari trafo

dicelupkan kedalam suatu isolator cair (minyak Diala), yang berfungsi sebagai media pendingin dan media

isolasi. Beberapa alasan penggunaan isolasi cair adalah:

Isoalasi cair (dalam hal ini sering disebut sebagai Minyak Transformator) mempunyai tingkat kerapatanyang tinggi, yaitu lebih dari 1000 kali dibandingkan dengan udara.

Bahan isolasi cair dapat mengisi celah atau ruang yang akan diisolasi dan secara sekaligus menyerapdan menghilangkan panas yang timbul akibat rugi-rugi energi melalui proses konveksi.

Isolasi cair memiliki kecenderungan untuk memperbaiki diri sendiri (self healing) jika terjadi pelepasanmuatan (discharge).

Beberapa sifat yang harus terdapat pada minyak transformator antara lain sebagai berikut:

1. Tegangan Tembus yang Tinggi

Tegangan tembus minyak transformator perlu diukur karena menyangkut kesanggupan minyak untuk

menahan Electric Stress, tanpa kerusakan. Tegangan tembus dapat diukur dengan cara memasukkan

dua buah Elektroda bola (setengah bola) kedalam minyak yang akan diukur. Kalau didapat tegangan

tembus yang rendah maka dapat dikatakan minyak transformator telah terkontaminasi.

2. Faktor Kebocoran Dielektrik yang Rendah

Daya yang hilang dalam operasi suatu transformator disebabkan kehilangan energi menjadi panas,

akibat pemecahan molekul-molekul. Harga faktor kehilangan dielektrik yang tinggi menunjukkan

adanya kontaminasi atau terjadinya oksidasi yang mengakibatkan minyak menjadi kotor atau

menghasilkan kotoran berupa logam alkali, koloid bermuatan dan sebagainya.

3. Viskositas yang Rendah

Viskositas merupakan tahanan dari cairan untuk mengalir kontinu dan merata, tanpa adanya

turbulensi dan gaya-gaya lain. Sebagai Media Pendingin maka viskositas minyak transformator

merupakan faktor penting dalam aliran konveksi untuk memindahkan panas. Viskositas juga dipakai

sebagai dasar pembagian kelas minyak.

4. Titik Nyala yang Tinggi

5. Massa Jenis yang Rendah

Massa jenis minyak transformator lebih kecil dibanding air, oleh karena itu adanya air dalam minyak

transformator akan mudah dipisahkan, karena air akan turun ke bawah sehingga akan lebih mudah

dikeluarkan dari tangki minyak transformator dan atau tangki pemutus tenaga.

6. Kestabilan Kimia dan Penyerapan Gas yang Baik

Kestabilan ini penting terutama terhadap oksidasi, sehingga dapt dievaluasi kecenderungan minyak

membentuk asam dan kotoran zat padat. Asam dan kotoran zat padat yang terbentuk akibat oksidasi


30/50

akan menurunkan tegangan tembus. Selain itu air dan asam menyebabkan korosi terhadap logam

yang ada di dalam transformator, sedang kotoran zat padat akan menyebabkan perpindahan panas

(heat transfer) dalam proses pendinginan transformator terganggu.

7. Angka Kenetralan

Angka kenetralan dinyatakan dalam mg KOH yang dibutuhkan pada titrasi satu gram minyak. Angka

kenetralan merupakan angka yang menunjukkan penyusun asam dan dapat mendeteksi adanya

kontaminasi dalam minyak, kecenderungan perubahan kimia atau cacad atau indikasi perubahan kimia

bahan tambahan. Selain itu angka kenetralan merupakan petunjuk umum untuk menentukan apakah

minyak yang sedang dipakai harus diganti atau diolah kembali dengan melakukan penyaringan

(filterasi).

8. Korosi belerang

9. Resistivitas

Resistivitas yang rendah menunjukkan bahwa minyak tersebut sudah mengalami kontaminasi zat lain.

8. Pengujian Minyak TransformatorMinyak transformator harus selalu diuji kemampuannya secara periodik (biasanya setiap 6 bulan), baik

untuk minyak baru maupun minyak yang sudah/sedang dipakai, terutama kekuatan tegangan tembusnya.

Untuk mengambil minyak yang akan diuji dari peralatan yang sedang/sudah beroperasi maka dilakukan

langkah sebagai berikut:

a. Minyak diambil dari katup pengurasan (sampling valve diletakkan pada main drain valve), karenaumumnya kotoran cenderung dijumpai di dasar tanki dari peralatan, selain itu minyak juga diambil

dari bagian atas dan bawah.

b. Minyak dapat diambil dengan memakai 2 jenis botol, pertama dengan botol leher kecil (1 quart) danlainnya dengan botol/gelas yang tertutup (dengan karton) agar tidak tembus cahaya.

c. Minyak tidak boleh diambil dengan memakai tempat yang terbuat dari karet atau tempat yangterbuat dari campuran karet.

d. Sebelum digunakan, botol harus dicuci/dikocok dengan Hydrocarbon Solvent, seperti, Kerosine,kemudian:

Cuci dengan busa sabun yang keras Bilas dengan air murni (Destilled water) Keringkan dalam oven sampai temperatur 1050/1100C Setelah pengeringan, botol harus ditutup rapat, simpan dalam ruang tertutup, kering dan bebas

debu.

Bersihkan dengan hati-hati katup pengurasan (Sampling valve) dan biarkan minyak mengalirsecukupnya, untuk membuang benda-benda asing yang mungkin mengendap di dasar tanki

peralatan/transformator. Biasanya minyak dialirkan cukup satu quart, tapi bisa lebih dan

mencapai 1s/d 2 gallon untuk membiarkan minyak mengalir terus sampai kotoran pada valve

hilang.


31/50

Masukkan minyak ke dalam botol sebagai pencuci kemudian isi botol dengan minyak dansediakan sedikit ruang untuk memungkinkan terjadinya pengembangan dari cairan

Jika ingin mengambil ulang perhatikan batas ketinggian dari minyak trafo, jika kurang maka perlupenambahan minyak baru.

Pengujian Tegangan Tembus

Memakai 2 (dua) jenis elektroda, yaitu elektroda datar /plat atau batang dan elektroda sela bola

(setengah bola). Type elektroda plat lebih umum dan biasanya digunakan menguji minyak yang

sudah/sedang dipakai. Elektroda sel bola digunakan untuk menguji tegangan kegagalan dari minyak

transformator yang masih baru, elektroda ini sangat sensitive terhadap sejumlah kecil pengotoran

minyak. Dalam melakukan pengujian tegangan tembus ini, kedua elektroda dihubungkan dengan sumber

tegangan yang dapat diatur. Tegangan dinaikkan perlahan-lahan sampai terjadi kegagalan (flash over) dan

peralatan menunjukkan besarnya tegangan pada saat terjadinya kegagalan. Pengujian dilakukan beberapa

kali (biasanya 4 sampai 5 kali pengujian), dan setiap selesai dari satu pengujian harus menunggu beberapa

saat (5 menit atau lebih) untuk melakukan pengujian berikutnya, sehingga kotoran yang timbul akibat

loncatan bunga api pada pengujian sebelumnya dapat megendap lebih dahulu.

Test Keasaman (acidity test)

Ini merupakan indicator adanya oksidasi dalam minyak. Karena beberapa hasil oksidasi disebabkan oleh

asam asli, sehingga dengan test ini dapat dideteksi tingkat keasaman dari minyak tersebut. Bahan utama

dari oksidasi adalah pengendapan Lumpur. Endapan terbentuk setelah semua hasil oksidasi mengendap

dalam minyak. Dengan acidity test ini kita bisa menyelidiki sejauh mana oksidasi berkembang. Untuk

mudahnya digunakan metode titrasi dengan indikator warna, dimana akan menghasilkan test dalam

milligram potassium hydrokside (KOH) per-gram minyak. Biasanya cara yang dilakukan adalah sebagai

berikut :

Ambil sample minyak sebanyak 10 cc Tambahkan larutan penetralisirnya sampai volume menjadi 50cc Jumlah Netralisasi = mg KOH/g minyak Tambahkan larutan KOH ke dalam campuran tadi Kocok kira-kira 30 detik, bila didapat hasil yang warnanya merah muda (pink) dan terang maka

Minyak dalam keadaan baik, tapi bila didapat warna lainnya dan agak keruh, ini berarti minyak telah

berkurang kekuatan tegangan tembusnya, sehingga minyak harus di sirkulasi/filter kembali, agar

kemampuan isolasinya dapat ditingkatkan.

9. Pemeliharaan Minyak Transformatora. Pada saat pengisian, Tanki peralatan harus bersih dan rapatb. Tidak mempergunakan selang karet pada saat penuanganc. Filter harus berfungsi dengan baikd. Hindari kontak langsung dengan udara


32/50

Agar minyak tidak teroksidasi dengan udara, maka pada saat pengisian minyak untuktransformator daya (power transformer) dilakukan pengisian dengan vakum (vacuum filling)

Kecepatan maksimum pengisian minyak adalah 1,25 cm kenaikan per menit agar semua celahdapat terisi penuh oleh minyak.

Selesai pengisian minyak, maka kondisi vakum dilepas dengan memasukkan Nitrogen kering padatekanan 10 psig.

e. Kalau perlu pada minyak dapat diberikan Absorbent Cilica Gel

Minyak harus selalu diuji secara periodik (biasanya setiap 6 bulan), sehingga dapat diketahui apakah

minyak yang dipakai masih memenuhi syarat atau tidak. Minyak yang sudah/sedang dipakai dapat

dibersihkan dari bahan-bahan yang mengotori dengan beberapa cara, antara lain :

Mendidihkan minyak sampai titik didih air sehingga air yang terkandung dalam minyak menguap danhilang dari minyak. Untuk mempercepat proses pengeluaran air dari dalam minyak, maka proses

dilakukan dalam vacuum boiler. Tetapi karena adanya pemanasan maka proses penuaan dari minyak

juga dapat berlangsung lebih cepat.

Untuk meningkatkan kekuatan isolasi (dielectric strength) minyak dapat juga dilakukan sirkulasidengan filter (filtering circulation) agar material pengotor dapat disaring sehingga minyak bersih

kembali.

10. Isolasi GasSaat pembukaan dan penutupan (switching) pada rangkaian tegangan tinggi akan terjadi busur api(arcing)

yang disebabkan oleh tegangan transient. Untuk tegangan rendah, busur api busur api yang terjadi tidak

terlalu besar, sehingga media udara sudah cukup untuk memadamkannya. Dari percobaan pengukuran

tegangan tembus pada celah diantara dua bola (sphere-gap) : . . . .V A S B S KV (peak)

A dan B adalah konstanta ; adalah kerapatan media diantara celah bola ; S adalah jarak antara celah

bola dalam cm.

Udara Kering Sebagai Isolasi

Kekuatan udara bergantung pada kadar uap airnya. Telah ditemukan bahwa isolasi minyak cukup baik

sebagai media isolasi, dan digunakan sebagai bahan isolasi pada lilitan transformator tegangan tinggi.

Kemudian minyak juga dipakai sebagai media pemutus/pemadam busur api pada pemutus daya (circuit

breaker). Ditemukan media pemutus yang lebih baik lagi yaitu udara vakum (Vacuum) dan gas SF6.

Udara Vakum sebagai Media Pemutus Daya

Busur api yang timbul akibat switching akan lebih cepat dimatikan karena kevakuman udara menjadikan

api tidak dapat bertahan lama. Di Jerman hampir semua pemutus daya yang digunakan adalah dari jenis

vakum dengan standar DIN.


33/50

11. Gas SF6 Sebagai Media Pemutus DayaGas SF6 merupakan gas yang kekurangan elektron, pada saat terjadi busur api gas SF6 dengan cepat

menyerap elektron pada busur api sehingga busur api terserap oleh gas SF6 . Mengapa SF6?

Alasan pertama adalah karena semakin meningkatnya permintaan untuk pemutuas tenaga yang menggunakansedikit minyak, untuk kapasitas penyaluran arus yang besar dan juga kualitas dari electrical switching.Tujuan

dari penggunaan SF6pada pemutus tenaga (circuit breaker) adalah untuk menyelesaikan permasalahan

pada switching overvoltages.

Karena pertimbangan ekonomis, dimana biaya pemeliharaan yang lebih murah sebab pemutus tenaga (circuitbreaker) dengan SF6memerlukan p

ringkasan buku mtl

Documents