Bahan konduktor

6.4. Bahan Magnet Permanen

Magnet permanen digunakan pada instrumen penginderaan, rele, mesin-mesin listrik yang kecil dan banyak lagi. Baja karbon yaitu baja dengan komposisi karbon 0,4 hingga 1,7% merupakan bahan dasar pembuatan magnet permanen. Kemagnetan bahan ini relative mudah hilang terutama disebabkan oleh pukulan atau vibrasi. Untuk menaikkan mutu kemagnetannya, maka baja karbon ditambah wolfram, kromium atau kobal.

Gambar : 6-6 Permeabilitas terhadapa temperatur

Gambar 6-3 Permeabilitas = f (T) beberapa ferrit

Bahan paduan alni terdiri dari alumunium, nikel, dan besi. Jika bahan tersebut ditambah lagi dengan Si, maka paduan disebut alnisi. Sedangkan alnico adalah bahan paduan yang terdiri dari alumunium , nikel, dan kobal. Bahan-bahan tersebut mempunyai kemagnetan yang tinggi.

Vectolit adalah bahan paduan yang terdiri dari besi, kobal oksida sedangkan feroxxdure adalah bahan paduan yang terdiri dari besi oksida dan barium, bahan ini juga disebut barium ferrrit dan dipasaran dengan nama arnox, indox, atau ferroba, pembuataanya adalah dari bubuk bahan yag akan dipadukan pada suhu yang tinggi.

Penggunaanya antara lain : magnet padapengerasan suara , perangkat penggandeng magnetic. Beberapa sifat kemagnetan ari bahan magnet permanen paduan terlihat seperti pada tabel 6-3 dibawah :

Tabel 6-3

Beberapa Bahan Magnet Keras

Nama	Komposisi	He A-lilit/m	Br Wb/m^2	(BH) maks J/m^3
Baja wolfram	93,3%Fe,0,7%C,6%W	4.800	1,05	2.400
Baja chrom	96%Fe,1%C,3%Cr	4.800	0,9	2.200
Baja Kobal	59%Fe,1%C,5%Cr, 5%W,30%Co	17.500	0,9	7.440
Alni	57%Fe,4%Cu,25%Ni, 14%Al	43,800	0,55	10.400
Alnisi	51%Fe,1%Si,34%Ni, 14%Al	63.700	0,4	11.200
Alnico II	55%Fe,17%Ni,12%Co, 10%Al	50.000	0,7	17.000
Alnico V	51%Fe,24%Co,14%Ni, 8%Al	50.000	1,2	45.000
Vektolit	44%Fe3O4,30%Fe2O3, 26%Co2O3	70.000	0,6	4.000
Platina Kobal	77%Pt,23%Co	200.000	0,45	16.000

6.5. Magnetostriksi

Pada saat sebuah bahan ferromagnetic diamagnetisasi, umumnya secara fisik akan terjadi perubahan dimensi. Hal atau gejala seperti ini disebut magnetostriksi.

Terdapat 3 jenis magnetostriksi yaitu :

a. Magnetostriksi longitudinal yaitu perubahan panjang searah dengan magnetisasi. Perubahan ini dapat bertambah panjang atau berkurang.

b. Magnetostriksi transversal yaitu perubahan dimensi tegak lurus dengan arah magnetisasi.

c. Magnetostriksi volume yaitu perubahan volume sebagai akibat dari kedua efek di atas.

Magnetostriksi beberapa bahan ditunjukkan pada gambar 6-4.


Gambar 6-4 Magnetostriksi joule sebagai fungsi dari medan magnit (H)

Secara umum dapat dikatakan bahwa permeabilitas akan naik karna penurunan perubahan atau kenaikan tegangan tarik. Sebaliknya untuk bahan dengan negative, tekanan yang digunakan akan mengurangi permeabilitas.

Secara praktis pengaruh dari penggunaan magnetostriksi adalah sangat terbatas.

Pemakaian yang memperhatikan magnetostriksi contohnya ialah oscilatorfrekuensi tinggi dan generator supersound, karena permeabilitas adalah berhubungan magnetostriksi, maka untuk penggunaan bahan-bahan yg permeabilitasnya tinggi harus diusahakan magnetostriksinya serendah mungkin.

Soal – soal Ilmu Bahan

1. 
   Sebutkan jenis-jenis bahan magnet
   
2. 
   Pada magnet lunak, sebutkan aplikasi kelistrikannya
   
3. 
   Pada magnet keras, sebutkan aplikasi kelistrikannya
   
4. 
   Jelaskan kelebihan dan kekurangan dari bahan magnet
   
5. 
   Bagaimana cara mendapatkan sifat kemagnetan
   

BAB 7

BAHAN FERROMAGNETIK

Bahan ini sangat mudah menyalurkan gaya gerak magnet (ggm) , permeabilitasnya jauh diatas satu, contoh bahan ferromagnetic adalah Fe, Co, Ni, Gd dan Dy.

Kemagnetan bahan ini relative lebih mudah untuk hilang terutama disebabkan oleh pukulan atau vibrasi . Untuk menaikkan mutu kemagnetannya, maka baja karbon ditambah wolfram, kromium atau kobal.

Bahan paduan alni dari aluminium , nikel dan besi. Jika bahan tersebut ditambah lagi dengan Si, maka paduan disebut alnisi, Sedangkan alnico adalah bahan paduan yang terdiri dari aluminium . nikel dan kobal. Bahan tersebut mempunyai sifat kemagnetan yang tinggi dan lebih murah disbanding baja kobal kualitas tinggi.

Bahan vektolit adalah paduan dari besi, kobal, oksida sedangkan ferroxdure adalah bahan paduan yang terdiri dari besi oksida dan barium dan bahan ini juga disebut barium ferrit dan pasaran dengan nama arnox, indox atau ferroba, pembuatannya adalah dari bubuk bahan yang akan dipadukan pada suhu yang tinggi.

Penggunaannya antara lain : magnet pada pengeras suara, perangkat penggandeng magnetik, instrument penginderaan, rele, mesin-mesin listrik yang kecil dan banyak lagi .

Bahan ferromagnetik ada yang positif , kerentanan besar untumedan magnet luar . ini menunjukkan daya tarik yang kuat untuk medan magnet dan mampu mempertahankan sifat magnetik mereka setelah bidang eksternal telah dihapus bahan .

Ferromagnetik memiliki elektron tidak berpasangan sehingga atom mereka memiliki momen magnet bersih. Mereka mendapat magnet yang kuat sifat mereka karena keberadaan domain magnetik . Dalam domain ini , sejumlah besar di saat-saat atom ( 10¹² sampai 10¹⁵) adalah sejajar parallel sehingga gaya magnet dalam domain yang kuat.

Ketika bahan ini dalam keadaan unmagnitizet, wilayah hampir secara acak terorganisir dan medan magnet bersih untuk bagian yang secara keseluruhan adalah nol. Ketika kekuatan magnetizing diberikan, domain menjadi selaras untuk menghasilkan medan magnet yang kuat dalam bagian.

Ciri-ciri bahan ferromagnetik adalah

• 
  Bahan yang mempunyai resultan medan magnetis atomis besar.
  
• 
  Tetap besifat magnetik, sangat baik sebagai magnet permanen.
  
• 
  Jika solenoid diisi bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik sangat besar ( besi , baja, besi silicon , nikel, kobalt, gadalinium )
  

Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain. Bahan ini sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen magnetiknya kuat dan arahnya berbeda satu domain dengan domain lainya.

Soal soal Ilmu Bahan

1. 
   Sebutkan bahan logam yang mengandung ferromagnetik
   
2. 
   Sebut dan jelaskan ciri-ciri dari bahan ferromagnetik
   
3. 
   Sebutkan aplikasi kelistrikan dari bahan ferromagnetik
   
4. 
   Pada bahan ferromagnetik mempunyai karakteristik, jelaskan
   
5. 
   Jelaskan kelebihan bahan ferromagnetik
   

BAB 8

SEMI KONDUKTOR DAN SUPER KONDUKTOR

Semi konduktor dewasa ini mempunyai peranan yang penting dibidang elektronika yang penggunaanya tidak terbatas pada arus lemah saja.

Sedangkan Super konduktor merupakan bahan yang masih memerlukan penelitian untuk penyempurnaan lebih lanjut.

8.1. Semikonduktor

Suatu hal yang penting untuk memahami suatu konduksi elektronik baik pada bahan konduktor maupun pada semi konduktor adalah susunan pita dari atom. Pada bahan-bahan terdapat pita konduksi maupun pita valensi. Pada konduktor kedua pita tersebut saling menempuk , pada isolator jarak keduannya cukup jauh. Sedangkan pada semi konduktor jarak keduannya tidak terlalu jauh dan ini memungkinkan terjadinnya tumpang tindih jika dipengaruhi misalnya ; panas, medan magnet yang cukup tinggi.

Perbandingan jarak kedua pita yang disebut celah energy seperti ditunjukkan pada gambar 8-1.

Gambar 8-1 Celah energy dari beberapa bahan

Dari gambar diatas terlihat bahwa celah energy pada intan adalah 6ev , dan intan merupakan bahan isolator dengan resistivitas yg tinggi. Sedangkan bahan semi konduktor mempunyai celah energy lebih sempit dari pada isolator yaitu 0,12 hingga 5,3ev. Misalnya Si sebagai salah satu bahan semikonduktor mempunyai celah energy 1,1ev.

8.1.1 Semi konduktor Instrinsik

` Untuk menjadikan pita valensi bertumpang tindih dengan pita konduksi diantaranya adalah diperlukan medan.Sebagai contoh : Si mempunyai celah energi 1 ev ini adalah diperkiraan beda energi antara 2 inti ion yang terdekat dengan jarak kuranglebih1A⁰(10^-1m).

Pada semi konduktor intrinsik, konduksi tersebut disebabkan proses intrinsik dari bahan tanpa adanya pengaruh tambahan, Kristal-kristal Si dan Ge murni adalah semi konduktor intrinsik, Elektron-elektron yang dikeluarkan dari bagian teratas pita valensi kebagian pita konduksi karena energi termal adalah penyebab konduksi. Banyaknya elektron yang terkuat untuk bergerak melintasi celah energi dapat dihitung dengan distribusi kemungkinan Fermi-Dirac sebagai berikut :

P (E) =1 / (1 + e) ^{(E-Ef) / K. T} ………………………………………..….….(8-1)

Ef adalah tingkat Fermi seperti ditunjukan pada gambar 8-2.
K adalah konstanta Boltzman sebesar 8,64.10^-5eV/K
E – EF adalah sama dengan E/2
E adalah besaran celah energy termal KT pada suhu kamar (0,0026 eV)

karena nilai 1 pada penyebut dapat diabaikan,maka persamaan 8-1 diatas dapat ditulis :

P (E) = e^(-Eg /^2KT) …………………………………………………(8-2)

Pada suhu 0⁰ C semua elektron berada pada pita valensi. Pada keadaan ini kemungkinan adanya elektron didaerah 0>E>Ef adlah 100%. Untuk E> Ef, P (E) = 0 kemungkinan adanya elektron didaerah E > Ef adalah 0%, maka dapat dituliskan bahwa banyaknya elektron n yang melalui celah energi adalah :

Gambar 8-2 Tingkat ferni pada semi konduktor intrinsic pada pertengahan celah energi

Suatu semi konduktor instrinsik mempunyai lubang yang sama pada pita valensi dan elektron pada pita konduksi.
Konduktivitas dari semi konduktor intrinsik tergantung konsentrasi muatan pembawa tersebut yaitu ne dan nh.

8.1.2 Semi konduktor Ekstrinsik

Pada semikonduktor ekstrinsik, konduksi dapat dilakukan setelah adalah penyuntikan bahan penambah atau pengotoran dari luar (extrancous impurities). Proses penyuntikan bahan tambahan terhadap semi konduktor murni disebut doping. Penambahan bahan tersebut kepada semikonduktor murni akan meningkatkan konduktivitas semikonduktor. Suatu kristal silikon yang didoping dengan elemen kolom 5 pada susunan berkala seperti P,As atau Sb.
Pada gambar 8-3 ditunjukan Kristal Si yang dodoping dengan P.
Elektron dari atom pospor adalah bergerak pada medan listrik dari kristal silikon dan bukan pada ruang bebas seperti halnya pada atom H. Hal ini embawa akibat

Gambar 8-3 Silikon yang didoping dengan pospor

konstanta dielektrik dari Kristal pada perhitungan orbital dan radius orbit elektron menjadi sangat besar yaitu kira-kira 80 A⁰ dibandingkan 0,5 A⁰dari orbit hidrogen.Semikonduktor yang didonorkan dari elemen-elemen pada kolom 4 (mendonorkan muatan negatif) disebut semikonduktor tipr-n.
Dibandingkan dengan celah energi, besarnya energi ionisasi dari atom pengotor adalah sangat kecil. Pada suhu kamar, elektron-elektron tingkat donor sudah dikeluarkan dari pita valensi masuk kedalam pita konduksi.

Tabel 8-1,

Energi ionisasi

Bahan Pengotoran	Si (ev)	Ge (ev)
Tipe-n Pospor	0,044	0,012
Arsen	0,049	0,013
antimon	0,039	0,010
Tipe-p boron	0,045	0,010
Alumunium	0,057	0,010
Gallium	0,065	0,011
Indium	0,16	0,011

Sedangkan proses doping kristal Si dengan elemen kolom 3 antara lain : Ga, Al, In.

Pada suhu 0⁰, lubang tetap terikat pada atom pengantar. Kalau suhu dinaikan, lubang-lubang akan terlepas dari atom atom pengotor dan menjado konduksi.

Kumpulan lubang-lubang diusahakan dengan esitasi termal pada Si yang didoping

adalah jauh lebih besar daripada yang diusahakan dengan eksitasi dari elektron pada pita konduksi.

Menurut hokum gerakan massa, disini lubang-lubang positif sebgai pembawa mayoritas muatan. Dengan demikian semikonduktor ekstrinsik disebut semikonduktor tipe- p.

Tabel 8-2

Macam-macam Semikonduktor dan penggunaanya

Nama Semikonduktor	Pengunaannya
Barium Titinate (Ba ti)	Termistor (PTC)
Bismuth telurida (bi2 Te)	Konversi termoelektrik
Cadmium sulfide (Cd S)	Sel foto konduktif
Gallium arsenide Ga As)	Dioda,transistor,laser,led,generator,gelombang mikro
Germanium (Ge)	Diode, transistor
Indium antimonida (In Sb)	Magnetoresistor,piezoresistordetectorradiasi infra merah
Indium arsenide (In As)	Piezo resistor
Silicon (Si)	Diode, transistor, IC
Silicon carbide(SiCb)	Varistor
Seng sulfide(Zn S)	Perangkat penerangan elektro
Germanium silicon (Ge Si)	Pembangkit termoelektrik
Selenium (Se)	Rectifier
Aluminium stibium(Al Sb)	Diode penerangan
Gallium pospor(Ga P)	Diode penerangan
Indium pospor(In P)	Filter infra merah
Tembaga oksida	Rectifier
Plumbun sulfur (Pb S)	Foto sel
Plumbun selenium(Pb Se)	Foto sel
Indium stibium (In Sb)	Detector infra merah,filter infra merah generator hall

8.2 Superkonduktor


0
Bahan-bahan konduktor yang di jumpai sehari-hari, selalu mempunyai resistansi,bahwa resistansi akan mencapai harga nol pada suhu krisis (Tc).Di samping itu,medan magnet pada bahahan superkonduktor adlah lebih kecil daripada medan kritis (Hc).

Dengan demikian suatu superkonduktor akan hilang super konduktivitasnya jika suhunya di atas kritis dan medanya di atas kuat medan kritisnya. Terdapat 30 unsur dan hampir 100 senyawa yang dapat digunakan sebagai bahan superkonduktor. Suhu kritis tertinggi superkonduktor adalah 18,1^oK untuk senyawa Nb₃ Sn yang ditemukan oleh mathias seorang ahli dari USA.

Tabel 8-3.

Suhu Kritis (Tc) beberapa bahan superkonduktor

Unsur	Tc (^oK)	Senyawa	Tc (^oK)
Ti	0,49	NaBi	2,22
Zn	0,82	BaBa3	6,0
AI	1,20	Nb2Zn	10,8
TI	2,38	Mo N	12,0
In	3,40	Mo Re	12,6
Sn	3,73	V2,95 Ga	14,4
Hg	4,16	Nb N	15,2
Ta	4,39	V3 Si	17,1
V	5,1	Nb3AI	18,0
Pb	7,22	Nb3 Sn	18,1
Nb	8,00
Tc	11,2
Th	1,37	Cu S	1,6
U	0,68	Pb Sb	1,5

Tetapi perlu diingat bahwa tidak selalu terjadi pada bahan yang pada suhu kamar misalnya : Cu, Ag dan Au merupakan konduktor yang baik akan menjadi superkonduktor pada kondisi yang lebih mudah dibandngkan bahan lan yang pada suhu kamar konduktivitasnya lebih jelek.

Terdapat dua jenid=s superkonduktor yaitu jenis I termasuk Pb,Ag dan Sn, menyalurkan arus pada permukaanya sampai ke dalam 10^-4 mm pada medan mahnet hingga setinggi tingginya adalah kuat medan magnet Nb dan paduan Pb. Pada superkonduktor jenis II, jika medan magnetnya mencapai medan kritis dan suhu kritisnya relatif (kondisi tersebut lebih tinggi dari jenis I), keadaaan superkonduktor tidak langsung berubah menjadi konduktor normal, tetapi menjadi bahan yang merupkan peralihan atau dari kondisi superkonduktor menjadi konduktor normal.

Pada jenis I yang menghantarkan arus tetap akan menimbulkan medan magnet tanpa kerugian karena medan listriknya di semua tempat adalah nol sedangkan pada jenis II dalam keadaan yang sama akan menimbulkan kerugian yang sangat kecil dan dapat diabaikan.

Jika di teliti dari tabel 8-3 dapat dicatat bahwa :

Logam-logam monovalent adalah buikan superkonduktor

Logam-logam ferromagnetic dan antiferromagnetic adalah bukan superkonduktor.

Konduktor yang baik pada suhu kamar adalah bukan superkonduktor dan logam superkonduktor sebagai logam normal adalah buakan konduktor yang baik pada suhu kamar.

Film tipis dari Be,Bi, dan fe adalah supoerkonduktor

Bismut,Pb dan Te menjadi superkonduktor jika mendapat tekanan yang tinggi