5)- Sifat Listrik Bahan

Sifat listrik bahan 4 dan 3 sks : 1 jam tatap muka 4 sks : nomor 2-13; 14-21, 23-26. slide opsional 8 eks. : nomor 1, 22, 27-31, 32.

11/27/09

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

1

Jenis bahan/material : 



 

11/27/09

Murni unsur - logam [Fe, Hg] - nonlogam [C (grafit, intan), Si, S] Senyawa - oksida / keramik [tanah liat, SiO2] - polimer [kayu, karet, plastik] Sifat bahan di atas : padat atau cair. Sifat bahan lainnya : cair atau gas.

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

2

Jenis ikatan-kuat antar atom : 





11/27/09

Ikatan logam : ~ 1 elektron terluar dilepas oleh atom, lalu ‘dimiliki bersama’, berupa ‘gas’ elektron yang bergerak bebas, mengikat semua ion +. Ikatan kovalen : 1 elektron ’dimiliki bersama’ oleh 2 atom, elektron hanya bergerak di sekitar 2 atom itu, mengikat 2 atom itu. Ikatan ionik : 1/beberapa elektron pindah ke atom lain, terjadi ion + dan – yang lalu saling menarik. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

3

Sifat listrik bahan : 







11/27/09

Jika elektron bergerak bebas, mudah terjadi arus listrik; “konduktor”, penghantar listrik [logam]. Ada pula konduktor ion positif/negatif [keramik]. Jika elektron terikat pada atom, tidak mudah terjadi arus listrik; “isolator”, nonkonduktor, insulator listrik [semua jenis bahan lainnya]. Hanya jika diberi medan listrik cukup kuat, > “kekuatan dielektrik” bahan, isolator menjadi konduktor. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

4

Data hambatjenis beberapa bahan :   

     

11/27/09

Perak (Ag) 16 nΩ m Tembaga (Cu) 17 nΩ m Kuningan (Cu + ~30% Zn) 70 nΩ m Nichrom (Ni + Cr) 1µ Ω m Grafit (C; semikond.) 35 µ Ω m Silikon (Si) 2 kΩ m Karet (C-isolator) ~1 MΩ m Kaca (SiO2) ~1 TΩ m Teflon (PTFE) ~100 TΩ m Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

5

Data kekuatan dielektrik beberapa bahan : 3 MV/m Udara (N , O )      



11/27/09

2

2

Lilin (C, H) 10 MV/m Kaca (SiO2) 14 MV/m Kertas 16 MV/m Polistirena (styrofoam) 24 MV/m Teflon 60 MV/m Jika tubuh manusia menjadi konduktor, dan dialiri > 1 mA, jantungnya dapat kacau denyutnya, di samping terjadi konversi energi listrik menjadi energi termal. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

6

Isolator dapat jadi semikonduktor : 



11/27/09

Jika atom agak mudah melepas elektron (misalnya oleh naiknya suhu), atau hadir atom asing yang agak mudah dapat menangkap elektron. Bahan itu lalu disebut “semikonduktor” yang ‘intrinsik’, atau ekstrinsik n (jika ada pelepasan elektron), ekstrinsik p (jika ada penangkapan elektron, dan pergeseran elektron lain mengesankan ada muatan positif, ‘lubang’ bergerak). Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

7

Isolator listrik : 



11/27/09

Atomnya dapat terpolarisasi oleh medan listrik dari luar; “terjadi muatan (ter)induksi”; disebut “bahan dielektrik”. Atom-atomnya dapat membentuk gugus terpolarisasi permanen : - jika orientasi dipol listriknya acak, bahannya “para-elektrik”; dapat agak diorientasikan oleh medan listrik luar. - jika orientasi dipol listrik antar-tetangga saling menyejajarkan, bahannya “feroelektrik”; orientasinya amat mengurangi pengaruh medan listrik luar dalam bahan. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

8

Data koefisien dielektrik/ permitivitas relatif ε r beberapa bahan Vakum 1 isolator Udara 1,000 54       

11/27/09

Lilin, teflon Polistirena Kertas 3,7 Kaca biasa Kaca pireks

~2 2,5 ~4 4–6

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

9

Sifat bahan feroelektrik 





11/27/09

Bersifat juga “piezo-elektrik” : - jika diberi medan listrik, terorientasi sambil mengkerut / mengembang (“elektro-striksi”, “electrostriction”); - jika ditekan, terjadi beda potensial listrik padanya. Manfaat : untuk mikrofon, sonar, pengukur regangan & tekanan darah, akselerometer, peng-emulsi & penghomogen susu & cat. Jika dipanaskan ke atas “suhu Curie”nya, menjadi para-elektrik. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

10

Contoh bahan fero-elektrik :   





11/27/09

Barium titanat (BaTiO3) Suhu Curie nya ~125oC Di atas TC, struktur BaO3 nya kubik, dengan Ti4+ di posisi oktahedralnya, yang lapang akibat besarnya ukuran Ba, menghasilkan gejala paraelektrik yang kuat. Di bawah TC, struktur kubik berubah menjadi tetragonal, dengan Ti di posisi asimetrik, menghasilkan dipol listrik permanen. Makin banyak keramik ditemukan bersifat feroelektrik.

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

11

Sifat “superkonduktif ”: 



11/27/09

Sejumlah logam, pada suhu ~ 5 kelvin, elektronnya bergerak berpasangan, dan mengakibatkan tiadanya hambatan listrik lagi. “Tipe 1”. Bersifat “diamagnetik” sempurna. Ditemukan awal abad ke 20. Medan magnet dapat meniadakan superkonduktivitas bahan tipe 1 ini, besarnya pada suhu 0 kelvin adalah ~ 200 – 400 tesla.

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

12

Sifat superkonduktif (lanjutan) : 



11/27/09

Sejumlah paduan logam, pada suhu ~ 20 K, idem. “Tipe 2”. Dikembangkan awal abad ke 20. Tipe ini bersifat cukup diamagnetik. Sejumlah isolator tembaga oksida plus unsur sisipan lain, pada suhu 30 – 120 K, menjadi “superkonduktor tipe 3”, yang dikembangkan sejak tahun 1987. Masih sedang diselidiki mekanisme elektroniknya.

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

13

Daftar pustaka : 









11/27/09

W D Kingery, H K Bowen, D R Uhlmann. Introduction to Ceramics. 2nd ed. Wiley. 1976, 1991. C Kittel. Introduction to Solid State Physics. 6th ed. Wiley. 1986. P M Fishbane, S Gasiorowicz, S T Thornton. Physics for Scientists & Engineers. PrenticeHall. 1993. D C Giancoli. Physics : Principles with Applications. 3rd ed. Prentice-Hall. 1980. J P Schaffer, dkk. The Science & Design of Engineering Materials. 2nd ed. McGraw-Hill. 1999. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

14