Bahan Listrik

BA09PBEL12

BAHAN BAHAN LISTRIK

Penyusuan Bahan Ajar Dalam Kurikulum Berbasis

Kompetensi (Kurikulum 2007) ini dibiayai dari DIPA

Politeknik Negeri Bandung

Departemen Pendidikan Nasional

Tahun Anggaran 2009

Disusun Oleh :

Drs. Ghofar Arifin, M.T.

NIP : 19600415 198603 1 005

PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2010

Halaman Pengesahan

1. Identitas Bahan Ajar

a. Judul Bahan Ajar : BAHAN BAHAN LISTRIK

b. Mata Kuliah / Semester: Ilmu Bahan/I

c. SKS (T-P) /Jam (T-P): 2(2-0 ) / 2(2-0)

d. Jurusan

: Teknik Elektro

e. Program Studi: Teknik Listrik

f. Nomor Kode Mata Kuliah: PBEL 1012

2. Penulis

Penulis 1

a. Nama

: Drs. Ghofar Arifin, M.T.

b. NIP

: 19600415 198603 1 005c. Pangkat / Golongan: Penata/ III c

d. Jabatan Fungsional: Lektor

e. Program Studi

: Teknik Listrik

f. Jurusan

: Teknik Elektro

Penulis 2

a. Nama

:

b. NIP

:

c. Pangkat / Golongan:

d. Jabatan Fungsional:

e. Program Studi

:

f. Jurusan

:

Bandung, 9 November 2010

Mengetahui,

Ketua KBKPenulis 1,

.................................Drs. Ghofar Arifin, M.T.

NIP.NIP. 19600415 198603 1 005Menyetujui,

Ketua Jurusan / Program Studi................................................

NIP.

Kata PengantarPuji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa Atas petunjukNya kami bisa menyelesaikan buku ini. Buku ini memberikan pengetahuan yang lebih dalam tentang bahan - bahan yang dibutuhkan dalam bidang teknik listrik. Bahan dasar (raw material) yang digunakan untuk rekayasa komponen atau peralatan kelistrikan diuraikan secara mendasar agar pembaca mengetahui asal usul bahan pada setiap peralatan kelistrikan. Dengan membaca buku ini semoga pembaca dapat memperoleh pengetahuan bahan Listrik yang lebih baik.Akhirnya kami mengharapkan kritik dan saran masukan yang lebih baik agar buku ini semakin sempurna sehingga dapat dijadikan sebagai buku ajar yang bermutu tinggi dan dihasilkan lulusan yang handal untuk kemajuan peradaban.

Bandung, November 2010

PenulisDaftar IsiiHalaman Pengesahan

iKata Pengantar

iDaftar Isi

viDaftar Gambar

viiDaftar Tabel

iDaftar Lampiran

1Deskripsi Mata Kuliah

1Petunjuk Penggunaan

Bab i1Pendahuluan

11.1Struktur Atom

11.1.1Pendahuluan

31.1.2Pita Energi

31.1.3Konduktor, Isolator, dan Semikionduktor

41.1.4Doping Semikonduktor

51.2Karakteristrik Mekanik Bahan

61.2.1Stress & Strain

61.2.2Derajat Kekerasan

111.2.3Proses Pembentukan Bahan

Bab iI15Bahan Logam

152.1Sifat Bahan Logam

152.2Jenis-jenis Ikatan Kristal

Bab iII17Bahan Nonlogam

173.1Kayu (Plywood)

173.2Karet Alam

183.3Keramik

193.4Gelas atau Kaca

203.5Mika

Bab iV21Bahan Sintetis

214.1Sintetis (Synthetic Resin)

224.2Thermosetting Resin

224.3Thermoplastic Resin

234.4Karet Sintetis (Synthetic Rubber)

234.4.1Chlorprene Rubber (Neoprene)

234.4.2Karet Silikon (Silicon Rubber)

244.4.3Chlorosulfonated Polyethylene (Hypalon)

Bab V25Bahan Isolator

255.1Umum

255.2Karakteristik Bahan Isolator

265.2.1Karakteristik Kelistrikan

265.2.1.1Tahanan Isolasi

275.2.1.2Dielectric Strength

285.2.1.3Rugi Daya Dielektrik (Dielectric Loss)

295.2.2Karakteristik Mekanik

295.2.3Karakteristik Thermal

305.2.4Karakteristik Kimia

305.3Jenis Bahan Isolasi

315.3.1Bahan Isolasi Padat

315.3.1.1Fibre

315.3.1.2Plastik

315.3.1.3Karet

325.3.1.4Mineral

325.3.1.5Keramik

325.3.1.6Kaca/gelas

345.3.2Bahan Isolasi Cair

345.3.3Bahan Isolasi Gas

Bab Vi35Bahan Pengantar

356.1Resistansi dan Daya Hantar

366.2Pengaruh Temperatur

376.3Klasifikasi Bahan Penghantar

376.3.1Bahan dengan Resistivitas Rendah (Low Resistivity Materials)

406.3.2Bahan dengan Resistivitas Tinggi (High Resistivity Materials)

Bab VIi42Bahan Magnet

427.1Istilah pada Magnet

427.1.1Medan Magnet

427.1.2Kuat Medan Magnet

427.1.3Flux Magnet

437.1.4Permeabilitas

437.1.5Reluctance

437.1.6Flux Density

447.1.7Remanensi

447.1.8Coercive Force

447.1.9Curie Point

447.1.10Kurva Magnetisasi

447.1.11Kurva Hysteresis

467.2Klasifikasi Bahan-bahan Magnetik

467.2.1Klasifikasi Bahan-bahan Magnetik Berdasarkan Permeabilitas Relatif Bahan

467.2.2Klasifikasi Bahan-bahan Magnetik Berdasarkan Karakteristik Kemagnetannya

Bab VIIi48Bahan Semikonduktor

488.1Struktur Bahan Semikonduktor

488.2Energy Band

508.3Jenis Bahan Semikonduktor

508.3.1Semi Konduktor Intrinsik

508.3.2Semi Konduktor Extrinsik

508.3.3Semi Konduktor Tipe-N

518.3.4Semi Konduktor Tipe-P

528.4Faktor yang Mempengaruhi Unjuk Kerja Bahan Semikonduktor

Bab iX53Bahan-bahan Khusus

539.1Sekring (Fuse)

549.1.1Jenis Sekring

559.2Solder

559.2.1Jenis Solder

559.3Bimetal

569.4Bahan Kontak

579.5Super Konduktor

59DAFTAR PUSTAKA

60LAMPIRAN

Daftar Gambar

2Gambar 1. 1 Struktur atom

3Gambar 1. 2 Struktur atom Germanium

4Gambar 1. 3 Diagram pita energi untuk (a) isolator, (b) semikonduktor, dan (c) konduktor

5Gambar 1. 4 Doping donor

5Gambar 1. 5 Doping akseptor

8Gambar 1. 6 Kurva stress-strain untuk fogam non-besi dan besi tempa/baja

TOC \h \z \c "Gambar 2."

16Gambar 2. 1 Struktur kristal


21Gambar 3. 1 Struktur mer, monomer (etilen), polimer, vinil alkohol dan vinil chlorid

29Gambar 5. 1 Phasor arus-tegangan dari bahan dielektrik

39Gambar 5. 2 Penghantar (a) ACSR dan (b) ACAR


44Gambar 7. 1 Kurva - H

45Gambar 7. 2 Kurva Hysteresis


49Gambar 8. 1 Struktur atom alluminium (Bohr model)

49Gambar 8. 2 Energy band bahan isolator, semi konduktor dan konduktor

Daftar Tabel

10Tabel 1. 1 Tingkat derajat kekerasan bahan

TOC \h \z \c "Tabel 5."

27Tabel 5. 1 Dielectric strength

30Tabel 5. 2 Kelas Isolasi terhasap temperatur kerja

38Tabel 5. 3 Perbandingan antara Annealed Copper dengan Hard Drawn Copper

TOC \h \z \c "Tabel 8."

51Tabel 8. 1 Perbandingan semi konduktor Ge dengan Si

54Tabel 9. 1 Konstanta bahan sekring

57Tabel 9. 2 Temperatur kritis (T,) beberapa bahan super konduktor

Daftar Lampiran

60Lampiran 1 Satuan SI

60Lampiran 2 Satuan Turunan Yang Dinyatakan Dalam Satuan Dasar

61Lampiran 3 Satuan-satuan Turunan SI dengan Nama Khusus

61Lampiran 4 Beberapa Konstanta dan Faktor Numerik

62Lampiran 5 Perbandingan Karakteristik Logam, Plastik dan Keramik

63Lampiran 6 Tahanan Jenis, Daya Hantar dan Koefisien Temperatur

Deskripsi Mata Kuliah

I. Identitas Mata Kuliah

Judul Mata Kuliah:Bahan-bahan ListrikNomor Kode / SKS:PBEL 101/ 2Semester / Tingkat:I/I

Prasyarat:Bahasa Indonesia

Jumlah Jam / Minggu :2/18II. Ringkasan Topik / SilabusStruktur atom , bahan logam, bahan non logam, bahan penghantar, bahan isolator, bahan magnet, bahan sintetis, bahan bahan khusus kelistrikan.

III. Kompetensi Yang DitunjangPemakaian bahan praktek instalasi industriIV. Tujuan Pembelajaran Umum

Mahasiswa dapat menyusun daftar bahan bahan kelistrikan

V. Tujuan Pembelajaran Khusus

Mahasiswa dapat menyajikan contoh penerapan bahan baku pada peralatan kelistrikan

Petunjuk PenggunaanPedoman Mahasiswa

Membaca modul ajar dimulai dari bab 1 hingga terakhir dengan cara memahami isi dan makna istilah istilah teknik dan istilah baku indonesia disertai istilah baku asing

Pedoman Pengajar

Menggunakan isi buku untuk disampaikan kepada mahasiswa dengan urut dari bab 1 hingga terakhir disertai dengan pemaparan contoh barang teknik kelistrikan

Penggunaan Ilustrasi dalam Bahan Ajar

Menggunakan contoh benda benda praktek instalasi listrik yang ada di bengkel listrik Politeknik Negeri BandungBAB I

Pendahuluan1.1Struktur Atom1.1.1PendahuluanStruktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom mengandung campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan satu sama lainnya membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkanjumlah proton dan neutronpada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.

Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi.Prinsip-prinsipmekanika kuantumyang digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat dipantau menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop penerowongan payaran. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom, dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat mengalamipeluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti. Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi sebuah unsur dan mempengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.Setiap benda tersusun atas molekul-molekul, dan molekul ini pun terbentuk dari beberapa unsur atom. Struktur atom suatu bahan akan menentukan sifat bahan tersebut, baik sifat kimia maupun sifat fisik dari bahan tersebut. Atom terdiri dari beberapa partikel, yaitu inti atom yang dikelilingi oleh elektron yang bergerak dalam masing-masing orbitnya seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.1. Elektron-elektron ini bermuatan listrik negatip sebesar 1,602.10-19 C, dan partikel inti yaitu proton dan neutron. Proton bermuatan listrik positip dengan besar yang sama. Karena muatan yang berlawanan, timbullah gaya tarik-menarik antar muatan. Gaya tarik menarik ini diseimbangkan oleh gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh gerakan elektron.

Gambar 1. 1 Struktur atomDitinjau dari massanya, elektron memiliki massa yang sangat kecil dibandingkan dengan inti atom, sehingga dapat diabaikan. Inti atom terdiri dari dua partikel, yaitu proton dan neutron. Proton dan neutron masing-masing memiliki massa hampir 1800 kali massa elektron, dan jumlah proton dalam inti normalnya sama dengan jumlah elektron dalam orbitnya. Jumlah proton ini menyatakan pula nomor atom.

Diketahui pula elektron-elektron yang menempati orbitnya memiliki jumlah yang tertentu. Elektron yang berada pada orbit terluar menentukan karakteristik kelistrikan (kimia) dari jenis atom itu sendiri. Elektron pada orbit terluar ini disebut juga elektron valensi.

Atom-atom pada bahan semikonduktor seperti silikon (Si) dan germanium (Ge) memiliki empat elektron pada orbit terluarnya dari kapasitas delapan partikel seperti ditunjukkan pada Gambar 1.2. Dengan demikian pada orbit terluar terdapat 4 elektron dan 4 hole. Hole didefinisikan sebagai tempat partikel dimana tidak terdapat elektron. Baik Si dan Ge secara kelistrikan masih netral, karena jumlah elektron dan proton sama.

Gambar 1. 2 Struktur atom Germanium1.1.2Pita EnergiSemakin dekat elektron pada inti, semakin besar gaya yang mengikatnya. Tiap-tiap orbit memiliki tingkat energi yang menyatakan jumlah energi yang diperlukan untuk menarik elektron dari orbitnya. Tingkat energi ini diukur dengan satuan elektron Volt (eV).

Sejauh yang kita bahas, sistem elektron ini berada pada atom yang terisolir. Bila suatu atom saling berdekatan seperti halnya pada benda padat, elektron-elektron juga akan dipengaruhi oleh atom-atom yang lainnya. Tingkat energi yang dimiliki oleh elektron akan saling bergabung dan membentuk pita dari suatu tingkat energi. Tingkat energi ini dibagi menjadi tiga, yaitu pita konduksi, celah energi dan pita valensi.

Elektron dalam pita konduksi terlepas dari atom dan bergerak dalam matrerial. Elektron pada pita konduksi dengan mudah digerakkan dengan energi yang sangat kecil. Untuk menarik elektron dari pita valensinya diperlukan energi yang lebih besar, karena elektron ini masih dalam orbit normalnya. Untuk beberapa jenis material dapat menjadi besar, kecil atau bahkan tidak ada.1.1.3Konduktor, Isolator, dan SemikionduktorSeperti ditunjukkan pada Gambar 1.3, Isolator memiliki celah energi yang besar, semikonduktor relatip kecil dan konduktor tidak memiliki celah energi. Pada isolator, tidak terdapat elektron samasekali pada pita konduksi, sedang pita valensi terisi elektron, dan diperlukan energi yang besar (6 eV) untuk membawa elektron dari pita valensi ke pita konduksinya.Untuk semikonduktor pada tenmperatur absolut 0 (-273(C) pita valensi biasanya penuh, dan tak ada elektron pada pita konduksi, seperti ditunjukkan pada gambar 2.3.b, celah energi lebih kecil dibanding isolator (1,2 eV untuk silikon dan 0,785 eV untuk Germanium) dapat menaikkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi.

Gambar 1. 3 Diagram pita energi untuk (a) isolator, (b) semikonduktor, dan (c) konduktorPada Konduktor tak terdapat celah energi, juga pita konduksi dan pita valensi saling tumpang tindih seperti Gambar 1.3.c. Oleh karena itu pada pita konduksi terdapat banyak elektron sekalipun pada temperatur sangat rendah. 1.1.4Doping SemikonduktorBahan semikonduktor murni direferensikan sebagai bahan intrinsik. Sebelum bahan semikonduktor dapat digunakan dalam fabrikasi komponen, atom impuritas harus ditambahkan pada bahan intrinsik ini. Proses ini disebut doping, yang memperbaiki konduktivitas material secara signifikan. Bahan semikonduktor yang telah di doping ini disebut bahan ekstrinsik. Terdapat dua jenis bahan doping, yaitu donor dan akseptor. Bahan donor membangkitkan elektron bebas pada pita konduksi dan doping akseptor menghasilkan hole dalam pita valensi.Doping donor diperoleh dengan menambahkan atom impuritas yang memiliki lima elektron. Atom impuritas membentuk ikatan kovalen dengan atom-atom silikon atau germanium sehingga dihasilkan satu elektron bebas pada pita konduksi tiap penambahan satu atom impuritas.seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4. Karena elektron bermuatan listrik negatip, bahan dengan doping atom donor disebut bahan semikonduktor tipe N. Dan pada bahan ini pembawa muatan listrik mayoritasnya adalah elektron.

Gambar 1. 4 Doping donorPada doping akseptor, atom impuritas yang ditambahkan memiliki elektron valensi tiga dan lima hole pada kulit(orbit) terluarnya. Atom jenis ini antara lain adalah Boron, Aluminum dan Gallium. Atom-atom ini membentuk ikatan dengan atom semikonduktor, namun ia kekurangan satu elektron untuk memenuhi muatan pada orbit terluarnya, sehingga pada ikatan terbentuk satu hole, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.5. Karena hole bebas bermuatan listrik positip, bahan dengan doping atom akseptor disebut bahan semikonduktor tipe P. Dan pada bahan ini pembawa muatan listrik mayoritasnya adalah hole.

Gambar 1. 5 Doping akseptor1.2Karakteristrik Mekanik BahanPemilihan suatu bahan didasarkan pada pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut:

1. Karakteristik/sifat bahan: mekanik; elektrik, magnetik, kimia, dan fisik, dan sebagainya.

2. Harga/ biaya

3. Ketersediaan dialam

4. Kemudahan dalam produksi (easy manufacturing)

Dalam bab ini hanya dibahas tentang karakteristik mekanik, sedang karakteristik yang lainnya akan dibahas pada bab-bab selanjutnya.

Karakteristik mekanik yang terpenting adalah :

1. Stress & strain 2. Derajat kekerasan1.2.1Stress & Strain

Stress (ketegangan) adalah besarnya gaya yang dikenakan pada satu luasan tertentu atau dinyatakan dalam

Stress ini terdiri dari 2 komponen, yaitu : Tegangan tegak lurus (() adalah besarnya gaya yang tegak lurus pada luasan tertentu.

Tegangan geser (() adalah besarnya gaya yang bekerja pada bidang tertentu.

Strain (intensitas perubahan bentuk) Strain terdiri dari: Linear strain (() adalah perubahan panjang persatuan panjang awal sebelum ada perubahan panjang.

Shearing strain (() adalah menunjukkan ukuran besarnya sudut simpangan dari sudut semula yang 9001.2.2Derajat Kekerasan

Derajat kekerasan adalah daya tahan/ ketahanan suatu bahan terhadap gaya gesekan atau abrasi oleh bahan lain yang mempunyai nilai kekerasan tertentu.Sifat Pengujian:1. Pengujian yang merusak (destructive)

Dengan pegujian ini maka bahan akan berubah bentuk atau menjadi rusak. Ada 2 jenis pengujian yang bersifat merusak, yaitu: Pengujian dengan tumbukan atau pembebanan.

Pengujian dengan penggoresan.

2. Pengujian yang tidak merusak (non-destructive)

Yaitu jenis pengujian yang tujuannya untuk menguji homogenitas bahan.1. Pengujian yang merusak

Pengujian yang merusak terdiri dari

a. Percobaan statis

Yaitu pembebanan pada bahan uji (specimen) secara perlahan-lahan, dimana kondisi keseimbangan quasistatis tetap terpelihara.

b. Percobaan periodik

Yaitu pembebanan pada bahan uji (specimen) secara berulang-ulang .

c. Percobaan tumbukan

Yaitu pembebanan pada bahan uji (specimen) secara cepat sehingga bahan uji lebih banyak menyerap energi dari pada menahan gaya.

d. Percobaan penggoresan

Yaitu penggoresan pada bahan uji (specimen) oleh bahan yang mempunyai derajat kekerasan tertentu (standard).

2. Pengujian tegangan tarikYaitu pemberian gaga tarik dari luar terhadap bahan uji yang berbentuk memanjang.

Pada pengujian tegangan tarik, bahan uji diberi gaya tarik secara perlahan-lahan dan kontinyu diperbesar sampai bahan uji mengalami perubahan bentuk (deformasi).

Tegangan tegak lurus (() adalah perbandingan gaya tarik per satuan penampang mula-mula, atau

Linear strain (() adalah perubahan panjang persatuan panjang standard, atau

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pads kurva stress-strain berikut ini :

Gambar 1. 6 Kurva stress-strain untuk fogam non-besi dan besi tempa/bajaKeterangan:E = titik Batas elastisitas

U = nilai beban terbesar (untuk menentukan nilai kuat tarik bahan)

F = titik Batas retak (failure)

Y = titik Batas menyerah (yield point)Nilai kuat tarik (tensile strength) adalah nilai beban maksimum yang diberikan persatuan luas penampang mula-mula

Yield stress adalah nilai beban pada titik batas menyerah (yield point) persatuan luas penampang mula-mula Batas proporsional adalah nilai-stress pada titik dimana kurva stress-strain sudah mulai tidak linear lagi.

Batas elastisitas adalah nilai stress pads titik dimana pertambahan panjang mulai tidak elastis sepenuhnya.

Pengujian Derajat Kekerasan

Pengujian derajat kekerasan dapat dilakukan dengan:

1. Pengujian tumbukan

2. Penggoresan (scretch test)Pengujian Tumbukan

Pengujian tumbukan dapat dilakukan dengan cara:a.Brinnell TestBola baja yang diperkuat (reinforced) dengan diameter antara 5 mm - 10 mm, ditekankan pada specimen dengan beban statis. Kemudian luas lekukannya diukur dengan bantuan mikroskop. Besarnya derajat kekerasan adalah sama dengan gaya yang diberikan persatuan luas bidang lekukan bola

Nilai kekerasannya dinyatakan dalam satuan Brinnel .

Keterangan:d = 5mm / 10 mm

P = 20 N

Pengujian dilakukan selama 1 jam pada temperatur (75 20 C).b. Vicker's Diamond TestPada pengujian ini digunakan mata tumbuk berupa intan berbentuk piramid. Kelebihannya dibanding dengan Brinnel Test adalah bentuk geometris lekukan sama, derajat kekerasan tidak tergantung besar gaya dan mata tumbuk tidak mengalami deformasi. Derajat kekerasan = . Nilai kekerasan dinyatakan dalam satuan Vicker's (HD).c. Rockwell TestPada pengujian Rockwell Test digunakan mats tumbuk dari bahan intan, yang berbentuk kerucut untuk bahan uji yang keras dan berbentuk bola untuk bahan uji yang lunak. Kelebihan pengujian ini adalah penunjukkan langsung nilai derajat kekerasannya, yang dinyatakan dalam skala 0 (untuk bahan yang lunak) sampai dengan 100 (untuk bahan uji yang paling keras).

d. Penggoresan (Scretch Test)

Umumnya digunakan untuk pengujian derajat kekerasan dari bahan keramik. Skala kekerasan dinyatakan dalam satuan Moh, yang menyatakan nilai derajat kekerasan suatu bahan dibandingkan dengan kekerasan bahan-bahan standard (bahan mineral), lihat tabel berikut :

Tabel 1. 1 Tingkat derajat kekerasan bahan Derajat kekerasanMineral

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10Talk

Gips

Calcit

Flourit

Apatit

Orthoclas Feldpar

Quartz

Topaz

Corundum

Intan

Karakteristik Thermis

Dalam pemilihan bahan khususnya pada bahan listrik, karakteristik thermis dari bahan yang perlu diperhatikan adalah: Kapasitas panas

Koefisien pemuaian

Daya hantar panas

Kapasitas panas adalah kemampuan bahan untuk menahan panas, dimana besarnya panas ini berbanding lurus dengan arus listrik. Sedang days hantar panas adalah kemampuan dari bahan untuk menyalurkan panas, dimana semakin tinggi daya hantar panasnya semakin baik bahan tersebut.

Bahan logam pada umumnya adalah bahan penghantar listrik dan penghantar panas yang baik, sedang bahan non-logam pada umumnya bukan penghantar yang baik. Ada suatu bahan yang daya hantar panasnya baik tetapi daya hantar listriknya buruk, misalnya Berilium Oksida (Be 0).

1.2.3Proses Pembentukan Bahan

Ada beberapa proses pembentukan, yaitu:A. Proses Peleburan

B. Proses Penuangan

C. Proses Manipulatif

D. Metalurgi Tepung

E. Proses Memotong dan Menggerinda

A. Proses PeleburanProses peleburan adalah proses pengubahan bahan dari fasa padat menjadi fasa cair (plastis), yang dilakukan pada tungku peleburan. Beberapa jenis tungku peleburan, yaitu:1. Tungku Copula

Karakteristik tungku Copula: Terjadi kontak langsung bahan bakar dengan logam, sehingga effisiensi thermisnya tinggi.

Tingkat kontaminasi tinggi.

Penggunaannya sangat terbatas.

Menggunakan bahan bakar batubara.2. Reverberatory FurnaceKarakteristiknya antara lain: Kontak secara tidak langsung (akibat semburan) antara bahan bakar dengan logam, tetapi effisiensinya masih cukup tinggi.

Tingkat kontaminasi rendah.

Untuk peleburan skala besar.

Menggunakan bahan bakar minyak/ gas.

Produknya mengandung kadar belerang.3. Crucible MeltingKarakteristiknya antara lain: Tidak terjadi kontak antara bahan bakar dengan logam, sehingga effisiensi kurang.

Mutu lebih baik.

Menggunakan energi listrik.

Kapasitas kurang-lebih 1 ton bahan.

Ada 2 jenis Crucible Melting, yaitui.Induction FurnaceInduction Furnace frekuensi tinggi untuk logam atau alloy yang daya hantar listriknya rendah. Induction Furnace frekuensi rendah untuk logam atau alloy yang daya hantar listriknya tinggi.

ii.Direct Arc Furnace

Umumnya digunakan pada peleburan baja dan alloy-nya.

Dari basil proses peleburan kemudian dicetak sesuai dengan bentuk basil akhir yang diinginkan.B. Proses PenuanganProses penuangan adalah dengan mencetak bahan cair/ plastis basil dari peleburan kedalam suatu cetakan sesuai dengan bentuk yang diinginkan.Jenis cetakan:1. Cetakan pasir

Karakteristik cetakan pasir antara lain: Hasil cetakan kasar karena daya hantar panas dari pasir rendah.

Cetakan hanya 1 kali pakai, sehingga tidak sesuai untuk produksi dengan skala besar.

Sisa bahan setiap kali pencetakan kurang-lebih 40 %.

Kemungkinan besar terjadi sand inclusion (cetakan pasir lepas sehingga terladi kantong pasir), cold shut (akibat temperatur terlalu rendah), hot tear (hasil cetakan sobek dan tertinggal) dan porositas gas akibat gas terlarut/ penguapan dari cetakan.2. Die CastingKarakteristik dari Die Casting atau cetakan logam antara lain: Dapat dibentuk cetakan yang lebih rumit (kompleks). Hanya untuk logam yang titik leburnya rendah.

Porositas gas dapat dikurangi karena pembekuan bahan dapat dipercepat.

Tidak terjadi sand inclusion, hot tear dan cold shut.

C. Proses ManipulatifProses manipulatif atau proses pengubahan bentuk terdiri dari hot working (proses panas) dan cold working (proses dingin).

Hot working adalah proses pengerjaan bahan yang menyangkut deformasi bahan dalam keadaan plastis, pads temperatur diatas temperatur rekristalisasi bahan.

Hot working terdiri dari: Proses rolling (penarikkan) yang kemudian dilanjutkan dengan pemotongan atau cold working.

Proses forging (penempaan).

Proses hot extrusion.

Karakteristik hasil produksi dari hot working: Struktur kristal yang halus.

Bentuk akhir yang lebih sempurna.

Kekuatan mekanik lebih balk.

Ukuran produk akhir kurang dapat dikontrol.

Cold working adalah proses pengerjaan bahan yang menyangkut deformasi bahan dalam keadaan plastis, pada temperatur dibawah temperatur rekristalisasi bahan.

Cold working terdiri dari deep drawing, pressing dan spinning.

Karakteristik hasil produksi dari cold working: Produk akhir dapat terkontrol dengan balk.

Bentuknya dapat lebih kompleks.

Dapat berbentuk lembaran tipis (foil) dengan ketebalan 0,008 mm.D. Metalurgi TepungMetalurgi tepung adalah teknik pembuatan komponen dari bahan logam dengan bentuk tertentu (cutting tool tips), dengan cara memampatkan tepung logam.

Proses pemampatan dilakukan dengan cara: Cetakan (die casting), yaitu memampatkan tepung logam pada cetakan yang dilanjutkan dengan proses sintering pada temperatur yang dinaikkan.

Roller, yaitu memampatkan tepung logam kedalam roller untuk menghasilkan produk berupa lembaran-lembaran logam.

Tepung logam dapat dihasilkan dengan cara: Hammer mill untuk logam-logam yang keras dan rapuh.

Teknik pengabutan untuk logam-logam yang lunak, dengan cara mengabutkan aliran cairan logam dengan semburan udara atau gas yang inert.

BAB II

Bahan Logam2.1Sifat Bahan Logam

Perbedaan utama antara bahan logam dan bahan non-logam adalah:

1. Ikatan atom logam lebih rapat dibanding ikatan atom non-logam, sehingga pada umumnya bahan logam mempunyai berat jenis yang lebih tinggi.

2. Daya hantar panas dan daya hantar listrik bahan logam lebih baik.

3. Bahan logam mempunyai malleabilitas tinggi (mudah dikerjakan dengan mesin)

4. Bahan logam bersifat ductile (liat).

Bahan logam tersusun atas sejumlah besar kristal-kristal kecil logam atau grain.2.2Jenis-jenis Ikatan Kristal

1. Kristal ion

Kristal ion terbentuk dari ikatan yang timbul karena gaya tarik antara ion-ion yang bermuatan lisrik, misalnya persenyawaan keramik atau Na Cl.

2. Kristal kovalen

Kristal kovalen terbentuk oleh ikatan atom-atom karena adanya elektron kulit terluar dimiliki bersama, misalnya intan.

3. Kristal molekuler

kristal molekuler terbentuk dari molekul-molekul yang jenuh secara kimia dan terikat satu sama lain oleh adanya gaya Van Der Waals, misalnya gas inert dan bahan organik.

4. Kristal logam

Kristal logam terbentuk karena elektron-elektron pada kulit terluar merupakan milik bersama semua atom anggota dari keseluruhan masa kristal.

Susunan kristal logam merupakan sistem kristal 3 demensi, yang terdiri dari 3 jenis susunan kristal, yaitu :

Close Packed Hexagonal (cph)

Face Centred Cubic (fcc)

: Mempunyai 12 atom yang bertetangga

Body Centered Cubic

: Mempunyai 8 atom yang bertetangga

Cph

fcc

bccGambar 2. 1 Struktur kristal5. Alloy

Secara komersial dalam bidang teknik jarang digunakan logam murni, tetapi digunakan alloy atau paduan. Alloy adalah paduan beberapa unsur (minimum 2 unsur) dimana paling tidak salah unsurnya adalah dari unsur logam. Dari alloy atau paduan ini dihasilkan sifat-sifat yang berbeda dengan sifat unsur-unsur pembentuknya. Dalam bidang teknik, alloy atau paduan ini yang diperlukan karena kelebihan- kelebihan sifat mekaniknya.

Contoh Alloy

Timah solder tukang patri (tinman's solder), merupakan alloy timah putih dengan timah hitam (38%).

Brass merupakan alloy Tembaga (60%) dengan Seng (40%).

Baja merupakan alloy Besi dengan Carbon.

BAB III

Bahan NonlogamDalam Bab ini dibahas bahan-bahan alam non logam, baik bahan organic maupun bahan anorganik yang berhubungan dengan bidang teknik listrik. Bahan-bahan tersebut antara lain adalah: kayu (plywood), karet, keramik, mika, gelas atau kaca.

3.1Kayu (Plywood)

Merupakan bahan berserat yang tersusun dari selulose polimer alam, dimana polimer ini merupakan bahan dasar bahan seperti kapas, kertas , rami dan sebagainya.

Kayu yang kandunganl/kadar airnya tinggi dianginkan, dari kadar air yang 33% sehingga menjadi 12 %. Kemudian kayu yang sudah kering tersebut dimasukkan ke dalam oven dengan temperatur 80 C beberapa saat sampai kadarnya tinggal 3%.

Proses pengolahan kayu diperlukan untuk meningkatan kekuatan mekaniknya. Plywood diproduksi dengan cara melekatkan lembaran-Iembaran kayu yang sudah di proses, dengan menggunakan bahan perekat yang tahan air. Jumlah lembaran kayu selalu ganjil dan dengan serat kayu yang saling melintang, agar tegangan pengerutan akan simetris terhadap bidang tengahnya.

Karakteristik kayu (plywood):

Tensile strength rendah.

Tidak tahan terhadap panas.

Bersifat higroskopis.

3.2Karet Alam

Karet alam diperoleh dari pengolahan getah pohon karet (latex) dengan asam organik (misalnya asam asetat) sehingga akan terbentuk gumpalan partikel-Partikel karet (karet kasar) dan emulsi terpecah. Latex adalah emulsi yang Mengandung partikel-partikel karet yang sangat kecil. Melalui proses penggilingan sebagian ikatan rantainya akan terputus, sehingga berat molekul rata-rata berkurang dan karet dalam kondisi plastis. Selanjutnya ditambahkan partikel additive untuk membuat karet menjadi lebih plastis dan untuk mencegah oksidasi.

Untuk memulihkan sifat elastisitasnya maka ditambahkan Sulphur (belerang), sehingga terrjadi kembali ikatan antar molekulnya. Proses penambahan Sulphur atau disebut vulkanisasi dimaksudkan untuk membuat karet menjadi keras dan tidak lentur.

Untuk mendapatkan bentuk akhir, karet dipanaskan pada temperatur antara 100 sampai dengan 200 sesuai dengan tingkat vulkanisasi yang diinginkan, misalnya ard rubber (ebonit) mengandung 5% Sulphur.

3.3Keramik

Keramik merupakan bahan anorganik yang tersusun dari bermacam-macam silika, oksida logam atau kombinasinya, yang diproses dan digunakan pada temperatur tinggi (antara 1200 sampai 1700).

Karakteristik bahan keramik :

Derajat kekerasannya tinggi.

Stabil pada temperatur tinggi.

Dielectric strength 24 K'J

Britlle atau rapuh/ regas.

Stabilitas-kimiawi tinggi/ tahan terhadap kelembaban.

Isolasi baik.

Jenis bahan keramik:

Porselin, tersusun dari unsur tanah liat, quartz dan feldspar.

Steatite, tersusun dari unsur tanah liat, talc dan magnesite.

Alumina, tersusun dari alumina oksida.

Jenis Produk keramik:

Silika, untuk tungku listrik temperatur tinggi (1900).

Dolomite (Ca C03 , Mg C03), untuk tungku listrik temperatur tinggi.

Magnesite (Fe2 03 , Si O2 , AI2 03 , Ca 0, Mg 0) .

Chromite (Fe 0, AI2 03).

Fire Clay (AI2 03 , Si 03 , 2 H20).

3.4Gelas atau Kaca

Gelas atau kaca adalah zat yang tidak berstruktur kristal, yang dibuat dengan cara pendinginan cepat fasa uap supersaturated atau c:lari fasa cair dengan proses pengendapan elektro (electro deposition) diikuti reaksi kimia.

Dalam proses pembuatan gelas tidak menunjukkan perubahan fasa yang diskontinyu, yang tampak hanya kenaikkan viscousitas.Karakteristik gelas :

Brittle atau regas.

Titik leieh tidak jelas.

Kekuatan tarik rendah.

Rugi dielektriknya rendah.

Tahan secara kimia.

Tidak tahan pada pemanasan yang mendadak.

Manufacturing sulit.

Isolator yang baik pada tempratur rendah.

Unsur penyusun gelas :

Unsur pembentuk terdiri dari Silika, Oksida Boron, Vanadium, Germanium, posphor.

Senyawa antara, yaitu yang berguna untuk mempertahankan kontinyuitas strukturnya, misalnya AI2 03 , Zr 02 , Pb 0, Zn 0 dan sebagainya.

Modifier, yaitu yang berfungsi untuk menurun~an temperatur pelelehan dan merangsang penggelasan, misalnya Ca, Mg, Na, K dan sebagainya.

Jenis Gelas

Gelas Rekristalisasi (keramik gelas).

Dibuat dengan bahan penginti (nucleating agent), seperti Natrium Flourida, Titanium Oksida dan sebagainya, dengan heat treatment (800 - 1200) sehingga terangsang proses rekristalisasi.

Gelas Timah Hitam (flint).

Tersusun dari 15% - 20% Oksida Timah Hitam : digunakan untuk tabung neon sign dan 80% untuk lensa optic & pelindung sinar X.

Fibre Glass.

3.5Mika

Mika adalah mineral anorganik yang tersusun dari Alumina Silica, Silica Soda potash dan Magnesium. Mika merupakan bahan yang berbentuk kristal yang mudah dibuat lembaran-lembaran.

Jenis Mika:

Muscovit Mica atau KH2 Al3 (Si O4)3 digunakan untuk commutator.

Ph/ogopite Mica atau KH (Mg F) 3 Mg Al (Si O4)3 , yang digunakan untuk peralatan rumah tangga.

BAB IV

Bahan SintetisBahan sintetis (synthetic materials) adalah bahan-bahan yang dibuat dengan melalui proses kimia, yaitu polimerisasi atau copolimerisasi. Bahan sintetis yang banyak berkaitan dengan bidang teknik listrik adalah plastik sintetis dan karet dan carbon.

4.1Sintetis (Synthetic Resin)

Plastik sintetis dihasilkan dari reaksi kimia yang disebut polimerisasi. Bahan plastik merupakan bahan organik yang tersusun dari unsur Hydrogen, Oksigen dan carbon.Mer merupakan unsur dasar dari monomer, dan proses penggabungan dari monomer-monomer ini disebut dengan proses polimerisasi. Pada gambar berikut ini menunjukkan struktur dari: mer, monomer (Etilen), polimer, vinil alkohol dan vinil chlorid.

Gambar 3. 1 Struktur mer, monomer (etilen), polimer, vinil alkohol dan vinil chloridPembentukan polimer

Penambahan, yaitu penggabungan dari polimer-polimer yang sama.

Copolimerisasi, yaitu penggabungan dari monomer-monomer yang berbeda, misalnya Vinil Asetat.

Kondensasi, yaitu penggabungan monomer-monomer yang membentuk rantai panjang dan rumit dengan kompon yang dimiliki atau yang lain, misalnya nylon.

Plastik sintetis dapat dikelompokkan :

Thermosetting resin atau Thermohardening.

Thermoplastic resin.

4.2Thermosetting ResinJenis plastik ini dibuat dalam kondisi panas bertekanan, sehingga terjadi perubahan secara kimia. Produk akhirnya berupa plastik padat dan keras, yang tidak melunak bila dipanaskan.

Jenis produk thermosetting resin:

Melamin.

Polyester, untuk lapisan isolasi.

Epoxy, bersifat adhesive untuk semua bahan yang biasanya digunakan sebagai lapisan isolasi.

Silicon resin, untuk medium kapasitor dan isolasi trafo, juga untuk bahan additive keramik dan logam.

Phenol Formaldehyde resin, untuk kabinet peralatan listrik (televisi, radio dan sebagainya).

Untuk memperbaiki karakteristik dari thermosetting resin maka ditambahkan Bahan pengisi (filler), antara lain:

Pulps serat nylon, digunakan untuk meningkatkan ketahanan terhadap tumbukan.

Asbes, digunakan untuk meningkatkan daya tahan terhadap panas. Mika, untuk memperbaiki sifat tahanan listrik.

4.3Thermoplastic ResinDibuat berdasarkan proses polimerisasi dengan atau tanpa tekanan, sehingga Tidak terjadi perubahan secara kimia. Jenis plastik ini akan melunak apabila dipanaskan

Jenis produk thermoplastic resin:

Cellulose Asetat atau Bakelite , banyak digunakan untuk kapasitor tegangan rendah, switch dan sebagainya.

Cellulose Nitrate atau Celluloid, jarang dipakai karena mudah terbakar.

Polythylene, digunakan sebagai isolasi penghantar, isolasi kabel frekuensi tinggi.

Polystyrene, digunakan untuk kapasitor rangkaian DC dan rangkaian frekuensi tinggi.

Polyvinyl Chloride (PVC), digunakan sebagai isolasi kabel, battery dan sebagainya.

Bitumen.

4.4Karet Sintetis (Synthetic Rubber)Karet sintetis dibuat melalui proses copolimerisasi Isobutylene dan Isoprene. Jenis karet ini karakteristik listriknya lebih buruk dari pada karet alam.

Jenis-jenis Karet Sintetis4.4.1Chlorprene Rubber (Neoprene)

Chloroprene Rubber terbentuk dari emulsi polimerisasi Chloroprene dengan atau tanpa adanya copolimerisasi, biasanya digunakan sebagai isolasi kabel.

Beberapa karakteristik karet sintetis antara lain:

Tidak mudah terbakar.

Hantaran panas lebih baik.

Ketahanan terhadap sinar matahari dan oksidasi lebih baik.

Kekuatan mekanik lebih rendah dari pada karet alam.4.4.2Karet Silikon (Silicon Rubber)

Karet silikon adalah jenis polysiloxanes yang mempunyai karakteristik:

Bersifat flexible pada temperatur rendah (60 C).

Daya hantar panas hampir 2 kali daya hantar karet alam.

Sifat listriknya lebih baik.

Karet silikon ini banyak digunakan untuk isolasi kabel dan coating material.4.4.3Chlorosulfonated Polyethylene (Hypalon)

Hypalon terbentuk dari proses Chlorosulfonasi Polyethelene, yang tersusun dari 29% Chlorine dan 1,25% Sulphur. Jenis karet sintetis ini banyak digunakan untuk isolasi dan jacketing cable.

Beberapa karakteristiknya antara lain:

Sifat listriknya baik.

Tahan terhadap air.

Tidak mengalami degradasi terhadap temperatur tinggi dan oksidasi.

BAB V

Bahan Isolator5.1UmumIsolator atau dielektrik adalah bahan non-logam yang mempunyai nilai tahanan listrik yang besar. Pada umumnya bahan isolasi mempunyai koefisien temperatur tahanan negatif atau negative temperature coeffisient dan umumnya disingkat NTC.Contoh bahan isolasi misalnya kayu, kertas, plastik, minyak trafo, udara dan sebagainya.

Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai tahanan sugtu isolasi antara lain:

Temperatur.

Kelembaban udara.

Tegangan kerja.

Umur isolasi.

5.2Karakteristik Bahan Isolator

Karakteristik isolasi yang perlu dipertimbangkan adalah :

Karakteristik kelistrikannya.

Karakteristik mekanik.

Karakteristik thermal.

Karakteristik kimia.

Karakteristik visual.5.2.1Karakteristik Kelistrikan

5.2.1.1Tahanan Isolasi

Isolasi atau isolator berfungsi untuk menahan atau melawan arus listrik, sehingga tidak terjadi arus bocor atau hubung singkat. Isolator ideal adalah isolator yang memunyai nilai tahanan tidak terhingga.

Tetapi dalam kenyataannya tidak ada bahan isolator, karena selalu ada yang mengalir dalam bahan isolator tersebut. Arus yang demikian ini disebut dengan arus bocor atau "leakage current.Tahanan isolasi terdiri dari tahanan volume (volume resistance) dan tahanan permukaan (surface resistance). Tahanan volume adalah tahanan yang dialami dan arus yang mengalir dalam bahan iso1asi, sedang tahanan permukaan adalah tahanan yang dialami oleh arus yang mengalir pada permukaan bahan isolasi.

Keterangan

I = arus yang melewati bahan isolator

Iv = arus yang menembus bahan

Is = arus yang melewati permukaan

dimana :

Rv = Tahananan volume

(v = Tahanan jenis volume

L = Panjang isolator

a = Luas penampang

dimana :

Rs = Tahanan permukaan

(s = Tahanan jenis permukaan

d = lebar

l.d = luas permukaan

5.2.1.2Dielectric Strength

Semua peralatan listrik selalu dirancang untuk berkerja pada range tegangan tertentu. Jika tegangan kerja dinaikkan terus, maka akan menyebabkan kerusakan pada isolasinya. Rusaknya fungsi isolasi akibat tegangan ini disebut tegangan gagal atau breakdown voltage.Dielectric strength adalah besarnya tegangan minimum yang mengakibatkan Kerusakan/ berubahnya sifat dari bahan isolasi. Dielectric strength dinyatakan Dalam satuan kV/cm, seperti misalnya udara mempunyai dielectric strength 30 kV/cm

Tabel 5. 1 Dielectric strengthBahanDielectric strength (kV/mm)

Low Voltage porcelain

High Voltage Porcelein

Mica

Asbes

Natural Rubber

Synthetic Rubber1,5 4

10 16

80

35 4

24

44

Semua bahan isolasi atau dielectric mempunyai sifat menyimpan muatan listrik, Jadi bersifat kapasitif. SifaLini sangat penting dalam pemakaian bahan isolasi sebagai medium atau dielectric kapasitor.

Q = C.V

dimana :

Q = muatan listrik (coulomb)

C = Kapasitansi (F atau (F)

( = Konstanta dielektrik

A = Luas penampang

D = jarak antara 2 permukaan

Semakin besar permitivitas bahan, maka kapasitansinya akan semakin besar. Jika permetivitas udara ~ 1 (1,00059), sedang bahan padat dan cair lebih besar dari 1

Kapasitor terdiri dari 2 buah plat yang dipisahkan oieh bahan isolator, yang Umumnya disebut bahan dielektrik. Nama kapasitor disesuaikan dengan jenls dielektriknya, misalnya kapasitor kertas, kapasitor mika dan sebagainya. Fungsi utama kapasitor adalah untuk memfilter komponen DC pada besaran AC.

5.2.1.3Rugi Daya Dielektrik (Dielectric Loss)

Dielektrik yang sempurna adalah apabila diberi tegangan AC akan bersifat

Sebagai kapasitor mumi, sehingga tidak ada rugi daya listriknya. Daiam

kenyataannya tidak ada kapasitor yang sempurna, karena selaiu ada rugi daya

(dalam bentuk panas).

Gambar 5. 1 Phasor arus-tegangan dari bahan dielektrikKeterangan

Ic = Arus yang melewati kapasitor

( = (90 - () = sudut rugi-rugi dielektrik.

( = sudut fasa antara Ic dengan tegangan (V).

Rugi daya dielektrik (P) = VI COS. ( atau P = V2. 2(.f.C.Tg(

5.2.2Karakteristik Mekanik

Beberapa karakteristik mekanik dari Bahan Isolator yang perlu diperhatikan amtara lain :

Kekuatan mekanik ( mechanical strength).

Kekentalan (viscousity)

Porositas bahan

Mudah larut ( solubility)

Density

Homogenitas bahan

5.2.3Karakteristik ThermalBeberapa karaktiristik thermal bahan isolator yang penting adalah :

Titik leleh ( melting point )

Pemuaian ( thermal expantion)

Daya hantar panas dan ketahanan terhadap panas.

Tidak mudah terbakar.

Kelas isolasi berdasarkan ketahanan bahan isolasi terhadap temperatur kerja, disusun dalam tabel.

Tabel 5. 2 Kelas Isolasi terhasap temperatur kerjaKelas IsolasiTemperatur kerja maksimum ()

Y(O)

A

E

B

F

H

C90

105

120

130

155

180

>180

5.2.4Karakteristik KimiaBeberapa karakteristik kimia yang penting adalah:

Ketahanan terhadap bahan kimia (chemical resistance), seperti gas, asam, alkali atau garam.

Sifat higroskopis bahan (hygroscopicity).

Efek kontak dengan bahan lain.

5.3Jenis Bahan IsolasiDari jenisnya bahan isolasi dikelompokan atas :

1. Bahan isolasi padat

2. Bahan isolasi cair

3. Bahan isolasi gas5.3.1Bahan Isolasi PadatBahan isolasi padat yang banyak digunakan dalam bidang kelistrikan adalah:

5.3.1.1Fibre

Yang termasuk bahan fibre :

Kayu, digunakan untuk struktur penyangga

Kertas, digunakan untuk isolasi kabel dan kapasitor

Kain, digunakan untuk isolasi kabel.

Asbes, digunakan untuk cover wire pada pemanas listrik dan arcing barner pada CB

Pada umumnya bahan isolasi fibre selalu dicelup (impregnated) dengan bahan pengisi varnish, dengan tujuan untuk mengurangi sifat hugroskopis, memperbaiki karakteristik kimia dan karakteristik thermal.

Seperti pada lilitan motor impregnasi dilakukan untuk :

menambah dielectric strenght

menambah daya hantar listrik

menambah ketahanan terhadap kelembaban

menambah karakteristik mekanik

mengurangi tingkat oksidasi5.3.1.2Plastik

Bahan isolasi plastik banyak digunakan karena murah, tahan air, ringan, bermacam-macam warna, daya hantar listrik dan panas rendah.

Jenis-jenis plastik dan penggunaan bahan plastik dapat dilihat di Bab 4.5.3.1.3Karet

Karet merupakan salah satu bahan isolasi yang terbaik, disamping nilai tahanannya tinggi juga fleksebilitasnya tinggi. Sedangkan sifat ketahanan panasnya kecil, tetapi dapat diperbaiki dengan vulkanisasi (penambahan kadar sulphur)

Penggunaan bahan isolasi karet adalah untuk isolasi kawat, bushing dan panel board dll.5.3.1.4MineralYang termasuk bahan isolasi mineral adalah mika dan marmer.

Bahan mika banyak digunakan untuk isolasi pada segment komutator, alat pemanas dan transformator.

Beberapa karakteristik mika :

adalah satu bahan isolasi terbaik

tahan pada temperatur tinggi.

tahan terhadap kelembaban, asam dan alkali.

dielectric strenght antara 40 kV samppai dengan 150 kV.

padat dan kuat.

Bahan marmer banyak digunakan untuk platform starter dan switch gear.

Karakteristik/sifat dari marmer :

regas

dielectric strength 65 kV

mahal

5.3.1.5Keramik

Karakteristik dan jenis-jenis keramik sudah diuraikan pada Bab 3 (Bahan non logam).

Penggunaan keramik sebagai bahan isolasi adalah :

Porcelain insulator : bushing, suspension pada jaringan tegangan tinggi & menengah.

Line insulator

Tahanan elemen pemanas

5.3.1.6Kaca/gelas

Bahan isolasi kaca banyak digunakan untuk dielektrik pada kapasitor, tabung/bola lampu, tabung televisi dan sebagainya.

Gelas atau kaca adalah zat yang tidak berstruktur kristal, yang dibuat dengan cara pendinginan cepat fasa uap supersaturated atau dari fasa cair dengan proses pengendapan elektro (electro deposition) diikuti reaksi kimia.

Dalam proses pembuatan gelas tidak menunjukkan perubahan fasa yang diskontinyu, yang tampak hanya kenaikkan viscousitas.Karakteristik gelas :

Brittle atau regas.

Titik leieh tidak jelas.

Kekuatan tarik rendah.

Rugi dielektriknya rendah.

Tahan secara kimia.

Tidak tahan pada pemanasan yang mendadak.

Manufacturing sulit.

Isolator yang baik pada temperatur rendah.

Unsur penyusun gelas :

Unsur pembentuk terdiri dari Silika, Oksida Boron, Vanadium, Germanium, posphor.

Senyawa antara, yaitu yang berguna untuk mempertahankan kontinyuitas strukturnya, misalnya AI2 03 , Zr 02 , Pb 0, Zn 0 dan sebagainya.

Modifier, yaitu yang berfungsi untuk menurunkan temperatur pelelehan dan merangsang penggelasan, misalnya Ca, Mg, Na, K dan sebagainya.

Jenis-jenis gelas:a. Gelas Rekristalisasi (keramik gelas).

Dibuat dengan bahan penginti (nucleating agent), seperti Natrium Flourida, Titanium Oksida dan sebagainya, dengan heat treatment (800 - 1200) sehingga terangsang proses rekristalisasi.

b. Gelas Timah Hitam (flint).

Tersusun dari 15% - 20% Oksida Timah Hitam : digunakan untuk tabung neon sign dan 80% untuk lensa optic & pelindung sinar X.

c. Fibre Glass.

Jenis produk kaca:

Fused quartz (silica glass), untuk temperatur tunggu.

Pyrex (Borosilicate glass), mengandung 28% Oksida Boron yang digunakan untuk peralatan rumah tangga

Fibre glass insulation5.3.2Bahan Isolasi Cair

Beberapa contoh bahan isolasi cair :

a. Mineral oil, yaitu minyak hasildari destilasi minyak bumi (crude oil), contohnya minyak trafo dan minyak circuit breaker (CB)

b. Synthetic oil, contohnya askeral dan pyranol

c. Vegatable oil

d. Silicon oil

5.3.3Bahan Isolasi GasBeberapa contoh gas yang banyak digunakan sebagai isolator :

a. Udara, yang dipakai untuk air condenser

b. Nitrogen, biasa digunakan sebagai dielektrik pada kapasitor.

c. Hydrogen, digunakan untuk isolasi sekaligus sebagai pendingin mesin listrik.

d. SF6 (Dulfur Hexaflouride), yang digunakan pada transformator, CB dan pada busbar pada tabung.

SF6 banyak digunakan sebagai isolator karena beberapa kelebihan dibanding bahan isolator gas yang lain, yaitu :

mempunyai dielectric strength yang tinggi

tidak mudah terbakar

pendinginannya lebih efektifBAB VI

Bahan Pengantar6.1Resistansi dan Daya Hantar

Penghantar adalah bahan yang mudah untuk dialiri listrik, yang mempunyai tahanan temperatur tinggi dan rugi daya yang kecil, misalnya tembaga atau aluminium. Faktor kerugian daya dan kenaikan temperatur pada penyaluran daya listrik sangatlah penting, sehingga dalam pemilihan bahan penghantar harus mempertimbangkan hal tersebut.

Daya hantar dari suatu bahan penghantar adalah kemampuan bahan untuk menyalurkan arus listrik (mho) atau dapat didefinisikan sebagai daya hantar 2 muka suatu bahan yang mempunyai satuan panjang,dan satuan luasan.

G

R

( G

( G

dimana:G = daya hantar (mho) R = tahanan (ohm)

p = tahanan spesifik (ohm-m)

I = panjang tahanan (m)

A = luas penampang (m2)

K = = daya hantar spesifik

Tahanan spesifik (p) adalah nilai tahanan antara 2 bagian/ muka suatu bahan yang mempunyai satuan panjang dan satuan luas tertentu.

Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai tahanan: Temperatur.

Paduan/ alloy, dengan menggunakan bahan paduan maka nilai tahanan dan kekuatan mekanik bahan akan naik. Brass (paduan antara 60% Cu + 40% Zn) mempunyai nilai tahanan 4 kali tahanan Cu.

Tegangan mekanik.

6.2Pengaruh Temperatur

Pada umumnya penghantar (logam) mempunyai koefisien temperatur positif (positive temperature coefficient) atau biasa disingkat PTC, yang artinya bila temperatur naik maka nilai tahanan juga naik. Perubahan nilai tahanan per Ohm per derajat Celcius perubahan temperatur disebut koefisien temperatur tahanan.

Perubahan nilai tahanan akibat perubahan temperatur dapat dirumuskan sebagai berikut

Rt=R0(1+0 t)

dimana:Rt = nilai tahanan pada temperatur t0 C

R0 = nilai tahanan pada temperatur 00 C o = koefisien temperatur pada 00 C

t = kenaikan temperatur ( C )

RT =R0 ( 1 + T )

dimana:RT = nilai tahanan pada temperatur T0 C

T = Kenaikan temperatur ( C )

Dari kedua persamaan diatas, kita dapatkan

RT= Rt [1 +t( T t )]

dimana : t

Demikian juga tahanan spesifiknya

(t = (0 ( 1 + (0 t )

Pada umumnya logam dan alloy mempunyai koefisien temperatur positif, sedang isolator dan carbon serta elektrolit mempunyai koefisien temperatur negatif.

6.3Klasifikasi Bahan Penghantar6.3.1Bahan dengan Resistivitas Rendah (Low Resistivity Materials)Sebagai penghantar dipilih bahan dengan resistivitas rendah (low resistivity materials).

Disamping mempunyai resistivitas rendah, bahan-bahan tersebut juga harus mempunyai karakteristik: Koefisien temperatur tahanan rendah, hal ini untuk memperkecil variasi drop tegangan dan rugi daya (pada saluran transmisi & mesin listrik).

Kekuatan mekanik tinggi.

Liat atan ductility.

Solderability.

Tahan korosi.

Jenis bahan-bahan yang banyak digunakan dalam bidang teknik listrik, antara lain Tembaga (Copper)

Ada 2 jenis produk dari bahan tembagai.Annealed Copper, yaitu produk tembaga yang proses pembuatannya dalam kondisi panas kemudian baru didinginkan. Misalkan pada pembuatan kawat, proses penarikkannya dalam kondisi panas dan selanjutnya didinginkan. Kawat tembaga jenis Annealed Copper digunakan untuk wiring dan lilitan (coil).ii.Hard Drawn Copper, yaitu produk tembaga yang proses pembuatannya dalam kondisi dingin. Pada pembuatan kawat, proses penarikannya langsung dalam keadaan relatif dingin. Kawat tembaga jenis Hard Drawn Copper ini banyak digunakan untuk transmisi dan distribusi tenaga listrik.

Tabel 5. 3 Perbandingan antara Annealed Copper dengan Hard Drawn Copper

Annealed CopperHard Drawn Copper

Nilai tahanan lebih kecil

Liat / fleksibel

Tensile strength lebih rendahNilai tahanan lebih besar

Regas atau brittle

Tensile strength lebih tinggi

Karakteristik tembaga: Non magnetik.

High malleability & ductile.

Tahan korosi, oksidasi pads tembaga akan menjadi pelindung terhadap korosi.

Mudah disolder dan dilas.

Konduktivitas listrik dan panas balk.

Tensile strength antara 8,15 sampai dengan 4,72 ton/cm2.

Beberapa jenis alloy tembaga:A. Brass

Tersusun dari 60% Cu dan 40% Zn, biasanya digunakan untuk fuse holder, sliding contact starter motor listrik, rheostat, switch dan sebagainya.

B. Bronze

Tersusun dari Cu, 6 % sampai 16% timah dan sejumlah kecil unsur ketiga seperti Phospor, Silicon, Cadmium, Berylium, Aluminium dan sebagainya.

Contoh :

Cadmium Bronze untuk segmen komutator.

Berylium Bronze untuk brush holder dan current carrying contact.

Silicon Bronze untuk pegas.C. AluminiumKarakteristik aluminium: High malleability & ductile.

Konduktivitas listrik & panas baik.

Sulit disolder dan dilas.

High contact resistance.

Lebih ringan dari pada tembaga.

Tensile strength antara 0,95 sampai 1,57 tonlcm'`.

Bahan aluminium banyak digunakan untuk overhead transmission line ACSR(Alumunium Core Steel reinforced) ACAR (Alumunium Core Alumunium Reinforced), flexible wire, bus bar dan sebagainya.

Gambar 5. 2 Penghantar (a) ACSR dan (b) ACARAlloy aluminium antara lain: Duralium, Hindalium dan Magnelium.

D. Baja

Jenisnya: Mild Steel, mengandung 0,25% Carbon.

Medium Steel, mengandung 0,45% Carbon.

High Carbon Steel, mengandung > 0,70% Carbon.

Bahan baja (mild steel dengan kandungan Carbon antara 0,1% sampai 0;15%) banyak digunakan untuk saluran telepon.

E. Perak (Silver)

Perak digunakan untuk elemen lebur sekring (HRC fuse) atau conducting wire pada alat ukur presisi.

F. Seng (Zinc)

Digunakan pads proses galvanisasi baja atau besi.

G. Timah

Timah banyak digunakan untuk solder, cable sheating dan galvanisasi tembaga.

H. Nikel

Digunakan untuk electroplating dan paduannya banyak digunakan untuk bahan magnet.6.3.2Bahan dengan Resistivitas Tinggi (High Resistivity Materials)

Disamping mempuyai resistivitas yang tinggi, bahan-bahan penghantar tersebut mempunyai karakteristik: Koefisien temperatur yang rendah, hal ini diperlukan untuk tahanan presisi, box tahanan dan tahanan shunt pads alat ukur.

Titik lebur yang tinggi, diperlukan untuk loading rheostat, starter motor listrik, elemen pemanas dan filamen.

Tidak teroksidasi pada temperatur tinggi.

Ductility dan tensile strength tinggi.Jenis bahan yang banyak digunakan dalam bidang teknik listrik antara lain: A. TungstenDigunakan untuk filamen lampu pijar, lilitan pemanas pada CRT dan bahan magnet (paduan Tungsten-Steel).

Syarat-syarat bahan filamen: Titik lebur tinggi.

Tensile strength tinggi.

Dapat dibuat kawat kecil.

Tidak regas pada temperatur tinggi.

B. Nichrome

Banyak digunakan untuk tungku listrik, oven listrik dan seterika listrik.

C. Manganin

Digunakan untuk tahanann standard dan tahanan shunt pada alat ukur presisi.

D. Constantan /Eureka (paduan 60% Cu dengan 40% Ni)

Digunakan antara lain untuk loading rheostat, starter motor listrik dan tahanan pengatur medan regulator.

E. Platina

Digunakan untuk elemen pemanas dan kontak listrik.

F. Mercury

Digunakan untuk Mercury vapour lamp, making & breaking contact.

G. Carbon

Digunakan antara lain untuk sikat (brush) motor listrik dan anoda grid pada CRT.

BAB VII

Bahan Magnet7.1Istilah pada MagnetYang dimaksud dengan bahan magnet adalah bahan-bahan yang dapat termagnetisasi atau yang dapat bersifat magnet, seperti: besi, nikel, cobalt dan sebagainya. Bahan magnet sangatlah penting dalam bidang teknik listrik, misalnya untuk motor listrik, relay dan transformator.

Hal-hal yang berhubungan dengan kemagnetan:7.1.1Medan MagnetMedan magnet adalah daerah disekitar magnet atau bahan yang termagnetisasi, yang mempunyai efek magnetis.7.1.2Kuat Medan MagnetKuat medan magnet atau intensitas medan magnet ( H ) adalah magnetomotive force (mmf) persatuan panjang dalam rangkaian magnetis, atau

H

dimana:H = intensitas medan magnet

N = jumlah lilitan

I = arus (A)

= panjang lintasan (m)7.1.3Flux MagnetFlux magnet atau garis gaya magnet ( ( ) adalah jumlah total garis gaya magnetik yang melewati suatu bahan.

Satuan dari flux magnet adalah Weber ( 1 Weber = 108 lines = 108 Maxwell)

7.1.4PermeabilitasPermeabilitas adalah sifat dari suatu bahan yang menyatakan tingkat kemampuan bahan tersebut untuk dimagnetisasi.

= 0r

dimana

( = flux density (Wb/ m2) = permeabilitas bahan

0 = permeablitas udara

r = permeabilitas relatif bahan terhadap udara

7.1.5Reluctance

Reluctance (R) adalah tahanan magnetik atau gaya yang melawan gaya megnetisasi.

R

dimana:I = panjang lilitan (m)

a = lugs penampang bahan (m2 )

(0 = 4.( .10-7 H/ m

7.1.6Flux DensityFlux density atau kerapatan flux (() adalah jumlah garis gaya yang melewati satuan luasan tertentu.

( atau ( = o .r . H (Wb /m2)7.1.7RemanensiRemanensi atau magnet sisa adalah kerapatan flux magnet yang masih tersisa dalam bahan, meskipun gaya magnetisasinya telah dihilangkan (Wb /m2).7.1.8Coercive ForceCoercive force adalah gaya demagnetisasi yang diperlukan untuk menetralisasi magnet sisa.

7.1.9Curie PointCurie point adalah temperatur dimana bahan magnetik berubah atau kehilangan sifat kemagnetannya. Pada temperatur Curie (Curie point), bahan ferromagnetik berubah sifatnya menjadi bahan paramagnetik.

7.1.10Kurva MagnetisasiHubungan antara flux density (() dengan kuat medan magnet (H) disebut kurva magnetisasi atau kurva ( - H. Jika sepotong besi dialiri arus listrik (direct current), maka kurva hubungan antara ( - H dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 7. 1 Kurva - HKeterangan gambar:AB adalah daerah jenuh

B adalah titik kejenuhan.

7.1.11Kurva HysteresisHysteresis adalah ketertinggalan (lagging) dari kerapatan flux (() terhadap kuat medan magnit (H). Dalam proses magnetisasi-demagnetisasi suatu bahan (misal ferromagnetic) dengan cara mengatur kuat medan maksimum - minimum, maka akan didapatkan kurva hysteresis (hysteresis loop) seperti gambar berikut :

Gambar 7. 2 Kurva HysteresisKeterangan :

ABCDEFA adalah hysterisis loop (satu cycle magnetisasi)

OB adalah remanensi magnet

OC adalah coercive forceDalam proses magnetisasi terdapat rugi-rugi hysteresis (hysteresis loss) dan rugi-rugi arus Eddy (Eddy current loss).

Rugi-rugi hysteresis adalah rugi daya (dalam bentuk panas) yang timbul, karena proses magnetisasi - demagnetisasi bahan (pada inti yang dililit dan dialiri arus AC).

Besar rugi-rugi hysteresis ini tergantung pada: Luasan dari hysteresis loop.

Frekuensi dari arus bolak-balik (AC).

Volume bahan.

Inti transformator dan inti motor listrik, dipilih dari bahan yang mempunyai hysteresis loop yang sempit, sehingga rugi dayanya dapat dikurangi.

Sedang rugi-rugi arus Eddy adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar (arus yang tidak beraturan arahnya) pada inti yang terin`duksi medan magnet AC. Arus pusar ini disebut arus Eddy dan rugi daya (dalam bentuk panas) yang ditimbulkan disebut rugi-rugi arus Eddy.

Rugi-rugi arus Eddy ini mengakibatkan kenaikan temperatur inti dan akan menyebabkan effisiensinya turun.

7.2Klasifikasi Bahan-bahan Magnetik

Bahan magnetik dapat diklasifikasikan berdasarkan permeabilitas relatif bahan (,u,) dan karakteristik kemagnetannya.7.2.1Klasifikasi Bahan-bahan Magnetik Berdasarkan Permeabilitas Relatif Bahana. Bahan FerromagneticYaitu bahan-bahan yang mempunyai r > 1, misalnya : besi , Cobalt, Nikel.

b. Bahan Para MagneticYaitu bahan-bahan yang mempunyai r (1, misalnya : Aluminium, Platina, Oksigen.

c. Bahan DiamagneticYaitu bahan-bahan yang mempunyai r < 1, misalnya Perak, Tembaga dan Bismuth.

7.2.2Klasifikasi Bahan-bahan Magnetik Berdasarkan Karakteristik Kemagnetannya

a. Magnet lunak (soft magnetic materials)Bahan magnet lunak adalah bahan-bahan yang mempunyai karakteristik sebagai berikut: High permeability.

Mudah dimagnetisasi dan di demagnetisasi.

Mempunyai remanensi yang rendah.

Rugi-rugi daya rendah (hysteresis loop sempit).

Yang termasuk bahan magnet lunak antara lain: Soft Iron, Silicon Steel, Nickel Iron alloy (permalloy) dan sebagainya. Sedang penggunaannya adalah sebagai electro-magnetic, seperti : inti transformator, motor listrik, relay dan sebagainya.

b. Magnet Keras (hard magnetic materials)

Bahan magnet keras adalah bahan-bahan dengan karakteristik sebagai berikut: Low permeability.

Hysteresis loop lebar sehingga rugi-rugi daya besar.

Diperlukan magnetisasi yang kuat unuk mencapai kejenuhan.

Reluktansi besar.

Remanensi tinggi.

Bahan-bahan magnet keras antara lain: Cobalt Steel, Tungsten Steel, Alnico (Al-Ni-Co-Fe) dan sebagainya. Penggunaan dari bahan magnet ini terutama adalah untuk magnet permanen.

BAB VIII

Bahan Semikonduktor8.1Struktur Bahan SemikonduktorBahan penghantar, bahan isolator dan bahan semi konduktor dapat dibedakan berdasarkan jumlah elektron valensinya. Bahan penghantar yang baik adalah bahan yang mempunyai 1 atau 2 buah elektron valensi (jumlah elektron pada kulit terluar dari suatu atom).

Misalnya, Perak adalah bahan penghantar yang paling baik, karena atom Perak mempunyai 5 orbit (lintasan) elektron dengan 1 buah elektron valensi. Bahan isolator yang baik adalah bahan yang mempunyai jumlah elektron pada kulit terluarnya adalah 8 buah.

Sedangkan bahan semi konduktor adalah bahan yang konduktivitas listriknya berada diantara bahan penghantar dan bahan isolator, jadi jumlah elektron valensinya ada 4 buah, misalnya Germanium atau Silikon.

8.2Energy Band

Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan sejumlah elektron yang bermuatan negatif. Dalam kondisi normal, atom bersifat netral atau jumlah muatan positifnya sama dengan jumlah muatan negatifnya.

Elektron-elektron tersebut menempati lintasan/ orbit tertentu yang biasanya disebut kulit atom. Penamaan dari kulit-kulit atom adalah K, L, M, N, dan seterusnya sesuai dengan jumlah kulit atom tersebut, seperti gambar atom Aluminium (Bohr model). Elektron pada setiap kulit atom mempunyai tingkat energi tertentu, semakin dekat dengan inti atom semakin tinggi tingkat energinya. Dengan kata lain, untuk melepaskan elektron dari kulit K (terdekat dengan inti atom) diperlukan energi yang paling besar, lihat gambar energy band.Energi (extra energy) untuk melepas elektron dari inti atom tersebut dapat diperoleh dari : energi pangs, energi cahaya, energi magnet, electrostatic, energi kinetik dan sebagainya.

Gambar 8. 1 Struktur atom alluminium (Bohr model)Bila ada elektron yang meninggalkan atom karena extra energy, maka akan dihasilkan elektron bebas, dan atom yang ditinggalkan akan menjadi bermuatan positif (terionisasi). Hal ini tidak berlangsung lama karena segera muatan positif akan menarik elektron lain (yang bermuatan negatif), dan hal ini akan berlangsung secara terus menerus.

Atom yang berada dalam kondisi terionisasi ini, dikatakan bahwa atom berada dalam kondisi conduction band.

Gambar dibawah ini menunjukkan "energy band" dari bahan isolator, semi konduktor dan konduktor.

Forbidden zone

Forbidden zone

a. isolator

b. semi konduktor

c. konduktor

Gambar 8. 2 Energy band bahan isolator, semi konduktor dan konduktorBahan-bahan semi konduktor yaitu:- Boron- Antimony

- Carbon

- Sulphur

- Silicon- Selenium

- Germanium- Tellurium

- Arsenic- Iodine

8.3Jenis Bahan Semikonduktor

8.3.1Semi Konduktor Intrinsik

Kristal Germanium atau kristal Silicon adalah bahan semi konduktor intrinsik, yang mans pads temperatur < 00 K bersifat sebagai isolator dan pada temperatur > 00 K bersifat sebagai penghantar atau konduktor.

Bahan semi konduktor intrinsik mempunyai koefisien temperatur tahanan negatif (NTC), yang artinya bila temperatur naik maka nilai tahanannya berkurang sehingga konduktivitas listriknya juga naik.

Jumlah muatan (charge carrier) pads semi konduktor intrinsik sedikit sekali, sehingga tidak praktis sebagai semi konduktor karena lebih bersifat sebgai isolator. Semi konduktor intrinsik jarang sekali dipakai kecuali sebagai tahanan yang peka terhadap sinar atau panas.8.3.2Semi Konduktor Extrinsik

Semi konduktor extrinsik (extrinsic semi conductor) atau impure semi conductor adalah bahan semi konduktor intrinsik yang diberi pengotoran (penambahan sejumlah kecil unsur lain), yang disebut doping atau impurity. Unsur penambah pads semi konduktor intrinsik ini disebut dopents.

Doping atau impurity ini dimaksudkan untuk memperbesar jumlah muatan (charge carrier), jadi dengan kata lain untuk menambah daya hantar dari bahan semi konduktor.8.3.3Semi Konduktor Tipe-N

Bila sebagai dopent nya adalah dari unsur yang mempunyai 5 elektron valensi (pentavalent impurity), maka akan diperoleh semi konduktor tipe-N. Pentavalent impurity ini akan membentuk ikatan kovalen, dimana elektron valensi yang kelima akan bergerak bebas pads kristal atom. Atom pentavalent ini disebut atom donor karena atom tersebut menyumbangkan 1 elektron bebas.

Dilihat dari struktur kristalnya, atom yang terbentuk ini bermuatan negatif (kelebihan 1 elektron), sehingga disebut dengan semi konduktor tipe-N. Karena jumlah elektron jauh lebih besar dari pada jumlah lubang (hole), maka elektron disebut sebagai majorities carriers sedangkan lubang (hole) disehut sebagai minority carrier.

Yang termasuk atom pentavalent adalah : Antimony, Arsenic dan Phosphorous.8.3.4Semi Konduktor Tipe-P

Semi konduktor tipe-P diperoleh dengan cara penambahan (doping) atom yang mempunyai valensi lebih kecil dari atom Germanium atau Silicon. Atom dopents ini mempunyai 3 buah elektron valensi (disebut trivalent impurity), yaitu Alluminium, Galium dan Indium.

Bila trivalent impurity ini ditambahkan pada semi konduktor intrinsik, maka akan menyatu dalam struktur kristal. Kristal yang terbentuk ini akan kekurangan elektron, dan kristal atom akan menjadi bermuatan positif. Atom trivalent impurity ini disebut dengan atom acceptor. karena atom tersebut kekurangan 1 elektron.

Pada semi konduktor tipe-P, lubang (hole) adalah sebagai majority carrier, sedangkan elektron sebagai minority carrier.

Tabel 8. 1 Perbandingan semi konduktor Ge dengan Si Karakteristik:Germanium (Ge)Silicon (Si)

Harga

Titik lebur

Nomer atom

Elektron valensi

Energi untuk melepas

Ikatan kovalen

Tegangan kerja maks

Temperatur kerja

Energy gapMurah

9360 C

24

4

0,75 ev

32 volt

820 1000 C

0,75Relatif mahal

14140 C

14

4

1,2 ev

60 volt

2000 C

0,15

Keuntungan penggunaan bahan semi konduktor antara lain: Ukuran kecil dan ringan.

Efisien karena kebutuhan days kecil.

Kuat dan tahan lama.

Tegangan kerja yang rendah.

Peka.

8.4Faktor yang Mempengaruhi Unjuk Kerja Bahan Semikonduktor Temperatur

Semi konduktor yang peka terhadap temperatur biasanya digunakan sebagai thermistor. Illuminasi

Semi konduktor yang peka terhadap efek illuminasi digunakan sebagai photo conductive cell atau photo voltaic cell. Tegangan.

Digunakan untuk alat pengatur tegangan atau varistor. Medan listrik

Transistor dibuat dari bahan semi konduktor yang peka terhadap medan listrik.

Medan magnet

Digunakan untuk pembangkit emf yang disebut Hall effect generator. Gaya mekanik

Digunakan untuk strain gauge.

BAB IX

Bahan-bahan KhususDalam bab ini dibahas mengenai bahan-bahan yang digunakan untuk keperluan peralatan atau komponen-komponen tertentu. Seperti bahan-bahan untuk sekring, solder, bimetal atau thermostat dan super konduktor.

9.1Sekring (Fuse)

Sekring (fuse) menggunakan kawat logam tipis yang akan meleleh apabila sejumlah arus lebih (panas lebih) melewati kawat tersebut. Fungsi utama dari sekring adalah untuk melindungi rangkaian terhadap beban lebih (overload) atau hubung singkat (short circuit).

Kawat tipis atau fuse wire ini dihubungkan seri dengan rangkaian yang dilindungi. sehingga apabila terjadi arus lebih atau hubung singkat, maka tomperatur kawat akan naik. Dan apabila temperatur tersebut melebihi titik leleh/ titik lebur dari kawat, maka kawat akan putus dan rangkaian beban jugs akan terputus.

Fungsi utama dari sekring adalah

Menyalurkan arus normal tanpa mengakibatkan pangs berlebihan.

Memutuskan rangkaian apabila terjadi arus lebih/ hubung singkat.

Karakteristik bahan fuse wire yang diperlukan adalah

Konduktivitas listrik tinggi.

Tidak mudah teroksidasi.

Pangs jenis/ titik lebur rendah.

Rugi daya rendah.

Bahan-bahan fuse wire antara lain : Lead, Tinned Copper, Zinc, Tin, Silver, Silver alloy, Copper alloy dan sebagainya. Silver atau perak hanya digunakan untuk tipe-tipe sekring khusus, karena bahan perak mahal harganya.

Beberapa istilah yang berhubungan dengan sekring antara lain

Rated Carrying Current yaitu besar arcs maksimum yang melewati kawat sekring tanpa mengakibatkan pemanasan lebih atau meleburnya kawat tersebut.

Fusing Current, yaitu arcs minimum dalam interval waktu tertentu yang dikenakan pada kawat, dimana kawat masih dalam keadaan steady temperatur.

Fusing Factor, yaitu perbandingan antara fusing current dengan rated carrying current.

Sekring mempunyai karakterisik inverse time - current, yang dirumuskan sebagai berikut

I = k.dndimana

I = fusing current.

d = diameter kawat sekring.

k = konstanta bahan.

n (1,5

Tabel 9. 1 Konstanta bahan sekringBahan SekringNilai K

Copper

Allumunium

Besi

Tin

Lead2530

1870

777

405,5

304,4

Keuntungan penggunaan sekring sebagai pengaman: Alat proteksi yang murah.

Tidak memerlukan pemeliharaan.

Kecepatan operasinya tinggi.

Memutuskan beban tanpa menimbulkan gas/ apt.

9.1.1Jenis Sekring1. Sekring tegangan rendah, yaitu semi-enclosed rewirable fuse clan cartridge type fuse.

2. Sekring tegangan tinggi. yaitu HRC fuse, sampai dengan tegangan kerja 132 kV.

9.2Solder

Solder adalah paduan 2 logam atau lebih yang mempunyai leleh yang lebih rendah, digunakan untuk menyambung 2 logam atau lebih. Titik lebur bahan solder harus lebih rendah dart pada titik lebur bahan logam yang akan disambung.

9.2.1Jenis Solder

1. Soft Solder

Soft solder adalah bahan solder yang mempunyai titik lebur lebih kecil dari 4000 C. Soft solder tersusun dari timah hitam (Lead) dan timah putih (Tin), dengan perbandingan tertentu sesuai dengan sifat yang diinginkan. Penggunaannya adalah untuk penyolderan komponen elektronik, pelapisan lembaran besi atau baja dan sebagainya.2. Hard Solder

Hard solder adalah bahan solder yang mempunyai titik lebur lebih besar dari 400 C, merupakan paduan tembaga dengan seng (alloy of Copper and Zinc).Penggunaan utama dari hard solder adalah pads peralatan days, seperti penyambungan permanen antara tembaga dengan perak.

Jenis hard solder: Brazing solder, digunakan pads tembaga, besi dan brass.

Silver solder, digunakan pada perak, emas dan sebagainya.

9.3Bimetal

Bimetal tersusun dari 2 buah pelat logam yang mempunyai koefisien muai berbeda, yang ditempelkan satu sama lain.

Bila elemen bimetal ini dipanaskan, maka bimetal akan melengkung kearah pelat logam yang mempunyai koefisien muai yang lebih kecil.

Sebaliknya kaiau didinginkan, maka bimetal akan melengkung kearah pelat logam yang mempunyai koefisien muai yang lebih besar.

Paduan besi - nikel mempunyai koefisien muai yang rendah dipakai sebagai salah satu elemen, sedang eleman yang lainnya (yang mempunyai koefisien muai besar) digunakan bahan seperti: besi, nikel atau konstantan.

Penggunaan bimetal antara lain:Bimetal Strip/ Thermostat, digunakan untuk pengontrolan otomatis temperatur system, seperti pads tungku, oven atau pemanas (heater).

Bimetal Relay, digunakan untuk proteksil pengaman beban lebih motor listrik atau rangkaian beban listrik.

9.4Bahan Kontak

Bahan kontak (contact material) digunakan untuk menghubungkan atau memutuskan rangkaian beban listrik dengan somber. Dalam hal ini berarti bahwa terhubungnya kedua penghantar pads scat kontak ON dan terlepas pada saat kontak OFF.

Pemilihan bahan kontak ini perlu diperhatikan, mengingat kemungkinan akan tingginya frekuensi ON - OFF dari kontak tersebut. Bahan kontak harus kuat secara mekanis dan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap korosi.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kontak listrik: Tahanan kontak.

Tekanan kontak.

Arus dan tegangan.

Kecepatan kontak dan frekuensi pengoperasian.

Jenis beban listrik

Medium antara anak kontak.

Bahan-bahan yang banyak digunakan sebagai bahan kontak adalah:1. Tembaga (Copper)

Tembaga banyak digunakan untuk : relay kontrol, saklar starter motor, tap changer dan sebagainya.2. Perak (Silver)

Umumnya digunakan untuk : regulator, generator cut-out, limit switch, thermostatic control.

3. Carbon

Umumnya digunakan untuk sikat carbon pada motor listrik.

4. Tungsten

Umumnya digunakan untuk vibrator atau electric razor.

9.5Super Konduktor

Keadaan dimana suatu bahan loggml penghantar mempunyai nilai tahanan nol, disebut dengan bahan super konduktor. Pada umumnya nilai tahanan suatu bahan logam adalah sebanding dengan temperaturnya, sehingga pada temperatur tertentu nilai tahanannya dapat menjadi no}. Temperatur dimana terjadi perubahan dari kondisi normal menjadi super konduktor disebut temperatur transisi (Tc ).

Sebagai contoh, logam Mercury (air raksa) akan bersi'llat menjadi super konduktor pada temperatur ( 4,160 K sedangkan Lead (timbal) akan menjadi super konduktor pada temperatur 7,220 K, lihat tabel dibawah ini.

Tabel 9. 2 Temperatur kritis (T,) beberapa bahan super konduktorNama BahanTempertur Transisi( Tc-0 K)

Al

Zn

Pb

In

Hg

Na Bi

Cu s

Uranium1,14

0,79

7,22

3,37

4,16

2,2

1,6

0,8

Dengan menggunakan bahan super konduktor, maka penyaluran days listrik dapat mencapai effisiensi 99,9 %. Pada scat ini bahan super konduktor belum diproduksi dalam skala besar; karena masih sedang dalam penelitian clan pengembangan.

Peralatan yang sudah menggunakan bahan super konduktor antara lain Elektromagnet

Dengan menggunakan bahan super konduktor, maka dimungkinkan membuat elektromagnet yang kuat dengan ukuran yang iebih kecil, misalkan untuk komponen Magneto Hidro Dinamik.

Elemen Penghubung

Bahan super konduktor digunakan untuk elemen penghubung, sehingga bila terjadi perubahan temperatur akan merubah sifat bahan super konduktor menjadi konduktor atau sebaliknya, ini digunakan untuk pemutus pada komputer.

Power Cable

Kabel 220 kV dapat menggunakan bahan super konduktor dengan diameter yang kecil, mampu menyalurkan mampu daya yang besar dengan rugi days atau drop tegangan yang kecil sekali.

DAFTAR PUSTAKA

1. A Textbook of Electrical Engineering Materials, PL, Kapoor, Khanna Publisher, 1984.

2.Bahan-bahan Listrik, Muhaimin, Drs, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, pertama 1993.

3.Engineering Marerials, Jastrzebski.

4.llmu Bahan, PEDC Bandung, edisi 1983.

5.llmu dan Teknologi Bahan, Jan Hack.

LAMPIRAN

Lampiran 1 Satuan SIBesaranNamaLambang

Panjang

Massa

Waktu

arus listrik

temperature

jumlah molekul

kuat cahayaMeter

Kilogram

Detik

Ampere

Kelvin

Mole

candelam

kg

s

A

K

mol

cd

Lampiran 2 Satuan Turunan Yang Dinyatakan Dalam Satuan DasarBesaranNamaLambang

Luas

Volume

Kecepatan

Percepatan

Jumlah gelombang

Berat jenis

Konsentrasi

Volume jenis

Kuat peneranganMeter persegi

Meter kubik

Meter per detik

Meter per detik kuadrat

Satu per meter

Kilogram per meter kubik

Mol per meter kubik

Meter kubik per kilogram

Candela per meter persegim 3m 3m / s

m / s2m-1kg / m3

mol / m3m3 / kg

cd / m2

Lampiran 3 Satuan-satuan Turunan SI dengan Nama KhususBesaranNamaLambangDalam

satuan lainDalam satuan

Si

frekuensiHertzHz-s -1

gaysNewtonN-kg. m/ s2

tekananPascalPaN/ mkg/ (m. s)

energi, kerjaJouleJN.mkg. M2/ s2

dayaWattWJ/ skg. M2/ S3

muatan listrikCoulombCA. sA. S

potensial listrikVoltVW/ Akg. m'/ (A. S)

kapasitansiFaradFC/ VA2. S4/ (m2. kg)

tahanan listrikOhmV/ Akg. m2 / (A2 . s3) s)

daya hantarSiemensSA/ VA2. s3 / (m2. kg)

fluksi magnetWeberWbV. skg. m2 / (A. s2)

kerapatan fluksi magnetTeslaTWb/ m2kg/ (A. s2)

Lampiran 4 Beberapa Konstanta dan Faktor NumerikLambang,NamaNilai

AAngstrom10 -6

Nbilangan Avogadro6, 023 x 10-23

kKonstanta Boltzman1,380 x 10-6 erg/ OK

8,617x 10-5 eV/ 0K

Emuatan elektron1,6 x 10 -19 Coulomb

4,803 x 10 -10 esu

1.602 x 10 -2() emu

Mmassa elektron9,107 x 10-28 gm

eVelectron volt1,602 x 10-12 erg

1,602 x 10 -19 joule

R~konstanta gas8,317 x 107 erg/ mole 0K

Kcalkilo calori1,987 cal/ mol 0K

4,185 x 10 10 erg

Mevjuta electron volt1,602 x 10 -6 erg

micron10 -4 cm

H

psikonstanta Planck

pound per inci persegi6,624 x 10 -27

erg-sec

0,0703 kg/ cm 2

ckecepatan cahaya2,998 x 10 10 cm/ sec

Vvolt1/ 300 esu

10 8 emu

Lampiran 5 Perbandingan Karakteristik Logam, Plastik dan KeramikKarakteristikLogamKerarmikPlastik

berat -jenis

titik lebur

derajat kekerasan machinability

kuat tarik (MN/ m2) kuat tekan (MN/m2) modulus Young(GN/ m 2)creep resistance temperatur tinggi pemuaian thermis

daya hantar panas daya tahan pada

kejutan thermis

sifat listrik

daya tahan kimia

daya tahan pada oksidasi dalam

temperatur tinggi2 sampai 6 (rata-rata 8)

Rendah sampai tinggi (Sn 2320C dan W 34000C)

Sedang

Baik

Sampai 2500

Sampai 2500

40 sampai 400

Buruk

Sedang sampai tinggi

Sedang sampai tinggi

Baik

Penghantar

Rendah sampai tinggi

Buruk, kecuali latanida2 sampai 7 (rata-rata 5)

Tinggi sampai dengan 40000C

Tinggi

Buruk

Sampai 400

Sampai 5000

150 sampai 450

Sangat baik

Rendah sampai sedang

Sedang, tapi sering menurun terhadap temperature

Umumnya buruk

Isolator

Sangat baik

Baik / sangat baik1 sampai 2

Rendah

Rendah

Baik

Sampai 120

Sampai 300

0,7 sampai 3,5

-

Sangat tinggi

Sangat rendah

-

Isolator

Umumnya buruk

-

Lampiran 6 Tahanan Jenis, Daya Hantar dan Koefisien TemperaturBahanTahanan jenis pada 200C ( mm2 / m)Daya hantar (S m /mm2)Koef. Temperatur (. mm2 /m /0 C)

Aluminium Timah Hitam Besi murni Carbon

Besi tuang Konstantan Tembaga Mangan

Perak

Nikel

Platina

Air Raksa

Baja

Wolfram

Timah Putih

Air (25 C)

- Destilasi

- Normal

- air garam 4 % NaCl

Asam belerang NHCI0,033

0,21

0,11

40 120

0,92

0,5

0,0175

0,425

0,017

0,12

0,115

0,954

0,10 0,25

0,07

0,125

( 3000

( 20

( 0,15

0,0255

0,015930,9

4,76

9,1

0.025 0,0083

1,09

2,0

57

2,36

58,8

8,33

8,7

1,05

10 4,0

14,3

8,0

-

-

-

-

-0,004

0,0038

0,0047

-0,0008 -0,002

0,0045

0,0001

0,004

0,00001

0,0036

0,0039

0,0025 0,0037

0,0009

0,005

0,0051

0,0044

-

-

-

-

-

EMBED Visio.Drawing.5




Conduction band

Conduction band

Conduction band

Valence band

Valence band

Valence band

PAGE

_1351093436.unknown

_1351093444.unknown

_1351093448.unknown

_1351093452.unknown

_1351093454.unknown

_1351093456.unknown

_1351093458.vsd0

(AT/m)

(wb/m2)

A

B

b

H

_1351093459.vsd+13

M

L

K

_1351093457.unknown

_1351093455.unknown

_1351093453.unknown

_1351093450.unknown

_1351093451.dwg

_1351093449.unknown

_1351093446.unknown

_1351093447.unknown

_1351093445.unknown

_1351093440.unknown

_1351093442.unknown

_1351093443.unknown

_1351093441.unknown

_1351093438.unknown

_1351093439.vsdP

SPECIMEN

_1351093437.unknown

_1351093432.vsdP

P

_1351093434.unknown

_1351093435.unknown

_1351093433.unknown

_1351093430.unknown

_1351093431.vsdP

P

A

_1351093426.vsd

_1351093428.vsd

_1351093429.vsd

_1351093427.vsd

_1351093425.vsd

Documents

Bahan Listrik