Materi / Bahan Teknik Listrik | Ilmu Bahan Listrik

Definisi Tentang Bahan :  

• Bahan Penghantar (conductors) adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan mudah.
  Bahan ini mempunyai daya hantar (electrical conductivity) yang besar dan tahanan listrik (electrical resistance) kecil.
• Bahan Penyekat (insulating materials) adalah bahan yang berfungsi untuk menyekat (memisahkan dua penghantar yang bertegangan) agar tidak terjadi kebocoran arus listrik apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Bahan penyekat yang sering ditemui dalam teknik listrik adalah plastik, karet, dan sebagainya. Maka dengan demikian, bahan penyekat (isolator) sebaiknya memiliki tahanan jenis yang besar serta tegangan tembus yang tinggi.
• Bahan Setengah Penghantar (Semi Konduktor) adalah bahan yang mempunyai daya hantar lebih kecil dibandingkan dengan bahan konduktor, tetapi lebih besar dibandingkan bahan isolator.
  Dalam teknik elektronika, banyak dipakai semi konduktor dari bahan germanium (Ge) dan Silicon (Si). Dalam keadaan aslinya, Ge dan Si adalah bahan pelikan dan merupakan isolator.
  Dalam pembuatannya di Pabrik bahan-bahan tersebut diberi kotoran. Dengan maksud jika bahan tersebut dikotori dengan alumunium maka diperoleh bahan semikonduktor type P (bahan yang kekurangan elektron/mempunyai sifat positif). Jika dikotori dengan fosfor maka yang dipeoleh adalah semikonduktor jenis N (bahan yang kelebihan electron, sehingga bersifat negative). Ge mempunyai daya hantar lebih tinggi dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas dibanding Ge.
• Bahan Magnetik (Magnetic Materials) dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitu ferro magnetic, para-magnetic dan dia-magnetic. Bahan ferro-magnetic adalah bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi dan mudah sekali dialiri garis-garis gaya magnet.
          Contoh bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi adalah besi, besi pasir, stalloy, dan sebagainya. magnet yang merupakan magnet permanen, misalnya alnico, cobalt, baja arang, dan sebagainya. Baja untuk magnet sering dijumpai pada pelat-pelat motor/generator, pelat-pelat transformator, dan sebagainya.
      Dalam bidang elektronika, digunakan bahan magnet misalnya pada speaker, alat-alat ukur elektronika, dan sebagainya.
• Bahan Super Konduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur perubahan tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair. Dia menemukan bahwa tahanan listrik tiba-tiba hilang pada suhu 4,153°K. Sampai saat ini telah ditemukan sekitar 24 unsur hantaran super dan lebih banyak lagi paduan dan senyawa yang menunjukkan sifat-sifat hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar antara 1 samapai 19° Kelvin.
      Bahan-bahan lead (timah), tin (timah patri), alumunium, dan mercury, pada suhu mendekati 0°K mempunyai resistivitas nol.
• Bahan Nuklir. Bahan nuklir sering dipakai sebagai bahan bakar reaktor nuklir. Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan-bahan nuklir yang dapat membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat berjalan dalam keadaan dan kondisi terkendali.
  Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat dipergunakan sebagai bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat mengadakan fisi (pembelahan atom). Dalam reaktor nuklir digunakan bahan bakar uranium 235, plutonium-239, uranium-233.
  
  

Sifat-Sifat Bahan

       Dalam menggunakan suatu bahan/peralatan harus memiliki suatu pengetahuan dan  keahlian/mengenal suatu sifat-sifat suatu jenis bahan agar dalam penggunaannya tepat sehingga tidak menimbulkan kerugian atau bahaya dalam penggunaannya.

      Bagi yang mereka mengetahui  sifat-sifat bahan yang digunakan, akan memperlakukan bahan yang digunakan dengan sebaik-baiknya.
       Bila memahami bahan apa yang harus dipakai untuk suatu maksud tertentu, maka dapat mencari alternatif bahan pengganti, dan sebagianya.
         Bahan tersebut dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu juga bisa berubah pada suhu tetentu (Padat, cair, gas).
         Selain pengelompokan berdasarkan wujud tersebut dalam teknik listrik ada beberapa pengelompokan  jenis bahan antara lain:

• Bahan besi 
• Bahan penghantar
• Bahan penyekat
• Bahan semi konduktor ( setengah Penghantar)
• Bahan magnetis
• Bahan super konduktor
• Bahan nuklir
• Bahan khusus(untuk kontak-kontak, sekring dsb)

Dalam pemilihan jenis bahan listrik, selain sifat listrik, perlu dipertimbangkan beberapa sifat lain dari bahan, yaitu :

1. Sifat Mekanis
2. Sifat Fisis
3. Sifat Kimia. 

1. Sifat Mekanis, yaitu perubahan bentuk dari suatu benda padat akibat adanya gaya-gaya dari luar yang bekerja pada benda tersebut. Jadi adanya perubahan itu tergantung kepada besar kecilnya gaya, bentuk benda, dan dari bahan apa benda tersebut dibuat.
   Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada tiga kemungkinan yang akan terjadi pada suatu benda :
   
   • Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda mempunyai sifat kenyal (elastis).
   • Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini hanya sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar gaya yang bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan menjadi berkurang. 
   • Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar gaya yang bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan sama sekali hilang.
2. Sifat Fisis, Benda padat mempunyai bentuk yang tetap (bentuk sendiri), dimana pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula. Isi akan bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya benda akan menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap , maka kepadatan benda akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut :
   
   • Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan berkurang 
   • Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akan bertambah
   • Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan panas
3. Sifat Kimia, berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat dari logam. Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri dengan sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan. Biasanya reaksi kimia dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi. Sedangkan reaksi kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman.
   
   

 Pengaruh Medan Listrik
Logam dan semikonduktor dapat menghantarkan/ mengalirkan muatan listrik apabila ditempatkan medan listrik

• Daya hantar σ tergantung terhadap jumlah pembawa muatan n, besar muatan q, dan mobilitas μ dari pembawa muatan.
  Konduktivitas adalah kebalikan dari pada tahanan jenis ρ:1/ρ =σ = nqμ

Pada logam dan semikonduktor, elektron adalah merupakan pembawa muatan-muatan.
Tahan jenis merupakan ρ merupakan suatu sifat dari bahan sehingga tidak tergantung kepada bentuknya.
Tahana jenis suatu bahan dapat dihitung dengan: R = ρL/A .,  V= I.R atau I = V/R
           P = V.I atau P = I . R

    Contoh. Untuk dikerjakan dirumah.
Suatu balok arang (carbon) dengan ukuran 1 cm x 1 cm x 50 cm. Tahanan jenis arang pada suhu 20 derajad celcius adalah 3,5 x 10-5 ohm meter
- Berapa besarnya tahanan antara antara 2 sisi yang berbentuk bujur sangkar
- Berapa besarnya tahanan antara 2 sisi yang berbentuk empat persegi panjang.

Pengaruh Suhu Terhadap Tahanan

1. Memperbesar  tahanan untuk logam-logam murni, kenaikan tahanan tersebut cukup besar pada kenaikan suhu tertentu. Logam murni mempunyai koefisien suhu positif sebab dengan bertambahnya suhu, sehingga tahanan juga makin besar.
2. Memperbesar tahanan untuk logam-logam paduan, namun dapat diabaikan karena kecil.
3. Memperkecil tahanan untuk elektrolit dan isolator, (kertas, karet gelas, mika dsb).

Hubungan antara perubahan suhu terhadap nilai tahanan dapat dinyatakan :
    R2 = R1{1 + α  (t2-t1)}
    dan apabila t1 = 0 derajat C, maka
    Rt = Ro (1 + αot) Dimana:
 R1 = besar tahanan pada suhu t1 (dlm ohm)
 R2 = besar tahanan pada suhu t2 (dlm ohm)
  t2 = suhu sebelum ada perubahan
  t1 = suhu sesuda terjadi perubahan
  Rt = besar tahan pada suhu t
 R0 = besar tahan pada suhu 0 derajat C
  α = koefisien suhu tahanan

Soal-soal yang dikerjakan

1. Koefisien suhu tembaga (cooper) adalah 39,3 x 10-4 tahanan pada suhu 200 C adalah 30 ohm. Kemudian bahan dipanasi sampai t sebesar 800 C . Hitunglah tahanan pada t = 80o C.
2. Tahanan jenis tembaga pada suhu 200 C adalah 1,77 x 10-8 ohm meter, α = 0,0038, hitunglah tahanan jenis pada 30 0 c.
3. Tahanan suatu gulungan elektromagnetik kawat tembaga pada suhu 200 C adlah 30 ohm. Tentukan tahanan pada suhu 800 C. Koefisien suhu tahanan pada t = 0 0 c adalah 42,7 x 10-4

Refrensi : Materi Kuliah Ilmu Bahan Listrik, Teknik Elektro UNRAM