Struktur Material Kelistrikan

STRUKTUR MATERIAL KELISTRIKAN

A.   Karakteristik Atom

            Atom adalah partikel terkecil dari sebuah molekul yang sifatnya tidak dapat dibagi lagi. Atom berasal dari bahasa Yunani ATOMOS, yang berarti tidak dapat dibagi lagi. Secara tiga dimensi bentuk atom suatu unsur digambarkan seperti terlihat pada gambar berikut (atom dan lintasan elektronnya)

            Atom terdiri dari proton, neutron dan elektron, dimana proton bermuatan positip terhadap elektron atau elektron bermuatan negatip sedangkan dalam keadaan normal inti (neutron) tidak bermuatan. Karakteristik suatu atom adalah :

1.      Setiap inti mempunyai medan gaya tarik dengan elektronnya dan dikenal sebagai muatan,

2.      Inti bermuatan positip terhadap elektron, sebaliknya elektron bermuatan negatip terhadap intinya,

3.      Kedua muatan tersebut dapat saling tarik menarik atau tolak menolak,dan juga bisa bermuatan netral jika jumlah muatan positip dan negatipnya seimbang.

B.     Susunan Atom

            Susunan atom terdiri dari lapisan-lapisan tertentu yg menjadi tempat beredarnya elektron. Lapisan ini disebut lintasan atau orbit. Banyaknya elektron yg melintas ditentukan oleh berat unsur kimia. Semakin besar berat unsurnya suatu unsur akan semakin banyak jumlah elektron yang mengelilingi intinya. Gambar berikut (gambar lapisan atom unsur silikon dan penyederhanaannya) memperlihatkan susunan lapisan suatu atom unsur Silikon (Si) yg mempunyai nomor atom 14 atau mempunyai 14 buah elektron yg mengelilingi intinya.

Jumlah elektron yang melintas pada setiap lapisan dapat ditentukan dengan rumus pendekatan sebagai berikut :

e = 2n²

dimana :

e = banyak elektron yang melintas

n = 1,2,3,4,……… (nomor lintasan, dimana angka terkecil menyatakan nomor lintasan yang paling dekat ke intinya)

            Dengan demikian banyaknya elektron yang melintas pada setiap lintasan untuk unsur silikon seperti gambar diatas adalah :

·       Lintasan pertama (1) = 2 . (1)² = 2 buah elektron

·       Lintasan kedua (2) = 2 . (2)² = 8 buah elektron

·       Lintasan ketiga (3) = 4 buah elektron (sisa)

·       Pada lintasan ketiga hanya melintas empat buah elektron , hal ini dikarenakan merupakan sisa dari 14 – (2 + 8) = 4 buah elektron.

            Elektron-elektron yg melintas pada lapisan terdalam (berdekatan dengan inti) akan terikat kuat oleh muatan intinya dan sulit melepaskan diri dari susunannya. Sedangkan  elektron-elektron yg ada di lapisan terluar mudah dipengaruhi oleh sejumlah tenaga dari luar dan dapat keluar/lepas sebagai elektron bebas. Elektron yg berada di lapisan terluar tersebut berperan penting dalam penentuan sifat kimia dan kelistrikan unsur dan sering disebut sebagai elektron martabat (Valensi).

            Setiap elektron mempunyai kemampuan mengikat satu elektron lain dari atom lainnya yang berada disekitarnya. Misalnya ada beberapa atom silikon yang saling berdekatan, maka elektron-elektron yg saling berdekatan akan menjalin ikatan yang dikenal sebagai Ikatan Kovalen (Covalent-Bond).

C.     Elektron Bebas dan Hole

            Suatu efek agitasi seperti kenaikan temperatur akan menghasilkan getaran pada inti atom sehingga berakibat ikatan kovalen akan pecah dan diikuti oleh lepasnya elektron. Elektron yg lepas dari ikatannya disebut Elektron Bebas dan bermuatan negatip, sedangkan tempat yang ditinggalkan oleh elektron membentuk suatu muatan positip, dimana tempat tadi disebut sebagai kekosongan atau dikenal dengan nama lain Hole.

            Pada temperatur kamar (27^o C), energi panas sudah mampu membebaskan elektron dari ikatan kovalen, sehingga dengan temperatur kamar sifat silikon yg pada kondisi semula bersifat sebagai penyekat sempurna dapat berubah menjadi penghantar arus listrik. Karena daya hantar jenis semikonduktor murni sangat rendah, maka untuk memperbesar daya hantar tersebut dilakukan proses pencampuran dengan unsur lain untuk memperbanyak terjadinya elektron-elektron bebas dan hole.

            Pencampuran ini dikenal dengan nama pengotoran (Impurity) atau Doping. Elektron bebas dan hole yang terjadi disebut juga sebagai pembawa muatan (Charge-Carrier). Elektron bersifat menjalankan suatu tenaga listrik. Jadi elektron memiliki muatan listrik dan sebagai suatu pembawa muatan. Karena inti atom juga mempunyai sifat menjalankan tenaga listrik, maka inti atom juga mempunyai muatan listrik. Hal ini terbukti bahwa elektron-elektron tidak saling tarik-menarik, melainkan tolak-menolak. Demikian pula yang terjadi pada inti atom.

            Karena elektron-elektron saling tolak-menolak, inti atom dan elektron saling tarik-menarik maka inti atom harus  berbeda muatan dengan elektron artinya membawa suatu jenis muatan yang berbeda dengan muatan elektron. Muatan inti atom dinamakan muatan positip dan muatan elektron dinamakan muatan negatip. Jadi untuk muatan listrik berlaku.

D.   Ion

            Ilmuwan yang pertama kali menemukan Ion adalah fisikawan Jerman, Julius Elster dan Hans Friedrich Geitel pada tahun 1899. Ion adalah atom yang bermuatan negatif atau positif.       Jumlah muatan positif dan negatif pada atom adalah sebanding sehingga atom tidak memiliki muatan. Tapi karena suatu hal beberapa elektron dapat meninggalkan atom (elektron ini disebut elektron bebas). Jika atom kehilangan elektron bebas, maka berubah menjadi ion positif. Sebaliknya, akan menjadi ion negatif jika menerima elektron bebas. Ion-ion ini tidak stabil dan cenderung mencari gandengan untuk berikatan.

            Berat ion positif 1800 kali lebih besar dibandingkan ion negatif sehingga ion negatif mudah lepas dari ikatannya. Pada saat ikatan itu lepas, muatan negatif akan ditarik oleh ion positif. Sebaliknya, ion negatif akan terpental. Ion positif dan ion negatif yang saling lepas ini menjadi awal pendorong  ketidakseimbangan listrik.

            Atom yang kehilangan elektron akan menyebabkan atom tersebut kekurangan elektron maka atom tersebut memiliki lebih banyak muatan positip daripada muatan negatip. Atom yang secara utuh bermuatan positip melaksanakan suatu reaksi listrik yaitu menarik muatan negatip. Demikian juga atom yang ditambah sebuah elektron, maka secara utuh dia bermuatan negatip dan menarik muatan positip.

            Atom yang bermuatan seperti ini sebaliknya dapat juga menarik muatan yang berbeda, berarti atom tersebut bergerak. Atas dasar inilah maka atom seperti ini dinamakan ion (ion = berjalan, bhs. Yunani). Atom bermuatan positip maupun negatip atau kumpulan atom disebut ion.

E.   Penghantar (Konduktor)

            Elektron yang berada pada satu kulit (shell), tertahan di lintasan orbitalnya karena adanya suatu gaya tarik menuju inti yang mengandung proton (pembawa muatan positif) dalam jumlah yang sama dengan jumlah elektron. Karena muatan yang sejenis akan saling tolak menolak dan muatan-muatan yang berlawanan jenis akan saling tarik menarik, elektron yang bermuatan negatif akan tertarik menuju proton yang bermuatan positif. Muatan yang berbeda jenis yaitu elektron yang negatif dan proton yang positif ini akan mengalami gaya tarik menarik.

            Elektron kulit terluar dari sebuah konduktor dengan mudah berpindah ke atom-atom yang bersebelahan dalam susunan atom-atom yang membentuk konduktor tersebut. Ini memungkinkan bahan tersebut menghantarkan listrik. Contohnya adalah logam seperti tembaga, perak, besi dan aluminium.

Bahan yang memiliki banyak elektron bebas sebagai pembawa muatan yang bebas bergerak dinamakan penghantar.

E.1. Jenis Penghantar

Jenis penghantar listrik dibedakan menjadi dua yaitu :

E.1.1. Penghantar Elektron

            Yaitu logam misalnya tembaga, alumunium, perak, emas, besi dan juga carbon. Atom logam membentuk sesuatu yang disebut struktur logam. Setiap atom logam memberikan semua elektron valensinya (elektron pada lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positip. Ion-ion menempati ruang dengan jarak tertentu serta sama antara satu dengan yang lain dan membentuk kisi-kisi ruang atau pola geometris atom-atom. Elektron-elektron bergerak seperti suatu awan atau gas diantara ion-ion yang diam dan bergerak relatip ringan di dalam kisi-kisi ruang. Elektron tersebut adalah elektron bebas.

            Melalui tekanan listrik dengan arah tertentu, di dalam teknik listrik disebut tegangan, elektron-elektron bebas dalam penghantar digiring melalui kisi-kisi. Dengan demikian elektron-elektron penghantar mentransfer muatan negatipnya dengan arah tertentu. Hal ini disebut sebagai arus listrik.  Penghantar logam dengan beban biasa kecepatan elektronnya hanya 3 mm/detik, tetapi gerakan elektron tersebut menyebarkan impuls tumbukan mendekati kecepatan cahaya c = 300.000 km/detik.

E.1.2. Penghantar Ion

            Jika atom kehilangan elektron bebas maka menjadi ion positif. Sebaliknya, akan menjadi ion negatif jika menerima elektron bebas. Ion-ion ini tidak stabil dan cenderung mencari gandengan untuk berikatan dengan atom yang lainnya. Termasuk disini yaitu elektrolit (zat cair yang menghantarkan arus), peleburan (misal peleburan alumunium) dan ionisasi gas. Sebagai pembawa muatan dalam hal ini adalah ion positip dan ion negatip disebut sebagai arus ion.

            Larutan yang dapat menghantarkan arus listrik yang ditandai dengan menyalanya lampu disebut larutan elektrolit. Hal ini terjadi karena adanya ion-ion yang dihasilkan oleh larutan elektrolit. Suatu zat dapat menghantarkan listrik karena zat tersebut memiliki ion-ion yang bergerak bebas di dalam larutan tersebut. Ion-ion inilah yang menjadi penghantar. Semakin banyak ion yang dihasilkan semakin baik pula larutan tersebut menghantarkan listrik.

F.   Isolator (Penyekat)

            Isolator adalah bahan listrik yang tidak bisa melakukan perpindahan muatan listrik. Dalam isolator, elektron valensinya terikat kuat pada atomnya. Bahan ini digunakan pada alat-alat elektronik sebagai isolator atau penghambat mengalirnya arus listrik. Isolator berguna pula sebagai penopang beban atau pemisah antara konduktor tanpa membuat adanya arus mengalir keluar dari konduktor. Bahan ini juga digunakan untuk alat yang digunakan untuk menyangga kabel transmisi listrik pada tiang listrik.

            Kaca, kertas dan teflon merupakan bahan isolator yang sangat bagus. Beberapa bahan sintetis masih cukup bagus digunakan sebagai isolator kabel, contohnya plastik atau karet karena lebih mudah dibentuk / diproses dan bisa menyumbat aliran listrik pada tegangan menengah (ratusan sampai dengan ribuan volt). Bahan isolator lain adalah ruang hampa termasuk disini gas atau udara dengan aturan tertentu. Penyekat memiliki berbagai bentuk padat, cair dan gas yaitu :

F.1.  Penyekat Berbentuk Padat :

A)   Batu Pualam

Memiliki daya serap air yang kecil tapi karena berat dan mudah pecah maka jarang dipakai.

B)    Asbes

Bahan ini berserat, tidak kuat, dan mudah putus. Bukan penyekat yang baik. Keistimewaannya adalah tidak dapat dibakar, jadi tahan panas tinggi.

C)    Mika

Daya sekat listrik dan kekuatan mekanis sangat tinggi, elastis, daya tahan panas tinggi, penahan air yang baik, sangat ringan dan bening (transparan).

D)    Mikanit

Mikanit adalah mika yang telah mendapat perubahan bentuk maupun susunan bahannya. Berbentuk agak padat. Biasa dipakai pada komutator.

E)     Mikafolium

Semacam mikanit dan sebagai bahan digunakan di atas lapisan kertas tipis. Mudah dibengkokkan dengan pemanas. Biasanya dipakai untuk membungkus kawat atau batang lilitan sebagai penyekat pada mesin listrik tegangan tinggi.

F)      Mikalek

Bahan dasarnya adalah gelas dan plastik diisi dengan bubuk mika. Kekuatan mekanisnya tinggi dan dipakai pada penyearah arus logam (air raksa), peralatan radio dan tenaga listrik. Mikalek adalah mika terbaik sehingga memenuhi syarat sebagai penyekat.

F.2.  Penyekat Padat dari Bahan Berserat

A)     Benang

Digunakan sebagai pengisi kabel terutama kabel tanah

B)     Tekstil

Digunakan sebagai penyekat kawat lilitan mesin listrik, pengikat, dll. Karena bersifat menyerap cairan, untuk perbaikan daya sekat dilapis atau dicelup ke dalam cairan lak penyekat.

C)     Kertas

Kertas dilapisi lak penyekat untuk mengurangi kadar airnya. Biasa digunakan pada lilitan kawat, kumparan, penyekat kabel, dan kondensator kertas.

D)     Prespan

Dibandingkan kertas, prespan lebih padat, jadi kurang menyerap air.

E)     Kayu

Dahulu sering digunakan untuk tiang listrik. Supaya tahan lama kayu harus diawetkan lebih dulu. Kayu juga harus dimampatkan agar kadar airnya dapat berkurang.

F.3.  Penyekat Padat dari Gelas dan Keramik

A) Gelas

Merupakan penyekat yang sangat rapuh. Dipakai dalam pembuatan bola lampu pijar.

B) Keramik

Keramik memiliki daya sekat yang tinggi. Biasanya dibuat menjadi porselin dan steatite.

C) Steatite

Untuk menyekat kawat penghubung yang letaknya berdekatan dengan alat pemanas listrik.

D) Porselin

Memiliki kekuatan mekanis  baik dan digunakan untuk pembuatan bagian isolasi alat-alat listrik dan tidak menyerap air.

E) Plastik

Bersifat ringan, daya hantar panas rendah, tahan air, dan daya sekat tinggi tapi tidak baik dipakai pada bahan dengan panas tinggi. Ada 2 jenis plastik yaitu Thermoplastic dimana pada suhu 60 ⁰C menjadi lunak dan Thermosetting Plastic dimana bahan ini telah mengalami proses pencairan dan telah dicetak dan tidak dapat lunak lagi walaupun dipanaskan.

F.4.  Penyekat dari Karet dan Ebonit

A) Karet

Bersifat elastis dan berguna untuk menahan tumbukan. Digunakan sebagai penyekat hantaran listrik, penggunaan pipa karet untuk menyekat sepatu kabel, dan pembungkus kabel.

B) Ebonit

Dapat dibengkokan dalam air yang mendidih, dapat dikikir, dibor dan dibubut. Tahan terhadap asam dan dipakai sebagai bak akumulator. Tidak menyerap air dan tahan panas.

F.5.  Penyekat dari Bahan-bahan yang Dipadatkan

Lilin dan Parafin

Bersifat cepat mencair, tidak menyerap air dan jumlahnya berlimpah, dijadikan bahan untuk penyekat listrik dan kondensator.

F.6.  Penyekat dari Bahan Cair

A) Air murni = aquades

Air suling atau air murni dapat disebut sebagai bahan penyekat walaupun masih dapat menghantarkan arus listrik dalam jumlah yang sangat kecil.

B) Minyak Transformator

Diperlukan sebagai pendingin pada transformator karena panas yang ditimbulkan lilitan kawat. Tanpa pendinginan akan merusak penyekat inti, lilitan dan pada bagian lainnya.

C) Minyak kabel

Dicampur dengan damar supaya lebih pekat dan digunakan untuk memadatkan penyekat kertas pada kabel tenaga, kabel tanah, terutama kabel tegangan tinggi.

F.7.  Penyekat dari Bahan Gas

A) Nitrogen

Sebagai pengontrol saluran kabel pengisi/distribusi untuk mengetahui masih baik tidaknya penyekat kabel yang dipakai. Terutama pada kabel tanah yang sering terjadi karat, goresan dan retak.

B) Hidrogen

Sebagai pendingin turbogenerator dan kondensor sinkron. Walaupun sebagai pendingin juga merupakan penyekat panas dan listrik.

C) Carbon Dioksida

       Digunakan dalam turbogenerator. Memiliki sifat mematikan api. Sebagai pengaman untuk     pencampuran hidrogen dan udara yang dapat mengakibatkan ledakan.