Sifat dan macam bahan Penghantar dan Isolator

Sifat dan Macam Bahan Penghantar dan Isolator
a. Tujuan Pembelajaran
Setelah mempelajari kegiatan belajar sifat dan macam
penghantar dan isolator siswa mampu memilah dan memilih
jenis penghantar sesuai dengan fungsi dan kegunaanya dengan
tepat.
b. Uraian Materi 3
Dalam teknik listrik maupun elektronika, khususnya pada
pelajaran praktek, mempelajari dan memahami bermacammacam
bahan dan sifat-sifatnya merupakan hal yang sangat
penting. Dalam memilih bahan sebagai peyekat atau
penghantar, perlu digunakan sesuai dengan penggunaanya dan
mempertimbangkan beberapa aspek penting. Selain sifat
bahan, juga mempunyai beberapa bentuk, seperti bahan padat,
cair dan gas. Ada juga bahan yang memiliki ketiga bentuk
tersebut, pada temperatur tertentu. Pada pembahasan kali ini
kita akan membahas tentang bahan penghantar (konduktor),
isolator dan semikonduktor.
1) Sifat Bahan Konduktor
Yang termasuk bahan-bahan penghantar adalah bahan yang
memiliki banyak elektron bebas pada kulit terluar orbit.
Elektron bebas ini akan sangat berpengaruh pada sifat bahan
tersebut. Jika suatu bahan listrik memiliki banyak elektron
bebas pada orbit-orbit elektron, bahan ini memiliki sifat sebagai
penhantar listrik.
Bahan penghantar memiliki sifat-sifat penting, yaitu :
a) Daya Hantar Listrik
Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu
mengalami hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar
36
hambatan tersebut tergantung dari bahannya. Besar
hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1mm2
pada temperatur200C dinamakan hambatan jenis. Besarnya
hambatan jenis suatu bahan dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
= l A
R p
, dimana :................. (4)
R : Hambatan dalam penghantar, satuanya ohm (􀆻)
p : hambatan jenis bahan, dalam satuan ohm.mm2/m
l : panjang penghantar, satuannya meter (m)
A : luas penampang kawat penghantar, satuanya mm2
Persamaan untuk daya hantar listrik ni adalah :
lp
= dalam satuan S.m/mm2 ........... (5)
b) Koefisien Temperatur Hambatan
Telah kita ketahui bahwa dalam suatu bahan akan
mengalami perubahan volume bila terjadi perubahan
temperatur. Bahan akan memuai jika temperatur suhu naik
dan akan menyusut jika temperatur suhu turun. Besarnya
perubahan hambatan akibat perubahan suhu dapat
diketahui dengan persamaan ;
R = R0 { 1 + 􀄮 (t – t0)}, dimana : (6)
R : besar hambatan setelah terjadinya perubahan suhu
R0 :besar hambatan awal, sebelum terjadinya perubahan
suhu.
T : temperatur suhu akhir, dalam 0C
t0 : temperatur suhu awal, dalam 0C
􀄮 : koefisien temperatur tahanan
c) Daya Hantar Panas
Daya hantar panas menunjukkan jumlah panas yang melalui
lapisan bahan tiap satuan waktu. Diperhitungkan dalam
37
satuan Kkal/jam 0C. Terutama diperhitungkan dalam
pemakaian mesin listrik beserta perlengkapanya. Pada
umumnya logam mempunyai daya hantar panas yang tinggi.
d) Daya Tegangan Tarik
Sifat mekanis bahan sangat penting, terutama untuk
hantaran diatas tanah. Oleh sebab itu, bahan yang dipakai
untuk keperluan tersebut harus diketahui kekuatanya.
Terutama menyangkut penggunaan dalam pedistribusian
tegangan tinggi.
e) Timbulnya daya Elektro-motoris Termo
Sifat ini sangat penting sekali terhadap dua titik kontak
yang terbuat dari dua bahan logam yang berlainan jenis,
karena dalam suatu rangkaian, arus akan menimbulkan daya
elektro-motoris termo tersendiri bila terjadi perubahan
temperatur suhu.
Daya elektro-motoris termo dapat terjadi lebih tinggi,
sehingga dalam pengaturan arus dan tegangan dapat
menyimpang meskipun sangat kecil. Besarnya perbedaan
tegangan yang dibangkitkan tergantung pada sifat-sifat
kedua bahan yang digunakan dan sebanding dengan
perbedaan temperaturnya. Daya elektro-motoris yang
dibangkitkan oleh perbedaan temperatur disebut dengan
daya elektro-motoris termo.
Dari sekian banyak logam yang digunakan dalam teknik
listrik dan elektronika, antara lain :alumunium, tembaga,
seng, timah dan sebagainya. Adapun sifat-sifat logam
seperti yang disebutkan diatas adalah sebagai berikut :
4. Sifat aluminium (Al)
Berikut adalah sifat penting bahan logam aluminium
(Al) adalah
38
· Dapat ditempa dalam keadaan dingin
· Tidak tahan terhadap garam dapur atau laut
· Warna silver atau perak
· Titik didih = 18000C
· Rho (􀇏) = 0,0278
· Alpha (􀄮) = 0,0047
5. Sifat tembaga (Cu)
Beberapa sifat penting dari logam tembaga :
· Dapat disepuh dan berkarat bila terkena CO2
· Warna merah sedikit mengkilap
· Titik didih = 22360C - 23400C
· Rho (􀇏) = 0,017
· Alpha (􀄮) = 0,0043
6. Sifat seng (Zn)
Beberapa sifat penting yang dimiliki oleh bahan logam
seng adalah :
· Dapat ditempa dalam keadaan dingin
· Tidak tahan terhadap garam dan asam garam
· Warna putih kebiru-biruan
· Titik didih = 9070C
· Rho (􀇏) = 0,0043
· Alpha (􀄮) = 0,006
7. Sifat timah (Sn)
Beberapa sifat penting yang dimiliki oleh bahan timah
adalah :
· Warna jernih mengkilap
· Titik didih = 23600C
· Rho (􀇏) = 0,0043
· Alpha (􀄮) = 0,12
Selain bahan logam yang telah disebutkan diatas, ada juga
bahan logam yang lain yang tergolong sebagai bahan
39
konduktor/ penghantar pada jenis logam mulia, seperti :perak,
emas dan platina. Bahan logam ini dinamakan logam mulia
karena bahan ini memiliki jumlah elektron valensi yang lengkap,
sehingga sangat sulit untuk mengadakan reaksi lain.
Bahan padat lain yang dipakai untuk penghantar adalah
wolfram yang digunakan untuk filamen katoda pada tabung
elektron, lamu-lampu pijar, dan alat pemanas dengan
temperatur yang tinggi.
Dwilogam atau yang sering disebut dengan bimetal adalah dua
jenis logam yang disambung menjadi satu. Pemakaian dalam
bidang kelistrikan sangat luas, misal ; kontak pengatur,
regulator. Digunakan untuk menjaga agar temperatur panas
selalu konstan. Bimetal ini dipasang didalam pemanas dan
fungsinya memutus rangkaian bila temperaturnya meningkat
dan akan menyambung kembali rangkaian bila temperaturnya
turun.
2) Sifat Bahan Isolator
Bahan yang disebut sebagai bahan isolator adalah bahan
dielektrik, ini disebabkan jumlah elektron yang terikat oleh
gaya tarik inti sangat kuat. Elektro-elektronya sulit untuk
bergerak atau bahkan tidak sangat sulit berpindah, walaupun
telah terkena dorongan dari luar. Bahan isolator sering
digunakan untuk bahan penyekat (dielektrik). Pentyekat listrik
terutama dimaksudkan agar listrik tidak dapat mengalir jika
pada bahan penyekat tersebut diberi tegangan listrik. Untuk
dapat memenuhi persyaratan tersebut, diperlukan jenis bahan
yang sesuai. Selain syarat tersebut juga diperlukan syarat yang
lain yang dipertimbangkan untuk memenuhi pemakaianya,
antaralain :
40
a) Sifat Kelistrikan
Bahan penyekat mempunyai tahanan listrik yang besar.
Penyekat listrik ditujukan untuk mencegah terjadinya
kebocoran arus listrik antara kedua penghantar yang
berbeda potensial atau untuk mencegah loncatan listrik
ketanah. Kebocoran arus listrik harus dibatasi sekecilkecilnya
(tidak melampui batas yang telah ditentukan oleh
peraturan yang berlaku).
b) Sifat Mekanis
Mengingat luasnya pemakaiannya pemakaian bahan
penyekat, maka dipertimbangkan kekuatan struktur
bahannya. Dengan demikian, dapat dibatasi hal-hal
penyebab kerusakan dikarenakan kesalahan pemakaiannya.
Misal diperlukan bahan yang tahan tarikan, maka kita harus
menggunakan bahan dari kain daripada kertas. Bahan kain
lebih kuat terhadap tarikan daripada bahan kertas.
c) Sifat Termis
Panas yang ditimbulkan dari dalam oleh arus listrik atau
oleh arus gaya magnet, berpengaruh terhadap kekuatan
bahan penyekat. Deemikian panas yang berasal dari luar
(alam sekitar). Dalam hal ini, kalau panas yang ditimbulkan
cukup tinggi, maka penyekat yang digunakan harus tepat.
Adanya panas juga harus dipertimbangkan, agar tidak
merusak bahan penyekat yang digunakan.
d) Sifat Kimia
Panas yang tinggi yang diterima oleh bahan penyekat dapat
mengakibatkan perubahan susunan kimia bahan. Demikian
juga pengaruh adanya kelembaban udara, basah yang ada
di sekitar bahan penyekat. Jika kelembaban tidak dapat
dihindari, haruslah dipilih bahan penyekat yang tahan
terhadap air. Demikian juga adanya zat-zat lain dapat
merusak struktur kimia bahan.
41
Mengingat adanya bermacam-macam asal, sifat dan ciri
bahan penyekat, maka untuk memudahkan kita dalam
memilih untuk aplikasi dalam kelistrikan, kita akan membagi
bahan penyekat berdasar kelompoknya. Pembagian
kelompok bahan penyekat adalah sebagai berikut :
i) Bahan tambang (batu pualam, asbes, mika, dan
sebagainya)
ii) Bahan berserat (benang, kain, kertas, prespon, kayu,
dan sebagainya)
iii) Gelas dan keramik
iv) Plastik
v) Karet, bakelit, ebonit, dan sebagainya
vi) Bahan yang dipadatkan.
Penyekat bentuk cair yang penting dan banyak digunakan
adalah minyak transformator dan macam-macam hasil
minyak bumi. Sedang penyekat bentuk gas adalah nitrogen
dan karbondioksida (CO2).
Penggunaan bahan isolator selain sebagai bahan penyekat
adalah sebagai bahan tahanan (resistor). Bahan tahanan
yang umunya dipakai merupakan paduan/ campuran logamlogam
terdiri dari dua atau lebih unsur bahan campuran.
Pemakaian bahan tahanan dalam kelistrikan, antara lain :
i) Untuk pembuatan kotak tahanan standart dan shunt
ii) Untuk tahanan dan rheostats
iii) Untuk unsur pemanas, kompor listrik dan sebagainya.
Sesuai dengan penggunaanya bahan tahanan haruslah
memiliki tahanan jenis yang tinggi, koefisien temperatur
yang tinggi, dan memiliki daya elektro-motoris termo yang
kecil. Pada penggunaan yang membutuhkan daya tahan
panas tinggi, bahan tahanan harus dipilih yang memiliki titik
cair yang tinggi, selain itu bahan tahanan pada keadaan
42
panas yang tinggi tudak mudak dioksidir sehingga menjadi
berkarat.