10bab 7 Super Konduktor [PDF]

Citation preview

BAB VII SUPER KONDUKTOR KELENGKAPAN i. Kompetensi Program Studi Pada modul ini akan dibahas mengenai super konduktor yang diharapkan dapat mengacu pada kompetensi Program Studi Teknik Elektro sebagai berikut :



Kompetensi Utama : Kemampuan menerapkan pengetahuan dasar material elektroteknik pada Teknik Tenaga Listrik, Telekomunikasi serta Kendali, Komputer & Elektronika ii. Sasaran Belajar Memiliki



pengetahuan



mengenai



superkonduktor,



karakteristik



superkonduktor dan aplikasi superkonduktor dalam sistem tenaga. iii. Sasaran Pembelajaran Proses



pembelajaran



pada



modul



superkonduktor



ini



diharapkan



mahasiswa:  Mengetahui keadaan superkonduktor dan karakteristik superkonduktor  Mengetahui aplikasi superkonduktor dibidang tenaga listrik



iv. Strategi/Metode Pembelajaran Metode pembelajaran untuk modul ini adalah metode self directed learning dan collaborative learning, dimana mahasiswa diberikan tugas mandiri dan presentasi kelompok untuk mengetahui bahan superkonduktor karakteristik superkonduktor dan aplikasi superkonduktor dalam sistem tenaga.



153



v. Indikator/Kriteria Penilaian Keberhasilan sasaran belajar diketahui ketika mahasiswa mengetahui dan mencapai sasaran pembelajaran yang telah disebutkan pada bagian sasaran pembelajaran



vi. Isi Modul Fenomena superkonduktivitas pertama kali diperkenalkan pada tahun 1911, dan ini menarik perhatian para ilmuwan pada umumnya dan para ahli di bidang tenaga listrik serta fisika khususnya. Sebagian mencoba untuk lebih jauh memanfaatkannya dan sebagian lagi terus meneliti sebab-sebab terjadinya keajaiban fenomena tersebut. Penggunaan prinsip superkonduktivitas sudah sangat meluas walaupun belum seluruhnya dapat dinikmati oleh masyarakat umum, dalam arti masih berskala laboratorium. Beberapa di antaranya adalah penyaluran daya listrik (dengan kabel kriogenik), generator superkonduktor, bubble-chamber, accelerator, antena dan sistem suspensi magnetik (magnetic levitation) untuk kereta api supercepat.



7.1. PENGERTIAN UMUM Superkonduktivitas



adalah



suatu



sifat



yang



dimiliki



oleh



bahan



konduktor/penghantar yang dapat menghantarkan arus listrik dengan nilai kerapatan arus yang sangat besar per satuan luasnya (contohnya; bahan NB 3Sn kerapatan arusnya 105 A/cm2 ), serta dengan harga resistivitas yang mendekati nol. Hal ini menjanjikan terlaksananya penyaluran daya listrik dalam jumlah yang sangat besar melalui penghantar berpenampang sangat kecil, sehingga dapat mengurangi biaya, terutama biaya rugi-rugi energi.



154



Fenomena dikenalnya



superkonduktivitas



hubungan



ini



ketergantungan



sebenarnya resistivitas



telah suatu



diketahui bahan



sejak



terhadap



temperatur, tetapi ini hanya dianggap secara teoritis saja, karena tidak dapat dibayangkan untuk mencapai temperatur sekitar 270 oC di bawah titik beku air. Pada tahun 1911 Heike Kammerlingh Onnes, seorang ilmuwan Belanda menyatakan



keberhasilan



percobaannya



untuk



mendapatkan



sifat



superkonduktivitas pada logam merkuri yang direndam dalam helium cair (± 4 oK), kenyataan ini menjadi pemicu untuk kegiatan penelitian selanjutnya. Satu lagi sifat logam superkonduktor ditemukan pada tahun 1933 yang kemudian dikenal dengan sebutan Meissner Effect (nama penemunya) yang berhubungan dengan kecenderungan logam superkonduktor untuk mendorong keluar medan magnet yang ada padanya. Sifat ini telah dimanfaatkan pada sistem suspensi magnetik seperti yang dipakai pada kereta api supercepat. Perkembangan yang cukup menggembirakan adalah dengan ditemukannya bahan campuran niobium – timah pada tahun 1950 yang memungkinkan superkonduktivitas pada temperatur yang relatif lebih tinggi, yaitu sekitar 20oK , sehingga cairan kriogenik (kriogen) yang dibutuhkan menjadi lebih murah.



7.2. TERJADINYA KEADAAN SUPERKONDUKTIVITAS Keadaan superkonduktivitas bisa dicapai dengan mendinginkan suatu bahan logam tertentu sampai temperatur mendekati nol mutlak, atau temperatur kritisnya (Tc). Beberapa teori mengenai konduktivitas suatu bahan logam, semuanya menunjukkan keseragaman perilaku konduktivitas terhadap temperatur yaitu resistivitas suatu bahan logam akan naik bila temperatunya naik . Tetapi tidak ada satupun dari model teori di atas yang dapat menjelaskan terjadinya fenomena superkonduktivitas. 155



Teori terbaru yang dikemukakan oleh tiga ilmuwan dari University of Illinois, yaitu Bardeen, Cooper, dan Schieffer yang kemudian dikenal dengan BSC Theory. Teori ini menyatakan bahwa di bawah temperatur kritisnya (Tc), Elektron-elektron



konduksi pembawa muatan akan mencapai suatu tingkatan keadaan baru dan membentuk pasangan elektron yang disebut Cooper Pairs. Pasangan inilah yang kemudian bertindak sebagai pembawa muatan yang tidak dapat dihamburkan oleh ketidaksempurnaan



kisi



kristal



(energi



yang



tersedia



tidak



cukup



untuk



memecahkan pasangan dan menghamburkannya) sehingga resistansi menjadi kecil sekali (pada keadaan normal penghamburan elektron konduksi dalam arah



yang tidak tentu dipandang sebagai penyebab terjadinya resistansi bahan ). Begitu temperatur dinaikkan kembali melampaui T c, maka energi yang bertambah sejalan dengan naiknya temperatur akan memecahkan pasangan elektron tadi sehingga otomatis kembali pada keadaan normalnya. Secara



komparatif



perilaku



elektron



pada



keadaan



normal



dan



superkonduktiv dinyatakan dengan dalam tabel 10.1. Fenomena terjadinya keadaan superkonduktif tersebut terhadap temperatur dapat dilihat pada gambar 10.1 . Temperatur transisi Tc untuk bahan superkonduktif yang terbuat dari bahan logam murni adalah sekitar 0,01 o - 9,15 oK, sedangkan untuk bahan campuran, T c dari keadaan transisi superkonduktif adalah tergantung pada keadaan materialnya. Tabel



7.1.



Perbandingan Perilaku Superkonduktif



Elaktron



Normal  Pembawa



muatan



dalam



Keadaan



Normal



dan



Superkonduktif  Pasangan



elektron



bebas.



elektron



“Cooper



Pairs”



 Diameter elektronnya 10-15.



 Diameter CP~10-7.



 Jarak atom kisi kristal 10-10.



 Jarak atom kisi kristal > 10-10.



 Panjang gelombang < jarak kisi



 Panjang gelombang > jarak kisi.



 Elektron konduksi dihamburkan



 Tidak terjadi hamburan (energi



156



dalam



arah



akibatnya



tak



menentu,



yang tersedia tidak mencukupi),



timbul



resistansi



akibatnya



elektron



menjadi nol.



Resistivitas



elektris.



resistansi



Superkonduktor (contoh: Timbal)



 sisa Logam Biasa (contoh: Perak) Tc



0



Gambar 7.1. Perubahan resistivitas terhadap temperatur



Temperatur



7.3. KARAKTERISTIK DAN JENISNYA Sifat superkonduktivitas suatu bahan akan lenyap bila temperaturnya melebihi Tc . Tapi pada percobaan pembuatan koil ( coil) superkonduktif di mana temperaturnya selalu dijaga tetap di bawah temperatur kritisnya, ternyata koil kehilangan sifat konduktivitasnya pada saat arusnya mencapai harga tertentu. Ini menunjukkan bahwa bahan superkonduktor juga mempunyai batas hantar arus maksimum, yang membatasi percobaan di atas adalah medan magnet yang bekerja pada bahan tersebut (H). Arus yang melalui bahan akan membangkitkan medan



magnet



tertentu



(kritis)



Hc



bahan



akan



kehilangan



sifat



superkonduktivitasnya. Hal tersebut dapat diterangkan bahwa setelah melebihi H c maka energi interaksi antara elektron superkonduktif dengan medan magnet akan



157



cukup besar untuk dapat memecahkan ikatan yang terjadi pada pasangan elektron Cooper Pairs. Nilai Hc tergantung pada temperatur bahan dan membentuk suatu hubungan saliang ketergantungan yang berbentuk fungsi parabolik dengan T c , yang ditunjukkan persamaan : Hc = Ho



  T 2    1     Tc  



(7.1)



Sedangkan B=H, bila u dianggap konstan, maka H dapat digantikan dengan B (rapat fluksi), sehingga bentuk persamaan menjadi : 



2 T     



Bc = Bo 1   Tc   



di mana



Ho Bo Tc



(7.2)



= medan magnet kritis pada T = 0oK = rapat fluksi kritis pada T = 0oK = temperatur kritis pada B =0 (temperatur tertinggi yang diizinkan)



Kenyataan yang menarik adalah bahwa tidak semua jenis logam dapat menunjukkan sifat superkonduktivitasnya. Platina dan perak yang pada kondisi normalnya merupakan konduktor terbaik (resistivitasnya kecil) ternyata tidak bisa dijadikan superkonduktor. Beberapa jenis logam yang mula-mula diketahui dapat dijadikan superkonduktor atau yang disebut soft type superconductor atau superkonduktor jenis I adalah seperti yang dapat dilihat pada Tabel 7.2, di bawah ini: Tabel 7.2. Parameter Tc dan Bo dari superkonduktor Jenis-I Bahan Aluminium Mercury Tantalum Timbal Niobium



(Al) (Hg) (Ta) (Pb) (Nb)



Tc (oK) 1,2 4,2 4,5 7,2 9,4



158



Bo (T) 0,010 0,041 0,083 0,080 0,195



Pada saat awal superkonduktor jenis-I yang dikenal, tetapi usaha untuk mengaplikasikannya untuk keperluan praktis selalu berakhir dengan kegagalan, hal ini karena karakteristik Tc dan Bo yang sangat rendah. Pada tahun 1950 ditemukan bahan superkonduktor jenis baru yang dikenal sebagai hard type superconductor atau disebut juga superkonduktor jenis-II, yang semuanya merupakan komposit/campuran/perpaduan dari dua jenis logam atau lebih. Tabel 7.3, memeperlihatkan parameter T c dan Bo dari superkonduktor jenisII. Tabel 7.3. Parameter Tc dan Bo Superkonduktor Jenis-II Bahan Niobium + Titanium Niobium + Zirconium Vanadium + Gallide Niobium + Gallide Niobium + Timah



Tc (oK) 8,7 9,5 14 15 18



(Nb0,44 Ti0,56 ) (Nb0,50 Zr0,50) (V3Ga) (Nb3Ga) (Nb3Sn)



Bo (T) 1,2 11 50 7 22



Pada Tabel 7.3, superkonduktor jenis-II mempunyai nilai T c dan Bo yang tinggi



sehingga



memberikan



kemudahan



untuk



mengaplikasikannya



pada



peralatan yang memerlukan medan magnet/listrik yang kuat serta kepraktisan lainnya. Karakteristik bahan superkonduktor yang paling penting ditemukan pada tahun 1933 oleh dua ilmuwan jerman, V.Meissner dan R. Ochsenfeld. Mereka menjelaskan bahwa bahan superkonduktor akan kehilangan sifat magnetisnya pada saat didinginkan di bawah temperatur kritisnya dan menjadi bahan diagmagnetik ideal, atau dengan kata lain permeabilitasnya mengecil drastis mendekati nol. Medan magnet terdorong ke luar dan membentuk tirai di permukaan konduktor (seperti efek kulit), dan medan magnet di bagian dalam menjadi kecil sekali seperti yang ditunjukkan dalam persamaan di bawah ini.  



Hx = Ho exp  



X  



(7.3)



159



di mana:



Ho x 



= medan magnet di permukaan = jarak dari permukaan = kedalaman dari penetrasi (10-100 mm)



Kenyataan ini dimanfaatkan oleh Arkadyev (1953) seorang ilmuwan rusia dalam percobaannya suspensi magnetic seperti pada gambar 7.2. Sebuah batang magnet yang diletakkan di atas suatu bahan superkonduktor yang selalu dijaga temperaturnya ternyata terangkat ke atas dan terus mengambang atau melayang dalam keadan seimbang. Fenomena inilah yang kemudian menjadi dasar perancangan kereta api supercepat(Maglev) yang melaju atau melayang di atas bantalan rel magnet tanpa friksi/gesekan.



MAGNET



super konduktor



Gambar 7.2. Percobaan ”suspensi magnetik” dari Arkadyev Bahan superkonduktor selalu dibuat dalam bentuk komposit, baik dalam bentuk pita maupun kawat kumparan; bahan superkonduktor sering dilapisi dengan bahan lain yang mempunyai konduktivitas termal maupun elektris yang baik. Bahan pelapis biasanya dibuat dari tembaga dan disebut metriks, hal ini untuk menambah kekuatan mekanis dan melindungi bahan superkonduktor dari adanya ketidakstabilan temperatur yang biasa terjadi. Pada umumnya jenis bahan superkonduktor di atas memerlukan pendinginan sekitar 4 o K atau memerlukan cairan helium sebagai pendingin. Superkonduktor merupakan teknologi yang



160



sangat mahal, disamping itu untuk mendapatkan helium cair juga tidak mudah dan harganyapun mahal serta untuk mempertahankan kestabilan temperatur yang sangat rendah bukan hal yang mudah. Bahan Superkonduktor yang mempunyai temperatur transisi cukup tinggi dan banyak digunakan adalah niobium-timah (Nb 3Sn) yang ditemukan oleh Berndt T.Matthias (Amerika Serikat) pada tahun 1954 yang juga menemukan campuran bahan Nb0,79 (Ge0,25)0,21 yang mempunyai temperatur transisi kritis mendekati titik cair hidrogen dan rapat fluksi kritis di atas 40 T, kemudian juga niobiumgermanide Nb3Ge dengan Tco sebesar 23,2oK.



7.4. APLIKASI SUPERKONDUKTOR DALAM BIDANG TENAGA LISTRIK Dalam bidang tenaga listrik superkonduktor dapat dimanfaatkan untuk keperluan dalam bidang pembangkitan tenaga listrik dan penghantaran daya listrik yang besar, antara lain: 7.4.1. Generator Superkonduktor Kapasitas daya dari mesin listrik adalah fungsi dari tegangan, arus dan beda fasa antara keduanya. Besar tegangan ditentukan oleh laju pemotongan fluksi terhadap konduktor, sedangkan arus dibatasi oleh disipasi ohmic pada belitanbelitannya (lilitan). Superkonduktor memungkinkan pertambahan nilai bagi keduanya, nilai rapat fluksi maupun kemampuan menghantarkan arus dengan rugi-rugi ohmic yang sangat kecil. Dengan demikian diharapkan generator superkonduktor mempunyai dimensi yang lebih kecil, lebih ringan dan efisien. Pada prinsipnya generator ini bekerja seperti generator sinkron pada umumnya, lilitan medan pada rotor menghasilkan fluksi magnet yang memotong lilitan jangkar pada stator.



161



Perputaran lilitan medan akan menyebabkan perubahan fluksi terhadap waktu pada jangkar yang akan membangkitkan tegangan. Pada generator ini lilitan medan dibuat superkonduktif dengan mengalirkan helium cair untuk menurunkan temperatur bahan superkonduktor pada lilitan tersebut, sedangkan lilitan jangkar tetap dibuat pada temperatur kamar.



Massachustts Institute of technology (MIT), Cambridge, telah membuat prototipe generator superkonduktif pada tahun 1969. General Electric USA, juga telah membuat generator dengan kapasitas 20 MVA, sedangkan Westinghouse, Pittsburg bekerjasama dengan EPRI ( Electric



Power Reseach Institute), California telah membuat sebuah prototipe generator superkonduktif sebesar 300 MVA. Pada



bulan



superkonduktivitas



September di



Paris



1982



dalam



menyatakan



pertemuan bahwa



ahli-ahli



pembuatan



teknologi generator



superkonduktor 1000 MVA akan 30% sampai dengan 50% lebih murah, 40% lebih kecil dan 1% lebih efisien dibandingkan dengan generator konvensional yang setara. 7.4.2. Transformator Superkonduktor Transformator superkonduktor ini lebih kompak dan tidak ada bagian yang bergerak (berputar), sehingga sistem pendinginnya maupun sistem isolasi termalnya menjadi lebih mudah. Akan tetapi mempunyai kekurangan yang justru membuat prospek transformator superkonduktor tidak secerah generatornya. Pada transformator pemindahan daya listrik dari lilitan primer ke lilitan sekunder terjadi secara magnetis sehingga rapat fluksi magnetik yang diperlukan besar sekali, akibatnya;  Tetap diperlukan inti dari bahan magnetik. Pada saat pendinginan, kemampuan rapat fluksi bahan inti malah berkurang (bahan cenderung bersifat diamagnetik), bahan cepat jenuh, rugi-rugi histerisis membesar. 162



Keadaan ini menyebabkan inti besi harus tetap dijaga pada temperatur kamar, sehingga desain pendinginan menjadi sulit.  Penetrasi fluksi kebawah permukaan konduktor mengakibatkan rugi-rugi arus Eddy dan arus yang tidak merata. 7.4.3. Kabel Superkonduktor Salah satu jenis kabel superkonduktor adalah kabel kriogenik. Kabel kriogenik pada dasarnya adalah bentuk pengembangan kabel bawah tanah ( under



ground cable), dengan meningkatkan kapasitas penyaluran daya dengan jalan memberikan pendinginan. Perbedaannya adalah cairan pendinginnya, bukan air atau



minyak,



melainkan



cairan



kriogenik



yang



mempunyai



kemampuan



pendinginan beratus kali lebih baik sehingga kemampuan hantar arusnya jauh meningkat. Cairan kriogenik yang digunakan adalah helium (titik didih 4,2 oK), hidrogen (titik didih 20,4 oK) dan nitrogen(titik didih 77,3 oK) dengan temperatur lingkungan 300 oK membutuhkan isolasi termal yang canggih. Sistem pendinginan dan sistem isolasi termal merupakan bagian kabel kriogenik yang mempunyai porsi biaya terbesar dari biaya keseluruhan. Kabel kriogenik mempunyai volume yang kecil dan dapat menghantarkan arus yang sangat besar serta dengan rugi-rugi hantaran yang sangat kecil, kabel kriogenik dapat dibagi dalam dua jenis yaitu: 1. Jenis superkonduktif dengan resistivitas mendekati nol, serta digunakannya bahan –bahan nonkonvensional seperti niobium dan turunannya sebagai penghantar arus utama. 2. Jenis krio-resistif, kabel yang bersifat resistif walaupun mempunyai nilai sangat kecil (dalam orde 10-9 ohm-meter), menggunakan bahan-bahan konvensional seperti tembaga dan aluminium sebagai konduktornya.



163



Daftar Pustaka [1] Beaty H.W, Electrical Engineering Materials Reference Guide, McGraw-Hill Publishing Company, 1990. [2] Blythe, Electrical Properties of Polymers, Cambridge University Press, 1980. [3] Callister W.D, Material Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc, 1985. [4] Dissado L.A, and J.C. Fotherginll, Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, 1988. [6] Lawrence H. Van Vlack, Elemen of Material Science and Engineering, 5 th Edition, 1985. [7] Nusil Silicone Technology. A Selection Guide for Engineering Materials, Carpinteria, USA, 1999. [8] Pollock, Physical Properties of materials for Engieers, Vol 1,2,3 CRC Press, 1982. [9] Schaffer et al, The Sciense and design of Engineering Materials , Irwin, 1995. [10] Smith, Principles of Materials Sciense and Engineering, 3rd ed., Mc. Graw Hill, 1996. [11] Solymar, Walsch, Electrical Properties of Materials, 6th ed., Oxford Press, 1998. [12] Suwarno, Diktat Kuliah Material Elektroteknik, Jurusan Teknik Elektro ITB, 1999. [13] Sutton A.P, Electronic Struture of Materials, Oxpord Science Publications, 1993.



164