Makalah Superkonduktor Fisdat [PDF]

Citation preview

SUPERKONDUKTOR



Untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Zat Padat Dosen Pengampu : Dr. Budi Astuti, M. Sc.



Disusun Oleh : ELVIRA RIZQI WIDYANTI RIZKA OCTA BOLITA YUNI LESTIYANTI SRI SUHARYANTI



(4211412067) (42114120XX) (4211412071) (42114120XX)



JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2015



KATA PENGANTAR



Segala puji bagi Allah yang telah memberikan berkah dan rahmat, sehingga kami dapat menyelesaikan Makalah Superkonduktor dengan baik. Shalawat dan salam semoga terlimpah kepada baginda tercinta Nabi Muhammad SAW. Makalah mengenai Superkonduktor ini untuk memenuhi salah satu tugas dari mata kuliah Fisika Zat Padat, dan sebagai sarana pengetahuan mengenai materi yang ada pada perkuliahan Fisika Zat Padat Kami juga mengucapkan terimakasih kepada:



1. Dr. Budi Astuti, M.Sc. Dosen Fisika Zat Padat 2. Teman-teman yang telah membantu kami menyadari bahwa dalam makalah ini masih banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat dinantikan oleh kami. Demikian semoga bermanfaat bagi para pembaca.



Semarang, 6 Juni 2015



Penyusun



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



BAB I PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Fisika merupakan cabang ilmu sains yang paling mendasar. Fisika mempelajari perilaku dan stuktur materi ilmu yang berhubungan dengan penciptaan alam semseta serta interaksi yang terjadi di dalamnya. Pada abad ke 19, fisika telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Dampak perkembangan fisika telah dapat kita rasakan yaitu berupa perkembangan teknologi mutakhir, misalnya teknologi laser, semikonduktor, superkonduktor dan nuklir yang telah membuat revolusi besar dalam sejarah kehidupan manusia. Belakangan ini, superkonduktor menjadi topik pembicaraan dan penelitian yang paling populer. Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi manusia, misalnya transmisi listrik yang efisien yang berarti tak ada lagi kehilangan energi atau energy yang terbuang menjadi kalor selama transmisi. Memang saat ini penggunaan superkonduktor belum praktis, dikarenakan masalah perlunya pendinginan atau dalam kata lain suhu kritis yang dimiliki superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar. Namun selama kurun waktu dari pertama kali superkonduktor ini ditemukan hingga sampai saat ini sudah banyak peneliti yang mengembangkan dan meneliti bahan-bahan yang dapat memiliki sifat superkonduktor seperti ditemukannya keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K pada Februari 1987. Selain itu juga ditemukan suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 yang memiliki suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor yaitu 138 K.



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



2. Rumusan Masalah Makalah ini akan membahas mengenai superkonduktor dalam berbagai hal, yaitu: a. Apa yang dimaksud dengan superkonduktor dan bagaimana sejarah superkonduktor? b. Bagaimana sifat superkonduktor? c. Apa saja tipe dan kelompok superkonduktor? d. Bagaimana manfaat dan aplikasi superkonduktor?



3. Tujuan Penulisan makalah ini bertujuan untuk: a. b. c. d.



Menjelaskan pengertian superkonduktor dan sejarah penemuannya Mengetahui sifat-sifat superkonduktor Mengetahui tipe-tipe dan kelompok superkonduktor Mengetahui manfaat dan aplikasi superkonduktor



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



BAB II PEMBAHASAN 1. Pengertian dan Sejarah Superkondukor Ditinjau



dari



superkonduktor



terdiri



segi



bahasa,



dari



kata



”super” yang berarti luar biasa dan ”konduktor” yang berarti suatu bahan yang dapat menghantarkan arus listrik. Sehingga superkonduktor berarti suatu bahan yang dapat mengahantarkan arus listrik dengan sangat hebat atau maksudnya nilai hambatannya sama dengan nol. Pengertian superkonduktor adalah suatu material yang tidak memilki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Superkonduktor dapat berupa suatu konduktor, semikonduktor maupun isolator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc). Jika tahanan listrik ini nol maka arus yang dialirkan tidak akan kehilangan energi, dengan kata lain efisiensi arus menjadi sangat tinggi. Hal tersebut dapat terjadi jika temperatur bahan tersebut berada di bawah temperatur kritis (Tc). Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkannya hingga 4 K atau -269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak.



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



Gb. Heike Kamerlingh Onnes Beberapa



ahli



ilmuwan



pada



waktu



itu



seperti



William



Kelvin



memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4.2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Kurva hasil pengamatan Onnes digambarkan sebagai berikut:



Grafik hubungan temperatur dan hambatan hasil pengamatan pada merkuri Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir.



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Superkonduktivitas adalah sebuah fenomena yang terjadi dalam beberapa material pada suhu rendah, dicirikan dengan ketiadaan hambatan listrik dan “dampin” dari medan magnetik interior (Efek Meissner). Superkonduktivitas merupakan sebuah fenomena mekanika-kuantum yang berbeda dari konduktivtas sempurna. Superkonduktivitas terjadi diberbagai macam material, termasuk unsur sederhana seperti Timah dan Alumunium, beberapa Logam Alloy, beberapa semikonduktor di-dop-berat, dan beberapa “compound” keramik berisi bidang atom Tembaga dan Oksigen. Kelas compound yang terakhir, dikenal sebagai kuprat (superkonduktor suhu-tinggi). Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.



Gb. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor. Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rüschlikon, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Penemuan ini dipublikasikan di Jerman dalam jurnal Zeitschrift for Physik, September 1986. Penemuan demi penemuan dibidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesanya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor oleh Peneliti Danish yaitu Klaus Bechgaard dari Universitas Copenhagen beserta anggota tim Perancis D. Jerome, A. Mazaud, and M. Ribault, yaitu (TMTSF) 2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K. Pada tahun 1987, Paul C. W. Chu dari Universitas Houston berhasil membuat bahan superkonduktor dengan Tc 93K. Bahan tersebut disusun oleh yttrium, barium, tembaga dan oksigen dengan rumus molekul YBa2Cu3O7-x. Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi. Setahun kemudian Paul Chu membuat superkonduktor dengan Tc yang lebih besar, 120K. Tersusun dari unsur bismuth, stronsium, kalsium, tembaga dan oksigen. Para ahli terus berusaha meneliti berbagai material agar diperoleh superkonduktor temperatur kamar. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini



adalah



138



K,



yaitu



untuk



suatu



bahan



yang



memiliki



rumus



Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33. Pada tahun 2003 tiga orang ilmuwan diberi Nobel Fisika yakni Alexei



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



abrikosov, Anthony legget dan Vitally Ginzburg, akibat temuan mereka mengenai perkembangan teori superkonduktor. Mereka menemukan aplikasi superkonduktor, yakni sebuah alat pencitra/pendiagnosa yang disebut Magnetic Resonance Imaging / MRI. Indonesia juga telah bisa membuat superkonduktor, salah satunya di Laboratorium



Fisika



Material,



Superkonduktor



dan



Organik



Terkonjugasi



(FISMOTS) di jurusan fisika ITB. Bahan yang digunakan berbentuk keramik.



2.



Unsur Ti Zn AI TI In Sn Hg Ta V Pb Nb Tc Th U



Tc( K ) 0,49 0,82 1,20 2,38 3,40 3,73 4,16 4,39 5,1 7,22 8,00 11,2 1,3 0,68



senyawa Na Bi Ba Ba3 Nb2 Zn Mo N Mo Re V2,95 Ga Nb N V3 Si Nb3AI Nb3Sn



Tc (K) 2,2 6,0 10,8 12,0 12,6 14,4 15,2 17,1 18,0 18,1



Cu S Pb Sb



1,6 1,5



Tabel Suhu kritis (Tc) beberapa bahan superkonduktor



Sifat-sifat Superkondukor 1. Sifat kelistrikan superkonduktor Sebelum menjelaskan



prinsip



superkonduktor, akan lebih baik jikaterlebih dahulu menjelaskan bagaimana kerja logam konduktor padaumumnya. Bahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta electron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akanmendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron kesegala arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkanadanya hambatan listrik pada logam konduktor.



Gambar 2. Keadaan normal Atom Kisi pada logam



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara electrondengan inti atom. Namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi. Efek ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS. Ketika elektron melewati kisi, inti yang bermuatan positif menarik elektron yang bermuatan negatif dan mengakibatkan elektron bergetar.



Gambar 3. Keadaan Superkonduktor Atom Kisi pada logam



Jika ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan mendekati elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar. Gaya ini melebihi gaya tolak-menolak antar electron sehingga kedua elektron bergerak berpasangan. Pasangan ini disebut Cooper Pairs. Efek ini dapat dijelaskan dengan istilah Phonons. Ketika elektron pertama pada Cooper Pairs melewati inti atom kisi. Elektron yang mendekati inti atom kisi akanbergetar dan memancarkan Phonon. Sedangkan elektron lainnya



menyerap



Phonon.



Pertukaran



Phonon



ini



mengakibatkan gaya tarik menarik antar elektron. Pasangan elektron ini akan melalu kisi tanpa gangguan dengan kata lain tanpa hambatan. 2. Teori BCS Pada tahun 1957, dikembangkan teori yang lebih mendasar untuk menjelaskan superkonduktivitas. Teori ini disebut Teori BCS, dinamakan sesuai nama belakang tiga penciptanya yaitu John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer. Teori BCS dapat menjelaskan fenomena superkonduktivitas secara detail.



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



Gb. Keadaan superkonduktor atom kisi pada logam Penjelasan teori BCS yaitu sebagai berikut: a. Interaksi tarik-menarik antara electron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energy gap. b. Interaksi antar electron-elektron dan kisi menyebabkan adanya energy gap diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung ini terjadi jika satu electron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Electron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua electron ini berorientasi melalui deformasi kisi. 3. Sifat kemagnetan superkonduktor Sifat lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetisme sempurna. Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek yang sama dapat diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis, medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner. 4. Efek Meissner Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol.



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



Peristiwa ini dinamakan Efek Meissner dan merupakan karakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet. Efek Meissner ini sangat kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.



Gb. Efek Meissner



Gb. London Penetration Depth 5. Suhu dan Medan Magnet Kritis Suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran electron akan bertambah sehingga banyak Phonons yang dipancarkan. Ketika mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons akan memecahkan Cooper Pairs dan bahan kembali ke keadaan normal. Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga bahan



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



superkonduktor memiliki medan magnet. Jika medan magnet yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka bahan superkonduktor tak akan mengalami efek meissner lagi. Contoh grafik Hambatan terhadap suhu pada bahan YBa2Cu3O7 sebagai berikut.



Grafik Hambatan terhadap Suhu 3. Tipe-tipe dan Kelompok Superkonduktor a. Tipe Superkondukor Berdasarkan interaksi dengan medan magnetnya, maka superkonduktor dapat dibagi menjadi dua tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II. 1. Superkonduktor Tipe I Superkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer) dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medan melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus-menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



(Kusmahetiningsih, 2011).



Grafik magnetisasi terhadap medan magnet Berikut merupakan nama-nama superkonduktor tipe I: Timbal (Pb) menjadi superkonduktor di suhu 7,196 K Lantanum (La) menjadi superkonduktor di suhu 4,88 K Taltalum (Ta) menjadi superkonduktor di suhu 4,47 K Air raksa (Hg) menjadi superkonduktor di suhu 4,15 K Timah (Sn) menjadi superkonduktor di suhu 3,72 K Indium (In) menjadi superkonduktor di suhu 3,41 K Paladium (Pd) menjadi superkonduktor di suhu 3,3 K Krom (Cr) menjadi superkonduktor di suhu 3 K Aluminium (Al) menjadi superkonduktor di suhu 1,175 K Seng (Zn) menjadi superkonduktor di suhu 0,85 K Platina (Pt) menjadi superkonduktor di suhu 0,0019 K 2. Superkonduktivitas Tipe II Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS karena apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS, efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalamparameter keteraturan



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



fungsi gelombang.Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet. Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I.



Grafik Magnetisasi dalam medan magnet Superkonduktor tipe II mempunyai dua nilai medan magnet kritis, Bc1 (di bawah) dan Bc2 (di atas). Selain itu, superkonduktor tipe II memiliki tiga keadaan seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Meissener State



Mixed State



Normal State



Fisika Zat Padat {Superkonduktor} Fisika-Unnes 2015



B< Bc1



Bc 1< B < Bc2



B >Bc2



Keadaan bahan superkonduktor tipe II berdasarkan Gambar 1, ketika B