Materi Ilmu Bahan Listrik

  • Published on
    13-Jul-2015

  • View
    1.119

  • Download
    4

Embed Size (px)

Transcript

<p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>1</p> <p>PENDAHULUAN 1 UMUM Ilmu bahan listrik adalah merupakan bagian dari ilmu logam (metalurgie), dimana di dalam bahan listrik terutama dibahas mengenai sifat-sifat bahan yang dipergunakan/ berhubungan dengan listrik. Kita semua telah mengetahui bahwa suatu bahan/ zat terdiri dari molekul-molekul, tiap-tiap molekul terdiri dari atom itu sendiri dibangun oleh satu inti atom bermuatan positif yang disebut proton dan dikelilingi oleh satu atau lebih elektron yang bermuatan negatif. Teori kuantum menyatakan bahwa gerakan elektron-elektron dalam mengelilingi intinya mengikuti lintasan yang berbeda-beda akan tetapi tertentu. Dan untuk setiap lintasan elektron yang tertentu ini memiliki energi yang tertentu pula. Adapun besarnya energi ini tergantung pada jarak rata-rata lintasan elektron tersebut terhadap intinya. Adalah mungkin bahwa beberapa elektron walaupun lintasannya berbeda-beda akan memiliki jarak rata-rata lintasan yang sama, sehingga akan memiliki energi yang sama pula. Elektronelektron yang demikian dikatakan berada dalam satu energi level.</p> <p>Lintasan elektron-elektron yang berbeda-beda ini dapat dinyatakan dalam beberapa bilangan kuantum, yakni : 1. Principle Quantum Number, n yang menyatakan adanya beberapa bilangan kuantum elektron terhadap intinya. n memiliki harga 1,2,3, 2. Orbital/Angular Momentum Quantum Number, yang menyatakan bentuk lintasan elektron terhadap intinya. mempunyai harga 0 n - 1 3. Magnetik Quantum Number, m yang menyatakan letak lintasan elektron yang satu terhadap yang lain. m mempunyai harga - m 4. Spin Quantum Number, ms yang menyatakan perputaran elektron terhadap porosnya. ms mempunyai harga - dan . Dari kuantum state yang telah disebut diatas terdapat suatu hubungan : 0 n-1 - m (I.1) ms = dan m = 0, ms = jadi untuk n=1 = 0,1 n=2 = 0 m = 0 dan ms = =1 m = -1,0,1 dan ms = dan seterusnya. Dalam bentuk terminologi spektroskopi dinyatakan dalam huruf, yaitu : = 0 dinyatakan dengan huruf S = 1 dinyatakan dengan huruf p = 2 dinyatakan dengan huruf d = 3 dinyatakan dengan huruf f = 4 dinyatakan dengan huruf g = 5 dinyatakan dengan huruf h = 6 dinyatakan dengan huruf i</p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>2</p> <p>ENERGI ELEKTRON Seperti yang telah diuraikan di atas, bahwa elektron adalah merupakan bagian dari suatu atom. Istilah atom berasal dari kata Atomas (bahasa Yunani kuno) berarti yang pertama, tidak dapat di bagi.: 1. Teori Atom Demokritus Demokritus (460 370 SM) menyatakan bahwa atom merupakan bagian terkecil dari benda. 2. Teori Atom Dalton Dalton (1766 1844) mengemukakan dalam teorinya tentang atom suatu unsur, seperti berikut : Bahwa atom merupakan bagian terkecil suatu unsur yang tidak dapat dipecah/ dibagi lagi. Bahwa atom suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain. Bahwa untuk atom dari unsur yang sama, akan mempunyai berat atom/ nomer massa, ukuran dan massa yang sama. Bahwa pada reaksi kimia, massa atom sebelum dan sesudah reaksi adalah tetap, selain itu penggabungan dari atom-atom ini mengikuti suatu perbandingan yang tetap (tertentu). Bahwa bila suatu 2 macam atom membentuk suatu senyawa atau lebih, maka perbandingan atom-atom yang sama pada senyawa tersebut merupakan bilangan bulat yang sederhana, missal 3:2; 3:4 dll. 3. Model Atom Thomson Setelah penemuan electron yang merupakan bagian dari suatu atom pada tahun 1897, selin itu bahwa suatu atom dalam keadaan normal tidak bermuatan, diguanakan oleh Thomson untuk menyusun teori model atomnya sebagai berikut : bahwa atom terdiri dari muatan positif yang tersebar merata diseluruh isi atom dan electron-elektron juga tersebar didalamnya, dimana muatan positif atom sama dengan muatan negatif dari elaktronya, sehingga atom menjadi netral. 4. Model Atom Rutherford Menurut Rutherford, elektron dalam sebuah atom bergerak mengelilingi intinya berbentuk lingkaran. Atom Hidrogen (H) mempunyai satu electron. Electron ini bergerak mengelilingi intinya (berupa lingkaran) dan dapat digambarkan sebagai berikut : Ek=1/2 (mV2) Ep= -ks2 r2</p> <p>Gambar 1.1 Bagan gaya tarik antara inti dan electron Hidrogen. Energi electron yang ada dalam lintasannya terdiri dari : Energi potensial2 Ep = - k e ..(1-2)</p> <p>r</p> <p> Energi kinetik Ek = mV2 =r mV x 2 r2</p> <p>=</p> <p>r s2 xk 2 2 r</p> <p>=</p> <p>k 2</p> <p>e2 r</p> <p>..</p> <p>(1-3) dimana : e = muatan electron = 1,60 x 10-19 Coulomb r = jari-jari electron terhadap intinya. Newton .m 2 K= konstanta = 9 X 109 = Coulomb 2 ks2 r2</p> <p>= gaya tarik antara inti dan electron</p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>3</p> <p>yang besarnya = gaya</p> <p>sentrypetal</p> <p>mV r</p> <p>2</p> <p>.</p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>4</p> <p>Sehingga energi total electron : E = -</p> <p>k .e 2 k .e 2 + r 2r k .e 2 =.(1-4) r</p> <p>Apabila r besar, maka harga E akan kecil. Oleh karena itu, harga E makin kecil apabila harga r makin besar. Arus listrik diasumsikan sebagai electron yang bergerak, dimana arahnya berlawanan dengan arah gerakan electron tersebut. B A A Adanya arus listrik, maka akan menimbulkan medan magnit yang arahnya berubah-ubah, maksudnya arah medan pada waktu berada pada titik A (tegak lurus pada bidang gambar yang menuju ke kita), berbeda dengan pada waktu dititik B (tegak lurus pada bidang gambar dan meninggalkan kita). Jadi akan terjadi medan magnit yang selalu berubah-ubah secara periodic. Electron yang bergerak mengelilingi intinya ini akan menimbulkan gelombang-gelombang elektromaknetik. Dengan perkataan lain electronelektron ini akan memancarkan energy. Karena memancarkan energi, maka energi electron makin lama makin menyusut, sehingga jari-jari lintasanya akan mengecil. Jadi lintasan electron tidak lagi merupakan lingkaran dengan jari-jari yang sam, melainkan merupakan putaran berpilin yang mendekati intinya, sehingga dikatakan bahwa atom Hidrogen tidak stabil. Hal ini merupakan keberatan yang pertama dari atom model Rutherford. Adapun kedua dapat dijelaskan sebagai berikut : Bila electron mempunyai lintasan yang makin menciut, maka waktu putaranyapun akan semakin bertambah sedikit. Sehingga frekwensi gelombang elektromaknetis yang dipancarkanya menjadi bermacam-macam. Jadi atom Hidrogen bukanya menunjukan suatu spectrum yang kontinu (hal ini bertentangan dengan hasil pengamatan dengan spectrometer yang menunjukan garis-garis khas dari atom Hidrogen). Gambar 1.2 Gerak Elektron dan Arah Gaya Magnit.</p> <p>: 3</p> <p>4</p> <p>5</p> <p>6</p> <p>7</p> <p>8</p> <p>~ Spektru m kuantum</p> <p> =4,86x10-7 m Biru</p> <p> =4,34x10-7 m ungu</p> <p> =3,65x10-7 m</p> <p> =4,10x10-7 m Ultra ungu</p> <p> =6,56x10-7 merah</p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>5</p> <p>5. Model Aton Bohr Hasil spektrometer menunjukkan bahwa spektrum hidrogen terdiri dari deretan garis-garis yang terpisah-pisah menurut aturan tertentu yang dikenal sebagai deret Balmer. Niels Bohr (1885-1962) menyusun model atom hidrogen di dasarkan pada model atom Rutherford dan teori kuantum pada tahun 1913 berdasarkan dua postulat, yaitu : Elektron tidak dapat berputar sekitar inti melalui setiap lintasan, akan tetapi hanya melalui lintasan-lintasan tertentu tanpa membebaskan energi. Dimana dalam lintasan ini elektron mempunyai momentum anguler sebesar : m.V.r = n dimana : n = bilangan kuantum h = konstanta plank Sebuah elektron akan menyerap atau memancarkan energi apabila bergerak dari lintasan yang satu ke lintasan yang lain. energi ini berupa suatu foton cahaya sebesar : h.f (f = frekuensi foton) = (n1 n2) dimana : n1 = bilangan kunatum lintasan elektron awal n2 = bilangan kuantum lintasan elektron setelah perpindahan Jadi bila elktron bergerak dari lintasan yang mempunyai energi tinggi berpindah ke lintasan yang mempunyai rendah foton tersebut dipancarkan, apabila terjadi sebaliknya maka foton tersebut akan diserap. Dari persamaan (1-5) kelihatan bahwa besarnya energi akan berubah pada setiap lintasan denganh 2h .. (1-6) 2</p> <p>1.</p> <p>h 2</p> <p> (1-5)</p> <p>2.</p> <p> , dan kecapatannya adalah :n.h , bila dikwadratkan menjadi : 2.m.r</p> <p>V= V2 =</p> <p>n h2 4 2 m 2 r 2</p> <p>k .e 2 V2 = m.r</p> <p>}</p> <p>n2 r= m.e 2 k</p> <p>( 2h )2</p> <p>Harga konstanta-konstantanya adalah : m = masa elektron 9 x 10-31 Kg e = muatan elektron = 1,60 x 10-19 Coloumb Newton .m 2 k = konstanta yang besarnya = 9 X 109 Coulomb 2 h = konstanta plank = 6,62 x 10-34 Joule detik sehingga untuk harga : n = 1 jari-jari lintasan elektron r = 5,28 x 10-11 m = 0,528 Angstrom n = 2 r = 4 x 0,528 Angstrom = 2,112 Angstrom</p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>6</p> <p>SUSUNAN BERKALA UNSUR-UNSUR Bohr dan Stoner menyusun model-model atom berdasarkan pada pola atom hidrogen. Tiap atom tersusun oleh inti atom yang bermuatan positif dengan satu atau beberapa elektron di sekitarnya yang bermuatan negatif. -e -e N=1 Z=1 HIDROGEN 10+ n=1 z=2 HELIUM -e -e -e -e n =2 z=3 LITHIUM + 12 -e</p> <p>11+ -e</p> <p>-e -e N= 2 n=3 n=3 Z = 10 z = 11 z = 12 NEON NATRIUM MAGNESIUM Gambar 1.4 Skema Bohr dan Stoner untuk beberapa unsure susunan berkala. Hampir seluruh massa atom terdapat pada intinya. Massaq suatu atom sama dengan bobot atom unsure atom tersebut dikalikan satuan massa atom. Nomor atom Z menunjukan muatan positif inti dan jumlah electron yang mengelilinginya. Atom Lithium, dengan Z=3, mempunyai 3 muatan positif pada inti dan 3 elektron pada kedua lintasanya. Atom Kalsium dengan Z=19, mempunyai 19 muatan positif pada inti dan 19 elektron pada lintasan-lintasanya. Electron-elektron bergerak pada lintasannya. Menurut model atom Bohr lintasanlintasan dengan n=1,2,3.dan seterusnya dinamakan kulit-kulit electron. Dimulai dengan Hidrogen, kulit atom unsure-unsur berturut-turuit mempunyai 1 elektron, 2 elektron pada Helium dan seterusnya. Kulit electron yang pertama, n=1, dikatakan telah penuh apabila mengandung 2 elektron. Kulit yang kedua, n=2, telah penuh apabila mengandung 8 elektron, kulit yang ketiga, n=, penuh apabila terisi 18 elektron dan seterusnya, bila kulit ke n telah terisi 2 n2 elektro, m,aka kulit tersebut telah penuh dan merupakan kulit yang tertutup. Jadi untuk kulit-kulit tertutup berl;aku ketentuan : (table 1.1) Table 1.1. jumlah electron tertutup dalam tiap kulit. Bilangan kuantum (n) 1 2 3 4 ..dst Jumlah electron (2n2) 2 8 18 32 Yang dimaksud dengan jumlah electron pada table 1.1 diatas adalah untuk jumlah electron pada kulit terluar bila dalam keadaan penuh/tetutup. Sedangkan bila setelah dijumlahkan electron-elektronnya, maka sisa elejktron tersebut terletak pada kulit terluar (terbuka) dan electron-elektron sisa inilah mudah keluar dari ikatan intinya bila mendapat pengaruh dari luar. Hal ini dapat dilihat pada gambar 1.4. untuk atom unsure magnesium yang mempunyai 12 elektron, dariu table 1.1 dapat dilihat : - Pada kulit 1 (n=1) ada 2 elektron. - Pada kulit 2 (n=2) ada 8 elektron. Total electron pada kulit 1 dan 2 adalah 10 elektron, ini berarti 2 elektron sisanya berada pada kulit ke 3. perincian jumlah electron pada kulit-kulitnya tersebut diatas juga dapat dihitung dari terminology . Berikut (table 1.2) diberikan jumlah electron atau nomor atom dari unsure-unsur atom :</p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>7</p> <p>Nomo r atom 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 55 56 57 58 59</p> <p>Unsur Hidrogen Selium Lithium Berallium Baron Karbon Nitrogen Oksigen Flour Neon Natrium Magnesium Aluminium Silicon Pospor Belerang Khlor Argen Kalium Kalsium Seanidium Titanium Vanadium Chromium Nangan Besi Cobalt Casium Barium Cerium</p> <p>Tabel 1.2 Tabel Unsur-unsur Atom Deret Nomo Simbol Unsur atom r atom 1,00 H 28 Nikel 8 4,00 Ne 29 Tembaga 3 Li 6,94 30 Seng 9,01 Be 31 Gallium 3 10,0 B 32 Germanium 2 12,0 C 33 Arsenio 1 14,0 N 34 Selenium 1 O 16 35 Bromine F 19 36 Krypton Ne 20,1 37 Rubidium 22,1 Na 38 Stroatium 9 24,5 Mg 39 Xitrium 8 16,9 Ai 40 8 28,0 Si 41 Hiobium 9 30,9 P 42 8 32,0 S 43 Technetium 7 33,4 Cl 44 6 39,4 A 45 4 K 39,1 46 40,0 Ca 47 Perak 6 44,9 Se 48 Cadmium 6 Ti 47,9 49 Indium 50,9 V 50 Timah 5 52,0 Cr 51 1 54,9 Nn 52 Tellurium 4 55,8 Fe 53 Iodiae 5 58,9 Co 54 Xenen 4 79 Air raksa 80 Thallium 81 Timah hitam Ce 82 Eismeth 83 Polonium</p> <p>Simbol Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr X</p> <p>Deret atom 58,71 63,54 65,38 69,78 72,59 74,92 78,96 79,91 83,8 85,47 87, 63 .. . . .. . 101,1 102,9 108,4 </p> <p>Mg Tl</p> <p>200,6 204,4 </p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>8</p> <p>60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 Yeterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platina Emas Re Os Ir Pt Au Promethium Europium Terbium Dyaprosium Holmium Erbium Eu Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta</p> <p>144, 3 -147 152 158, 9 162, 5 164, 9 167, 3 168, 9 173 175 178, 5 181 183, 9 186, 2 190, 2 192, 2 195, 1 197</p> <p>84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101</p> <p>Astatine Francium Nadium Actinium Thorium Protectinum Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Hendelevium Hebelium U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Fr Ac Th</p> <p> -237 -242 -243 -245 -249 -249 -253 </p> <p>HAND OUT Ilmu Bahan Listrik Oleh Ir.Fachrudin, MT</p> <p>9</p> <p>IKATAN ANTAR ATOM DAN ANTAR MOLEKUL Sebagaimana telah diuraikan didepan bahwa suatu benda terdiri dari molkul-molekul (ikatan atom). Ayom itu sendiri terdiri dari inti (proton) dan electron yang mengelilingi intinya. Macam-macam ikatan : 1. Ikatan Ionik. 2. Ikatan Kovalen. 3. Ikatan logam. 4. Ikatan-ikatan kombinasi. 5. Ikatan van der Haole. 6. Ikatan Hidrogen. 1. Ikatan Ionik. Pada atom-atom yang mempunyai kuilit electron tertutup, misalnya atom He dan Be sukar bereaksi, sehingga dikatakan atom dalam dalam keadaan stabil. Sebuah atom cendarung untuk memperoleh atau memberikan elektronya sehingga akan mempunyai kul;it yang tertutup dengan bekerjasama dengan atom lain. Atom Li yang mempunyai 3 elektron, 2 pada kulit yang pertama dan 2 pada kulit terluar, lebih senang untuk melepaskan 1 elektron yang terluar tersebut. Atom F dengan 9 elektron lebih senang untuk menangkap 1 elektron lagi. Dengan demikian kedua atom ini dapat bekerjasama membentuk molekul LiF dengan memindahkan 1 elektron Li ke F. Ayom Li1+ dan atom F menjadi ion F1-. Ikatan yang timbul ini adalah ikatan elektrostatik atau disebut juga ikatan ion, yang dapat digambarkan sebagai berikut : +</p> <p>+</p> <p>+ (F) + .ev ( Li + ) + (y - ) Gambar 1.5 Perpindahan electron pada LiF. Ion-ion yang terbentuk tarik-menarik secara elektrostatik. 2. Ikatan kovalen. Atom-atom yang tidak mungkin mengadakan perpindahan electron masih dapat mengadakan ikatan-ikatan dengan cara pemakaian bersama sepasang electron atau lebih, hal ini biasanya dinamakan pasangan electron sekutu. Dan ikatannya dinamakan ikatan kovalen. Atom Hidrogen hanya mempunyai 1 elektron, sedangkan menurut aturan yang ada, agar atom menjadi stabil memerlukan dua electron pada kulit pertama. Oleh karena itu 2 atom Hidrogen dapat memanfaatkan secara bersama kedua electron yang dimilikinya dan terbentuklah molkul H2, yang dapat digambarkan sebagai berikut : -e -e -e + ( Li )...</p>