super konduktor

BAHAN LISTRIKBAHAN SUPERKONDUKTOR

Oleh:

dego

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS UDAYANA

2014

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Superkonduktor masih menjadi topik yang hangat dikaji,

mengingat besarnya sumbangan yang akan diberikan apabila suhu kritis

yang akan dicapai sudah mendekati suhu ruang. Namun dewasa ini para

peneliti masih dipermasalahkan dengan beberapa macam tantangan. Khusus

superkonduktor sistem Bismuth yang terdiri atas tiga fase Tc-rendah 2201

(30K), fase Tc-rendah 2212 (80K), dan fase Tc-tinggi 2223 (110K) dalam

menghasilkan sampel dengan kualitas semurni mungkin. Sintesis fase

tunggal atau kristal tunggal superkonduktor sistem bismuth, khususnya fase

suhu tinggi (fase 2223) yang mempunyai suhu kritis sekitar 110K, masih

sangat susah. Hal ini disebabkan jangkauan suhu pembentukan

superkonduktor fase 2223 sangat pendek, yaitu berkisar antara 8350 C

sampai 8570 C seperti yang telah dilaporkan oleh Strobel dan kawan-kawan.

Beberapa upaya yang telah dilakukan untuk memperoleh fase

tunggal atau kristal tunggal superkonduktor fase 2223, seperti penggunaan

doping Pb dan doping Sb, penggunaan fluks (Bi2O3, KCl, dan NaCl).

Disamping itu juga dilakukan dengan mengubah beberapa parameter

pemrosesan seperti variasi komposisi awal seperti yang dilaporkan oleh

Satoshi dan kawan-kawan dan variasi suhu sintering. Namun semua

penelitian tersebut belum mampu menghasilkan sampel sesuai dengan yang

diharapkan.

1.2. Rumusan Masalah

Permasalahan dalam makalah ini dititikberatkan pada masalah

mengenai bahan-bahan superkonduktor dan aplikasi bahan-bahan

superkonduktor dalam berbagai bidang.

Berdasarkan latar belakang makalah ini, maka penyusun membuat

suatu rumusan masalah, yaitu :

1. Prinsip Superkonduksi.

2. Bahan Superkonduktor

3. Tipe-tipe Superkonduktor

4. Contoh Superkonduktor.

5. Penggunaan Bahan Superkonduktor.

1.3. Tujuan

Adapun tujuan dari penyusunan paper ini dapat saya bagi menjadi dua:

1.3.1 Tujuan Umum

1. Memberikan penjelasan mengenai bahan-bahan superkonduktor

2. Penerapan bahan superkonduktor dalam berbagai bidang

1.3.2 Tujuan Khusus

1. Untuk memenuhi tugas mata kuliah Bahan Listrik yang sedang saya

Jalani

1.4. Manfaat

Makalah ini kami susun dengan maksud agar kita semua dapat

mendalami tentang bagaimana prinsip kerja superkonduktor, mengetahui

apa-apa saja contoh dari superkonduktor tersebut, serta memahami

penggunaan superkonduktor tersebut.

BAB II

TINJAUAN

2.1. Sejarah Perkembangan Superkonduktor

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/onnes.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/onnes.jpg" \* MERGEFORMATINET

Gambar 2.1. Heike Kamerlingh Onnes

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 mendinginkan hingga 4 K atau -2690C. 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 di bawah suhu ruang, tetapi belum ada yang

dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika

temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak

Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin

memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan

berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Di lain 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 (Gambar 2). Arus mengalir melalui kawat merkuri terus-

menerus.

Gambar 2.2. Hasil Pengukuran terhadap superkonduktivitas 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 dan setelah satu tahun

kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh

Onnes diberi nama superkonduktivitas. Atas penemuannya itu, Onnes

dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/meissner.jpg" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/meissner.jpg" \* MERGEFORMATINET

Gambar 2.3. Walter Meissner

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.

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/meisfold.gif" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/meisfold.gif" \* MERGEFORMATINET

Gambar 2.4. Efek Meissner

Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-

superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur

lainnya juga menunjukkan 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.

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/bcs_pics.jpg" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/bcs_pics.jpg" \* MERGEFORMATINET

Gambar 2.5. Bardeen, Cooper, dan Schrieffer

Fenomena superkonduktor ini tidak bisa dijelaskan oleh teori pita

keadaan (teori ini bisa menjelaskan fenomena konduktor, isolator dan

semikonduktor), akan tetapi dapat dijelaskan oleh teori BCS. BCS singkatan

dari Bardeen, Cooper, dan Schrieffer tiga orang pencetus teori tersebut pada

tahun 1957 dan mendapat hadiah Nobel bidang fisika pada tahun 1972.

Teori BCS menjelaskan bahwa elektron tunggal pada bahan

superkoduktor (T<Tc) tidak dapat menghantarkan listrik melainkan harus

berpasangan, yang dikenal dengan pasangan Cooper (Cooper pairs). Padahal

dua elektron tersebut memiliki muatan yang sama maka hal ini bertentangan

dengan hukum Coulomb yang mengatakan bahwa dua buah partikel dengan

muatan yang sama akan saling tolak-menolak.

Alasannya, karena pada saat sebuah elektron bertumbukan dengan

sebuah atom positif, hal itu menghasilkan muatan positif dengan konsentrasi

kecil pada elektron. Akhirnya elektron tersebut tertarik oleh elektron lain

yang bermuatan negatif sehingga membentuk pasangan Cooper.

Ketidakmurnian dan kecacatan kristal membantu aliran elektron pasangan

Cooper sehingga tidak memiliki hambatan (tahanan listrik = nol).

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/bd_josep.jpg" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/bd_josep.jpg" \* MERGEFORMATINET

Gambar 2.6. Brian Josephson

Teori signifikan lainnya adalah ketika Brian D Josephson pada tahun

1962 memprediksi bahwa arus listrik akan mengalir di antara dua bahan

superkonduktor walau keduanya dipisahkan oleh bahan non superkonduktor

atau isolator. Prediksinya kemudian terbukti dan Ia memenangkan

penghargaan Nobel pada bidang Fisika tahun 1973. Fenomena pengkabelan

ini kemudian dikenal sebagai effect Josephson dan telah diaplikasikan pada

devices elektronik seperti SQUID sebagai alat yang dapat mendeteksi

medan magnet lemah.

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/QD_squid.jpg" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/QD_squid.jpg" \* MERGEFORMATINET

80’an merupakan dekade penemuan dalam medan superkonduktor

Pada tahun 1964 Bill Little dari Universitas Stanford memberikan pendapat

tentang kemungkinan adanya superkonduktor organic. Orang pertama yang

berhasil mensintesa adalah Klaus Bechgaard dari Univeristas Copenhagen

pada tahun 1980 dan tiga anggota tim Lembaga Penelitian Danish yang

berasal dari Perancis.

Gambar 2.7. SQUID

INCLUDEPICTURE "http://superconductors.org/mullbedn.jpg" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/mullbedn.jpg" \* MERGEFORMATINET

Gambar 2.8. Alex Müller and Georg Bednorz

Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang

superkonduktivitas. Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di

Laboratorium Riset IBM di R|schlikon, 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 mengantarkan listrik sama sekali pada suhu

ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak

memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor.

Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun

kemudian

Temuan tersebut memicu semangat para ilmuwan untuk menemukan

bahan yang mampu memiliki sifat superkonduktor pada suhu yang lebih

tinggi. Penemuan demi penemuan di bidang superkonduktor kini masih saja

dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga

fenomenal adalah berhasil disintesisnya suatu bahan organik yang bersifat

superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini

masih sangat rendah yaitu 1,2 K.

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. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi

superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang

memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.

Kelompok peneliti dari Universitas Alabama dan Universitas Houston,

Texas, Amerika Serikat di bawah pimpinan Prof. Wu kemudian menemukan

superkonduktor baru yang memiliki temperatur kritis di atas titik didih

nitrogen cair yakni 77 derajat Kelvin. Ini merupakan kemajuan besar karena

harga nitrogen cair relatif lebih murah. Bahan superkonduktor tersebut

merupakan campuran yitrium, barium, tembaga dan oksigen (Y-Ba-Cu-O)

dan disingkat menjadi YBCO dengan temperatur kritis 92 derajat Kelvin

Meski begitu, boom aplikasi penggunaannya dalam kehidupan sehari-

hari belum kunjung tiba. Padahal, penerapannya sudah ditunggu tiga bidang

industri yakni industri tenaga listrik, industri medan magnet tinggi,

superkonduktor dan industri superconducting electronics.   

2.2. Perkembangan Penemuan bahan Semikonduktor

Dalam beberapa tahun terakhir para ilmuwan telah menemukan berbagai macam bahan yang dapat menjadi superkonduktor. Bahan-bahan tersebut antara lain:

a) Mercury (1911): Superkonduktor pertama ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi superkonduktor yaitu 4,2 Kelvin.

b) Niobium Alloy (1941): Penggunaan superkonduktor dalam industri terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb3Sn), yang menjadi superkonduktor pada suhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan magnet besar.

c) Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.

d) Heavy Fermion (1979): Superkonduktor Heavy Fermion seperti uranium platina (UPt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.

e) Cuprates (1986): Cuprates merupakan superkonduktor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.

f) 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. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.

g) Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang menjadi superkonduktor ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.

h) HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi superkonduktor pada suhu 164 Kelvin.

i) Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari superkonduktor konvensional.

j) Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.

BAB III

PEMBAHASAN

Suatu bahan dapat dibedakan berdasarkan sifat konduktivitas elektrik atau

resistivitasnya. Ada 4 kelompok bahan berdasarkan sifat tersebut, yaitu; Isolator

(bahan yang nilai resistivitasnya besar), konduktor (bahan yang nilai

resistivitasnya kecil), semikonduktor (bahan yang nilai resistivitasnya ada diantara

sifat 2 bahan tersebut), dan superkonduktor (bahan yang nilai resistivitasnya nol).

3.1. Pengertian Bahan Superkonduktor

Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik

bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Superkonduktor dapat

menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik

dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor

bernilai nol dan mengalami efek meissner.Resistivitas suatu bahan bernilai nol

jika dibawah suhu kritisnya.

3.2. Prinsip Superkonduktor

Superkonduktivias 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

adalah sebuah fenomena mekanika-kuantum yang berbeda dari konduktivitas

sempurna.

Dalam superkonduktor konvensional, superkonduktivitas disebabkan oleh

sebuah gaya tarik antara elektron konduksi tertentu yang meningkat dari

pertukaran phonon, yang menyebabkan elektron konduksi memperlihatkan fase

superfluid terdiri dari pasangan elektron yang berhubungan. Ada juga sebuah

kelas material, dikenal sebagai superkonduktor tidak konvensional, yang

memperlihatkan superkonduktivitas tetapi yang ciri fisiknya berlawanan

dengan teori superkonduktor konvensional. Apa yang disebut superkonduktor

suhu-tinggi superkonduk pada suhu yang jauh lebih tinggi dari yang

dimungkinkan menurut teori konvensional (meskipun masih jauh di bawah

suhu ruangan.) Sekarang ini tidak ada teori lengkap tentang superkonduktivitas

suhu-tinggi.

Superkonduktivitas terjadi di berbagai macam material, termasuk unsur

sederhana seperti timah dan aluminum, beberapa logam alloy, beberapa

semikonduktor di-dop-berat, dan beberapa "compound" keramik berisi bidang

atom tembaga dan oksigen. Kelas compound yang terkahir, dikenal sebagai

kuprat, adalah superkonduktor suhu-tinggi.

Superkonduktivitas tidak terjadi dalam logam mulia seperti emas dan

perak, atau di banyak logam ferromagnetik, meskipun ada beberapa material

menampilkan baik superkonduktivitas dan ferromagnetisme telah ditemukan

tahun-tahun belakangan ini.

3.3. Metode Sintesis Superkonduktor

Superkonduktor sistem Bismuth terdiri atas tiga fase Tc-rendah 2201

(30K), fase Tc-rendah 2212 (80K), dan fase Tc-tinggi 2223 (110K). Sintesis

fase tunggal atau kristal tunggal superkonduktor sistem bismuth, khususnya

fase suhu tinggi (fase 2223) yang mempunyai suhu kritis sekitar 110K dalam

mendapatkan kualitas semurni mungkin masih sangat susah. Hal ini disebabkan

jangkauan suhu pembentukan superkonduktor fase 2223 sangat pendek, yaitu

berkisar antara 8350 C sampai 8570 C.

Beberapa upaya yang telah dilakukan untuk memperoleh fase tunggal atau

kristal tunggal superkonduktor fase 2223, seperti penggunaan doping Pb dan

doping Sb, penggunaan fluks (Bi2O3, KCl, dan NaCl). Disamping itu juga

dilakukan dengan mengubah beberapa parameter pemrosesan seperti variasi

komposisi awal. Namun semua penelitian tersebut belum mampu

menghasilkan sampel sesuai dengan yang diharapkan.

3.4. 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 superkonduktor memiliki medan magnet.

3.5. Sifat dan Karakteristik Bahan Superkonduktor

3.5.1 Sifat Kelistrikan

Pada superkonduktor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper

pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses

ini dikenal sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini

bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari

aliran ini, electron harus didorong ke energy quantum state yang lebih

tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup

energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir

tanpa kehilangan energi.

3.5.2.      Sifat Kemagnetan

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor

juga tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut

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.

3.5.3.    Sifat Kuantum Superkonduktor

Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui

tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori

dinamakan teori BCS.

Teori BCS menjelaskan bahwa :

Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan

dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.

Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya

energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung

ini terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan

merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari

deformasi kisi. Kedua elektron ini beronteraksi melalui deformasi

kisi.

Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang

lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak

yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth, yang

merupakan konsekuensi dari Teori BCS.

3.6.  Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor

3.6.1.   Bahan Superkonduktor

Bahan semikonduktor yang pertama ditemukan adalah raksa oleh

Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Selain merkuri, ternyata

beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor

dengan harga Tc (Suhu ketika suatu bahan superkonduktor mulai

mempunyai sifat superkonduktif disebut suhu kritis (Tc)) yang berbeda.

Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan

suhu kritisnya dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Tabel 3.1. superkonduktor suhu tinggi (Tc > 77K)

No Bahan Suhu Kritis

(Tc)K

Tahun

Ditemukan

1 Raksa Hg 4,2 1911

2 Timbal Pb                      7,2 1913

3 Niobium nitrida          16,0 1960-an

4 Niobium-3-timah          8,1 1960-an

5 Al0,8Ge0,2Nb3            20,7 1960-an

6 Niobium germanium  23,2 1973

7 Lanthanum barium Tembaga oksida            28 1985

8 Yttrium barium tembaga oksida (1-2-3 atau

YBCO)

93 1987

9 Thalium barium kalsium Tembaga oksida 125 -

10 Karbon ( C ) 15 -

11 HgBa2Ca2Cu3O8 164 1995

Gambar 3.1.KedudukanSuperkonduktor pada Tabel Periodik

3.6.2.   Tipe-tipe Superkonduktor

Berdasarkan interaksi dengan medan magnetnya, maka

superkonduktor dapat dibagi menjadi dua tipe yaitu Superkonduktor Tipe

I dan Superkonduktor Tipe II.

3.6.2.1. 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 medannya 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.

Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan

normal.

Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur

tunggal.

Gambar 3.2. Karakteristik Hambatan Superkonduktor Tipe 1 Terhadap Temperatur

Superkonduktor tipe I memiliki kekhasan dimana tahanan yang

diamati adalah nol. Ketika dinaikkan temperaturnya melebihi 4,153 K

ternyata, tahanannya mendadak naik. temperatur dimana suatu bahan

memiliki sifat superkonduktif maka disebut temperatur kritik (Tc).

Superkonduktor tipe I memiliki kekhasan dimana tahanan yang

diamati adalah nol. Ketika dinaikkan temperaturnya melebihi 4,153 K

ternyata, tahanannya mendadak naik. temperatur dimana suatu bahan

memiliki sifat superkonduktif maka disebut temperatur kritik (Tc).

Pada tipe ini, terjadi peristiwa unik dimana medan magnet luar

yang cukup kecil pada bahan superkonduktor akan menginduksikan

arus super. Arus ini akan menimbulkan medan magnet induksi dalam

bahan itu sendiri sehingga induksi magnetik total dalam bahan bernilai

nol (diamagnet sempurna). Gejala ini dikenal dengan efek Meissner dan

terjadi di bawah temperatur kritik.

Gejala inilah yang membuat bahan superkonduktor dapat melayang

di udara (gambar 2.4) atau yang membuat kereta api maglev melayang

di atas rel. Namun, jika medan magnet luar terlalu besar (melebihi

medan magnet kritik, Hc) maka bahan tersebut kehilangan sifat

superkonduktivitas. Berikut diberikan unsur-unsur superkonduktor (tipe

1 unsur yang berwarna biru).

Gambar 3.3. Unsur-Unsur Superkonduktor

3.6.2.2      Superkonduktor Tipe II

Gambar 3.4. Bentuk Kristal Tipe 2 Cuprate

Berbeda dengan superkonduktor I, superkonduktor tipe II memiliki

dua buah nilai medan kritik, yaitu medan kritik bawah, Hc1 dan medan

kritik atas, Hc2. Jika medan luar (H) yang diberikan lebih kecil dari

Hc1 (H<Hc1) maka bahan tersebut akan bersifat seperti superkonduktor

tipe 1, tapi jika diantara Hc1 dan Hc2 (Hc1 < H < Hc2) maka fluksi

magnet akan menembus bahan dan berada pada keadaan campuran

dimana efek Meissner terjadi secara parsial.

Sedangkan, jika medan luar lebih besar dari Hc2 maka sifat

superkonduktor akan hilang. Superkonduktor tipe II biasanya disusun

oleh beberapa logam sehingga dikenal sebagai intermetallic

superconductor.

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 dalam parameter keteraturan 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.

Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi

unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V),

germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan

senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

Tabel 3.2. Contoh Tipe II Superkonduktor

Nama Superkonduktor Suhu (K) Keterangan

(Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33

HgBa2Ca2Cu3O8

HgBa2Ca3Cu4O10+ 

HgBa2(Ca1-xSrx)Cu2O6+

HgBa2CuO4+ 

   138 K*  (record-holder)

 133-135 K

 125-126 K

 123-125 K

   94-98 K

INCLUDEPICTURE

"http://superconducto

rs.org/thermomt.gif" \

*

MERGEFORMATIN

ET

INCLUDEPICTURE

"http://superconducto

rs.org/thermomt.gif" \

*

MERGEFORMATIN

ET

INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/ybcodrop.gif" \*

MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE

"http://superconductors.org/ybcodrop.gif" \*

MERGEFORMATINET

Gambar 3.5. Grafik YBa2Cu3O7

3.7. Kelompok Superkonduktor

Berdasarkan nilai suhu kritisnya, superkonduktor dibagi menjadi dua

kelompok yaitu :

3.7.1. Superkonduktor bersuhu kritis rendah

Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih kecil dari23 K.

Superkonduktor jenis ini sudah ditinggalkan karena biaya yang mahal

untuk mendinginkan bahan.

3.7.2. Superkonduktor bersuhu kritis tinggi

Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih besar dari78 K.

Superkonduktor jenis ini merupakan bahan yang sedang dikembangkan

sehingga diharapkan memperoleh superkonduktor pada suhu kamar

sehingga lebih ekonomis.

Contoh Superkonduktor bersuhu kritis tinggi adalah sampel bahan

YBa2Cu3O7-x. Bahan ini memiliki struktur kristal orthorombic.

3.8. Contoh Material Superkonduktor

3.8.1. Merkuri

Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin

memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan

berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Di lain 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.

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. Fenomena ini kemudian oleh Onnes

diberi nama superkonduktivitas. Atas penemuannya itu, Onnes

dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.

3.8.2. Karbon

Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-

superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur

lainnya juga menunjukkan 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.

3.8.3. Keramik

Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang

superkonduktivitas. Alex Miller and Georg Bednorz, peneliti di

Laboratorium Riset IBM di Rischlikon, 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 mengantarkan listrik sama sekali

pada suhu ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak

memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor.

Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel

setahun kemudian.

3.8.4. (TMTSF)2PF6

Penemuan demi penemuan di bidang superkonduktor kini masih saja

dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga

fenomenal adalah berhasil disintesisnya suatu bahan organik yang

bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa

organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K.

3.8.5. Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.

Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini

adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus

Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.

3.9. Keuntungan dari menggunakan superkonduktor

1) Tidak ada energi yang terbuang ketika superkonduktor ini menghantar

arus listrik. Milyaran rupiah bisa kita selamatkan dengan menggunakan

superkonduktor daripada konduktor biasa.

2) Karena tidak ada resistansi dalam superkonduktor, sirkuit yang

menggunakan superkonduktor tidak akan menjadi panas dan jadi,

semakin banyak sirkuit yang bisa kita kompres per centimeter

kubiknya. Kalau kita menggunakan konduktor biasa, sirkuit itu bisa

terbakar jika kita mau mengkompres semakin banyak material karena

panas yang terakumulasi dari resistansi material tersebut.

3) superkonduktor ini bisa berfungsi sebagai transistor (sejenis komponen

sirkuit yang bisa mengamplifikasi signal listrik dan digunakan di semua

peralatan modern yang menggunakan listrik) tetapi bisa berfungsi 100

kali lebih cepat. Ini juga dikenal sebagai Josephson Junctions dan kalau

dua Josephson Junctions ini kita gabung dengan tepat, mereka bisa

mendeteksi medan magnet yang sangat kecil.

4) Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya, transmisi

listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi).

Memang saat ini penggunaan superkonduktor belum praktis,

dikarenakan masalah perlunya pendinginan. Suhu kritis superkonduktor

masih jauh di bawah suhu kamar.

3.10. Pemanfaatan Superkonduktor

a) Kereta MagLev (Magnetic Levitation Train)

Superkonduktor dapat digunakan dalam pembuatan teknologi

transportasi, seperti kereta supercepat. Di Jepang, kereta api supercepat

ini diberi nama “The Yamanashi MLX01 MagLev Train”, dimana

kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan

melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan

akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, sampai 343 mph

(550 km/jam).

Gambar 3.6. Sumber: http://achtungpanzer.blogspot.com/2009/05/kereta-maglev.html

b) Generator listrik super-efisien

Suatu perusahaan amerika, American Superkonduktor Corp,

diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama

Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-

SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3

MegaWatt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila

terjadi gangguan listrik. Bayangkan pembangkit-pembangkit listrik bisa

berefisiensi tinggi. Berapa milyar uang negara yang bisa di hemat?

Sebagai perbandingan, untuk transmisi listrik, pemerintah AS dan

Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan

pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut

perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, 250

pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel

tembaga.

c) Kabel Listrik Super efisien

Untuk transmisi listrik dapat digunakan kabel dari bahan

superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel

tembaga. Menurut perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan

jauh meningkat, karena 250 pon kabel superkonduktor dapat

menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.

d) Supercomputer

Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat

suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis.

Jangankan Pentium Core 2 Duo, ratusan kali lebih cepat dari processor

PC tercepat saat ini pun bisa dibuat dengan superkonduktor. Bahkan di

bidang militer, HTS-SQUID (Superconducting Quantum Interference

Devices) telah digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut.

e) Magnetic resonance imaging (MRI).

Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik pencitraan

medis untuk memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh.

Bentuk dari devais Magnetic Resonance Imaging ditunjukkan pada

gambar berikut.

BAB IV

PENUTUP

Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan

listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Superkonduktor dapat

menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik dari

bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol

dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah

suhu kritisnya, yaitu suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan

superkonduktor.

Contoh bahan yang termasuk superkonduktor diantaranya, Raksa Hg,

Timbal Pb, Niobium-3-timah,Niobium germanium , Lanthanum barium Tembaga

oksida Yttrium barium tembagaoksida (1-2-3 atau YBCO), Thalium barium

kalsium Tembaga oksida, dan lain-lain.

Bahan semikonduktor banyak dimanfaatkan dalam teknologi era modern.

Sifat superkonduktivitasnya dapat membuat transmisi elektronik menjadi lebih

efisien dan lebih cepat. Teknologi yang memanfaatkan superkonduktor

diantaranya, kereta supercepat MAGLEV, generator dan kabel superefisien,

computer super cepat, dan Magnetic Resonance Imaging (MRI) yang merupakan

suatu teknik pencitraan medis.

Namun saat ini penggunaam superkonduktor belum praktis, dikarenakan

untuk mendapatkan bahan superkonduktor diperlukan proses pendinginan yang

perlu biaya cukup besar, sebab suhu kritis bahan superkonduktor yang ada

sekarang masih jauh di bawah suhu kamar.

REFERENSI

o    http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1100396563 diakses pada tanggal 8 maret 2011

o    http://mikococoa007.blogspot.com/2009/06/material-superkonduktor-sejarah.html diakses pada tanggal 8 maret 2011

o    http://www.scribd.com/doc/14246679/SUPERKONDUKTOR-AD33 diakses pada tanggal 8 maret 2011

o    http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:yD4uyNWJlMYJ:tan.awardspace.com/pubi/Konduktor.PDF+superkonduktor&hl=id&gl=id&pid=bl&srcid=ADGEESigzSIYt0LtbGdIJjinHSWO-FYwB--yoPmW6b_GI-C2KQnpqC0rBmMQV5uFGFRVh8dHwHobD2lW7CQKUZCVt_fmvnP_bxwtO-

m0Bp0muII8t965YAY1EByZGqDfVy63Te2swXJ9&sig=AHIEtbRME72PoftFQTQaRAvipq7_CPxqaA diakses pada tanggal 8 maret 2011

http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:JPyMu42ZOQQJ:file.upi.edu/ ai.php%3Fdir%3DDirektori/D%2520-%2520FPMIPA/JUR.%2520PEND.%2520FISIKA/195708071982112%2520-%2520WIENDARTUN/%26file%3D9.Superkonduktor%2520%28Kuliah%29.pdf+superkonduktor&hl=id&gl=id&pid=bl&srcid=ADGEESiOPtziY-YRGlYP7-JAPRqa-1iPXkyOwbm74B4CKM0SPW-ne_Qn0Y5AWV0oEFWav36G71cVbBINdoA1HTguXak2vAFN0zupP_uuH4N9uYExVukNv5I-yR65M7MJlctpNMQwC_9n&sig=AHIEtbRHH34BecNhoCohmzYBaOXY5y4sng diakses pada tanggal 8 maret 2011

. 2010. Sejarah Dan Pengertian Superkonduktor [Online]. Tersedia: http://fanwar.staff.uns.ac.id/2010/04/23/sejarah-dan-pengertian-superkonduktor/ [14 Mei 2012].

.2012. Kehebatan Bahan Superkonduktor [Online]. Tersedia: http://andavenger.blogspot.com/2012/01/kehebatan-bahan-superkonduktor.html [14 Mei 2012].

Aya. 2010. Superkonduktor 1 (pengertian) [Online]. Tersedia: http://material-sciences.blogspot.com/2010/02/superkonduktor.html [14 Mei 2012].

Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat (Terjemehan The Houw Liong). Jakarta:Erlangga.Ismunandar dan Cun Sen. 2011. Mengenal Superkonduktor [Online]. Tersedia: http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1100396563 . [14 Mei 2012].

Sinaga, Parlindungan. 2011. Diktat Perkuliahan Fisika Modern. Bandung: FPMIPA UPI.

Wiendartun. 2011. Diktat Perkuliahan Fisika Zat Padat. Bandung: FPMIPA UPI