Koleksi Tugas Bahan Listrik Sarjana Saya

0 32

Written by

Interested in Freedom of Everything and Censorship Resistance.

3 years ago

Topics: Bahan listrik, Termoelektrik, Isolasi listrik, Pengantar listrik, Tugas kuliah

Catatan

Ini kumpulan tugas kuliah Bahan Listrik saya selama studi S1 di Jurusan Teknik Elektro Universitas Udayana, 2010. Beberapa tugas saya hilang karena beberapa tugas ditulis tangan dan dikumpulkan tetapi berikut inilah tugas yang selamat yang tercatat secara elektronik. Maksud dari postingan ini selain sebagai referensi bagi para mahasiswa adalah bagi yang lainnya yang ingin mengetahui tugas seperti apa yang diberikan selama era saya. Tugas ini belum pernah dipublikasikan di mana pun dan saya, sebagai penulis dan pemegang hak cipta, melisensikan tugas ini dengan penyesuaian CC-BY-SA di mana siapa pun dapat membagikan, menyalin, menerbitkan ulang, dan menjual dengan syarat untuk menyatakan nama saya sebagai penulis dan memberi tahu bahwa versi asli dan terbuka tersedia di sini.

Pengenalan Isolasi Listrik dan Pengantar untuk kalangan umum yang Belum Belajar Listrik

Untuk mempelajari isolasi listrik, lebih baik mengetahui terlebih dahulu bagaimana listrik mengalir dan sifat-sifatnya. Dalam sebuah atom dikenal tiga macam muatan. Muatan positif, negatif dan netral. muatan positif disebut “proton”, muatan negatif disebut “elektron” dan muatan netral disebut “neutron”. Muatan sejenis (++,--) saling tolak menolak, muatan berbeda sejenis (+-) saling tarik menarik. Listrik adalah muatan yang mengalir, dalam jembatan garam pada ilmu kimia, listrik dapat dihasilkan karena elektron yang mengalir.

Setelah ini akan menjelaskan lebih tentang jembatan garam, tetapi pembaca tidak harus mendalaminya. Cukup dengan membacanya karena bagian ini sebagai perkenalan. Dalam ilmu kimia dikenal dengan istilah bilangan oksidasi, yaitu bilangan yang menyatakan banyaknya muatan listrik suatu unsur dalam senyawanya. Ada dua reaksi kimia yang dikenal pada bagian ini, yaitu reduksi dan oksidasi. Suatu partikel dikatakan mengalami reduksi bila menangkap elektron, dikatakan mengalami oksidasi jika melepas elektron. Pada jembatan garam ada dua kutub yang dihubungkan kabel yang dapat mengalirkan arus listrik, salah satu kutub mengalami reduksi (menerima elektron) dan kutub yang satu lagi mengalami oksidasi (melepas elektron). Jika ditengah kabel tersebut dihubungkan dengan multi-tester, akan kelihatan bahwa ada arus listrik yang mengalir pada kabel tersebut. Karena bagian ini sebagai pengenalan saja, maka penulis tidak akan member keterangan lebih lanjut. Bila ingin lebih mengetahui tentang hal tersebut, pelejarilah Kimia khusunya Elektrokimia.

Hal dasar yang harus diketahui oleh orang listrik adalah arus, tegangan dan resistansi. Arus sudah dijelaskan pada bagian jembatan garam. Arus dirumuskan dengan I=dq/dt adalah muatan yang mengalir tiap detik dengan satuan I (ampere). Tegangan adalah bagaikan tekanan dalam pada air, V=dw/dq adalah energi pada muatan dengan satuan V (volt). Resistansi adalah hambatan pada arus listrik, V=IR atau R=V/I dengan satuan R (ohm). Untuk mengerti resistansi anggap saja bagaikan pipa air dipersempit. Jika pipa dipersempit maka air akan menekan lebih keras dan sedikit yang mengalir, jika disempitkan lagi hingga menutup tidak akan ada air yang mengalir. Mirip dengan resistansi. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang hal ini pelajarilah Rangkaian Listrik.

Setelah mengetahui hal tersebut, baru kita dapat lebih mudah paham tentang isolasi listrik. Suatu bahan dikatakan konduktor bila dapat dengan mudah mengalirkan arus listrik, contohnya besi, air, garam dan sebagainya. Manusia adalah konduktor yang baik karena sekitar 80% tubuh kita terdiri dari air. Oleh karena itu kita mudah merasakan setrum (tegangan yang dirasakan manusia).

Berjalanlah di atas karpet dengan sepatu karet! Dekatkan jari anda pada logam yang dihubungkan ketanah (pegam kunci besi dan sentuhkan ke logam dihubungkan ketanah). Akan terlihat percikan api. Menurut fisika, bunga api listrik berasal dari muatan listrik yang melompat melalui ujung lancip ke tempat yang berbeda potensialnya. Seringkali ketika anda menghidupkan lampu portable, anda merasa kesetrum. Mengapa ketika ada petir menyambar dekat kita, tidak boleh lari? Menurut fisika, tegangan tinggi dapat menghasilkan arus listrik yang besar. Petir yang mengenai pohon akan mengalirkan listrik ke bumi. Ketika kita melangkah, anatar dua kaki terdapat tegangan besar. Disini arus akan mengalir lewat tubuh kita dan membunuh kita. Tetapi pada orang yang duduk (kaki rapat) di antara kedua kaki tidak ada tegangan. Di sini arus lewat bumi tanpa melalui tubuh. (Diambil dari Fisika itu Asyik 2, oleh Prof. Yohanes Surya, Ph.D.)

Hal sebaliknya, bahan yang susah untuk mengalirkan arus listrik disebut isolator listrik. Contoh isolator listrik yang banyak dikenal orang adalah bahan polimer, contohnya karet. Ada yang mengatakan isolator listrik yang kuat adalah dielektrik. Benar, dielektrik adalah suatu bahan yang dapat melakukan polarisasi (memecah gabungan muatan). Ada pengertian lain bahwa isolator listrik adalah dimana tidak adanya listrik. Penyebab bahan tersebut menjadi isolator antara lain tidak adanya tempat atau penuhnya inti atom terhadap elektron, sehingga elektron tidak dapat masuk, rentang suatu atom terhadap yang lain terlalu lebar, sehingga elektron susah untuk mengalir (perlu energi besar), dan mungkin masih ada alasan hal-hal lain. Dapat dipelajari sifat-sifat atom pada kimia.

Mengapa ilmuwan perlu mengembangkan bahan isolasi listrik, padahal udara sendiri merupakan isolator listrik yang kuat? Jika udara merupakan suatu konduktor maka listrik pasti akan merambat ke segala arah seperti listrik dialirkan pada air. Yang paling mendasar adalah faktor keamanan. Bila kita menyentuh listrik yang tegangannya lebih tinggi dari 60V dapat membahayakan keselamatan. Hal ini bisa terjadi secara sengaja maupun tidak sengaja. Oleh karena itu kabel tembaga di setiap rumah untuk mengalirkan arus listrik harus diselimuti oleh bahan polimer, biasanya karet agar tidak membahayakan. Zaman dahulu digunakan kertas dan tekstil daripada karet. Kulkas, TV, Komputer, Laptop, Mouse, Keyboard, Rise Cooker, tombol lampu, Telepon, Hand Phone, Charger dan semua barang elektronik yang kita pegang menggunakan bahan isolasi listrik agar dapat kita sentuh, jika tidak, kita akan kesetrum. Tombol-tombol keyboard pada komputer kita menggunakan isolasi berupa mika, sekarang sudah beralih ke karet.

Jika kedua kabel pada tiang listrik bersentuhan, dapat terjadi konslet karena tegangan yang terlalu besar, setelah itu dapat menyebabkan kebakaran dan hal lain yang merugikan. Oleh karena itu mereka harus diisolasikan.

Kayu, Kertas dan Tekstil adalah bahan isolasi listrik berserat. Mekanis mereka baik. Kertas dan tekstil bersifat elastis. Kelemahan dari bahan berserat ini adalah higroskopis (menyerap air). Contohnya kayu memiliki resistivitas 104-1016 ohm. 104 ohm jika basah dan 1016 ohm jika kering. Oleh karena itu terkadang sebagai isolator listrik dan jika basah dapat sebagai konduktor petir (contohnya pada pohon). Kertas dan teksil memiliki resistansi sekitar 10-2-109 ohm. Sebagai isolator biasanya digunakan dalam membungkus kabel, kapasitor, papan transformator dan lain-lain.

Mika digunakan untuk isolasi tegangan tinggi. Biasanya digunakan pada generator, motor, kapasitor untuk pengatur frekuensi radio. Memiliki resistivitas 1013-1016 ohm. Kaca memiliki resistivitas 107-1017 ohm. Plastik dan karet adalah senyawa hidrokabon (pasti ada unsur hidrogen dan karbon). Plastik (untuk PVC) memiliki resistivitas 1011-1016 ohm dan karet memiliki resistivitas 1014-1015 ohm. Untuk lebih lanjut dapat mempelajari Bahan-Bahan Listrik.

Termoelektrik

Terdapat 2 kata kunci pada termoelektrik, yaitu termo yang berkaitan dengan temperatur atau suhu, elektrik adalah sesuatu yang berhubungan dengan listrik. Secara umum efek termoelektrik diketahui sebagai suatu konversi, dengan perbedaan suhu akan menghasilkan tegangan dan sebaliknya. Dapat dibayangkan pada 2 semikonduktor yang terhubung dengan kabel, jika semikonduktor yang 1 dingin dan 1nya lagi panas, akan terdapat beda suhu. Beda suhu ini diteliti dapat menghasilkan tegangan. Konsep dasar mekanisme/cara kerja termoelektrik ini dapat dikatakan, suatu elektron atau lubang elektron atau muatan akan terpisah/diffuse dari bagian yang panas ke bagian yang dingin.

Illustrasi Effek Seedbeck

Efek Seedbeck adalah konversi dari beda suhu menjadi tegangan. Fisikawan Estonia-Jerman bernama Thomas Johann Seedbeck menemukan bahwa jarum kompas terpantul bila terbentuk 2 metal tersambung (rangkaian tertutup) diantara kompas tersebut. Jarum terpantul karena ada medan magnet. Fisikawan Danish Hans Christian Orsted menyempurnakannya.

Rangkaian Effek Seedbeck

Untuk mencari suatu kofisien pada bahan termoelektrik dapat menggunakan prinsip besarnya tegangan yang dihasilkan pada perbedaan suhu 1 kelvin.

SAB = SB - SA = (ΔVB/ΔT)-(ΔVA/ΔT)

Efek Peltier yang namanya berasal dari fisikawan Perancis Jean-Charles Peltier, hukum ini mengenai kalor yang mengalir bila arus dialirkan.

Q = ∏ABI = (∏A - ∏B)I

Untuk mempermudah mengerti efek ini dapat dikatakan hampir terbalik dengan seedbek. Arus dialirkan untuk memindahkan kalor. Pemindahan kalor ini dapat diumpakan sebagai pemindahan panas. Oleh karena suatu bagian termoelektrik bisa dingin dan yang lagi 1 bisa panas.

Efek Thompson yang namanya berasal dari William Thompson atau nama lain Lord Kelvin, yang menjelaskan tentang efek Thompson positif dan efek Thompson negatif. Efek Thompson positif menjelaskan bahwa bagian panas adalah potential tinggi dan bagian dingin adalah potential rendah. Arus bergerak dari panas ke dingin, jadi dari potential tinggi ke rendah. Efek thompson negatif menjelaskan bahwa bagian dingin adalah potential tinggi dan bagian panas adalah potential rendah. Arus bergerak dari panas tinggi ke dingin, jadi dari rendah ke tinggi.

q = pJ2 - uJ(dT/dx)

Termogenerator menggunakan prinsip efek seedbeck. Tujuan pada generator ini, kebanyakan untuk mengefisiensi tenaga. Diseluruh dunia ada namanya panas yang terbuang bahkan 90% tenaga listrik yang dihasilkan adalah dari panas. Panas yang terbuang dapat dihitung sekitar 15 terawatt dan untuk memanfaatkan panas yang terbuang ini dibikin termogenerator.

Pemakaian lain seperti pada engine/mesin, menghasilkan energi panas dan energi panas terbuang ke lingkungan. Mobil menghasilkan panas yang terbuang juga. Dapat dipasang termoelektrik pada mobil untuk penghematan/pemakaian energi panas sekaligus sebagai pendingin terkadang disebut automotive termoelektrik car. Pada sel surya juga terdapat panas yang terbuang. Sel surya hanya memerlukan sinar UV untuk menghasilkan listrik, namun sinar matahari juga menyebabkan panas. Oleh karena itu digabung selsurya dengan termoelektrik dan namanya adalah solar/termoelektrik device.

Pemakaian yang berlawanan dengan efek seedbeck yaitu menerapkan efek peltier. Kebalikan dengan termogenerator alat ini memerlukan listrik untuk menghasilkan panas atau dingin. Contohnya untuk penerapan panas adalah heater. Untuk pendingin contohnya kulkas zaman dulu.

Pemakaian pada era sekarang yaitu sebagai pemanas dan pendingin portable biasanya untuk kamping. Karena menghasilkan keduanya berupa panas dan dingin. Sering juga dipakai sebagai pendingin pada alat-alat listrik, seperti komputer, camera digital, dll. Di kedokteran dipakai untuk membuat campuran kimia secara cepat dengan menggunakan temperatur untuk mendinginkan atau memanaskan. Sekarang yang akan deterapkan yaitu USB pendingin minuman.