bahan Superkonduktor

BAHAN
SUPERKONDUKTOR
A. SEJARAH
 Heike Kemerlingh Onnes dari Universitas Leiden Belanda pada tahun 1911
 H.K.Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K (269oC)
hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang,
 Kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan mengukur hambatannya
sambil menurunkan suhunya pada suhu 4,2 K, namun hambatannya tiba-tiba menjadi hilang, tetapi
arus mengalir terus menerus melalui kawat.
 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, seperti terlihat dalam kurva berikut :
 Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama
superkondutivitas atau superkonduktor dan atas
penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika
pada tahun 1913.
 Pada Superkonduktor arus yang dihasilkan tepat
berlawanan dengan medan magnet, sehingga medan
magnet tersebut tidak dapat menembus material
superkonduktor.
 Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut
ditolak  fenomena ini disebut sebagai
diamagnetisme atau efek Maissner
 Efek Maissner ini sedemikian kuatnya sehingga
sebuah magnet dapat melayang karena ditolak
oleh superkonduktor,
Efek Maissner
MM akibat pembelokan
superkonduktor
 Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka
efek Meissner ini akan hilang dan material
tersebut akan kehilangan sifat
superkonduktivitasnya.
B.1. PENGERTIAN SUPERKONDUKTOR
 Superkonduktor merupakan bahan atau material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu
yang sangat rendah  superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya
sumber tegangan
 Super konduktor, jika di lhat dari namanya, super adalah lebih dari yang lain , sedangkan
konduktor adalah salah satu sifat logam yang dapat menghantarkan listrik
Karakteristik bahan Superkonduktor



Medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami
efek meissner
Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor,
semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang.
suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi
superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).
Pada umumnya sifat suatu bahan dapat dibedakan melalui
resistivitas elektriknya seperti yang ditunjukkan pada Tabel
Tabel : resisitivitas
Sifat Bahan
Resistivitas, ρ
(Ω.m)
Contoh Bahan
Isolator
Tertinggi (1010-1012)
Plastik dan Karet
Semikonduktor
Tinggi (10-3-106)
Germanium
Konduktor
Rendah (10-8)
Emas dan Perak
Superkonduktor
Nol
Semua bahan yang
berdasarkan CuO
Sifat Kelistrikan Superkonduktor
Bahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis
serta elektron bebas. Ketika medan listrik
diberikan pada bahan, elektron akan mendapat
percepatan. Medan listrik akan menghamburkan
elektron ke segala arah dan menumbuk atomatom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya
hambatan listrik pada logam konduktor.
Gambar : Keadaan normal Atom Kisi pada logam
Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi
antara elektron dengan inti atom. Namun elektron
dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan
dari atom kisi.
Ketika elektron melewati kisi, inti yang bermuatan
positif menarik elektron yang bermuatan negatif
dan mengakibatkan elektron bergetar
Gambar : Keadaan Superkonduktor Atom Kisi pada logam
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.
Gambar : Diamagnetik Sempurna
Sifat Quantum Superkonduktor
Teori Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen Cooper dan Schriefer pada
tahun 1957, yang dikenal dengan Teori BCS.
Teori BCS dijelaskan sbb:
 Interaksi tarik menarik antara elektrondapat 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 suhu elektron berintaraksi dengan kisi
dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi, sehingga
kedua elektron ini berinteraksi melalui deformasi kisi
 London Penetration Depth merupakan konsekuensi dari teori BCS
 Teori BCS mewmprediksi suhu kritis (Tc) untuk bahan superkonduktor lebih besar dari sh
ruangan
B.2. TIPE BAHAN SUPERKONDUKTOR
A. Superkonduktor Tipe-I :

Resistivitas = nol

Pd medan magnet yang cukup kecil (< Hc)
terjadi efek meissner

Pd medan magnet tinggi (>Hc)
sifat superkonduktivitas hilang
B. Superkonduktor Tipe-II
 Memiliki 2 nilai medan kritis (Bc1 & Bc2)
 Lebih kecil dari Bc1 = sifat superkonduktor I
 Bc1< B < Bc2  efek meisnerr parsial
 Lebh besar dari Bc2  sifat superkonduktivitas hilang
 Pd Bc1< B < Bc2 tak dpt lagi dijelaskan dengan teori BCS
B.3. PENETRATION DEPTH & SUHU PEMADAMAN
Kedalaman Penetrasi:
Suhu Pemadaman :
Panjang jarak medan magnet yang
Suhu dimana bahan superkonduktor
mampu menembus superkonduktor
akan rusak
Perkembangan Bahan Superkonduktor
 Superkonduktor yang terdiri dari bahan logam
dan alloy dikenal sebagai superkonduktor
konvensional, karena bahan Helium dengan
Tc = 4K sebagai pendingin superkonduktor
 Penggunaan nitrogen cair sebagai pendingin
superkonduktor ditemukan bahan dengan Tc =
92oK, superkonduktor YBa2Cu3O7-δ dengan
 Bahan superkonduktor yang mempunyai suhu
transisi tertinggi adalah bahan Hg-Ba-Ca-Cu-O
dengan Tc = 140oK
 Bahan superkonduktor yang berasaskan CuO
sebagai Superkonduktor Suhu Tinggi (High

Gambar : Kurva perkembangan titik Tc
pada Material Superkonduktor
.
emperature Superconductor / HTS).
Bahan superkonduktor adalah bahan yang
mempunyai hanbatan nol, sehingga tidak ada
energi yang terbuang menjadi panas
C. SIFAT SUPERKONDUKTOR
1. Tanpa resistivitas (hambatan nol) untuk semua suhu dibawah suhu kritis.
 Pada suhu rendah bahan superkonduktor memiliki resistivitas (ρ) = 0
 Material direndam di dalam nitrogen/hellium cair, maka nilai ρ akan
turun seiring dengan turunnya suhu.
 Jika suhu T > Tc  bahan dalam keadaan normal = bahan mempunyai
tahanan listrik ( dapat berupa konduktor, atau berupa isolasi)
 Jika suhu T ≤ Tc  bahan berupa superkonduktor
2. Medan magnetik di dalam bahan superkonduktor sama dengan nol.
 Jika sebuah bahan magnet di letakkan diatas bahan superkonduktor,
T > Tc
T ≤ Tc
maka bahan magnet tersebut akan melayang
 Nilai susseptibility (kerentanan)  X = -1 , sedangkan konduktor
biasa nilai X = - 10-5
Fenomena disebut “ Efek Meissner”
 Jika bahan non superkonduktor diletakkan di atas bahan magnet,
maka fluks magnet menembus bahan dan terjadi induksi magnet
 Sebaliknya bahan superkonduktor dengan suhu < Tc dibawah
bahan magnet, bahan superkonduktor akan menolak bahan magnet
Parameter yang dipakai pada bahan superkonduktor :
 Kekuatan medan magnet kritis (Hc),
 Rapat arus kritis (Jc),
 Suhu kritis (Tc)
variabel yang bergantung satu sama lainnya
Superkonduktor sistem BSCCO
Merupakan superkonduktor oksida keramik yang terdiri dari berlapis-lapis, sehingga sangat rapuh
dan mudah patah, namun mempunyai suhu Tc yang cukup tinggi dan tidak beracun.
Dikenal dengan tiga fasa, yaitu :
 Fasa 2201 dengan komposisi Bi,Sr2,CuO, dengan nilai Tc = 10 oK
 Fasa 2212 dengan komposisi Bi2,Sr2,Ca,Cu2O dengan suhu Tc = 80oK
 Fasa 2223 dengan komposisi Bi2,Sr2,Ca2,Cu2,O dengan suhu Tc = 110oK
Untuk memperbaiki bahan superkonduktor sistem BSCCO, perlu dilakukan doping, antara lain
 Superkonduktor sistem BSCCO menggunakan doping Pb dan Sb, sehingga terbentuk sistem
superkonduktor (Bi-Pb)SrCaCuO.
 Superkonduktor sistem BSCCO menggunakan doping Ce, sehingga terbentuk sistem
superkonduktor Bi2Sr2Ca1-xCexCu2Oy.
D.1. BAHAN SUPERKONDUKTOR
1. Elektromagnet  Komponen magneto hidro dinamik
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.
Unsur : Li, Be, Ti, V, Zn, ,V, Cr ,Zn ,Ga ,Zr ,Nb, Mo, Tc ,
Ru, Rh, Pd , Cr, Cd, In, Sn ,La, Hf, Ta, W, Re,
Os, Ir, Pt, Hg, Tl, Pb, Th, Pa, U, Am.
2. Elemen Penghubung  suatu gawai penghubung yang menggunakan bahan superkonduktor akan
dapat berubah sifatnya dari superkonduktor menjadi konduktor biasa , karena
pengubahan suhu atau medan magnet di atas nilai kritisnya.
 Contoh : Pemutus pada komputer
D.2. APLIKASI BAHAN SUPERKONDUKTOR
1. Sistem deteksi kecacatan  Ultrasonic dengan gelombang ultrasonic mampu mendeteksi tomor
otak, dasar / kedalaman lautan,kumpulan ikan oleh nelayan dan gunung
2. Kabel Listrik  Dengan menggunakan bahan superkonduktor, maka energi listrik tidak
akan mengalami disipasi karena hambatan pada bahan superkonduktor
bernilai nol, maka penggunaan energi listrik akan semakin hemat.
3. Kereta Magnet  Maglev (Magnetic Levitation Train) di Jepang dan diberi nama
The Yamanashi MLX01

MRI
MagLev Train kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph (550 km/jam).
Maglev Train
4. Generator Listrik Super-Efisien  pembangkit ber effisien tinggi
 Pemerintah AS dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan
pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga
 Arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, 250 pon kabel superkonduktor dapat
menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.
5. Supercomputer  Ratusan kali lebih cepat dari processor PC tercepat
 Dalam militer telah digunakan HTS- QUID (Superconducting Quantum Interference Devices)
telah digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut
 Dalam Kedokteran digunakan dalam MRI (Magneting Resonance Imaging) alat pencitra
resonansi magnetik
 SQUID Dapat mendeteksi medan magnet sangat kecil, dipakai untuk mencari minyak
dan mineral
6. Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES).
 Sistem Penstabil Listrik yang diberi nama Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi
listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apbila terjadi
gangguan listrik.