KONDUKTIVITAS LISTRIK

FISIKA LABORATORIUM – LAB. MATERIAL -2015 -1-5
1
Uji Konduktivitas Listrik pada CaCO3 dan
Arang Kayu dengan Metode Four Point Probe
Puji Kumala Pertiwi, Tri Oktafiana, Luthfiyati Ningsih, dan Gontjang Prajitno M.Si
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
Abstrak—Telah dilakukan percobaan Uji Konduktivitas
Listrik pada CaCO3 dan Arang Kayu dengan Metode Four Point
Probe. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui nilai
konduktivitas listrik dan nilai resistivitas pada CaCO3 dengan
menggunakan metode four point probe serta untuk mengetahui
hubungan antara resistivitas dan konduktivitas. Percobaan ini
menggunakan prinsip four point probe, konduktivitas listrik dan
resistivitas listrik. Metodologi percobaan ini diawali dengan
menyiapkan sampel CaCO3 dan arang dibentuk kepingan
dengan tebal 1,5mm dan 3 sampel (3 CaCO3 dan 3 arang)
timbang di neraca. Kemudian membuat larutan NaCl 1,2,3
molar. Digunakan rumus pengenceran untuk mengetahui ke
molarannya. Rangkaian probe 2,3 disambungkan ke probe
meter dan probe 4 ,1 ke volt meter dan powersupply. Tegangan
input 4v,8v dan 12 v. Diukur dahulu tegangan inputnya
(pengulangan 5 kali) untuk ke 6 sampel. Celupkan ketiga sampel
dilarutan molar tunggu 15 menit, diukur arus output dan
tegangan outputnya juga. Diulangi sebanyak 5 kali. Dari
percobaan yang telah dilakukan telah didapatkan hasil bahwa
yang memiliki nilai konduktivitas terbesar adalah saat memakai
Caco3 2 molar yaitu 2.758331Ωm, dan yang memiliki nilai
konduktivitas terkecil adalah saat memakai arang kayu 1 molar
yaitu 0.287697Ωm. Sedangkan yang memiliki nilai resistivitas
terbesar adalah saat memakai arang kayu 1 molar yaitu
3.870361Ωm, dan yang memiliki nilai resistivitas terkecil adalah
saat memakai CaCO3 2 molar yaitu 0.370999Ωm . Hubungan
antara konduktivitas dan resistivitas berbanding terbalik.
Kata Kunci—Four Point Probe, Konduktivitas, Resistivitas.
I. PENDAHULUAN
S
etiap material atau bahan memiliki karakteristik yang
berbeda-beda. Setiap bahan memiliki sifat yang berbedabeda mulai dari sifat fisis, sifat mekanis dan sifat kimiawi.
Sifat fisis yaitu sifat yang dimiliki suatu bahan yang dapat kita
amati secara langsung, sedangkan untuk mengetahui sifat
mekanik dan kimiawinya itu tidak bisa dilihat secara langsung,
maka haruslah dilakukan percobaan untuk mengetahui sifat
mekanik dan kimiawinya. Untuk mengetahui seberapa cepat
dan seberapa besar suhu yang dapat berubah pada sebuah
benda dapat menghantarkan panas seberapa besar suhu yang
dapat berubah pada bahan itu maka kita harus mengetahui
konduktivitas listrik dan Resistivitas bahan tersebut.
Konduktivitas listrik(σ) adalah ukuran dari kemampuan
suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Jika suatu beda
potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah
konduktor, muatan-muatan akan bergerak berpindah dan
kemudian menghasilkan arus listrik. Konduktivitas listrik
didefinisikan sebagai rasio dari rapat arus terhadap kuat
medan listrik. Konduktivitas suatu bahan adalah kemampuan
suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Sedangkan
Resistivitas adalah kebalikan dari konduktivitas, yakni
kemampuan suatu bahan untuk menahan arus listrik.
Resistansi (R) adalah kemampuan bahan listrik menghambat
arus listrik. Resistivitas (ρ) adalah nilai resistansi bahan listrik
pada satuan panjang ( l ) dan luas penampang (A). Molaritas
adalah salah satu ukuran konsentrasi larutan. Molaritas suatu
larutan menyatakan jumlah mol suatu zat per liter larutan.
Umumnya konsentrasi larutan berair encer dinyatakan dalam
satuan molar. Keuntungan menggunakan satuan molar adalah
kemudahan perhitungan dalam stoikiometri, karena
konsentrasi dinyatakan dalam jumlah mol (sebanding dengan
jumlah partikel yang sebenarnya). Kerugian dari penggunaan
satuan ini adalah ketidaktepatan dalam pengukuran volum.
Selain itu, volum suatu cairan berubah sesuai temperatur,
sehingga molaritas larutan dapat berubah tanpa menambahkan
atau mengurangi zat apapun. Selain itu, pada larutan yang
tidak begitu encer, volume molar dari zat itu sendiri
merupakan fungsi dari konsentrasi[1].
Sejak penemuan struktur elektronik atom-atom, ahli kimia
dan fisika mampu menyelidiki bagaimana cara-cara atom dari
jenis yang satu bergabung dengan jenis yang lain membentuk
senyawa dengan ikatan kimia. Ikatan kimia adalah gaya tarik
menarik antara atom-atom sehingga atom-atom tersebut tetap
berada bersama-sama dan terkombinasi dalam senyawaan.
Gagasan tentang pembentukan ikatan kimia dikemukakan oleh
Lewis. Suatu atom yang bergabung dengan atom lain
membentuk suatu senyawa mungkin mengalami perubahan
dalam konfigurasi elektronnya yang mengakibatkan atomatom tersebut lebih menyerupai gas mulia. Ikatan ion
terbentuk jika elektron-elektron pindah dari atom yang satu ke
atom yang lain. Atom yang kehilangan elektronnya akan
menjadi ion positif, sedangkan atom yang menerima elektron
akan menjadi ion negative. Kedua atom tarik menarik dengan
gaya elektrostatik yang kuat karena ada beda muatan. Ikatan
ion umumnya terjadi antara unsure logam (yang akan berubah
menjadi ion positif) dengan unsure nonlogam ( yang akan
berubah menjadi ion negative). Ikatan kovalen terjadi bila
terdapat pemakaian bersama sepasang atau lebih elektron yang
menyebabkan atom-atom yang berikatan memperoleh susunan
octet. Ikatan kovalen umumnya terjadi antara unsur-unsur non
logam. Unsur nonlogam disebut juga elektronegatif[2].
Alat ukur four-point probe (probe 4 titik disingkat FPP)
adalah salah satu jenis alat yang biasa digunakan untuk
mengukur nilai kerintangan suatu lapisan bahan elektronika
yaitu bahan semikonduktor seperti Silikon (Si), Germanium
FISIKA LABORATORIUM – LAB. MATERIAL -2015 -1-5
(Ge), Gallium Arsenide (GaAs), juga bahan logam dalam
bentuk thin film (lapisan tipis) yang dipergunakan dalam
pembuatan piranti elektronika. Thin film adalah suatu lapisan
yang sangat tipis dari suatu bahan (organik, inorganik, logam
maupun campuran logam-organik / organometallic) yang
memiliki sifat-sifat konduktor,semikonduktor, superkonduktor
maupun insulator dengan ketebalan dari orde Angstrom
hingga mikrometer . Seperti namanya, alat ukur ini didasarkan
pada 4 buah probe dengan 2 probe berfungsi untuk
mengalirkan arus listrik dan 2 probe yang lain untuk
mengukur tegangan listrik sewaktu probe-probe tersebut
dikenakan pada bahan. Untuk menentukan serta mengkaji
sifat-sifat bahan tersebut dapat dilakukan dengan menentukan
nilai kerintangan untuk suatu luasan dan ketebalan tertentu.
Prinsip kerja foint point probe yaitu sebelum arus dialirkan
melalui probe, keempat probe diturunkan sehingga menyentuh
permukaan sampel. Setelah itu arus I dialirkan melalui probe 1
dan 4. Dengan cara seperti ini arus akan dialirkan /
didistribusikan secara laminer melalui sampel dari probe yang
satu menuju probe yang satunya. Pada daerah dimana probe 2
dan 3 bersentuhan dengan sampel tegangan 'drop' diukur
dengan voltmeter. Dari variasi perubahan arus yang diberikan,
akan diperoleh perubahan tegangan yang diukur. Aliran arus
pada probe 2 dan 3 sangat kecil dan dapat diabaikan sebab
tegangan diukur dengan menggunakan voltmeter rintangan
tinggi. Dari perubahan ini akan diperoleh nilai kerintangan
(resistivitas) thin film[3].
II. METODE PENELITIAN
A. Alat dan Bahan
Peralatan dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini
adalah power supply, 2 buah avometer, kabel penghubung,
penggaris, 2 gelas beker, pengaduk larutan, NaCl, CaCO3,
arang kayu dan aquades.
Power supply berfungsi sebagai sumber tegangan (Vinput).
Avometer berfungsi sebagai pengukur arus (Ioutput) dan
pengukur tegangan (Voutput). Kabel penghubung berfungsi
sebagai penghubung rangkaian. Penggaris digunakan untuk
mengukur tebal CaCO3 dan arang kayu.
2
Gambar 2. NaCl dan Aquades
B. Cara Kerja
Metodologi percobaan ini diawali dengan menyiapkan
sampel CaCO3 dan arang dibentuk kepingan dengan tebal
1,5mm dan 3 sampel (3 CaCO3 dan 3 arang) timbang di
neraca. Kemudian membuat larutan NaCl 1,2,3 molar.
Digunakan rumus pengenceran untuk mengetahui ke
molarannya. Rangkaian probe 2,3 disambungkan ke probe
meter dan probe 4,1 ke volt meter dan powersupply. Tegangan
input 4v,8v dan 12v. Diukur dahulu tegangan inputnya
(pengulangan 5 kali) untuk ke 6 sampel. Celupkan ketiga
sampel dilarutan molar tunggu 15 menit, diukur arus output
dan tegangan outputnya juga. Diulangi sebanyak 5 kali.
Berikut adalah flowchart metodologi percobaan ini :
start
Sampel CaCO3 dan arang
dibentuk kepingan dengan
tebal 1,5mm
3 sampel (3 CaCO3 dan 3
arang) timbang dineraca
Buat larutan NaCl 1,2,3 molar
Larutan dibuat dengan
memakai rumus
pengenceran
rangkaian disambungkan probe 2,3
ke probe meter dan probe 4 ,1 ke
volt meter dan powersupply
Tegangan input 4,8,12 v
Gambar 1. Arang kayu dan CaCO3
Gelas beker berfungsi sebagai tempat untuk melarutkan
NaCl dan sebagai tempat untuk mencelupkan CaCO3 dan
arang kayu. Pengaduk larutan digunakan untuk mengaduk
larutan. NaCl adalah larutan garam berfungsi sebagai cairan
yang digunakan untuk mengetahui kemolaran CaCO3 dan
arang kayu. CaCO3 dan arang kayu adalah bahan yang akan
diuji konduktivitas listriknya. Aquades berfungsi sebagai zat
fluida pelarut NaCl.
Diukur dahulu tegangan
inputnya (pengulangan 5 kali)
untuk ke 6 sampel
ketiga sampel dicelupkan kelarutan
molar tunggu 15 menit,
Diukur arus output dan
tegangan outputnya
finish
FISIKA LABORATORIUM – LAB. MATERIAL -2015 -1-5
Power
supply
fpp
avometer
Gambar 3.skema alat
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
A. Analisa Data
Dari percobaan yang telah dilakukan telah didapatkan data
sebagai berikut,
No
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
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
Molar
1
2
3
Tabel 1.
Data percobaan menggunakan bahan CaCO3
Sebelum direndam
setelah direndam
Vin
(V)
Vout (V) Iout(A) Vout(V)
Iout (A)
0,015
0
0,02
0,00029
0,013
0
0,016
0,0003
4
0,013
0
0,022
0,00056
0,015
0
0,018
0,00042
0,015
0
0,037
0,00027
0,028
0
0,111
0,0011
0,02
0
0,152
0,00047
8
0,026
0
0,189
0,0006
0,027
0
0,107
0,00051
0,028
0
0,104
0,00051
0,034
0
0,251
0,00078
0,046
0
0,218
0,00079
12
0,056
0
0,222
0,00071
0,035
0
0,36
0,00073
0,046
0
0,101
0,00088
0,015
0
0,039
0,00056
0,013
0
0,031
0,00049
4
0,013
0
0,029
0,00049
0,015
0
0,028
0,00053
0,015
0
0,026
0,00054
0,028
0
0,04
0,00083
0,02
0
0,043
0,00069
8
0,026
0
0,05
0,00083
0,027
0
0,03
0,00069
0,028
0
0,043
0,00067
0,034
0
0,034
0,00084
0,046
0
0,043
0,00074
12
0,056
0
0,045
0,00088
0,035
0
0,045
0,00096
0,046
0
0,048
0,00092
0,015
0
0,034
0,00053
0,013
0
0,041
0,00058
4
0,013
0
0,068
0,00066
0,015
0
0,071
0,00055
0,015
0
0,087
0,00056
0,028
0
0,153
0,0008
0,02
0
0,154
0,00093
8
0,026
0
0,152
0,0008
0,027
0
0,141
0,00065
0,028
0
0,141
0,00084
0,034
0
0,572
0,00104
0,046
0
0,472
0,00097
12
0,056
0
0,438
0,00095
0,035
0
0,306
0,00097
0,046
0
0,504
0,00098
3
No
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
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
Tabel 2.
Data percobaan dengan menggunakan arang kayu
Sebelum direndam
setelah direndam
Vin
Molar
(V)
Vout (V) Iout(A) Vout(V)
Iout (A)
0,048
0
0,019
0,00004
0,046
0
0,022
0,00003
4
0,058
0
0,018
0,00004
0,045
0
0,022
0,00007
0,044
0
0,023
0,00005
0,057
0
0,045
0,00004
0,066
0
0,045
0,00007
1
8
0,067
0
0,053
0,00007
0,056
0
0,052
0,00016
0,071
0
0,048
0,00011
0,09
0
0,088
0,00015
0,082
0
0,085
0,00013
12
0,078
0
0,09
0,00013
0,088
0
0,087
0,00019
0,088
0
0,085
0,00019
0,048
0
0,025
0,00009
0,046
0
0,022
0,00007
4
0,058
0
0,043
0,000081
0,045
0
0,028
0,00006
0,044
0
0,035
0,00011
0,057
0
0,083
0,00015
0,066
0
0,076
0,00012
2
8
0,067
0
0,068
0,000099
0,056
0
0,059
0,000098
0,071
0
0,095
0,00011
0,09
0
0,099
0,000265
0,082
0
0,101
0,00023
12
0,078
0
0,098
0,000203
0,088
0
0,089
0,000255
0,088
0
0,095
0,000251
0,048
0
0,035
0,000358
0,046
0
0,034
0,000279
4
0,058
0
0,039
0,000295
0,045
0
0,034
0,000275
0,044
0
0,039
0,000198
0,057
0
0,095
0,000476
0,066
0
0,079
0,000566
3
8
0,067
0
0,088
0,000408
0,056
0
0,088
0,000449
0,071
0
0,09
0,000339
0,09
0
0,158
0,000585
0,082
0
0,168
0,000696
12
0,078
0
0,157
0,000789
0,088
0
0,196
0,000679
0,088
0
0,155
0,000449
B. Perhitungan
Setelah didapatkan data dari percobaan maka telah
didapatkan data dan kemudian dilakukan perhitungan, sebagai
berikut ,
- untuk menghitung resistivitas menggunakan rumus ini
ρ=
x
- untuk menghitung konduktivitas menggunakan rumus
ini
σ=
karena data hasil percobaan banyak sekali , maka dibuat dalam
bentuk tabel seperti berikut,
ρ
2.137225
2.763652
3.751868
3.439212
1.075584
1.460669
0.45576
0.46792
0.702536
0.722801
0.45804
0.534137
0.471398
0.298884
1.284232
2.116438
2.329789
2.490464
2.789973
3.061277
3.058442
2.365172
2.446754
3.39008
2.296617
3.641519
2.536562
2.882387
3.144422
2.825067
2.297625
2.085097
1.430597
1.141791
0.948748
0.770692
0.890111
0.775762
0.67948
0.878097
0.267991
0.302909
0.319692
0.467232
0.286601
σ
1.362717
1.334928
0.370999
2.758331
Molar 1
σ
0.467897
0.36184
0.266534
0.290764
0.929728
0.684618
2.194136
2.137118
1.423415
1.383506
2.183217
1.872178
2.121351
3.345781
0.778676
0.472492
0.429223
0.401532
0.358426
0.326661
0.326964
0.422802
0.408705
0.294978
0.435423
0.274611
0.394234
0.346935
0.318023
0.353974
0.435232
0.479594
0.699009
0.875817
1.054021
1.297536
1.123455
1.289055
1.471715
1.138827
3.731475
3.301324
3.128012
2.140265
3.489171
1.7103
0.902828
0.826158
0.0012
0.001
Series1
Series2
3.870361
Series3
0.0002
0
0
Rata rata
ρ
0.310305
0.200993
0.327544
0.468983
0.320423
0.131018
0.229281
0.194672
0.453522
0.33778
0.251241
1.371862
0.0004
5
10
15
Gambar 5. Grafik percobaan dengan CaCO3
σ
0.287697
Molar 1
σ
0.335519
0.0006
Setelah Direndam
3.22264
4.9753
3.05303
2.13227
3.12087
7.63256
4.36146
5.13684
2.20496
2.96051
3.98024
3.288207
0.0008
Tabel 4.
Data hasil perhitungan Arang kayu
ρ
0.225427
0.212904
0.321897
0.329471
0.530621
0.468983
0.277651
0.315846
0.463241
0.266376
0.232729
0.214589
0.244825
0.170668
0.394542
0.335652
0.305318
0.422311
0.389433
1.507638
1.209504
1.114909
1.192164
0.748312
0.738526
1.056018
0.683376
0.752048
0.555187
0.545734
0.610636
0.740729
0.510618
0.426969
C. Grafik
Dari hasil perhitungan maka telah didapatkan grafik sebagai
berikut :
Molar 3
ρ
Rata rata
Molar 2
Setelah Direndam
4.43602
4.69696
3.10659
3.03517
1.88458
2.13227
3.60165
3.1661
2.1587
3.75409
4.29685
4.66006
4.08455
5.85934
2.53459
2.97928
3.27528
2.36792
2.56784
0.66329
0.82678
0.89693
0.83881
1.33634
1.35405
0.94695
1.46332
1.3297
1.80119
1.83239
1.63764
1.35002
1.95841
2.34209
Molar 3
Tabel 3.
Data hasil perhitungan CaCO3
4
Molar 2
FISIKA LABORATORIUM – LAB. MATERIAL -2015 -1-5
FISIKA LABORATORIUM – LAB. MATERIAL -2015 -1-5
5
resistivitas berbanding terbalik.
0.0007
0.0006
UCAPAN TERIMA KASIH
0.0005
0.0004
M1
0.0003
M2
0.0002
M3
0.0001
0
0
5
10
15
Gambar 6. Grafik percobaan dengan Arang kayu
D. Pembahasan
Pada percobaan Uji Konduktivitas Listrik pada CaCO3 dan
Arang Kayu dengan Metode Four Point Probe. Tujuan dari
percobaan ini adalah untuk mengetahui nilai konduktivitas
listrik dan nilai resistivitas pada CaCO3 dengan menggunakan
metode four point probe serta untuk mengetahui hubungan
antara resistivitas dan konduktivitas. Percobaan ini sampel
yang digunakan berupa arang kayu dan CaCO3 yang
memiliki
ketebalan yang sangat kecil sekitar 1,5mm.
Percobaan ini menggunakan variasi kemolaran larutan yang
digunakan yaitu 1 molar, 2 molar, dan 3 molar, serta Vinput
4V, 8V, dan 12V. Pengukuran Voutput dan I dilakukan
sebelum dan sesudah pencelupan kedalam larutan garam. Dari
data tersebut dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai
konduktivitas dan resistivitas masing-masing material. Dari
percobaan yang telah dilakukan telah didapatkan hasil bahwa
yang memiliki nilai konduktivitas terbesar adalah saat
memakai Caco3 2 molar yaitu 2.758331Ωm, dan yang
memiliki nilai konduktivitas terkecil adalah saat memakai
arang kayu 1 molar yaitu 0.287697Ωm. Sedangkan yang
memiliki nilai resistivitas terbesar adalah saat memakai arang
kayu 1 molar yaitu 3.870361Ωm, dan yang memiliki nilai
resistivitas terkecil adalah saat memakai CaCO3 2 molar yaitu
0.370999Ωm. Hubungan antara konduktivitas dan resistivitas
berbanding terbalik. semakin besar konduktivitas semakin
kecil resistivitasnya, karena konduktivitas merupakan
kekuatan suatu material untuk menghantarkan arus listrik,
sedangkan resistivitas adalah kemampuan suatu material untuk
menghambat arus listrik. Metode four point probe (probe
empat titik) digunakan untuk mengamati sifat listrik suatu
material. Baik untuk menentukan ketebalan suatu material
untuk diketahui konduktivitas serta resistivitasnya.
IV. KESIMPULAN
Dari percobaan yang telah dilakukan telah didapatkan hasil
kesimpulan bahwa yang memiliki nilai konduktivitas terbesar
adalah saat memakai Caco3 2 molar yaitu 2.758331Ωm, dan
yang memiliki nilai konduktivitas terkecil adalah saat
memakai arang kayu 1 molar yaitu 0.287697Ωm. Sedangkan
yang memiliki nilai resistivitas terbesar adalah saat memakai
arang kayu 1 molar yaitu 3.870361Ωm, dan yang memiliki
nilai resistivitas terkecil adalah saat memakai CaCO3 2 molar
yaitu 0.370999Ωm . Hubungan antara konduktivitas dan
Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten
laboratorium fisika laboratorium, Tri Oktaviana, Luthfiyati
Ningsih untuk percobaan tentang Konduktivitas Listrik ini,
yang telah membimbing jalannya praktikum serta
menyalurkan ilmu yang sangat dibutuhkan oleh penulis serta
dalam pelaksanaan briefing jurnal. Serta tidak lupa
terimakasih kepada teman-teman satu team atas kerjasamanya
dalam melaksanakan praktikum tentang Konduktivitas Listrik
ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Callister, W.D., Jr., 2001, ” Fundamental of Materials Science and
Engoneering” , Departement of Metallurgical Engineering, John Wiley
& Sons, inc, New York
Crankovic , G.M., 1986. ”Materials Characterization”, ASM
International, USA.
Hartnagel, H.L., Dawar, A.L., Jain, A.K., dan Jagadish, C., 1995.
“Semiconducting Transparent Thin Film”, Institute of Physics, London.