Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Mengenal Sifat Material Sifat Listrik Metal. Dalam melihat sifat listrik material, kita hanya akan memperhatikan material metal (yang memiliki konduktivitas.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "Mengenal Sifat Material Sifat Listrik Metal. Dalam melihat sifat listrik material, kita hanya akan memperhatikan material metal (yang memiliki konduktivitas."— Transcript presentasi:

1 Mengenal Sifat Material Sifat Listrik Metal

2 Dalam melihat sifat listrik material, kita hanya akan memperhatikan material metal (yang memiliki konduktivitas listrik yang baik) dan material dielektrik (yang memiliki konduktivitas listrik yang buruk). Material semikonduktor tidak kita tinajau di sini namun dapat dipelajari bersamaan dengan pelajaran elektronika. Cakupan Bahasan

3

4 Material  e [siemens] Perak 6,3  10 7 Tembaga 5,85  10 7 Emas 4,25  10 7 Aluminium 3,5  10 7 Tungsten 1,82  10 7 Kuningan 1,56  10 7 Besi 1,07  10 7 Nickel 1,03  10 7 Baja 0,7  10 7 Stainless steel 0,14  10 7 Material  e [siemens] Gelas (kaca) 2  3  10  5 Bakelit 1  2  10  11 Gelas (borosilikat) 10  10  10  15 Mika 10  11  10  15 Polyethylene 10  15  10  17 Konduktor Isolator [6]

5 Model Klasik Sederhana

6 Jika pada suatu material konduktor terjadi perbedaan potensial, arus listrik akan mengalir melalui konduktor tersebut kerapatan arus [ampere/meter 2] kuat medan [volt/meter] resistivitas [  m] konduktivitas [siemens]

7 Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesar Karena elektron tidak terakselerasi secara tak berhingga, maka dapat dibayangkan bahwa dalam pergerakannya ia harus kehilangan energi pada waktu menabrak materi pengotor ataupun kerusakan struktur pada zat padat. Jika setiap tabrakan membuat elektron kembali berkecepatan nol, dan waktu antara dua tabrakan berturutan adalah 2  maka kecepatan rata-rata adalah:

8 0 22 44 66 kecepatan waktu kerapatan elektron bebas benturan Jika tak ada medan listrik, elektron bebas bergerak cepat pada arah yang acak sehingga tak ada aliran elektron netto. Medan listrik akan membuat elektron bergerak pada arah yang sama. kerapatan arus Model Klasik Sederhana

9 Teori Drude-Lorentz Tentang Metal

10 1900: Drude mengusulkan bahwa konduktivitas listrik tinggi pada metal dapat dijelaskan sebagai kontribusi dari elektron valensi yang dianggap dapat bergerak bebas dalam metal, seperti halnya molekul gas bergerak bebas dalam suatu wadah. Gagasan Drude ini dikembangkan lebih lanjut oleh Lorentz. Elektron dapat bergerak bebas dalam kristal metal pada potensial internal yang konstan. Ada dinding potensial pada permukaan metal, yang menyebabkan elektron tidak dapat meninggalkan metal. Semua elektron bebas berperilaku seperti molekul gas (mengikuti statistik Maxwell-Boltzmann); elektron ini memiliki distribusi energi yang kontinyu. Gerakan elektron hanya dibatasi oleh tabrakan dengan ion-ion metal.

11 Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesar Integrasi a terhadap waktu memberikan kecepatan elektron, yang disebut kecepatan drift :

12 Jika jalan bebas rata-rata elektron adalah L maka waktu rata-rata antara tabrakan dengan tabrakan berikutnya adalah Kecepatan drift ini berubah dari 0 sampai v drift maks, yaitu kecepatan sesaat sebelum tabrakan dengan ion metal. kecepatan thermal Kecepatan drift rata-rata dapat didekati dengan:

13 Kerapatan arus adalah:

14 Model Pita Energi untuk Metal

15 Pada metal, pita valensi biasanya hanya sebagian terisi Pita energi paling luar, jika ia hanya sebagian terisi dan padanya terdapat tingkat Fermi, disebut sebagai pita konduksi. kosong celah energi terisi kosong pita valensi EFEF pita konduksi Sodium

16 Pada beberapa metal, pita valensi terisi penuh. Akan tetapi pita ini overlap dengan pita di atasnya yang kosong. Pita yang kosong ini memfasilitasi tingkat energi yang dengan mudah dicapai oleh elektron yang semula berada di pita valensi. terisi penuh kosong EFEF pita valensi Magnesium

17 Model Mekanika Gelombang

18 Dalam model mekanika gelombang, elektron dipandang sebagai paket gelombang, bukan partikel. Kecepatan grup dari paket gelombang adalah f = frekuensi DeBroglie k = bilangan gelombang Percepatan yang dialami elektron adalah Karena E = hf, maka:

19 Percepatan yang dialami elektron adalah Percepatan ini terjadi karena ada medan listrik E, yang memberikan gaya sebesar eE Gaya sebesar eE memberikan laju perubahan energi kinetik pada elektron bebas sebesar Sehingga percepatan elektron menjadi:

20 percepatan elektron: Bandingkan dengan relasi klasik: Kita definisikan massa efektif elektron : Untuk elektron bebas m* = m e. Untuk elektron dalam kristal m* tergantung dari energinya.

21 k E k1k1 +k1+k1 celah energi sifat klasik m* = m e jika energinya tidak mendekati batas pita energi dan kurva E terhadap k berbentuk parabolik Pada kebanyakan metal m* = m e karena pita energi tidak terisi penuh. Pada material yang pita valensinya terisi penuh m*  m e

22 Teori Sommerfeld Tentang Metal

23 Metal dilihat sebagai benda padat yang kontinyu, homogen, isotropik. Gambaran tentang elektron seperti pada teori Drude-Lorentz; elektron bebasa berada pada potensial internal yang konstan. Perbedaannya adalah bahwa elektron dalam sumur potensial mengikuti teori kuantum dan bukan mekanika klasik Berapa statuskah yang tersedia untuk elektron atau dengan kata lain bagaimanakah kerapatan status? Bagaimana elektron terdistribusi dalam status yang tersedia dan bagaimana mereka berpartisipasi dalam proses fisika? Kita lihat lagi Persamaan Schrödinger

24 x z y LxLx LyLy LzLz Sumur tiga dimensi Aplikasi Persamaan Schrödinger: Kasus 3 Dimensi

25 x z y LxLx LyLy LzLz Sumur tiga dimensi Aplikasi Persamaan Schrödinger; Kasus 3 Dimensi

26 Energi elektron : Energi elektron dinyatakan dalam momentumnya: sehingga : momentum :

27 Tanda ± menunjukkan bahwa arah momentum bisa positif atau negatif. Pernyataan ini menunjukkan bahwa momentum terkuantisasi. p x, p y, p z membentuk ruang momentum tiga dimensi. Jika ruang momentum berbentuk kubus, maka satuan sisi kubus adalah h/2L Kwadran pertama ruang momentum (dua dimensi): pxpx pypy 0 setiap titik menunjukkan status momentum yang diperkenankan setiap status momentum menempati ruang sebesar h 2 /4L 2 (kasus 2 dimensi).

28 Kwadran pertama ruang momentum (dua dimensi) pxpx pypy 0pxpx pypy 0 p dp setiap status momentum menempati ruang sebesar h 2 /4L 2 tiga dimensi

29 pxpx pypy 0 p dp tiga dimensi Karena maka massa elektron di sini adalah massa efektif Inilah kerapatan status. Setiap status mencakup 2 spin Berapakah yang terisi?

30 Tingkat Energi FERMI

31 Densitas Status pada 0 K Status energi diisi oleh elektron valensi mulai dari tingkat terendah secra berurut ke tingkat yang lebih tinggi sampai seluruh elektron terakomodasi. Elektron pada status energi yang paling tinggi analog dengan elektron pada tingkat energi paling tinggi di sumur potensial. Elektron ini memerlukan tambahan energi sebesar work function untuk meninggalkan sumur potensial. Status energi paling tinggi, yaitu tingkat yang paling tinggi yang ditempati oleh elektron pada 0 K secara tentatif didefinsikan sebagai tingkat Fermi, E F. (Definisi ini sesungguhnya tidak lengkap, tetapi untuk sementara kita gunakan).

32 pxpx pypy 0 p dp Jika p adalah jarak dari titik pusat ke momentum paling luar, maka akan diperoleh status yang terisi. Status yang terisi adalah: Karena Energi Fermi:

33 N(E)N(E) E EFEF  E 1/2 Densitas & Status terisi pada 0 K Densitas Status pada 0 K Jumlah status yang terisi dihitung dari jumlah status momentum yang terisi dalam ruang momentum:

34 Jika elektron pada tingkat energi E F kita pandang secara klasik, relasi energi: Pada tingkat energi E F sekitar 4 eV, sedang di mana T F adalah temperatur Fermi maka Jadi suatu elektron klasik berada pada sekitar K untuk setara dengan elektron pada tingkat Fermi.

35 Hasil Perhitungan elemen E F [eV] T F [ o K  ] Li4,75,5 Na3,13,7 K2,12,4 Rb1,82,1 Cs1,51,8 Cu7,08,2 Ag5,56,4 Au5,56,4 [1]

36 Resistivitas

37 Menurut mekanika gelombang elektron bebas dalam kristal dapat bergerak tanpa kehilangan energi. Setiap kelainan pada struktur kristal akan menimbulkan hambatan pada gerakan elektron yang menyebabkan timbulnya resistansi listrik pada material. Bahkan pada 0 o K, adanya resistansi dapat teramati pada material nyata sebab pengotoran, dislokasi, kekosongan, dan berbagai ketidaksempurnaan kristal hadir dalam material. Pada metal murni, resistivitas total merupakan jumlah dari dua komponen yaitu komponen thermal  T, yang timbul akibat vibrasi kisi-kisi kristal, dan resistivitas residu  r yang disebabkan adanya pengotoran dan ketidaksempurnaan kristal. Relasi Matthiessen: resistivitas total resistivitas thermal resistivitas residu konduktivitas

38 Eksperimen menunjukkan: o K 100 | |       Cu Cu, 1,12% Ni Cu, 2,16% Ni Cu, 3.32% Ni  [ohm-m]  Di atas temperatur Debye komponen thermal dari resistivitas hampir linier terhadap temperatur: frekuensi maks osilasi Temperatur Debye: konstanta Boltzmann 1,38  10  23 joule/ o K kecepatan rambat suara panjang gelombang minimum osilator [6]

39 konstanta tergantung dari jenis metal dan pengotoran konsentrasi pengotoran Relasi Nordheim: Jika x << 1 2%3% 1% | |      r /  273 0,05 0,10 0,15 0,20 4% | In dalam Sn

40 Pengaruh Jenis Pengotoran pada Cu   | ||| 2,0  10  8 2,5  10  8 1,5  10  8  [ohm-meter] 00,050,100,150,20  T (293) Sn Ag Cr Fe P % berat [6]

41 Emisi Elektron

42 Elektron bebas dalam metal tidak meninggalkan metal, kecuali jika mendapat tambahan energi yang cukup x EFEF Energi Hampa eFeF

43 emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel I V V0V0 x lumen 2x lumen 3x lumen 0 Pada tegangan ini semua elektron kembali ke katoda (emitter) Laju keluarnya elektron (arus) tergantung dari intensitas cahaya tetapi energi kinetiknya tidak tergantung intensitas cahaya Energi kinetik elektron = e V 0 Peristiwa photolistrik

44 emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel I V  V 01 =5000Å (biru)  V 02  V 03 =5500Å (hijau) =6500Å (merah) Intensitas cahaya konstan tetapi panjang gelombang berubah

45 Photon dengan energi hf diserap elektron di permukaan metal sehingga elektron tersebut mendapat tambahan energi. Jika pada awalnya elektron menempati tingkat energi tertinggi di pita konduksi dan bergerak tegak lurus ke arah permukaan, ia akan meninggalkan emitter dengan energi kinetik maksimum E k maks = hf  e  Energi yang diterima Energi untuk mengatasi hambatan di permukaan (dinding potensial) emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel

46 tingkat energi terisi hf EFEF ee E k maks E k < E k maks hf emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel

47 Jika V 0 (yang menunjukkan energi kinetik) di-plot terhadap frekuensi: VoVo f  1  2 Slope = h/e Metal 1 Metal 2 Rumus Einstein: emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel

48 Peristiwa Emisi Thermal Pada temperatur tinggi, sebagian elektron memiliki energi kinetik yang lebih tinggi dari energi rata-rata elektron sehingga dapat melampaui work function ( e  ). A V vakum pemanas katoda anoda Jika arus cukup tinggi, terjadi saling tolak antara elektron di ruangan sehingga elektron dengan energi rendah tidak mencapai anoda. Muatan ruang makin berpengaruh jika arus makin tinggi. Arus akan mencapai kejenuhan. I V VV

49 Makin tinggi temperatur katoda, akan makin tinggi energi elektron yang keluar dari permukaan katoda, dan kejenuhan terjadi pada nilai arus yang lebih tinggi. I V VV T1T1 T2T2 T3T3 Kejenuhan dapat diatasi dengan menaikkan V I T V1V1 V2V2 V3V3 A V vakum pemanas katoda anoda

50 Pada tegangan yang sangat tinggi, dimana efek muatan ruang teratasi secara total, semua elektron yang keluar dari katoda akan mencapai anoda. Persamaan Richardson-Dushman kerapatan aruskonstanta dari material k = konstanta Boltzman = 1,38  10  23 joule/ o K I T V1V1 V2V2 V = ∞ A V vakum pemanas katoda anoda

51 Nilai  tergantung dari temperatur : pada 0 o K koefisien temperatur pada kebanyakan metal murni Persamaan Richardson-Dushman menjadi: A V vakum pemanas katoda anoda

52 Persamaan Richardson-Dushman Linier terhadap A V vakum pemanas katoda anoda

53 Material katoda titik leleh [ O K] temp. kerja [ O K] work function [eV] A [10 6 amp/m 2 o K 2 W ,50,060 Ta ,10,4 – 0,6 Mo ,20,55 Th ,40,60 Ba ,50,60 Cs ,91,62 [6] Beberapa Material Bahan Katoda

54 Jika elektron dengan energi tinggi (yang disebut elektron primer) ditembakkan ke permukaan metal, elektron dapat keluar dari permukaan metal (yang disebut elektron sekunder). Energi kinetik elektron sekunder tidak harus tergantung dari energi kinetik elektron yang membentur permukaan. Efisiensi emisi sekunder dinyatakan sebagai rasio jumlah elektron sekunder, I s terhadap jumlah elektron primer yang membentur permukaan, I p. Rasio ini disebut secondary emission yield, , dan merupakan fungsi dari energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan. Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu rendah hanya sedikit dihasilkan emisi sekunder. Peristiwa Emisi Sekunder

55 Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu tinggi hanya sedikit juga dihasilkan emisi sekunder. Hal ini disebabkan karena elektron yang membentur permukaan metal sempat masuk (penetrasi) ke dalam metal sebelum terjadi benturan dengan elektron bebas dalam metal. Elektron bebas yang menerima tambahan energi mengalami tabrakan- tabrakan sebelum mencapai permukaan, dan mereka gagal keluar dari permukaan metal. Akibatnya adalah  sebagai fungsi dari energi berkas elektron, mempunyai nilai maksimum.  EkEk 0 0  maks E k maks

56 emitter  maks E k [eV] Al0,97300 Cu1,35600 Cs0,9400 Mo1,25375 Ni1,3550 W1,43700 gelas  2,5 400 BeO10,2500 Al 2 O 3 4,81300 [6] Emisi Sekunder

57 Efek SCHOTTKY Dalam peristiwa emisi thermal telah disebutkan bahwa kenaikan medan listrik antara emitter dan anoda akan mengurangi efek muatan ruang. I V1V1 V2V2 V3V3 Medan yang tinggi juga meningkatkan emisi karena terjadi perubahan dinding potensial di permukaan katoda x EFEF Energi x0x0 e∅e∅ medan listrik tinggi V = eEx eΔ∅eΔ∅ Medan E memberikan potensial  eEx pada jarak x dari permukaan nilai maks dinding potensial penurunan work function

58 Peristiwa Emisi Medan Hadirnya medan listrik pada permukaan katoda, selain menurunkan work function juga membuat dinding potensial menjadi lebih tipis x EFEF Energi e∅e∅ medan listrik sangat tinggi V = eEx eΔ∅eΔ∅ jarak tunneling penurunan work function

59 Course Ware Mengenal Sifat Material Sifat Listrik Metal Sudaryatno Sudirham


Download ppt "Mengenal Sifat Material Sifat Listrik Metal. Dalam melihat sifat listrik material, kita hanya akan memperhatikan material metal (yang memiliki konduktivitas."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google