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.

B.1. PENGERTIAN 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, Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material tersebut akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya. MM akibat pembelokan superkonduktor Efek Maissner 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 atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor. 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 normal Atom Kisi pada logam 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 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: Panjang jarak medan magnet yang mampu menembus superkonduktor Suhu Pemadaman : Suhu dimana bahan superkonduktor akan rusak

Gambar : Kurva perkembangan titik Tc pada Material Superkonduktor 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 emperature Superconductor / HTS). Bahan superkonduktor adalah bahan yang mempunyai hanbatan nol, sehingga tidak ada energi yang terbuang menjadi panas . Gambar : Kurva perkembangan titik Tc pada Material Superkonduktor

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, 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 T > Tc T ≤ Tc

Superkonduktor sistem BSCCO Parameter yang dipakai pada bahan superkonduktor : Kekuatan medan magnet kritis (Hc),  Rapat arus kritis (Jc),  variabel yang bergantung satu sama lainnya  Suhu kritis (Tc) 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 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  MagLev Train kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph (550 km/jam). MRI 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.