Superkonduktor

SUPERKONDUKTOR

oleh:Iyus Nurzaman 0905888

 

A.    PENDAHULUAN

Zat padat atau material padat yang ada disekitar kita memiliki sifat dan karaketristik yang berbeda-beda. Salah satunya adalah sifat yang berhubungan dengan daya hantar (konduktivitas) kelistrikan. Berdasarkan daya hantar kelistrikannya, zat padat  dibedakan menjadi konduktor, isolator, dan semikonduktor, dan yang paling baru adalah superkonduktor.

Bahan konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Bahan konduktor yang ada sekarang ini masih memiliki nilai resistansi atau hambatan listrik yang masih dapat menyebabakan disipasi atau hilangnya sebagian energy listrik yang di ubah menjadi panas. Namun, akhir-akhir ini ada sejenis bahan yang memiliki hambatan nol, sehingga daya hantarnya menjadi sangat baik dan dapat membuat hantaran energy listrik lebih efisien, yang dikenal sebagai bahan superkonduktor.

Pada bahan superkonduktor, hambatan listrik benar-benar bernilai nol. Artinya listrik dapat mengalir tanpa hambatan pada bahan superkonduktor ini. Apabila pada rangkaian tertutup dari superkonduktor dialirkan arus listrik, maka arus tersebut akan terus mengalir mengintari rangkaian tanpa batas waktu bahkan setelah sumber listrik dilepaskan dari rangkaian. Hal ini terjadi karena tidak ada kehilangan energi selama arus mengalir karena hambatannya benar-benar nol.

Sifat superkonduktivitas bahan ditemukan pertama kali oleh Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Pada saat itu, dia sedang mencoba mengamati hambat jenis (resistivity) logam merkuri (Hg) ketika didinginkan sampai suhu helium cair. Ternyata dia mendapatkan hambat jenis merkuri tiba-tiba turun drastis menjadi nol pada suhu 4,2 K. Fenomena konduktivitas sempurna inilah yang disebut superkonduktivitas,. Suhu ketika suatu bahan superkonduktor mulai mempunyai sifat superkonduktif disebut suhu kritis (Tc).

Bahan semikonduktor banyak dimanfaatkan dalam teknologi era modern. Sifat superkonduktivitasnya dapat membuat transmisi elektronik menjadi lebih efisien dan lebih cepat.  Namun saat ini penggunaam superkonduktor belum praktis, dikarenakan untuk mendapatkan bahan superkonduktor diperlukan proses pendinginan yang perlu biaya cukup besar, sebab suhu kritis bahan superkonduktor yang ada sekarang masih jauh di bawah suhu kamar.
Dalam uraian ini penulis akan coba membahas sedikit tentang bahan superkonduktor.

B.     BAHAN SUPERKONDUKTOR

1.      Pengertian Bahan Superkonduktor
 

Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner.Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya.
 

2.      Suhu dan Medan Magnet Kritis

Suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran electron  akan bertambah sehingga banyak  Phonons yang dipancarkan. Ketika  mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons akan memecahkan Cooper Pairs  dan bahan kembali ke keadaan normal.
Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga bahan superkonduktor memiliki medan magnet.

3.      Sifat dan Karakteristik Bahan Superkonduktor

a.      Sifat Kelistrikan

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 superkonduktor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, electron harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

b.      Sifat Kemagnetan

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut 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.

Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat melayang di bawah magnet. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena melayngnya magnet atau gejala “levitasi” yang terjadi pada bahan superkonduktor.

Gejala levitasi ini dimanfaatkan dalam pembuatan kereta supercepat MAGLEV.

Gejala Levitasi
Sumber: http://wanibesak.wordpress.com/2011/09/24/efek-meissner-pada-superkonduktor/

 

c.    Sifat Kuantum Superkonduktor

Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori BCS.

Teori BCS menjelaskan bahwa :

·         Interaksi tarik menarik antara elektron dapat 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 satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi.

·         Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil  dan dinamakan London Penetration Depth, yang merupakan konsekuensi dari Teori BCS.

 

4.      Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor

a.   Bahan Superkonduktor

Bahan semikonduktor yang pertama ditemukan adalah raksa oleh Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda..

Hal yang unik  adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor.

Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan suhu kritisnya dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

 

No	Bahan	Suhu Kritis (Tc) K	Tahun Ditemukan
1	Raksa Hg	4,2	1911
2	Timbal Pb	7,2	1913
3	Niobium nitrida	16,0	1960-an
4	Niobium-3-timah	8,1	1960-an
5	Al0,8Ge0,2Nb3	20,7	1960-an
6	Niobium germanium	23,2	1973
7	Lanthanum barium Tembaga oksida	28	1985
8	Yttrium barium tembaga oksida (1-2-3 atau YBCO)	93	1987
9	Thalium barium kalsium Tembaga oksida	125	-
10	Karbon ( C )	15	-
11	HgBa2Ca2Cu3O8	164	1995

b.   Tipe-tipe Superkonduktor

Berdasarkan  interaksi  dengan  medan  magnetnya,  maka superkonduktor dapat dibagi menjadi dua tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II. 

1)      Superkonduktor Tipe I

Superkonduktor tipe I menurut  teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer) dijelaskan  dengan  menggunakan  pasangan elektron (yang sering disebut  pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi.  Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor.

Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus – menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan normal.
Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur tunggal.

 

2)      Superkonduktor Tipe II

Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS karena  apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS, efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet. 

Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi  secara bertahap. Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I.

Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

 

5.      Perkembangan Penemuan bahan Semikonduktor

Dalam beberapa  tahun terakhir para ilmuwan telah menemukan berbagai macam bahan yang dapat menjadi superkonduktor. Bahan-bahan tersebut antara lain:

a.       Mercury (1911): Superkonduktor pertama ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi superkonduktor yaitu 4,2 Kelvin.

b.      Niobium Alloy (1941): Penggunaan superkonduktor dalam industri terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb₃Sn), yang menjadi superkonduktor pada suhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan magnet besar.

c.       Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb₃Ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.

d.      Heavy Fermion (1979): Superkonduktor Heavy Fermion seperti uranium platina (UPt₃) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.

e.       Cuprates (1986): Cuprates merupakan superkonduktor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.

f.       Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang menjadi superkonduktor ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.

g.      HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi superkonduktor pada suhu 164 Kelvin.

h.      Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari superkonduktor konvensional.

i.        Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.

 

6.      Pemanfaatan Superkonduktor

a.   Kereta MagLev (Magnetic Levitation Train)

Superkonduktor dapat digunakan dalam pembuatan teknologi transportasi, seperti kereta supercepat. Di Jepang, kereta api supercepat ini diberi nama “The Yamanashi MLX01 MagLev Train”, dimana kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, sampai 343 mph (550 km/jam).

 

 

 

 

 Sumber: http://achtungpanzer.blogspot.com/2009/05/kereta-maglev.html

b.   Generator listrik super-efisien

Suatu perusahaan amerika, American Superkonduktor Corp, diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 MegaWatt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik.

c.    Kabel Listrik Super efisien

Untuk transmisi listrik dapat digunakan kabel dari bahan superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, karena 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.

d.   Supercomputer
Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis.

 

e.    Magnetic resonance imaging (MRI). 

Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik pencitraan medis  untuk memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh. Bentuk dari devais Magnetic Resonance Imaging ditunjukkan pada gambar berikut.

 

 

C.    PENUTUP

Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya, yaitu suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor.

Contoh bahan yang termasuk superkonduktor diantaranya, Raksa Hg, Timbal Pb, Niobium-3-timah,Niobium germanium , Lanthanum barium Tembaga oksida           Yttrium barium tembagaoksida (1-2-3 atau YBCO), Thalium barium kalsium Tembaga oksida, dan lain-lain.

Bahan semikonduktor banyak dimanfaatkan dalam teknologi era modern. Sifat superkonduktivitasnya dapat membuat transmisi elektronik menjadi lebih efisien dan lebih cepat.  Teknologi yang memanfaatkan superkonduktor diantaranya, kereta supercepat MAGLEV, generator dan kabel superefisien, computer super cepat, dan Magnetic Resonance Imaging (MRI) yang merupakan suatu teknik pencitraan medis.

Namun saat ini penggunaam superkonduktor belum praktis, dikarenakan untuk mendapatkan bahan superkonduktor diperlukan proses pendinginan yang perlu biaya cukup besar, sebab suhu kritis bahan superkonduktor yang ada sekarang masih jauh di bawah suhu kamar.

 

DAFTAR REFERENSI

 

         . 2010. Sejarah Dan Pengertian Superkonduktor [Online]. Tersedia: http://fanwar.staff.uns.ac.id/2010/04/23/sejarah-dan-pengertian-superkonduktor/ [14 Mei 2012].

         .2012. Kehebatan Bahan Superkonduktor [Online]. Tersedia: http://andavenger.blogspot.com/2012/01/kehebatan-bahan-superkonduktor.html [14 Mei 2012].

Aya. 2010. Superkonduktor 1 (pengertian) [Online]. Tersedia: http://material-sciences.blogspot.com/2010/02/superkonduktor.html [14 Mei 2012].

 Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat (Terjemehan The Houw Liong). Jakarta:Erlangga.
Ismunandar dan Cun Sen. 2011. Mengenal Superkonduktor [Online]. Tersedia: http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1100396563.  [14 Mei 2012].

Sinaga, Parlindungan. 2011. Diktat Perkuliahan Fisika Modern. Bandung: FPMIPA UPI.

Wiendartun. 2011. Diktat Perkuliahan Fisika Zat Padat. Bandung: FPMIPA UPI