Konduktor, Isolator dan Semikonduktor

Kemampuan suatu benda baik padat, cair atau gas untuk menghantarkan arus listrik atau elektron berbeda-beda. Dilihat dari kemampuan suatu benda untuk menghantarkan arus listrik, maka bahan listrik dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok, yaitu konduktor atau penghantar dan non konduktor atau isolator.
    Pengelompokan bahan listrik tersebut didasarkan pada kemampuan konduktansi dan nilai resistansi atau hambatan dari bahan listrik tersebut. Selain kedua jenis tersebut ada satu lagi yang sangat fonumentar, yaitu semikonduktor. Ketiga bahan yang diantaranya konduktor, isolator, dan bahan semikonduktor akan dijelaskan lebih lanjut dibawah ini.

Konduktor

Mobilitas elektron-elektron dalam suatu bahan disebut dengan konduktivitas listrik. Konduktivitas ditentukan oleh jenis atom dalam bahan (jumlah proton dalam setiap inti atom menentukan identitas kimianya) dan bagaimana atom-atom tersebut terhubung bersama satu dengan yang lain. Bahan dengan mobilitas elektron yang tinggi (banyak elektron bebas) disebut konduktor, karena bahan-baban tersebut memiliki konduktivitas tinggi.

    Untuk menentukan tingkat konduktivitas, dinyatakan dengan nilai konduktansi yang diukur dalam satuan mho. Bahan konduktor yang memiliki konduktivitas tinggi, berarti nilai konduktansinya juga tinggi. Sudah barang pasti, nilai konduktivitas setiap bahan konduktor berbeda-beda, ada yang nilainya tinggi ada pula yang rendah.

    Kebalikan dari konduktivitas adalah resistansitas. Jika suatu bahan konduktor dinyatakan memiliki konduktivitas tinggi, maka nilai resistansinya rendah, demikian sebaliknya jika bahan konduktor dinyatakan memiliki konduktivitas rendah maka nilai resistansinya tinggi. Untuk menyatakan tingkat resistansitas suatu bahan konduktor dinyatakan dengan nilai resistansi yang diukur dalam satuan ohm. Bahan konduktor yang memiliki resistansitas rendah, berarti memiliki nilai resistansi rendah. Untuk keperluan praktis, resistansi dinyatakan dengan huruf kapital R, sedang konduktasi dinyatakan dengan huruf kapital G.

 

Resistivitas

Arus yang mengalir dalam suatu penghantar selalu mengalami hambatan dari penghantar itu sendiri. Besar hambatan tersebut tergantung dari jenis bahan penghantar yang digunakan. Besar hambatan tiap meternya dengan luas penampang 1mm2 pada temperature 200°C dinamakan hambatan jenis atau resistivitas. 

Resistansi Konduktor

Seperti yang telah kalian ketahui, bahwa ketika pergerakan elektron-elektron bebas dalam suatu bahan, tanpa arah atau kecepatan tertentu, dan terpengaruh oleh gaya sehingga bergerak secara terkoordinasi melalui suatu bahan konduktif, maka pergerakan elektron yang merata ini disebut dengan listrik atau arus listrik. Sama seperti air yang mengalir melalui pipa, elektron dapat bergerak melalui ruang kosong diantara atom-atom dari konduktor. Konduktor mungkin terlihat sebagai suatu benda padat, tetapi bahan yang tersusun dari atom-atom sebagian besar merupakan ruang kosong. Analogi aliran air tersebut begitu cocok sehingga pergerakan elektron melalui suatu konduktor sering disebut sebagai “aliran”.

    Untuk keperluan penyaluran arus listrik secara efektif dan efisien, maka diperlukan bahan konduktor yang memiliki konduktivitas tinggi atau memiliki nilai resistansi rendah. Berikut beberapa contoh dari bahan konduktor yang lazim digunakan untuk keperluan penghantaran arus listrik: perak, tembaga, emas, aluminium, merkuri, dan grafit. Bahan yang memiliki konduktivitas rendah antara lain gelas, karet, minyak, aspal, serat kaca, porselen, keramik, kuarsa, kapas, kertas, kayu, plastik, udara, berlian, dan air murni.

    Konduktor atau penghantar listrik adalah bahan listrik yang mempunyai daya hantar listrik yang besar sehingga arus listrik mudah mengalir di dalamnya. Yang termasuk kelompok konduktor adalah semua logam dan campurannya. Jenis logam yang mempunyai daya hantar listrik besar dan banyak digunakan adalah tembaga, dan alumunium. Arus listrik yang dimaksudkan di sini dapat berupa arus kuat (electric current) dan dapat berupa arus lemah (signal).

    Nilai resistansi konduktor diukur dalam satuan ohm, lazimnya bervariasi mulai dari : 0.000001 atau 1x10-6 ohm, 0.00001 atau 1x10-5 ohm, 0.0001 atau 1x10-4 ohm hingga 0.001 atau 1x10-3 ohm.

    Nilai resistansi bahan konduktor harus sangat kecil, agar rugi tegangan yang ditimbulkan menjadi sangat kecil.Secara fisik, nilai resistansi suatu bahan konduktor, tergantung pada:

•Panjang konduktor yang digunakan dalam (m)
•Luas penampang konduktor yang digunakan dalam (m2)
•Jenis bahan konduktor yang digunakan

Jenis Bahan Konduktor

Bahan-bahan yang dipakai untuk konduktor harus memenuhi persyaratan-persyaratan sebagai berikut:

Konduktifitasnya cukup baik.

• Kekuatan mekanisnya (kekuatan tarik) cukup tinggi.
• Koefisien muai panjangnya kecil.
• Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar.
  

Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor, antara lain:

• Logam biasa, seperti: tembaga, aluminium, besi, dan sebagainya.
• Logam campuran (alloy), yaitu sebuah logam dari tembaga atau aluminium yang diberi dalam jumlah tertentu dari logam jenis lain, yang gunanya untuk menaikkan kekuatan mekanisnya.
• Logam paduan (composite), yaitu dua jenis logam atau lebih yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (smelting) atau pengelasan (welding).

 

Isolator

Tidak semua bahan memiliki konduktivitas tinggi. Bisa jadi bahan tersebut memiliki nilai konduktivitas yang sangat rendah, sehingga pergerakan atau perpindahan elektron jadi sangat sulit terjadi, bahkan bisa saja tidak dapat terjadi. Sebagai contoh dari bahan isolator adalah kaca cendela lebih baik dari sebagian besar plastik, dan lebih baik daripada fiberglass. Sama halnya dengan konduktor. Sebagai contoh dari bahan konduktor adalah perak. Bahan konduktor tersebut terbaik dalam golongan konduktor, bahannya memberikan ruang yang lebih mudah bagi elektron untuk bergerak dibandingkan dengan bahan konduktor lainnya.

    Isolator listrik adalah bahan yang tidak bisa atau sulit melakukan perpindahan muatan listrik. Dakan bahan isolator valensi elektronnya terikat kuat pada atom-atomnya. Bahan-bahan ini biasanya digunakan dalam peralatan listrik dan elektronik untuk alasan keamanan dan pencegahan terhadap bahaya sengatan arus listrik. Isolator ini juga digunakan sebagai penopang beban atau pemisah antara konduktor tanpa membuat adanya arus mengalir ke luar atau antara konduktor.

    Contoh dari bahan isolator yang bagus adalah kaca, kertas atau teflon. Beberapa bahan sintetis masih “cukup bagus” dipergunakan sebagai isolator kabel. Contohnya adalah plastik atau karet. Bahan tersebut dipilih sebagai isolator kabel karena lebih mudah dibentuk atau diproses sementara masih bisa menyumbat aliran listrik pada voltase menengah (ratusan, mungkin ribuan volt).

    Isolator atau non-konduktor adalah bahan listrik yang mempunyai nilai resistansi atau daya hambat listrik sangat tinggi, sehingga arus listrik tidak dapat mengalir melewatinya. Karena sifatnya yang tidak menghantarkan arus listrik maka bahan ini banyak digunakan untuk adalah gelas, mika, porselin, karet, minyak trafo dan pernis. 

Sifat-sifat Isolator

Isolator merupakan bahan penyekat yang digunakan utnuk memisahkan bagian-bagian yang bertegangan. Untuk itu pemakaian bahan penyekat perlu mempertimbangkan sifat kelistrikannya. Disamping itu juga perlu mempertimbangkan sifat termal, sifat mekanis, dan sifat kimia. Sifat kelistrikannya mencakup resistivitas, permitivitas, dan kerugian dielektrik. Isolator atau penyekatmembutuhkan bahan yang mempunyai resistivitas yang besar agar arus yang bocor sekecil mungkin (dapat diabaikan).

• Sifat mekanis listrik, yaitu mempertimbangkan kekuatan dari bahan tersebut sehingga dapat membatasi hal-hal penyebab kerusakan karena akibat salah pemakaian bahan.
• SWifat termis, yaitu mempertimbangkan kekuatan bahan tersebut dari panas akibat dari arus listrik atau gaya magnit dan juga pengaruh dari luar.
• Sifat kimia, yaitu mempertimbangkan yang mungkin terjadinya reaksi kimia akibat pengaruh dari luar, seperti kelembapan, panas, dan juga adanya pengaruh dari zat seperti gas, asam, garam, alkali, dan sebagainya.

 

Pembagian Kelas Isolator

Gambar 1. Polietilen

 

• Kelas y, suhu kerja maksimum 90°C yang termasuk dalam kelas ini adalah bahan berserat organis (seperti katun, sutera alam, wol sintetis, rayon serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen terdapat pada gambar 1. polivinil, karet, dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan pernis atau bahan pencelup lainnya. Termasuk juga bahan termoplastik yang dapat lunak pada suhu rendah.

• Kelas a, suhu kerja maksimum 150°C yaitu bahan berserat dari kelas y yang telah dicelup dalam pernis aspal atau kompon, minyak trafo, email yang dicampur dengan vernis dan poliamil atau yang terendam dalam cairan dielektrikum (seperti penyekat fiber pada transformator yang terendam minyak). Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang telah dicelup, termasuk kawat email (enamel) yang terlapis damar-oleo dan damar-polyamide.
• Kelas e, suhu kerja maksimum 120°C yaitu bahan penyekat kawat enamel yang memakai bahan pengikat polyvinylformal, polyurethene dan damar epoxy dan bahan pengikat lain sejenis dengan bahan selulosa, pertinaks dan tekstolit, film triacetate, film dan serat polyethylene terephthalate.
• Kelas b, suhu kerja maksimum 130°C yaitu yaitu bahan non-organik (seperti: mika, gelas, fiber, asbes) yang dicelup atau direkat menjadi satu dengan pernis atau kompon, dan biasanya tahan panas (dengan dasar minyak pengering, bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya). 
• Kelas f, suhu kerja maksimum 155°C. Bahan bukan organik dicelup atau direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan panas tinggi.
• Kelas h, suhu kerja maksimum 180°C. Semua bahan komposisi dengan bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa campuran bahan berserat (kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni.
• Kelas c, suhu kerja diatas 180°C. Bahan anorganik yang tidak dicelup dan tidak terikat dengan substansi organic, misalnya mika, mikanit yang tahan panas (menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas c yaitu politetra fluoroetilen (teflon).

 

Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan dengan konduktivitas listrik antara insulator dan konduktor. Semikonduktor juga disebut setengah bahan elektrik konduktif. Suatu semikonduktor bersifat sebagai insulator jika tidak diberi arus listrik dengan cara dan besaran arus tertentu, namun pada temperatur, arus tertentu, tatacara tertentu dan persyaratan kerja semikonduktor berfungsi sebagai konduktor, misal sebagai penguat arus, penguat tegangan dan penguat daya. Untuk menggunakan suatu semikonduktor supaya bisa berfungsi harus tahu spesifikasi dan karakter semikonduktor itu, jika tidak memenuhi syarat operasinya maka akan tidak berfungsi dan rusak. Bahan semikonduktor yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium arsenide. Sususan semikonduktor digambarkan seperti pada gambar 2.

Gambar 2. Susunan Semikonduktor

 

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor elektron). Salah satu alasan utama kegunaan semikonduktor dalam elektronik adalah sifat elektroniknya dapat diubah banyak dalam sebuah cara terkontrol dengan menambah sejumlah kecil ketidakmurnian. Ketidakmurnian ini disebut dopan.
    Dopping sejumlah besar ke semikonduktor meningkatkan konduktivitasnya dengan faktor lebih besar dari satu milyar. Dalam sirkuit terpadu modern, misalnya polycrystalline silicon didop-berat seringkali digunakan sebagai pengganti logam.

Konduksi Instriksi

Bila suatu bahan semikonduktor didinginkan hingga mencapai suhu -273°C (0 K), bahan semikonduktor ini tidak akan dapat menghantarkan arus listrik, hal ini disebabkan tidak adanya elektron bebas yang dikandung oleh bahan tersebut. Jadi pada suhu -273°C, bahan semikonduktor menjadi isolator. Jika bahan semikonduktor tersebut dipanaskan hingga 0°C, maka bahan semikonduktor tersebut mualai dapat menghantarkan arus listrik.

    Daya hantar jenis bahan semikonduktor naik secara eksponensial (kuadratis) dengan kenaikan suhu. Bila suatu kristal dipanaskan, maka atom-atom kristal tidak akan tinggal diam, tetapi bergerak ke segala penjuru. Akibatnya ikatan atom terhadap elektron terikat terlepas, sehingga menjadi elektron bebas. Elektron bebas menjadi semakin banyak, sehingga daya hantar bahan semikonduktor juga menjadi naik. Jadi daya hantar bahan semikonduktor berubah tergantung pada suhu.

Konduksi Ekstrinsik

    Komponen elektronik seperti dioda dan transistor dibuat dari bahan semikonduktor. Misalnya diode terbuat dari dua jenis bahan semikonduktor tipe p dan tipe n. Agar konduktivitas bahan semikonduktor untuk komponen elektronik ini tidak tergantung suhu (konduksi intrinsik) maka digunakan cara lain, yaitu pencampuran suatu kristal atom lain ke kristal atom bahan semikonduktor. Cara ini disebut dopping dan struktur kristal atom digambarkan pada gambar 3.

Gamabr 3. Struktur Kristal Atom Silikon

    Misalkan kristal atom silikon memiliki 4 elektron valensi, didopping dengan kristal atom arsenik yang memiliki 5 elektron valensi, sehingga campuran ini akan kelebihan elektron, dan disebut sebagai bahan semikonduktor tipe n seperti pada gambar 4.

Gambar 4. Bahan Semikonduktor Tipe n

Sebaliknya bila kristal atom silikon di-dopping dengan kristal atom indium yang hanya memiliki tiga elektron valensi maka campuran ini akan kekurangan elektron, sehingga menghasilkan bahan semikonduktor tipe p seperti pada gambar 5.

Gambar 5. Semikonduktor Tipe p

Contoh komponen yang disusun dari gabungan antara bahan semikonduktor tipe p dan tipe n adalah diode, transistor, dan scr

Abdurrahman Rasyid, S.Pd.

Lulusan Teknik Elektro yang hobi ngoprek komputer, gadget, dan traveling

Share this post