Superkonduktor

tulisan ini diambil dari paper tugas kuliah Material Teknik Listrik,


SUPERKONDUKTOR

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. 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 (T_c). 

Suhu Kritis / Critical Temperature (Tc)

Suhu Kritis ini dapat dianalogikan misalnya  perubahan fase air dari keadaan cair ke keadaan padat karena sama – sama mempunyai temperature transisi. Temperatur ini berbeda-beda untuk setiap material. Material pertama yang ditemukan efek superkonduktivitasnya, yaitu Merkuri yang mempunyai critical temperature serendah 4⁰K  (-269⁰C). 

Pada kondisi “Dibawah temperature kritisnya Tc, elektron – elektron konduksi pembawa muatan akan mencapai suatu tingkatan keadaan baru dan membentuk pasangan elektron yang disebut Cooper Pairs.” ( Bardeen, Cooper, dan Schieffer , University of Illionis ). Pasangan-pasangan elektron ini bergerak dengan momentum yang sama tanpa mengalami sembarang proses yang dapat menyebabkan kehilangan energi. Dimana Pergerakan dari electron electron dalam bahan superkonduktor diibarat sepasukan tentara yang berbaris rapi dan berjalan dengan kecepatan yang sama dan tidak terjadi pelanggaran diantara mereka. Hal ini yang menyebabkan elektron dapat bergerak tanpa resistan.

Pada konduktor biasa, elektron bergerak sendiri-sendiri dan akan kehilangan sebagian energinya jika ia terhambur oleh kotoran (impurities) atau oleh phonon, phonon adalah kuantum energi getaran kerangka (lattice) kristal bahan. Elektron tersebut akan menimbulkan distorsi terhadap kerangka kristal sehingga menimbulkan daerah tarikan. Tarikan ini dalam superkonduktor pada suhu rendah bisa mengalahkan tolakan Coulomb antar elektron, sehingga dengan ukar menukar phonon dua elektron justru akan membentuk ikatan menjadi pasangan Cooper. Oleh karena keadaan kuantum mereka semuanya sama, suatu elektron tidak dapat terhambur tanpa mengganggu pasangannya, padahal pada suhu T < Tc getaran kerangka tidak memiliki cukup energi untuk mematahkan ikatan pasangan tersebut. Akibatnya mereka tahan terhadap hamburan, jadilah bahan tersebut superkonduktor.

Medan Magnet Kritis.

      Medan magnetik yang cukup kuat dapat melenyapkan superkonduktivitas pada suatu material superkonduktor, dimana harga kritis dari medan magnetik untuk menghilang-kan superkonduktivitas disebut MEDAN KRITIS (Hc).

Arus yang melalui bahan akan membangkitkan medan magnet H, pada harga medan magnet tertentu Hc, bahan akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya. Setalah melebihi Hc maka energi akan interaksi antara elektron superkonduktif dengan medan magnet yang cukup besar untuk dapat memecahkan ikatan yang terjadi pada pasangan elektron coopers pairs. Nilai Hc tergantung pada temperature bahan dan membentuk suatu hubungan saling ketergantungan yang berbentuk fungsi parabolik dengan Tc, 

 

Kehadiran medan magnetik mempengaruhi tingginya temperatur kritis

         Tinggi rendahnya suhu transisi Tc dipengaruhi banyak faktor. Seperti tekanan yang dapat menurunkan titik beku air, suhu kritik superkonduktor juga bisa turun dengan hadirnya medan magnet yang cukup kuat.

Arus Kritis (Ic)

          Medan kritik (Hc) tidak harus berasal dari luar, tapi juga bisa ditimbulkan oleh medan

internal, yaitu jika ia diberi aliran arus listrik. Untuk superkonduktor berbentuk kawat

beradius r, arus kritiknya dinyatakan oleh aturan Silsbee :

Ic = 2 p . r . Hc

Jadi pada suhu tertentu ( T < Tc ) , bahan superkonduktor memiliki ketahanan

yang terbatas terhadap medan magnet dari luar dan arus listrik yang bisa diangkutnya.

Kalau harga-harga kritik ini dilampaui, sifat superkonduktor bahan akan lenyap dengan

sendirinya. Ambil contoh untuk kawat Pb beradius 1 mm pada suhu 4 K, agar ia tetap

bersifat superkonduktor ia tidak boleh menerima medan magnet lebih besar dari 48000

A/m atau mengangkut arus listrik lebih dari 300 A. Pada ukuran dan suhu yang sama

Nb3Sn mampu mengangkut 12500 A, oleh sebab itulah secara teknis superkonduktor tipe

II lebih baik pakai. Sebagai perbandingan YBCO pada suhu 77 K dapat mengangkut arus sebesar 530A, cukup lumayan! Naiknya suhu operasi mempunyai nilai ekonomis, karena biaya pendinginan menjadi lebih murah dibandingkan helium cair (untuk menjaga suhu 4 K). Satu liter He harganya US$ 4 (Rp.7000) sedangkan satu liter N2 cuma 25 cent (Rp.450), padahal dalam prakteknya penguapan 1 liter N2 setara dengan penguapan 25 liter He.

Tipe-Tipe Superkundoktor  

             1. Superkonduktor Tipe I

Keluarga superkonduktor yang terdiri dari unsur-unsur tunggal yang dipelopori

oleh temuan Onnes, disebut superkonduktor tipe I atau superkonduktor konvensional, ada kira-kira 27 jenis dari tipe ini. Suatu hal yang menarik, bahwa unsur-unsur yang pada suhu kamar merupakan konduktor banyak diantara mereka yang tidak memiliki sifat superkonduktor pada suhu rendah, contohnya tembaga, perak dan golongan alkali.

2. Superkundoktor Tipe II

Pada tahun 1960-an lahirlah keluarga superkonduktor tipe II, yang 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. Sifatnya agak agak berbeda dengan tipe I karena suhu kritiknya relatif lebih tinggi, sehingga tipe II ini sering disebut superkonduktor yang alot. Semua alat yang telah menerapkan superkonduktor dewasa ini menggunakan bahan tipe II ini, alasannya akan menjadi jelas kemudian.

            3. Superkonduktor Bahan Keramik

Pada tahun 1985 di laboratorium riset IBM di Zurich, A.Muller dan G.Bednorz

memulai era baru bagi ilmu bahan superkonduktor. Mereka menemukan bahwa senyawa keramik tembaga oksida dapat memiliki sifat superkonduktor pada suhu yang relatif tinggi, rekor suhu kritik yang saat ini sudah mencapai 125 K juga dipegang oleh golongan ini. Perkembangan selanjutnya tampak agak seret, para ahli sendiri masih meributkan ada tidaknya batas suhu kritik yang mungkin dicapai. Ahli riset di Institut Teknologi California meramalkan bahwa suhu kritik superkonduktivitas tidak akan pernah melampaui 250 K, jadi masih cukup jauh di bawah suhu kamar. Apakah benar demikian, kita tunggu saja hasil-hasil penelitian berikutnya.

Aplikasi Bahan Superkonduktor

Medical Application

      NMR – Nuclear Magnetic Resonance – Scanning

      Brain wave activity – brain tumour, defective cells

      Separate damaged cells and healthy cells

      Superconducting solenoids – magneto hydrodynamic power generation – plasma maintenance

Engineering

      Transmission of power

      Switching devices

      Sensitive electrical instruments

      Memory (or) storage element in computers.

      Manufacture of electrical generators and transformers

      Kereta Magnet (Maglev, Magnetic Levitation Train)

Aplikasi Pada MRI

Aplikasi Pada Sistem Transportasi

 

  referensi atau daftar pustaka serta versi lengkapnya terdapat pada makalah asli.