BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Superkonduktor Superkonduktor merupakan suatu material dengan temperatur tertentu yang sangat rendah (critical temperature) dan nilai hambatan listriknya (electrical resistivity) berubah secara drastis menjadi sama dengan nol. Penelitian dalam bidang superkonduktor masih dilakukan sampai sekarang untuk mendapatkan bahan dengan T c mencapai temperatur kamar (20 o C / 293 K) (Timbangen, 2005). Diawali oleh penemuan sifat superkonduktor pada unsur Hg di tahun 1911 oleh Kamerlingh Onnes dari Universitas Leiden yang telah berhasil mencairkan helium untuk mengkondisikan temperatur rendah hingga 4K atau -269 o C. Dalam proses pembelajaran sifat listrik dari logam pada temperatur yang sangat rendah dan diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah temperatur ruang, akan tetapi belum ada yang mengetahui batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur mendekati 0K atau nol mutlak. Peristiwa superkonduktivitas ditandai dengan arus listrik yang mengalir pada benda tanpa adanya hambatan sehingga arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Gambar 2.1 Kronologi sejarah material superkonduktor (Pia J.R., 2015)

2 5 2.2 Karakteristik Superkonduktor Temperatur Kritis (Tc) Material superkonduktor memiliki resistivitas sama dengan nol (ρ = 0) di temperatur rendah. Suatu bahan yang didinginkan di dalam nitrogen cair atau helium cair, maka nilai resistivitas bahan tersebut akan turun seiring dengan penurunan temperatur. Pada temperatur tertentu, resistivitas material akan turun secara drastis menjadi nol. Fenomena penurunan temperatur menjadi nol ini disebut dengan temperatur kritis (Tc), yaitu terjadinya transisi dari keadaan normal menjadi keadaan superkonduktor. Gambar 2.2 Grafik hubungan antara resistivitas terhadap temperatur Pada saat temperatur T > T c bahan dapat dikatakan berada dalam keadaan normal pada saat bahan tersebut memiliki nilai resistansi listrik. Perubahan ini dapat menghasilkan bahan menjadi bahan konduktor, bahkan menjadi isolator. Berbanding terbaik jika T < T c, bahan akan menolak medan yang datang yang disebabkan karena medan luar yang diberikan selalu sama besar dengan magnetisasi bahan tersebut, yang artinya bahan tersebut merupakan bahan superkonduktor dan nilai resistivitasnya turun drastis menjadi nol. Selain temperatur, keadaan superkonduktivitas juga tergantung pada beberapa variabel, yaitu medan magnet, dan rapat arus (Pikatan, 1989) Medan Magnet Kritis (Hc) 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

3 6 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 temperatur normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada temperatur kritis, medan magnet akan ditolak. Gambar 2.3 Diamagnetik sempurna (Triya, 2014) Rapat Arus Kritis (Jc) 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. Jika ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan mendekati elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar. Gambar 2.4 Keadaan superkonduktor atom kisi pada logam (Ghuna U., 2015).

4 7 Rapat arus kritis meningkat seiring menurunnya temperatur di bawah temperatur kritis sesuai dengan persamaan, J c T = J c (0) T c T T c (2.1) Nilai threshold arus dimana medan magnet disebabkan arus itu sendiri sebanding dengan medan magnet kritisnya (F.B. Silsbee, 1916). Pada suatu konduktor silinder, arus I mengalir di tengah konduktor. Pada jarak r dari garis aliran arus, terdapat medan magnet tangensial H r = I 2πr (2.2) dan arus kritis menurut hipotesis Silsbee pada silinder dengan jari-jari a dinyatakan dalam sehingga besarnya rapat arus Jc dapat ditentukan dengan I c = 2πaH c (2.3) J c = 2H c a (2.4) pada waktu yang sama, Laboratorium Leiden juga melakukan studi pengaruh tempertur terhadap medan kritis pada timah dengan hasil (W.Tuyn, 1926). H c T = H c (0) 1 T T c 2 (2.5) 2.3 Jenis Jenis Superkonduktor Superkonduktor dapat dibedakan berdasarkan temperatur kritis dan medan magnet kritis. Berdasarkan temperatur kritisnya superkonduktor dibagi menjadi 2 jenis, yaitu superkonduktor temperatur tinggi (High Temperature Superconductor HTS) dan superkonduktor temperatur rendah (Low Temperature Superconductor - LTS). Sedangkan superkonduktor berdasarkan medan magnet kritis yakni, Superkonduktor tipe I, dan Superkonduktor II High Temperature Superconductor (HTS) Superkonduktor temperatur tinggi (High Temperature Superconductor HTS) adalah superkonduktor yang memiliki temperatur kritis di atas temperatur nitrogen cair (77 K) sehingga sebagai pendinginnya dapat digunakan nitrogen cair (Windartun, 2008). Pada tahun 1987, kelompok peneliti di Alabama dan Houston yang dikoordinasi oleh K.Wu dan P. Chu, menemukan superkonduktor YBa2Cu3O7-x dengan Tc = 92 K. Ini adalah suatu penemuan yang penting karena untuk pertama kali didapat superkonduktor dengan temperatur kritis di atas temperatur nitrogen cair,

5 8 yang harganya jauh lebih murah daripada helium cair. Pada awal tahun 1988, ditemukan superkonduktor oksida 11 Bi-Sr-Ca-Cu-O dan Tl-Ba-Ca-Cu-O berturutturut dengan Tc = 110 K dan 125 K (Sukirman dkk., 2003) Low Temperature Superconductor (LTS) Superkonduktor temperatur rendah (Low Temperature Superconductor - LTS) merupakan superkonduktor yang memiliki temperatur kritis di bawah temperatur nitrogen cair (77 K). Sehingga untuk memunculkan superkonduktivitasnya, material tersebut menggunakan helium cair sebagai pendingin (Windartun, 2008). Adapun contoh dari superkonduktor temperatur rendah adalah Hg (4,2 K), Pb (7,2 K), niobium nitride (16 K), niobium-3-timah (18,1 K), Al0,8Ge0,2Nb3 (20,7 K), niobium germanium (23,2 K), dan lanthanum barium tembaga oksida (28 K) (Pikatan, 1989) Superkonduktor Tipe I 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 akan berubah kembali ke keadaan normal Superkonduktor Tipe II Abrisokov 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

6 9 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. 2.4 Magnesium Diboride (MgB 2 ) MgB 2 merupakan material superkonduktor (terdiri dari dua unsur logam yang mempunyai perilaku superkonduktor) dengan temperatur kritis ~39K (diatas helium cair), dengan rapat arus kritis yang tinggi sebesar A/cm 2 dan medan magnet 0 pada temperatur rendah. Struktur kristal MgB 2 adalah Hexagonal Closed Pack (HCP), termasuk dalam sistem kristal heksagonal dengan golongan ruang P6/mmm (J. Nagamatsu, 2001). Gambar 2.5 Struktur kristal MgB 2 (G. Fuchs, 2002) MgB 2 merupakan bahan intermetalik dengan bahan anisotropik superkonduktor tipe II dan merupakan material superkonduktor temperatur rendah. MgB 2 dapat disintesis dengan berbagai bagian, yang paling sederhana adalah dengan reaksi temperatur tinggi antara boron dan magnesium bubuk dengan pembentukan dimulai pada 650 C. (C. Larbalestier, 2001). Gambar 2.6 Diagram Fasa MgB 2

7 10 Tabel 2.1 Parameter material superkonduktor MgB 2 (Buzea, 2001) Parameter Nilai Tc K Kisi Heksagonal a = nm; b = nm Densitas teoretis 2.55 g/cm 3 Koef. Tekanan K/Gpa Densitas pembawa muatan x10 23 holes/cm 3 Efek isotop α B + α Mg = Medan kritis bawah H c1 (0) = mt Medan ireversibelitas H irr (0) = 6 35 T Panjang koherensi ξab = nm ξc = nm Kedalaman penetrasi λ(0) = nm Energy gap Δ(0) = mev Temperatur Debye Θ D = K Rapat arus kritis Jc(4.2K,0T) > 10 7 A/cm 2 Jc(4.2K,4T) = 10 6 A/cm 2 Jc(4.2K,10T) > 10 5 A/cm 2 Jc(25K,0T) > A/cm 2 Jc(25K,2T) > 105 A/cm 2 Properti sangat tergantung pada komposisi dan proses fabrikasi yang dilakukan. Sampel dengan pengotor yang diakibatkan oleh oksida pada batas kristal, berbeda dengan sampel tanpa oksida. (M. Eisterer, 2007). 2.5 Carbon Nanotubes (CNT) Sejak pertama kali ditemukan pada tahun 1991 carbon nanotubes telah menjadi objek terbarukan mengenai penelitian dalam bidang rekayasa (Sumio,I., 1991). Selain itu, carbon nanotubes juga menjadi bahan yang berpengaruh dalam pengembangan nanoteknologi. Carbon nanotubes adalah tubular berbentuk molekul yang mulus yang merupakan jenis baru dari molekul karbon aktif alotrop. Hal ini dapat dianggap sebagai graphene yang terbungkus atau kisi karbon atom yang berubah menjadi kisi quasi satu dimensi dengan pengaturan konservasi. Gambar 2.7 Struktur karbon nanotube (S. Ciraci., 2004).

8 11 Diameter bervariasi dalam ukuran nanometer, dari 0,6 Nm sampai puluhan Nm bahkan sampai lebih dari 1µm ( M. Dresselhaus., 2001). Sifat dan simetri dari carbon nanotubes tergantung pada vektor kiralnya, yaitu cara bagaimana graphene digulung terutama sifat elektronik. Hal ini dimungkinkan untuk menghubungkan CNT menjadi struktur tabung dengan memperkenalkan adanya cacatnya permukaan, berupa cincin pentagonal atau heptagonal, selain dari cincin heksagonal dalam struktur graphene (R. Saito, 1996). 2.6 SS304 SS304 austenitic merupakan tabung yang mudah dirol las dengan berbagai metode seperti GTAW, SAW dan mengandung maksimum 0.08% karbon. Tipe 304 paling umum dari grade austenitic, yang mengandung sekitar 18% kromium dan 8% nikel. Stainless steel seri 304 merupakan material yang tahan akan korosi, harga ekonomis dan material ramah lingkungan (Welding Engineering, 2015). 2.7 Pembuatan kawat Proses wire drawing merupakan suatu proses pembentukan logam dengan cara menarik wire rod, kawat batangan melalui dies atau cetakan oleh gaya tarik yang bekerja pada bagian luar dan ditarik kearah luar dies. Terjadinya aliran plastis pada pembentukan ini disebabkan oleh adanya gaya tekan yang timbul sebagai reaksi dari logam terhadap cetakan. Tujuan utama dari penarikan kawat adalah untuk mengecilkan diameter batang kawat. Batang Kawat berdiameter D 1 direduksi dengan memberi gaya tarik melalui cetakan menjadi kawat berdiameter D 2. Sehingga terjadi reduksi area atau pengurangan luas penampang yang dinyatakan dengan formula berikut: dengan: R = 1 r = reduksi area D 2 2 D 1 D 1 = Diameter sebelum direduksi D 2 = Diameter setelah direduksi (2.6) Pengecilan diameter dilakukan dalam beberapa tahap reduksi, dengan besarnya reduksi tiap tahap dapat menurun atau relatif sama. Tingkat keberhasilan proses wire drawing sangat tergantung pada banyak variabel seperti variabel wire rod yaitu drawability atau kemampuan untuk menarik, kualitas permukaan seperti

9 12 roundness, retak, kandungan pengotor atau inklusi dalam wire rod. Variabel operasi yang mempengaruhi keberhasilan proses drawing adalah kecepatan penarikan, pelumasan, tingkat reduksi, dan sudut dies. Gambar 2.8 Proses drawing Skematika cetakan untuk wire drawing ditunjukan pada gambar 2.8 merupakan konstruksi tempat masuknya logam ke dies dibuat sedemikian, sehingga kawat yang masuk cetakan akan menarik pelumas bersama dengan masuknya batang kawat. Sudut reduksi (reduction angle) adalah bagian dari cetakan di mana terjadi reduksi diameter. Pada daerah bantalan (bearing) tidak terjadi reduksi diameter, namun menambah gesekan pada permukaan kawat. Fungsi utama daerah permukaan bantalan adalah untuk memastikan diameter dan roundness kawat sesuai dengan target yang diinginkan. Tirus belakang (back relief) pada dies memungkinkan kawat untuk mengembang sedikit, setelah kawat keluar dari cetakan. Pada umumnya reduksi penampang untuk setiap tahap dies atau draft tidak lebih dari 30-35%. Untuk mendapatkan diameter akhir dengan total lebih besar dari 35% maka diperlukan reduksi ganda atau bertahap untuk mencapai reduksi keseluruhan. Diameter kawat berkurang setelah melalui dies tertentu, sedangkan kecepatan dan panjang kawat bertambah. Jadi kecepatan setiap capstan harus bertambah besar agar tidak terjadi slip antara kawat dengan capstan. Selama proses deformasi, temperature kawat tidak boleh melebihi dari 160 o C. temperatur yang terlalu tinggi dapat merubah sifat metalurgis kawat (T. Maxwell, 2001).

10 Kawat Superkonduktor Kawat superkonduktor merupakan kawat yang terbuat dari material superkonduktor. Ketika didinginkan di bawah temperatur transisi, ia memiliki hambatan listrik nol. Pada umumnya, superkonduktor konvensional yang digunakan ialah NbTi, tetapi temperatur kritis seperti YBCO yang lebih diminati dipasaran (American Magnetics Inc. 2008). Gambar 2.9 Proses pembuatan kawat superkonduktor (Physics World, 2009). Keuntungan kawat superkonduktor atas tembaga atau aluminium meliputi kepadatan arus maksimum yang lebih tinggi dan disipasi daya nol. Kelemahan termasuk biaya pendinginan dari kawat untuk superkonduktor temperatur (sering membutuhkan cryogens seperti helium cair atau nitrogen cair), bahaya pendinginan kawat (tiba-tiba kehilangan superkonduktivitas), sifat mekanik rendah dari beberapa superkonduktor, dan biaya bahan kawat dan konstruksi. Aplikasi utamanya adalah di magnet superkonduktor, yang digunakan dalam peralatan ilmiah dan medis di mana medan magnet yang tinggi diperlukan. 2.9 Karakterisasi Karakterisasi suatu material dilakukan untuk mengidentifikasi material secara fisis agar dapat dibedakan dengan material lainnya. Oleh karena itu, dilakukan analisa struktur serbuk MgB 2 dengan XRD, pengamatan mikrostruktur dan batas butir material kawat superkonduktor MgB 2 menggunakan SEM, serta nilai resistivitas dan nilai temperatur kritis menggunakan Cryogenic Magnet X Ray Difractometer (XRD) XRD merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi struktur kristal, ukuran kristal dari suatu bahan padat. Semua bahan yang mengandung kristal tertentu ketika dianalisa akan muncul puncak - puncak yang spesifik. Kelemahan alat ini tidak dapat untuk mengkarakterisasi bahan yang bersifat amorf. Struktur kristal dalam material berfasa tunggal atau lebih akan memiliki

11 14 pola XRD yang unik. Pola-pola XRD ini tersimpan dalam kumpulan data JCPDS/ICDD yang dapat digunakan sebagai data pencocokan puncak-puncak 2θ dan intensitas dari data XRD sampel yang diuji (Subhan, 2011). Penghamburan sinar ini mengikuti hukum bragg yang memenuhi persamaan berikut: nλ = 2d sinθ (2.7) dengan : λ = panjang gelombang sinar x d = jarak antar kisi kristal θ = sudut datang sinar n = orde difraksi (1,2,3 dan seterusnya) Tujuan dilakukannya pengujian analisis struktur kristal adalah untuk mengetahui perubahan fase struktur bahan dan mengetahui fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses pembuatan sampel uji. Tahap pertama yang dilakukan dalam analisa sinar-x adalah melakukan analisa pemeriksaan terhadap sampel yang belum diketahui strukturnya. Sampel ditempatkan pada titik fokus hamburan sinar- X yaitu tepat ditengah-tengah plate yang digunakan sebagai tempat yaitu sebuah plat tipis yang berlubang ditengah berukuran sesuai dengan sampel dengan perekat pada sisi baliknya (Sholihah & Zainuri, 2012). Hasil uji XRD kemudian dicocokkan dengan database International Commission Data Diffraction (ICDD). Ukuran kristal dilakukan dengan menggunakan persamaan formula Scherrer: dengan : D = kλ B Cos θ D = nilai ukuran kristal λ = panjang gelombang sumber sinar X θ = sudut difraksi puncak (2.8) k = adalah konstanta Scherrer (Kubus = 0,94, lain = 1) B = nilai FWHM (Maharsi, Jamaludin. 2014) Scanning Electron Microscopy (SEM) SEM adalah alat analisis dalam penggambaran sampel dengan perbesaran hingga puluhan ribu kali. Dengan analisis SEM dapat melihat ukuran partikel yang tersebar pada sampel. SEM bekerja dengan memanfaatkan elektron sebagai

12 15 sumber cahaya untuk menembak sampel. Sampel yang ditembak akan menghasilkan penggambaran dengan ukuran hingga ribuan kali lebih besar (Yosmarina, 2012). Sewaktu berkas elektron menumbuk permukaan sampel sejumlah elektron direfleksikan sebagai backscattered electron (BSE) dan yang lain membebaskan energi rendah secondary electron (SE). Emisi radiasi elektromagnetik dari sampel timbul pada panjang gelombang yang bervariasi tapi pada dasarnya panjang gelombang yang lebih menarik untuk digunakan adalah daerah panjang gelombang cahaya tampak dan sinar-x. Elektron-elektron BSE dan SE yang direfleksikan dan dipancarkan sampel dikumpulkan oleh sebuah sintillator yang memancarkan sebuah pulsa cahaya pada elektron yang datang. Cahaya yang dipancarkan kemudian diubah menjadi sinyal listrik dan diperbesar oleh photomultiplier. Setelah melalui proses pembesaran sinyal tersebut dikirim ke bagian grid tabung sinar katoda. (Nuha, 2008) Cryogenic Magnet Dalam fisika, Cryogenic merupakan studi tentang produksi dan perilaku bahan pada suhu yang sangat rendah. The National Institute of Standards and Technology telah mempertimbangkan bidang cryogenic melibatkan temperatur di bawah -180 C atau -292,00 F atau 93,15 K. Ini adalah garis pemisah logis, karena titik didih normal yang disebut gas permanen (seperti helium, hidrogen, neon, nitrogen, oksigen, dan udara normal) terletak di bawah -180 C sedangkan pendingin Freon, hidrogen sulfida, dan refrigeran umum lainnya memiliki titik didih di atas -180 C. (Di atas -150 C, -238 F atau 123 K). Untuk melihat sifat asli elektron pada benda padat, diperlukan alat yang dapat mengkondisikan lingkungan menjadi temperatur super rendah. Untuk menciptakan kondisi super dingin tersebut, dipakai media pendingin berupa cairan Nitrogen (hingga 79K) maupun cairan Helium (4,2K). Namun dengan perkembangan teknologi peralatan pendukung temperatur super dingin, maka untuk pendinginnya dapat juga memakai gas Helium yang di compress/expand untuk menurunkan temperaturnya. Sedangkan untuk melihat sifat magnet material yang disebabkan oleh spin elektron, dibutuhkan kondisi medan magnet tinggi.

13 16 Dengan memberi medan magnet dari luar, memaksa spin elektron mengikuti medan magnet luar. Sifat perubahan arah spin tersebut terhadap medan magnet luar, dapat mengetahui sifat magnetik pada benda tersebut. Alat yang bisa dibuat untuk analisa sifat elektron tersebut yaitu Cryogenic Magnet. Adapun parameter perubahan yang bisa dilakukan : temperatur (1,5-300K), medan magnet (0-8T) dan sudut sampel terhadap medan magnet (0-180 ). Komponen terdiri dari unit utama cryogenic magnet yang merupakan tempat dimasukkannya spesimen, circulation pump merupakan sistem pompa sirkulasi untuk mengurangi tekanan gas Helium sehingga temperatur dapat diturunkan hingga 1.5K. (Bilstein, 1996). Uji karakterisasi cryogenic magnet diawali dengan pemasangan sampel dengan menggunakan metode four point probe. Pada umumnya metoda ini digunakan untuk mengetahui besar resistivitas suatu material superkonduktor. Metode ini adalah salah satu jenis metode yang tidak merusak. Sesuai dengan namanya maka probe ini dipasang pada satu garis lurus (linear) dan masingmasing probe dipisahkan oleh jarak yang sama. Gambar 2.10 Metode Four Point Probe Arus dilewatkan melalui dua probe terluar dan beda potensial diukur melalui probe lainnya. Untuk material superkonduktor, selama arus (I) tidak melebihi arus kritis (Ic) maka beda potensial (V) akan bernilai nol, namun ketika arus (I) sama dengan arus kritis (Ic) maka V mempunyai harga tertentu. ρ = R A l (2.8) Di mana, ρ = Resistivity (Ohm.cm) A = Luas penampang (cm 2 ) l = Panjang (cm) (ASTM F42-93, 1997).