fisika material

2. KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha Panyayang, Kami
panjatkan puja dan puji syukur atas kehadirat-Nya, yang telah melimpahkan rahmat, hidayah,
dan inayah-Nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah tentang sifat
kelistrikan material ini.
Makalah ini telah kami susun dengan maksimal dan mendapatkan bantuan dari berbagai
pihak sehingga dapat memperlancar pembuatan makalah ini. Untuk itu kami menyampaikan
banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah berkontribusi dalam pembuatan makalah
ini.
Terlepas dari semua itu, Kami menyadari sepenuhnya bahwa masih ada kekurangan baik
dari segi susunan kalimat maupun tata bahasanya. Oleh karena itu dengan tangan terbuka
kami menerima segala saran dan kritik dari pembaca agar kami dapat memperbaiki makalah
ini.
Akhir kata kami berharap semoga makalah ilmiah tentang sifat kelistrikan material ini
dapat memberikan manfaat maupun inpirasi terhadap pembaca.
Surabaya, 17 April 2017
Penyusun

3. DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR..................................................................................................................i
DAFTAR ISI..............................................................................................................................ii
DAFTAR GAMBAR................................................................................................................iii
BAB I PENDAHULUAN..........................................................................................................1
1.1 Latar belakang.............................................................................................................1
1.2 Tujuan..........................................................................................................................1
1.3 Manfaat........................................................................................................................1
BAB II PEMBAHASAN...........................................................................................................2
2.1 Hukum Ohm................................................................................................................2
2.2 Konduktivitas dan Resistivitas Listrik.........................................................................2
2.2.1 Konduktivitas Listrik...........................................................................................2
2.2.2 Resistivitas Listrik................................................................................................4
2.3 Pembawa muatan.........................................................................................................5
2.3.1 Konduksi Elektronik............................................................................................6
2.3.2 Konduksi Ionik.....................................................................................................6
2.4 Mobilitas Elektron.......................................................................................................7
BAB III PENUTUP....................................................................................................................9
3.1 Kesimpulan..................................................................................................................9
DAFTAR PUSTAKA...............................................................................................................10

4. DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bar chart batas konduktivitas listrik pada suhu kamar untuk metal, keramik,
polimer dan semikonduktor material.........................................................................................8
Gambar 2.2 Diagram skematik yang menunjukkan jalur sebuah elektron yang dibelokkan
oleh peristiwa penyebaran........................................................................................................10

5. 1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Material adalah atau bahan adalah zat atau benda yang dari mana sesuatu dapat dibuat
darinya, atau barang yang dibutuhkan untuk membuat sesuatu. Material dibagi menjadi tiga
jenis yaitu logam, keramik dan polimer. Setiap jenis material membawa sifat dan karakter
yang berbeda. Sifat material inilah yang biasa dimanfaatkan untuk pembuatan komponen
berdasarkan tujuan dari komponen tersebut. Material digunakan hampir di segala aspek
kehidupan mulai dari industri, rumah tangga, pendidikan, kelistrikan dan masih banyak lagi.
Setiap material memiliki banyak sifat, diantaranya sifat listrik. Listrik merupakan
energi yang dapat disalurkan melalui penghantar berupa kabel, adanya arus listrik
dikarenakan muatan listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif.Tujuan Sifat listrik
material sering dijadikan pertimbangan yang penting ketika akan memutuskan rancangan atau
struktur komponen. Misalnya komponen integrated circuit. Pemilihan bahan untuk
pembuatan integrated circuit sangat perlu mempertimbangkan sifat listrik material mengingat
integrated circuit akan selalu berhubungan dengan medan listrik. Untuk itu diperlukan
pembelajaran sifat listrik dari material, yang merupakan respon suatu bahan terhadap medan
listrik. Pertama, dapat dilihat fenomena konduksi listrik, yang sebenarnya merupakan
mekanisme konduksi listrik oleh elektron, dan bagaimana struktur energi dalam elektron akan
mempengaruhi kemampuan konduksi material.
1.2 Tujuan
Tujuan dari pembuatan ini adalah untuk mempelajari sifat kelistrikan dari suatu
material terutama sifat material terhadap konduksi listrik.
1.3 Manfaat
Manfaat dari pembuatan makalah ini untuk mengetahui sifat dan karekteristik material
jika berada di medan listrik.
1

6. 2 BAB II
PEMBAHASAN
Sifat listrik material yang akan dibahas dalam makalah ini adalah sifat konduksi listrik.
2.1 Hukum Ohm
Salah satu sifat kelistrikan yang paling penting dari material padat adalah kemudahannya
dalam mentransmisikan arus listrik. Berdasarkan Hukum Ohm, hubungan antara arus listrik
dan tegangan dirumuskan sebagai berikut
V=I R (2.1)
keterangan:
R : Resistansi dari material yang di lewati oleh arus (Ω)
I : Arus listrik (A)
V : Tegangan (V)
Nilai R dipengaruhi oleh konfigurasi dari bahan, dan beberapa material tidak dipengaruhi
oleh arus listrik. Resistivitas listik (ρ) tidak dipengaruhi oleh geometri bahan, namun
berdasarkan hubungan dengan R yang dituliskan pada persamaan berikut :
ρ=
R A
l
(2.2)
keterangan :
l : Jarak antara dua titik dimana tegangan diukur (m)
A : Luas penampang yang tegak lurus dengan arah arus (m2
)
ρ : Resistivitas listrik (Ω.m)
Hubungan antara resistivitas dengan tegangan didapatkan dengan mengubah nilai R dengan
nilai R yang terdapat pada Persamaan 1, sehingga didapatkan
ρ=
V A
I l
(2.3)
2

7. 2.2 Konduktivitas dan Resistivitas Listrik
2.2.1 Konduktivitas Listrik
Konduktivitas listrik σ digunakan untuk menentukan karakteristik listrik dari suatu
material. Ini hanyalah kebalikan dari resistivitas, atau dituliskan dalam rumus
σ=
1
ρ
(2.4)
keterangan:
σ : Konduktivitas listrik (Ω.m)
ρ : Resistivitas listrik (Ω.m)
Konduktivitas listrik menunjukan kemudahan material untuk mengonduksi arus
listrik. Satuan untuk konduktivitas listrik adalah ohm-meter (Ω.m).
Hukum Ohm juga dapat dinyatakan sebagai :
J=σ Ε (2.5)
Keterangan :
J : rapat arus, arus per unit areal spesimen (I / A)
E : intensitas medan listrik
E adalah intensitas medan listrik, atau perbedaan tegangan antara dua titik dibagi dengan
jarak yang memisahkan kedua titik tersebut, atau dapat ditulis menjadi :
Ε=
V
l
(2.6)
Bahan padat menunjukan konduktivitas listrik yang menakjubkan, luas nya lebih dari
27 kali lipat, mungkin tidak ada sifat fisik lain yang berada pada nilai ini. Bahkan, salah satu
cara mengklasifikasikan bahan padat adalah sesuai dengan kemudahan yang mereka
melakukan arus listrik. Dalam skema klasifikasi ini ada tiga kelompok: konduktor,
semikonduktor, dan isolator. Logam adalah konduktor yang baik, biasanya memiliki
konduktivitas pada urutan 107
(Ω•m)-1
. Pada sisi yang lain adalah bahan dengan konduktivitas
yang sangat rendah, berkisar antara 10-10
dan 10-20
(Ω•m)-1
, ini adalah isolator listrik. Bahan
dengan konduktivitas menengah, umumnya dari 10-6
dan 104
(Ω•m)-1
, diistilahkan
3

8. semikonduktor, rentang konduktivitas listrik untuk berbagai jenis material dibandingkan di
bar chart dari Gambar 2.1.
Gambar 3.1 Bar chart batas konduktivitas listrik pada suhu kamar untuk metal, keramik, polimer dan
semikonduktor material
2.2.2 Resistivitas Listrik
Seperti disebutkan sebelumnya, sebagian besar logam merupakan penghantar listrik yang
baik, konduktivitas suhu ruang untuk beberapa logam tercantum dalam Gambar. Logam
memiliki konduktivitas tinggi karena sejumlah besar elektron bebas yang tertarik ke dalam
ruang kosong di atas energi Fermi. Dengan demikian n memiliki nilai besar seperti yang
tercantum dalam Persamaan 2.10.
Karena cacat kristal berfungsi sebagai hamburan pusat untuk konduksi elektron dalam logam,
meningkatkan jumlah elektron akan menimbulkan resistivitas (atau menurunkan
konduktivitas). Ketidaksempurnaan ini bergantung pada suhu, komposisi, dan derajat kerja
dingin dari spesimen logam. Bahkan, telah diamati secara eksperimental bahwa total
resistivitas logam adalah penjumlahan pengaruh dari getaran termal, pengotor, dan deformasi
plastik yang menghambur.
4

9. Gambar 3.2 Konduktivitas Suhu Ruang Elektrik
Gambar 3.3 Resistivitas Eletrik terhadap Suhu untuk Tembaga dan Tiga Paduan Tembaga
Nikel, Salah Satunya Sudah Terdeformasi. Pengaruh Suhu, Pengotor, dan Deformasi pada
Resistivitas terjadi pada Suhu 100o
C.
Mekanisme ini bertindak independen satu sama lain dan dapat dituliskan dengan Persamaan
2.7
Ρtotal= ρt + ρi + ρd (2.7)
di mana t, i, dan d mewakili termal individu, ketidakmurnian, dan kontribusi deformasi
resistivitas, masing-masing. Persamaan 2.7 kadang-kadang dikenal sebagai aturan
Matthiessen. Pengaruh masing-masing variabel pada total resistivitas ditunjukkan pada
Gambar x, yang merupakan plot dari resistivitas terhadap suhu dari tembaga dan paduan
tembaga-nikel. Sifat aditif dari resisitivitas digambarkan pada suhu -100o
C
5

10. 2.3 Pembawa muatan
Sebuah arus listrik dihasilkan dari gerak partikel bermuatan sebagai respon dari gaya
luar yang mengenai sebuah medan listrik. Muatan positif partikel akan bergerak ke arah
medan listrik sedangkan muatan negatif akan bergerak ke arah sebaliknya. Dalam
kebanyakan material padat, arus muncul dari aliran elektron, disebut sebagai konduksi
elektronik. Ditambah, sebagai material ionik gerak bebas dari ion bermuatan juga dapat
menimbulkan arus, disebut sebagai konduksi ionik.
2.3.1 Konduksi Elektronik
Biasanya hanya salah satu dari konduksi elektronik atau konduksi ionik yang lebih
dominan dalam perpindahan muatan, dan dalam beberapa kasus konduksi yang tidak
dominan akan diabaikan. Konduksi elektronik terjadi saat elektron yang berada di dalam
medan listrik berpindah ke material. Lompatan elektron dari medan listrik ke material ini
akan menghasilkan arus listrik.
2.3.2 Konduksi Ionik
Baik kation maupun anion dalam material ionik memiliki arus listrik, yang
menyebabkan perpindahan - perpindahan atau difusi saat ada medan listrik. Arus listrik ini
akan membuat ion-ion bermuatan ini bergerak bebas, sehingga menyebabkan pertambahan
arus karena pergerakan elektron. Kation dan anion bergerak menuju arah yang berlawanan.
Total konduktivitas material ionik σtotal adalah penjumlahan antara kontribusi konduktivitas
elektronik dan ionik, seperti berikut :
σtotal =σelectronic+σionic (2.8)
Salah satu dari konduktivitas elektronik atau ionik akan lebih dominan, tergantung material,
kemurnian bahan dan suhu.
Mobilitas μ1 dapat dihubungkan dengan masing - masing jumlah ion, seperti :
μ1=
n1 e D1
kT
(2.9)
keterangan :
n1 : koefisien valensi partikel tertentu
D1 : koefisien difusi partikel tertentu
6

11. e : muatan arus listrik pada elektron (1,6 X 10-19
C)
k : konstanta Boltzman (1,380x10-23
J/K)
T : suhu
Demikian adalah kontribusi total konduktivitas yang meningkat karena peningkatan suhu
seperti yang terjadi pada komponen elektronik. Bagaimana pun walau bergantung pada kedua
distribusi konduktivitas tapi kebanyakan material ionik tetap terbatas bahkan saat suhu
dinaikkan
2.4 Mobilitas Elektron
Ketika medan listrik diterapkan, gaya akan menahan elektron bebas, sebagai
konsekuensinya, elektron akan bergerak menjauhi medan listrik, berdasarkan muatan
negatifnya. Menurut hukum mekanika kuantum, tidak ada interaksi antara pergerakan
elektron dan pergerakan atom dalam kisi kristal yang sempurna. Karena dalam keadaan
seperti itu, semua elektron bebas akan bergerak semakin cepat selama medan listrik
diterapkan, yang akan menimbulkan arus listrik yang akan terus bertambah seiring
berjalannya waktu. Namun, kita tahu bahwa arus mencapai nilai konstan dalam waktu yang
instan ketika medan listrik diterapkan, menunjukkan bahwa disana terdapat gaya gesekan,
yang berlawanan arah dari medan listrik. Gaya gesekan ini merupakan hasil dari
ketidaksempurnaan penyebaran elektron oleh kisi kristal, termasuk kemurnian atom,
vacancies, atom interstisial, dislokasi, dan bahkan getaran termal dari atom itu sendiri. Setiap
peristiwa hamburan menyebabkan elektron kehilangan energi kinetik dan mengubah arah
geraknya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Namun, beberapa elektron bersih
bergerak dengan arah yang berlawanan dengan medan listrik. Dan aliran ini disebut juga arus
listrik.
Fenomena hamburan diwujudkan sebagai sebuah hambatan terhadap bagian dari sebuah arus
listrik. Beberapa parameter yang digunakan untuk menggambarkan tingkat hamburan ini,
termasuk kecepatan melintas dan mobilitas elektron. Kecepatan melintas mewakili kecepatan
rata-rata elektron dalam arah gaya yang dikenakan oleh medan. Hal itu berbanding lurus
dengan medan listrik sebagai berikut:
vd=μe E (2.10)
keterangan :
7

12. μe : Konstanta proporsionalitas / mobilitas elektron ( m2 / v ) s
Konduktivitas σ kebanyakan dapat dinyatakan sebagai :
σ=n∨e∨μe (2.11)
keterangan :
n : jumlah elektron bebas
|e| : muatan listrik dari sebuah elektron (1.6 x 10-19
C)
Dengan demikian, konduktivitas listrik sebanding dengan jumlah elektron bebas dan
mobilitas elektron.
Gambar 3.4 Diagram skematik yang menunjukkan jalur sebuah elektron yang dibelokkan
oleh peristiwa penyebaran
8

13. 3 BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang didapatkan dari makalah ini adalah sebagai berikut
a. Dasar untuk menentukan sifat kelistrikan pada suatu material adalah Hukum Ohm.
b. Konduktivitas listrik digunakan untuk menentukan karakteristik listrik dari suatu
material. Nilai konduktivitas dari suatu material berbanding terbalik dengan nilai
resistivitas.
c. Konduksi material terjadi karena pergerakan elektron dan pergerakan ion.
d. konduktivitas listrik sebanding dengan jumlah elektron bebas dan mobilitas elektron.
9

14. DAFTAR PUSTAKA
[1] William D. Callister, Jr and David G. Rethwisch. 2007. Material Science and
Enginerring and Introduction. United States of America. John Wiley and Sons.inc
10