Note

This is a collection of my Electrical Materials course assignment during my undergraduate study at the Electrical Engineering Department of Udayana University, 2010. Bahasa Indonesia dibawah / Indonesian language below. Some of my assignments were lost because some of them were handwritten and submitted but here are the surviving assignments that were recorded electronically. The purpose of this post apart from being a reference for students is for others who want to know what kind of assignments were given during my era. This assignment has never been published anywhere and I, as the author and copyright holder, license this task with a CC-BY-SA compliant where anyone can share, copy, republish and sell on condition to state my name as the author and notify you that the original and open versions are available here.

Introduction to Electrical Insulation and an introduction for the general public who have not yet studied electricity

To study electrical insulation, it is better to know in advance how electricity flows and its properties. In an atom there are three kinds of charges. Positive, negative and neutral charges. positive charge is called "proton", negative charge is called "electron" and neutral charge is called "neutron". Similar charges (++,-) repel each other, different charges (+-) attract each other. Electricity is a flowing charge, in the salt bridge in chemistry, electricity can be generated because of the flowing electrons.

This will explain more about the salt bridge, but the reader doesn't have to go into it. It is enough to read it because this section is an introduction. In chemistry it is known as the oxidation number, which is a number that states the amount of electric charge of an element in its compound. There are two chemical reactions known in this section, namely reduction and oxidation. A particle is said to experience a reduction when it captures an electron, it is said to undergo oxidation when it releases an electron. In a salt bridge, there are two poles connected by cables that can carry electric current, one pole is reduced (accepts electrons) and the other pole experiences oxidation (releases electrons). If in the middle of the cable is connected to a multi-tester, it will appear that there is an electric current flowing in the cable. Because this section is for introduction only, the author will not provide further information. If you want to know more about it, study Chemistry especially Electrochemistry.

The basic things an electrician should know are current, voltage and resistance. The currents are already described in the section on salt bridges. Current is defined as I = dq/dt is the charge flowing per second in units of I (amperes). Voltage is like the pressure in water, V = dw/dq is the energy in the charge in V (volts). Resistance is the resistance to an electric current, V = IR or R = V/I in units of R (ohms). To understand resistance, think of it as a water pipe being narrowed. If the pipe is narrowed, the water will press harder and will flow less, if it is narrowed again until it closes, there will be no water flowing. Similar to resistance. To learn more about this study Electrical Circuits.

After knowing this, we can understand more easily about electrical insulation. A material is said to be a conductor if it can easily carry an electric current, for example iron, water, salt and so on. Humans are good conductors because about 80% of our body is water. Therefore, it is easy for us to feel stun (tension felt by humans).

Walk the carpet in rubber boots! Bring your finger to the metal connected to the ground (pegam iron lock and touch it to the metal connected to the ground). There will be sparks. According to physics, electric sparks originate from an electric charge that jumps through the sharp end to a different potential place. Often when you turn on a portable lamp, you feel electrocuted. Why, when there is lightning striking near us, can't you avoid? According to physics, high voltages can produce large electric currents. Lightning hitting trees will send electricity to the earth. When we take a step, between the two legs there is a great tension. Here a current will flow through our bodies and kill us. But in a person sitting (feet together) between the legs there is no tension. Here the current passes through the earth without passing through the body. (Taken from Physics is Fun 2, by Prof. Yohanes Surya, Ph.D.)

On the other hand, a material that is difficult to carry an electric current is called an electric insulator. Examples of electrical insulators that are widely known to people are polymer materials, for example rubber. Some say strong electrical insulators are dielectrics. True, the dielectric is a material that can polarize (break up the combined charges). There is another sense that an electrical insulator is one where there is no electricity. The causes of this material being an insulator, among others, the absence of space or the fullness of the atomic nucleus against the electrons, so that the electrons cannot enter, the range of one atom to another is too wide, so that the electrons are difficult to flow (requires large energy), and there may still be other reasons for this. other thing. You can study the properties of atoms in chemistry.

Why do scientists need to develop electrical insulating materials, when air itself is a strong electrical insulator? If air were a conductor, electricity would certainly propagate in all directions as electricity flows through water. The most basic is the safety factor. Touching electricity with a voltage higher than 60V can jeopardize safety. This can happen intentionally or accidentally. Therefore, the copper cable in every house to carry the electric current must be covered with a polymer material, usually rubber so that it is not dangerous. In ancient times paper and textiles were used instead of rubber. Refrigerator, TV, Computer, Laptop, Mouse, Keyboard, Rise Cooker, light button, Telephone, Hand Phone, Charger and all electronic items we hold use electrical insulation so that we can touch, otherwise we will be electrocuted. The keyboard buttons on our computers use insulation in the form of mica, now it has switched to rubber.

If the two wires on the utility pole touch, a short circuit can occur because the voltage is too large, after which it can cause fires and other harmful things. Therefore they must be isolated.

Wood, Paper and Textiles are fibrous electrical insulation materials. Their mechanics are good. Paper and textiles are elastic. The weakness of this fibrous material is hygroscopic (absorbs water). For example wood has a resistivity of 104-1016 ohms. 104 ohms if wet and 1016 ohms if dry. Therefore sometimes as an electric insulator and if it is wet it can be a lightning conductor (for example in trees). Paper and textiles have a resistance of about 10-2-109 ohms. As an insulator it is usually used in wrapping cables, capacitors, transformer boards and others.

Mica is used for high voltage isolation. Usually used in generators, motors, capacitors for radio frequency control. Has a resistivity of 1013-1016 ohms. The glass has a resistivity of 107-1017 ohms. Plastics and rubber are hydrocarbon compounds (there must be elements of hydrogen and carbon). Plastic (for PVC) has a resistivity of 1011-1016 ohms and rubber has a resistivity of 1014-1015 ohms. For more, you can study Electrical Materials.

Thermoelectric

There are 2 keywords in thermoelectricity, namely thermo related to temperature or temperature, electricity is something related to electricity. In general, the thermoelectric effect is known as a conversion, with differences in temperature producing a voltage and vice versa. You can imagine that in 2 semiconductors connected to a cable, if the semiconductor is cold and the other is hot, there will be a temperature difference. This temperature difference can be studied to produce a voltage. The basic concept of the thermoelectric mechanism/workings can be said, an electron or electron hole or charge will separate/diffuse from the hot part to the cold part.

Seedbeck Effect Illustration

The Seedbeck effect is the conversion of a temperature difference to a voltage. Estonian-German physicist Thomas Johann Seedbeck found that a compass needle is reflected when two metal connected (closed chains) are formed between the compass. The needle reflects because of the magnetic field. Danish physicist Hans Christian Orsted perfected it.

Seedbeck Effect Circuit

To find a coefficient in thermoelectric materials, you can use the principle of the magnitude of the resulting stress at a temperature difference of 1 Kelvin.

S_AB = S_B - S_A = (ΔV_B/ΔT)-(ΔV_A/ΔT)

The Peltier effect, whose name comes from the French physicist Jean-Charles Peltier, this law concerns the heat that flows when a current is flowed.

Q = ∏_ABI = (∏_A - ∏_B)I

To make it easier to understand this effect can be said to be almost reversed with seedbek. Current flowed to move heat. This heat transfer can be compared to heat transfer. Therefore one thermoelectric part can be cold and another 1 can be hot.

The Thompson Effect, whose name comes from William Thompson or another name for Lord Kelvin, which explains the positive Thompson effect and the negative Thompson effect. The positive Thompson effect explains that the hot part is a high potential and the cold part is a low potential. The current moves from hot to cold, so from high to low potential. The negative Thompson effect explains that cold parts are a high potential and hot parts are low potential. The current moves from high heat to cold, so from low to high.

q = pJ² - uJ(dT/dx)

Thermogenerators use the principle of the seedbeck effect. The purpose of this generator, mostly for energy efficiency. Throughout the world there is a name wasted heat, even 90% of the electricity generated is from heat. The waste heat can be calculated as about 15 terawatts and to make use of this wasted heat a thermogenerator is created.

Other applications such as engines/machines produce heat energy and heat energy is wasted into the environment. Cars generate wasted heat too. Can be installed thermoelectric in the car to save/use heat energy as well as a coolant, sometimes called the automotive thermoelectric car. In solar cells there is also wasted heat. Solar cells only need UV light to generate electricity, but sunlight also causes heat. Therefore it is combined with thermoelectric and its name is solar/thermoelectric device.

The opposite of the seedbeck effect is to apply the peltier effect. In contrast to the thermogenerator, this tool requires electricity to produce heat or cold. An example for applying heat is a heater. For cooling, for example, the old refrigerator.

Usage in the present era is as portable heating and cooling usually for camping. Because it produces both hot and cold. Often used as a cooler in electrical equipment, such as computers, digital cameras, etc. In medicine it is used to make chemical mixtures rapidly by using temperature to cool or heat them. Now what will be applied is the USB beverage cooler.

Koleksi Tugas Bahan Listrik Sarjana Saya

Catatan

Ini kumpulan tugas kuliah Bahan Listrik saya selama studi S1 di Jurusan Teknik Elektro Universitas Udayana, 2010. Beberapa tugas saya hilang karena beberapa tugas ditulis tangan dan dikumpulkan tetapi berikut inilah tugas yang selamat yang tercatat secara elektronik. Maksud dari postingan ini selain sebagai referensi bagi para mahasiswa adalah bagi yang lainnya yang ingin mengetahui tugas seperti apa yang diberikan selama era saya. Tugas ini belum pernah dipublikasikan di mana pun dan saya, sebagai penulis dan pemegang hak cipta, melisensikan tugas ini dengan penyesuaian CC-BY-SA di mana siapa pun dapat membagikan, menyalin, menerbitkan ulang, dan menjual dengan syarat untuk menyatakan nama saya sebagai penulis dan memberi tahu bahwa versi asli dan terbuka tersedia di sini.

Pengenalan Isolasi Listrik dan Pengantar untuk kalangan umum yang Belum Belajar Listrik

Untuk mempelajari isolasi listrik, lebih baik mengetahui terlebih dahulu bagaimana listrik mengalir dan sifat-sifatnya. Dalam sebuah atom dikenal tiga macam muatan. Muatan positif, negatif dan netral. muatan positif disebut “proton”, muatan negatif disebut “elektron” dan muatan netral disebut “neutron”. Muatan sejenis (++,--) saling tolak menolak, muatan berbeda sejenis (+-) saling tarik menarik. Listrik adalah muatan yang mengalir, dalam jembatan garam pada ilmu kimia, listrik dapat dihasilkan karena elektron yang mengalir.

Setelah ini akan menjelaskan lebih tentang jembatan garam, tetapi pembaca tidak harus mendalaminya. Cukup dengan membacanya karena bagian ini sebagai perkenalan. Dalam ilmu kimia dikenal dengan istilah bilangan oksidasi, yaitu bilangan yang menyatakan banyaknya muatan listrik suatu unsur dalam senyawanya. Ada dua reaksi kimia yang dikenal pada bagian ini, yaitu reduksi dan oksidasi. Suatu partikel dikatakan mengalami reduksi bila menangkap elektron, dikatakan mengalami oksidasi jika melepas elektron. Pada jembatan garam ada dua kutub yang dihubungkan kabel yang dapat mengalirkan arus listrik, salah satu kutub mengalami reduksi (menerima elektron) dan kutub yang satu lagi mengalami oksidasi (melepas elektron). Jika ditengah kabel tersebut dihubungkan dengan multi-tester, akan kelihatan bahwa ada arus listrik yang mengalir pada kabel tersebut. Karena bagian ini sebagai pengenalan saja, maka penulis tidak akan member keterangan lebih lanjut. Bila ingin lebih mengetahui tentang hal tersebut, pelejarilah Kimia khusunya Elektrokimia.

Hal dasar yang harus diketahui oleh orang listrik adalah arus, tegangan dan resistansi. Arus sudah dijelaskan pada bagian jembatan garam. Arus dirumuskan dengan I=dq/dt adalah muatan yang mengalir tiap detik dengan satuan I (ampere). Tegangan adalah bagaikan tekanan dalam pada air, V=dw/dq adalah energi pada muatan dengan satuan V (volt). Resistansi adalah hambatan pada arus listrik, V=IR atau R=V/I dengan satuan R (ohm). Untuk mengerti resistansi anggap saja bagaikan pipa air dipersempit. Jika pipa dipersempit maka air akan menekan lebih keras dan sedikit yang mengalir, jika disempitkan lagi hingga menutup tidak akan ada air yang mengalir. Mirip dengan resistansi. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang hal ini pelajarilah Rangkaian Listrik.

Setelah mengetahui hal tersebut, baru kita dapat lebih mudah paham tentang isolasi listrik. Suatu bahan dikatakan konduktor bila dapat dengan mudah mengalirkan arus listrik, contohnya besi, air, garam dan sebagainya. Manusia adalah konduktor yang baik karena sekitar 80% tubuh kita terdiri dari air. Oleh karena itu kita mudah merasakan setrum (tegangan yang dirasakan manusia).

Berjalanlah di atas karpet dengan sepatu karet! Dekatkan jari anda pada logam yang dihubungkan ketanah (pegam kunci besi dan sentuhkan ke logam dihubungkan ketanah). Akan terlihat percikan api. Menurut fisika, bunga api listrik berasal dari muatan listrik yang melompat melalui ujung lancip ke tempat yang berbeda potensialnya. Seringkali ketika anda menghidupkan lampu portable, anda merasa kesetrum. Mengapa ketika ada petir menyambar dekat kita, tidak boleh lari? Menurut fisika, tegangan tinggi dapat menghasilkan arus listrik yang besar. Petir yang mengenai pohon akan mengalirkan listrik ke bumi. Ketika kita melangkah, anatar dua kaki terdapat tegangan besar. Disini arus akan mengalir lewat tubuh kita dan membunuh kita. Tetapi pada orang yang duduk (kaki rapat) di antara kedua kaki tidak ada tegangan. Di sini arus lewat bumi tanpa melalui tubuh. (Diambil dari Fisika itu Asyik 2, oleh Prof. Yohanes Surya, Ph.D.)

Hal sebaliknya, bahan yang susah untuk mengalirkan arus listrik disebut isolator listrik. Contoh isolator listrik yang banyak dikenal orang adalah bahan polimer, contohnya karet. Ada yang mengatakan isolator listrik yang kuat adalah dielektrik. Benar, dielektrik adalah suatu bahan yang dapat melakukan polarisasi (memecah gabungan muatan). Ada pengertian lain bahwa isolator listrik adalah dimana tidak adanya listrik. Penyebab bahan tersebut menjadi isolator antara lain tidak adanya tempat atau penuhnya inti atom terhadap elektron, sehingga elektron tidak dapat masuk, rentang suatu atom terhadap yang lain terlalu lebar, sehingga elektron susah untuk mengalir (perlu energi besar), dan mungkin masih ada alasan hal-hal lain. Dapat dipelajari sifat-sifat atom pada kimia.

Mengapa ilmuwan perlu mengembangkan bahan isolasi listrik, padahal udara sendiri merupakan isolator listrik yang kuat? Jika udara merupakan suatu konduktor maka listrik pasti akan merambat ke segala arah seperti listrik dialirkan pada air. Yang paling mendasar adalah faktor keamanan. Bila kita menyentuh listrik yang tegangannya lebih tinggi dari 60V dapat membahayakan keselamatan. Hal ini bisa terjadi secara sengaja maupun tidak sengaja. Oleh karena itu kabel tembaga di setiap rumah untuk mengalirkan arus listrik harus diselimuti oleh bahan polimer, biasanya karet agar tidak membahayakan. Zaman dahulu digunakan kertas dan tekstil daripada karet. Kulkas, TV, Komputer, Laptop, Mouse, Keyboard, Rise Cooker, tombol lampu, Telepon, Hand Phone, Charger dan semua barang elektronik yang kita pegang menggunakan bahan isolasi listrik agar dapat kita sentuh, jika tidak, kita akan kesetrum. Tombol-tombol keyboard pada komputer kita menggunakan isolasi berupa mika, sekarang sudah beralih ke karet.

Jika kedua kabel pada tiang listrik bersentuhan, dapat terjadi konslet karena tegangan yang terlalu besar, setelah itu dapat menyebabkan kebakaran dan hal lain yang merugikan. Oleh karena itu mereka harus diisolasikan.

Kayu, Kertas dan Tekstil adalah bahan isolasi listrik berserat. Mekanis mereka baik. Kertas dan tekstil bersifat elastis. Kelemahan dari bahan berserat ini adalah higroskopis (menyerap air). Contohnya kayu memiliki resistivitas 104-1016 ohm. 104 ohm jika basah dan 1016 ohm jika kering. Oleh karena itu terkadang sebagai isolator listrik dan jika basah dapat sebagai konduktor petir (contohnya pada pohon). Kertas dan teksil memiliki resistansi sekitar 10-2-109 ohm. Sebagai isolator biasanya digunakan dalam membungkus kabel, kapasitor, papan transformator dan lain-lain.

Mika digunakan untuk isolasi tegangan tinggi. Biasanya digunakan pada generator, motor, kapasitor untuk pengatur frekuensi radio. Memiliki resistivitas 1013-1016 ohm. Kaca memiliki resistivitas 107-1017 ohm. Plastik dan karet adalah senyawa hidrokabon (pasti ada unsur hidrogen dan karbon). Plastik (untuk PVC) memiliki resistivitas 1011-1016 ohm dan karet memiliki resistivitas 1014-1015 ohm. Untuk lebih lanjut dapat mempelajari Bahan-Bahan Listrik.

Termoelektrik

Terdapat 2 kata kunci pada termoelektrik, yaitu termo yang berkaitan dengan temperatur atau suhu, elektrik adalah sesuatu yang berhubungan dengan listrik. Secara umum efek termoelektrik diketahui sebagai suatu konversi, dengan perbedaan suhu akan menghasilkan tegangan dan sebaliknya. Dapat dibayangkan pada 2 semikonduktor yang terhubung dengan kabel, jika semikonduktor yang 1 dingin dan 1nya lagi panas, akan terdapat beda suhu. Beda suhu ini diteliti dapat menghasilkan tegangan. Konsep dasar mekanisme/cara kerja termoelektrik ini dapat dikatakan, suatu elektron atau lubang elektron atau muatan akan terpisah/diffuse dari bagian yang panas ke bagian yang dingin.

Illustrasi Effek Seedbeck

Efek Seedbeck adalah konversi dari beda suhu menjadi tegangan. Fisikawan Estonia-Jerman bernama Thomas Johann Seedbeck menemukan bahwa jarum kompas terpantul bila terbentuk 2 metal tersambung (rangkaian tertutup) diantara kompas tersebut. Jarum terpantul karena ada medan magnet. Fisikawan Danish Hans Christian Orsted menyempurnakannya.

Rangkaian Effek Seedbeck

Untuk mencari suatu kofisien pada bahan termoelektrik dapat menggunakan prinsip besarnya tegangan yang dihasilkan pada perbedaan suhu 1 kelvin.

S_AB = S_B - S_A = (ΔV_B/ΔT)-(ΔV_A/ΔT)

Efek Peltier yang namanya berasal dari fisikawan Perancis Jean-Charles Peltier, hukum ini mengenai kalor yang mengalir bila arus dialirkan.

Q = ∏_ABI = (∏_A - ∏_B)I

Untuk mempermudah mengerti efek ini dapat dikatakan hampir terbalik dengan seedbek. Arus dialirkan untuk memindahkan kalor. Pemindahan kalor ini dapat diumpakan sebagai pemindahan panas. Oleh karena suatu bagian termoelektrik bisa dingin dan yang lagi 1 bisa panas.

Efek Thompson yang namanya berasal dari William Thompson atau nama lain Lord Kelvin, yang menjelaskan tentang efek Thompson positif dan efek Thompson negatif. Efek Thompson positif menjelaskan bahwa bagian panas adalah potential tinggi dan bagian dingin adalah potential rendah. Arus bergerak dari panas ke dingin, jadi dari potential tinggi ke rendah. Efek thompson negatif menjelaskan bahwa bagian dingin adalah potential tinggi dan bagian panas adalah potential rendah. Arus bergerak dari panas tinggi ke dingin, jadi dari rendah ke tinggi.

q = pJ² - uJ(dT/dx)

Termogenerator menggunakan prinsip efek seedbeck. Tujuan pada generator ini, kebanyakan untuk mengefisiensi tenaga. Diseluruh dunia ada namanya panas yang terbuang bahkan 90% tenaga listrik yang dihasilkan adalah dari panas. Panas yang terbuang dapat dihitung sekitar 15 terawatt dan untuk memanfaatkan panas yang terbuang ini dibikin termogenerator.

Pemakaian lain seperti pada engine/mesin, menghasilkan energi panas dan energi panas terbuang ke lingkungan. Mobil menghasilkan panas yang terbuang juga. Dapat dipasang termoelektrik pada mobil untuk penghematan/pemakaian energi panas sekaligus sebagai pendingin terkadang disebut automotive termoelektrik car. Pada sel surya juga terdapat panas yang terbuang. Sel surya hanya memerlukan sinar UV untuk menghasilkan listrik, namun sinar matahari juga menyebabkan panas. Oleh karena itu digabung selsurya dengan termoelektrik dan namanya adalah solar/termoelektrik device.

Pemakaian yang berlawanan dengan efek seedbeck yaitu menerapkan efek peltier. Kebalikan dengan termogenerator alat ini memerlukan listrik untuk menghasilkan panas atau dingin. Contohnya untuk penerapan panas adalah heater. Untuk pendingin contohnya kulkas zaman dulu.

Pemakaian pada era sekarang yaitu sebagai pemanas dan pendingin portable biasanya untuk kamping. Karena menghasilkan keduanya berupa panas dan dingin. Sering juga dipakai sebagai pendingin pada alat-alat listrik, seperti komputer, camera digital, dll. Di kedokteran dipakai untuk membuat campuran kimia secara cepat dengan menggunakan temperatur untuk mendinginkan atau memanaskan. Sekarang yang akan deterapkan yaitu USB pendingin minuman.

Reference

Basic Engineering Circuit Analysis, 4th Edition by J. David Irwin, 1993
Ringkasan Lengkap Kimia SMA oleh Ir. Omang Komarudin, 2010
Lingua Kata (flash fisika)
Fisika itu Asyik 2, oleh Prof. Yohanes Surya, Ph.D, 2004.
https://en.wikipedia.org/wiki/Insulator_(electricity)
http://en.wikipedia.org/wiki/Mica
https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_insulation_paper
https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_chloride
http://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect
Yahoo Answers (What’s the resistivity of wood?)
http://www.shieldextrading.net

My Undergraduate Electrical Materials Assignment Collection