1. BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Superkonduktor belakangan ini menjadi topik pembicaraan dan penelitian
yang paling populer. Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya,
transmisi listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi).
Memang saat ini penggunaan super konduktor belum praktis, di karenakan
masalah perlunya pendinginan. Suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah
suhu kamar.
Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan di
bawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu
konduktor, semikonduktor atau pun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu
dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi super konduktor disebut
dengan temperatur kritis (Tc). Oleh karena itu perlu mengetahui bagaimana
prinsip kerja dari bahan super konduktor serta aplikasi dari penggunaan bahan
super konduktor terutama pada generator.
1.2 Permasalahan
Berdasarkan uraian latar belakang di atas, permasalahan yang timbul
adalah sebagai berikut bagaimana prinsip kerja generator yang menggunakan
prinsip bahan superkonduktor?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah untuk memahami
prinsip kerja generator yang menggunakan prinsip bahan superkonduktor.

2. BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sejarah Superkonduktor
Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda,
Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun1911. Pada tanggal
10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan
hingga 4 K atau 269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari
sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah
diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah
suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah
hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak.
Beberapa ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan
bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu
mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes
memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk
mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada
kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil
menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes mendapatkan hambatannya tiba-tiba
menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus-menerus.
Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa
kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu
kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian
mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata
arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberinama
superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada
tahun 1913.
2.2 Pengertian Superkonduktor
Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan
listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Artinya superkonduktor dapat
menghantarkan arus walaupun tanpa adanyasumber tegangan. Karakteristik dari
bahan Superkonduktor adalah medanmagnet dalam superkonduktor bernilai nol
dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah
suhu kritisnya.

3. Gambar 1. Grafik hubungan antara resistivitas terhadap Suhu
2.3 Sifat Superkonduktor
2.3.1 Sifat Kelistrikan Superkonduktor
Sebelum menjelaskan prinsip superkonduktor, akan lebih baik jika
terlebih dahulu menjelaskan bagaimana kerja logam konduktor pada umumnya.
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 kesegala arah dan menumbuk atom-atom
pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor.
Gambar 2. Keadaan normal Atom Kisi pada logam
Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara elektron dengan
inti atom. Namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari
atom kisi. Efek ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS. Ketika elektron melewati
kisi, inti yang bermuatan positif menarik elektronyang bermuatan negatif dan
mengakibatkan elektron bergetar.

4. Gambar 3. Keadaan Superkonduktor Atom Kisi pada logam
Jika ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan
mendekati elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar.
Gaya ini melebihi gaya tolak-menolak antar elektron sehingga kedua elektron
bergerak berpasangan. Pasangan ini disebut Cooper Pairs.
Efek ini dapat dijelaskan dengan istilah Phonons. Ketika elektron pertama
pada Cooper Pairs melewati inti atom kisi. Elektron yang mendekati inti atom
kisi akan bergetar dan memancarkan Phonon.
Sedangkan elektron lainnya menyerap Phonon. Pertukaran Phonon ini
mengakibatkan gaya tarik menarik antar elektron. Pasangan elektron iniakan
melalu kisi tanpa gangguan dengan kata lain tanpa hambatan.
2.3.2 Sifat Kemagnetan Superkonduktor
Sifat lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetisme sempurna. Jika
sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada
medan magnet dalam superkonduktor. Ha lini terjadi karena superkonduktor
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 suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi
superkonduktor. Pada suhu kritis, medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan
Efek Meissner.
Gambar 4. Diamagnetik Sempurna

5. 2.3.3 Sifat Quantum Superkonduktor
Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan
Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori BCS. Ini
adalah bentuk lain dari pasangan partikel yang mungkin dengan Teori BCS. Teori
BCS menjelaskan bahwa :
a. Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan
dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.
b. Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya energi
gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung initerjadi
ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Elektron
kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua elektron ini
beronteraksi melalui deformasi kisi.
c. London Penetration Depth merupakan konsekuensi dari Teori BCS.
d. Teori BCS memprediksi suhu kritis
2.4 Efek Meissner
Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah,
medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan
dinamakan London Penetration Depth.
Pada bahansuperkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 1
00 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek
Meissner dan merupakan karakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah
efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet.
Efek Meissner ini sangat kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang
karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu
besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan
hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.
Gambar 5. Efek Meissner

6. Gambar 6. London Penetration Depth
2.5 Suhu dan Medan Magnet Kritis
Suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktordan
superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran electron akan
bertambah sehingga banyak Phonons yang dipancarkan. Ketika mencapai suhu
kritis tertentu, maka Phonons akan memecahkan Cooper
Pairs dan bahan kembali ke keadaan normal. Contoh grafik Hambatan terhadap
suhu pada bahan YBa2Cu3O7 sebagai berikut,
Gambar 7. Grafik Hambatan terhadap Suhu
Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga bahan
superkonduktor memiliki medan magnet. Jika medan magnet yangdiberikan pada
bahan superkonduktor, maka bahan superkonduktor takakan mengalami efek
meissner lagi.

7. BAB III
PEMBAHASAN
3.1 Generator Sinkron
Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesinsinkron yang digunakan
untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat
berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung
dari kebutuhan.
3.1.1 Konstruksi Generator Sinkron
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk
mengahasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar olehprime mover
menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini
menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada
generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub
medan magnet rotor dapat berupasalient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor
silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada
gambar dibawah ini.
Gambar 8 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron
Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor
sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan
permukaan rotor. Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan
empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat
atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar
prime mover, frekuensidan rating daya generator. Generator dengan kecepatan
1500 rpm keatas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10 MVA
menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan
kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup
silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini .

8. Gambar 9 Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang
rotor pada generator sinkron
Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:
1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip
ring dan sikat.
2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada
batang rotor generator sinkron.
3.1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnet
homogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut.
Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yangdialiri arus DC atau oleh
magnet tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut
generator kutub eksternal /external pole generator) yang mana energi listrik
dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada
slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada
pembangkitan daya tinggi.
Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub
internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh
kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang
dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi
sinusoidal dan rotordiputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa
dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang
diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk
gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan tegangan yang
dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.

9. Gambar 10 Gambaran kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan
Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan
mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor
disusun secara khusus untuk mendapatkan flukster distribusi secara sinusoidal.
Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC
yang dihubungkan kekumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk
menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor
menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak
begitu diperlukan.
3.2 Elektromagnet dari Bahan Superkonduktor
Elektromagnetika merupakan penggabungan listrik dan magnet. Sewaktu
mengalirkan listrik pada sebuah kawat dapat diciptakan medanmagnet. Listrik dan
magnet benar-benar tidak terpisahkan kecuali dalam superkonduktor tipe I yang
menunjukkan Efek Meissner (bahan superkonduktor dapat meniadakan medan
magnet sampai pada batas tertentu). Ini bisa dibuktikan dengan cara meletakkan
kompas di dekat kawat tersebut. Jarum penunjuk pada kompas akan bergerak
karena kompas mendeteksi adanya medan magnet. Elektromagnetika sudah
banyak dimanfaatkan dalam membuat mesin motor, kaset, video,speaker (alat
pengeras suara), dan sebagainya.
Gambar 11. Elektromagnet
David Goodwin dari Office of High Energy and Nuclear Physics di
Amerika adalah orang yang mengusulkan ide electromagnetic propulsion ini. Jika
dialirkan listrik pada magnet yang super dingin tersebut dapat diamati terjadinya

10. getaran (vibration) selama beberapa nano detik (1nanodetik = 10-9 detik) sebelum
magnet itu menjadi superkonduktor. Menurut Goodwin, walaupun getaran ini
terjadi hanya selama beberapa nano detik saja, tetap dapat memanfaatkan keadaan
unsteady state (belum tercapainya keadaan tunak) ini.
Jika getaran-getaran yang tercipta ini dapat diarahkan ke satu arah yang
sama maka akan didapat kekuatan yang cukup untuk ‘melempar’ sebuah pesawat
ruang angkasa. Kekuatan ini tidak hanya cukup untuk ‘melempar’ secara asal -
asalan, tetapi justru pesawat ruang angkasa bisa mencapai jarak maksimum yang
lebih jauh dengan kecepatan yang lebih tinggi dari segala macam pesawat yang
menggunakan propellant.
Untuk menerangkan idenya, Goodwin menggunakan kumparan kawat
(solenoid) yang disusun dari kawat magnet superkonduktor yang dililitkan pada
batang logam berbentuk silinder (Gambar 11).
Kawatmagnetik yang digunakan adalah logam paduan niobium dan timah.
Elektromagnet ini menjadi bahan superkonduktor setelah didinginkan
menggunakan helium cair sampai temperatur 4 K (-269oC). Pelat logam dibawah
solenoida berfungsi untuk memperkuat getaran yang tercipta. Supaya terjadi
getaran dengan frekuensi 400.000 Hz, perlu diciptakan kondisi asimetri pada
medan magnet.
Pelat logam (bisa terbuat dari bahan logam aluminium atau tembaga) yang
sudah diberi tegangan ini diletakkan secara terpisah (isolated) dari sistem
solenoida supaya tercipta kondisi asimetri. Selama beberapa mikrodetik sebelum
magnet mulai berosilasi ke arah yang berlawanan, listrik yang ada di pelat logam
harus dihilangkan. Tantangan utama yang masih harus diatasi adalah teknik untuk
mengarahkan getaran-getaran yang terbentuk pada kondisi unsteady ini
supaya semuanya bergerak pada satu arah yang sama.
3.3 Generator Superkonduktor
Superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui,
apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan
mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan
dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat
berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat
menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet
tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini
kemudian dikenal dengan efek Meissner. Penggunaan superkonduktor yang
sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor
memiliki efisiensisebesar sekitar 99% dan ukurannya jauh lebih kecil
dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga.
Penggunaan Superkonduktor Suhu Tinggi (HTS) teknologi, generator
dapat memberikan yang cepat, dukungan daya reaktif. Generator HTS membantu
untuk menjaga jaringan listrik berjalan lancar dalam menghadapi pola baru arus
listrik yang dibawa oleh deregulasi pembangkit listrik di seluruh dunia. Generator
mengubah energi inputrotasi mekanik, seperti yang dari turbin uap atau gas,
menjadi listrik. Hal ini dengan memutar bidang rotor, yang menghasilkan
tegangan pada konduktor armature stasioner. Bidang generator dapat diproduksi
dengan gulungan tembaga atau magnet permanen. Dalam mesin besar,

11. pertimbangan mekanis dan keinginan untuk bervariasi tingkat lapangan yang
dihasilkan biasanya mendukung penggunaan gulungan tembaga lebih dari magnet
permanen.
Manfaat dari generator HTS :
 Meningkatkan efisiensi mesin mencapai 99%, mengurangi kerugian
sebanyak 50% dari generator konvensional
 Penyimpan Energi
 Mengurangi polusi per unit energi yang dihasilkan
 Turunkan biaya siklus hidup
 Enhanced grid stabilitas
 Mengurangi biaya modal
 Mengurangi biaya instalasi
Keuntungan Generator HTS yaitu Efisiensi Generator kehilangan daya
dalam gulungan rotor dan di bardinamo. Dengan menggunakan kawat
superkonduktor untuk belitan bidang, kerugian ini bisa dibilang dihilangkan.
Bidang diciptakan pada dinamo oleh rotor tidak dibatasi oleh karakteristik
kejenuhan besi danarmatures dibangun tanpa gigi besi. Ini menghapus kerugian
yang dialamipada gigi dinamo. Ruang ditambahkan untuk tembaga di dinamo
dimungkinkan pemindahan gigi dinamo lebih lanjut untuk mengurangikerugian.
Generator HTS akan menghasilkan tenaga listrik dengan kerugian lebih rendah
dari generator konvensional setara mereka.
Sebuah 1.000 MW generator superkonduktor (ukuran khas di power plant)
dapat menyimpan sebanyak $ 4 juta per tahun dalam mengurangi kerugian per
generator. Bahkan peningkatan efisiensi kecil menghasilkan penghematan dolar
besar. Setengah dari satu persen perbaikan menyediakan utilitas atau IPP dengan
kapasitas tambahan untuk dijual dengan nilai terkait hampir $ 300.000 per 100
generator MVA.
Permintaan di seluruh dunia untuk generasi listrik tambahan yang semakin
meningkat. Pusat Informasi Energi Nasional memprakirakan bahwa dunia akan
membutuhkan 500.000 MW dari kapasitas pembangkitan listrik tambahan selama
sepuluh tahun mendatang. Sebuah generator HTS merupakan 1 / 3 volume
keseluruhan generator konvensional setara.
Misalnya, dalam pembangkit listrik dimana ekspansi sulit (misal: kapal
atau kekuasaan lokomotif), generator superkonduktor dapat meningkatkan
kapasitas pembangkit tanpa menggunakan ruang tambahan. Lebih kecil, ringan
HTS generator menggunakan desain "udara inti", menghilangkan banyak baja
struktural dan magnetik setara konvensional. Konstruksi, pengiriman, dan
instalasisemua disederhanakan dan lebih murah. Keuntungan utama dari generator
HTS diturunkan reaktansi dinamo. Manfaat ini sangat dapat berdampak
pertimbangan stabilitasutilitas.
Salah satu implikasi adalah pengurangan jumlah cadangan berputar
(kapasitas pembangkitan tidak terpakai tapi berputar) yangdiperlukan untuk
memastikan sistem tenaga stabil secara keseluruhan. Manfaat lain adalah bahwa
generator HTS memiliki kemampuan yang signifikan untuk koreksi faktor daya
tanpa menambahkan reaktor sinkron atau kapasitor pada sistem tenaga.

12. Gambar 12 Generator Superkonduktor
BAB IV
KESIMPULAN
Berdasarkan analisis di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Aplikasi dari superkonduktor antara lain digunakan dalam bidang
kelistrikan yaitu generator dan kabel transmisi listrik, bidang transportasi
yaitu kereta maglev, bidang komputer yaitu superkomputer
2. Superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui,
apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet,suatu arus
induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang
kemudian diterapkan dalam generator.

13. DAFTAR PUSTAKA
http://archive.kaskus.us/thread/4044212
http://www.forumsains.com/fisika/superkonduktor/?wap2
http://majalah.tempointeraktif.com/id/arsip/1987/04/11/ILT/mbm.19870411.ILT3
1181.id.html
http://www.infosuperkonduktor.co.cc/2011/05/sejarah-dan-aplikasi.html
http://bemteunnes.wordpress.com/2008/04/12/speed-drop/
http://www.scribd.com/doc/76488998/Makalah-Super