Lapres Konduktivitas Listrik

Pengukuran Konduktivitas Listrik Menggunakan Metode Four Point Probe

Seni Ramadhanti S, Nofyantika W, Ayu Ningsih, Riska Ainun Nisa Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia Email: ramadhanti.seni12@mhs.physics.its.ac.id

Abstrak—Telah dilakukan percobaan pengukuran konduktivitas listrik dengan menggunakan metode four point probe. Praktikum ini bertujuan untuk mempelajari sifat listrik material dan untuk menentukan nilai resistivitas dan konduktivitas material. Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain dari  2 batang CaCo3 , beberapa kabel, power supply, penggaris larutan NaCl , dan 2 buah avometer. Variasi yang digunakan adalah bahan kapur dan arang. Tegangan masuk sebesar 4V, 8V, dan 12V. Dari praktikum yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan bahwa semakin besar konsentrasi larutan maka semakin besar pula hasil konduktivitasnya. Hal ini yang menyebabkan besarnya resistansi. Karena semakin besar pita terlarang  maka diperlukan energi yang besar agar elektron dapat berpindah. Nilai resisitivitas maupun konduktivitas suatu bahan dipengaruhi oleh bentuk molekul, ukuran molekul, suhu, massa jenis, dan fase dari bahan tersebut. Nilai rata-rata resistivitas pada arang adalah 3,2613 Ω.m (2 molar) dan 0,3176 Ω.m (3 molar). Nilai rata-rata konduktivitas pada arang adalah 0,3176 Ω-1 cm-1 (2 molar) dan  3,2613 Ω-1 cm-1 (3 molar). Nilai rata-rata resistivitas pada kapur adalah 0,2896 Ω.m (2 molar) dan 3,8973 Ω.m (3 molar). Nilai rata-rata konduktivitas pada kapur adalah 3,8973 Ω-1 cm-1 (2 molar) dan 0,2896 Ω-1 cm-1 (3 molar).

Kata Kunci— Arus, Konduktivitas, Resistivitas, Tegangan

I.     PENDAHULUAN

Konduktivitas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah konduktor, muatan-muatan bergeraknya akan berpindah, menghasilkan arus listrik. Untuk mengamati sifat listrik suatu bahan biasanya digunakan metode four point probe/FPP (probe empat titik). Disebut probe empat titik, karena ada empat titik kontak yang disentuhkan pada permukaan sampel. Keempat titik kontak (probe) itu dibuat berderet dalam satu garis lurus dengan jarak antar probe diatur sedemikian rupa sehingga satu sama lain mempunyai jarak yang sama. Arus listrik yang konstan dialirkan sepanjang  permukaan  sampel melalui dua probe terluar. Jika sampel mempunyai resistansi, maka akan ada penurunan  tegangan   ketika   arus   mengalir   sepanjang sampel tersebut. Perubahan tegangan tersebut diukur melalui dua probe bagian dalam. Besaran listrik yang menunjukkankualitas  konduktivitas bahan, seperti tegangan output dan arus output dapat  ditentukan  secara  teliti  dengan metode  four  point  probe ^[1].

Four point probe (probe 4 titik disingkat FPP) adalah salah satu metode yang biasa digunakan untuk mengukur nilai kerintangan suatu lapisan bahan elektronika yaitu bahan semikonduktor dan bahan logam dalam bentuk thin film (lapisan tipis) yang dipergunakan dalam pembuatan piranti elektronika. Metode ini dapat digunakan untuk menentukan resistivitas dan konduktivitas suatu bahan padatan. Four-point probe  pada dasarnya didasarkan pada 4 buah probe di mana  2 probe berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dan 2 probe yang lain untuk mengukur tegangan listrik secara bersamaan pada bahan (sampel) dengan nilai arus dan tegangan yang telah diketahui terlebih dahulu ^[2].

Resistivitas (ρ) adalah nilai kemampuan suatu bahan untuk menahan arus listrik. Semakin besar resistivitas suatu bahan maka semakin besar pula medan listrik yang dibutuhkan untuk menimbulkan sebuah kerapatan arus. Resistivitas dalam bentuk padatan mempunyai ketentuan bahwa ketebalan   sampel (t) harus lebih kecil dibandingkan  dengan jarak antar probe (s). Karena pada dua ujung probe paling luar  merupakan superposisi dari arus maka  R = V/2I. Maka rumusnya adalah sebagai berikut:

                  ....................................(1.1)

Maka rumus konduktivitasnya diberikan oleh:

                     ...................................................(1.2)

Suatu material bahan yang mempunyai gradient, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh suatu gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut konduksi atau hantaran. Konduksi thermal pada zat padat terjadi akibat gerakan electron yang terikat dan konduksi thermal mempunyai hubungan dengan konduktivitas listrik^[3]. Sebuah konduktor sempurna akan memiliki resistivitas sama dengan nol karena  semakin kecil nilai resistivitas  suatu bahan maka semakin  mudah bahan tersebut menghantarkan arus listrik, Resistivitas sebuah bahan akan selalu sebanding dengan suhu. Jika suhu bertambah maka ion-ion pada bahan akan bergetar dengan amplitudo yang makin besar. Hal ini menyebabkan terjadinya tumbukan elektron sehingga  menghalangi penyimpangan elektron dan akhirnya menghalangi arus yang melintas^[4].

II.     METODE

Dalam praktikum ini diperlukan alat dan bahan sebagai berikut, yaitu CaCO3 yang dibagi menjadi 3 bagian, Karbon dibagi menjadi 3 bagian,  masing-masing 3 buah dalam bentuk keping lingkaran (thick sheet), larutan NaCl 2M dan 3M dengan volume 10 mL, kabel penghubung, penggaris, gelas beker, aquades, pengaduk, 2 buah avometer, dan power supply. Lalu, ukur jarak antar probe pada kabel. Kemudian, rangkaian alat disusun seperti pada gambar 2.1, di mana probe 2 dan 3 ke voltmeter dan probe 1 dan 4 ke amperemeter. Lalu, dilakukanlah pengukuran terhadap salah satu keping CaCO3 dan dicatat Voutput dan juga I outputnya. Untuk variasi, dilakukan dengan cara merendam kepingan CaCO3, baik di dalam larutan NaCl 2M dan 3 M. Kemudian, ulangi langkah pengukuran terhadap Voutput dan Ioutputnya. Percobaan dilakukan pengulangan sebanyak 5 kali. Kemudian juga ada variasi 4V, 8V, dan 12 V. Perendaman dilakukan selama kurang lebih 15 menit. Untuk percobaan karbon dilakukan langkah yang sama.

Gambar 2.1 Rangkaian percobaan

III.     HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada percobaan ini, telah didapatkan data tegangan keluaran dan arus keluaran yang ditampilkan pada tabel di bawah sebagai berikut:

Tabel 1. Data hasil percobaan tegangan keluaran dan arus keluaran CaCO3 dengan NaCl 2M

V input (V)	Voutput (mV)		I output (mA)
	Sebelum direndam	Setelah direndam	Sebelum direndam	Setelah direndam
4	0.4	82	0	1.72
	0.4	186	0	1.63
	0.4	170	0	1.59
	0.4	160	0	1.44
	0.4	113	0	1.49
8	0.3	339	0	6.13
	0.3	377	0	6.99
	0.3	290	0	5.28
	0.3	283	0	4.63
	0.3	266	0	4.19
12	0.2	211	0	5.01
	0.2	135	0	3.23
	0.3	149	0	3.36
	0.3	135	0	3.06
	0.2	122	0	2.9

Tabel 2. Data hasil percobaan tegangan keluaran dan arus keluaran CaCO3 dengan NaCl 3M

V input (V)	Voutput (mV)		I output (mA)
	Sebelum direndam	Setelah direndam	Sebelum direndam	Setelah direndam
4	0.4	45	0	0.72
	0.4	44	0	0.71
	0.4	45	0	0.72
	0.4	43	0	0.66
	0.4	44	0	0.67
8	0.3	140	0	1.69
	0.3	72	0	1.53
	0.3	71	0	1.32
	0.3	68	0	1.33
	0.3	64	0	1.06
12	0.2	201	0	5.12
	0.2	165	0	5.94
	0.3	167	0	4.66
	0.3	201	0	4.61
	0.2	165	0	4.79

Tabel 3. Data hasil percobaan tegangan keluaran dan arus keluaran Karbon dengan NaCl 2M

V input (V)	Voutput (mV)		I output (mA)
	Sebelum direndam	Setelah direndam	Sebelum direndam	Setelah direndam
4	11	332	0	0.64
	11	307	0	0.52
	10	321	0	0.51
	10	339	0	0.5
	11	375	0	0.49
8	8	977	0	1.24
	7	942	0	1.15
	7	887	0	1.01
	7	932	0	1.2
	6	784	0	0.94
12	2	1108	0	1.33
	2	1030	0	1.22
	3	962	0	1.46
	3	685	0	0.94
	3	735	0	1.62

Tabel 4. Data hasil percobaan tegangan keluaran dan arus keluaran Karbon dengan NaCl 3M

V input (V)	Voutput (mV)		I output (mA)
	Sebelum direndam	Setelah direndam	Sebelum direndam	Setelah direndam
4	11	212	0	0.21
	11	200	0	0.19
	10	204	0	0.22
	10	201	0	0.17
	11	197	0	0.14
8	8	690	0	0.72
	7	590	0	0.64
	7	586	0	0.56
	7	535	0	0.55
	6	435	0	0.48
12	2	1650	0	2.91
	2	1451	0	2.53
	3	1350	0	2.13
	3	1213	0	1.26
	3	1266	0	1.44

Dari tabel 1 di atas, dapat dilihat bahwa pada kondisi sebelum direndam dari CaCO3 ,maka tegangan yang dikeluarkan kecil sekali, hanya sekitar 0.4 mV. Namun, ketika direndam dengan larutan NaCl selama 15 menit, maka tegangannya meningkat pesat menjadi sekitar 82 mV. Begitu pula dengan I outputnya, dari yang sebelumnya tidak terbaca (karena sangat kecil sekali), menjadi mampu terbaca sebesar 1.72 mV. Sama halnya dengan karbon, sebelum direndam dari karbon, maka tegangan yang dikeluarkan kecil sekali, hanya sekitar 11 mV. Namun, ketika direndam dengan larutan NaCl selama 15 menit, maka tegangannya meningkat pesat menjadi sekitar 332 mV. Begitu pula dengan I outputnya, dari yang sebelumnya tidak terbaca (karena sangat kecil sekali), menjadi mampu terbaca sebesar 0.64 mV. Namun ketika diberi tegangan input yang kecil, nilai tegangan outputnya besar dan sebaliknya ketika diberi tegangan input yang lebih besar, maka tegangan outputnya kecil. Kasus ini sama pada CaCO3 maupun karbon. Setelah didapatkan tegangan output dan arus outputnya, maka dapat dihitung nilai resistivitas dan konduktivitasnya menggunakan persamaan 1.1 dan 1.2 didapatkan hasilnya pada tabel di bawah sebagai berikut:

Tabel 5. Data hasil perhitungan konduktivitas dan resitivitas CaCO3

V input (V)	2 Molar		3 Molar
		σ		σ
4	0.21601	4.62933	4.62933	0.21601
	0.51703	1.93409	1.93409	0.51703
	0.48444	2.0642	2.0642	0.48444
	0.50344	1.9863	1.986	0.50344
	0.34362	2.91012	2.91012	0.34362
8	0.25057	3.99084	3.99084	0.25057
	0.24437	4.09203	4.09203	0.24437
	0.24886	4.01827	4.01827	0.24886
	0.2769	3.61075	3.61075	0.2769
	0.28764	3.47644	3.47644	0.28764
12	0.19082	5.24033	5.24033	0.19082
	0.18937	5.28046	5.28046	0.18937
	0.20092	4.97687	4.97687	0.20092
	0.19989	5.00254	5.00254	0.19989
	0.19061	5.24616	5.24616	0.19061

Tabel 6. Data hasil perhitungan konduktivitas dan resitivitas Karbon

V input (V)	2 Molar		3 Molar
		σ		σ
4	2.3504	0.42544	0.42544	2.3504
	2.67504	0.37382	0.37382	2.67504
	2.85188	0.35064	0.35064	2.85188
	3.07203	0.32551	0.32551	3.07203
	3.46762	0.28838	0.28838	3.46762
8	3.57	0.28011	0.28011	3.57
	3.7115	0.26943	0.26943	3.7115
	3.97922	0.2513	0.2513	3.97922
	3.51909	0.28416	0.28416	3.51909
	3.77906	0.26461	0.26461	3.77906
12	3.77471	0.26492	0.26492	3.77471
	3.82537	0.26141	0.26141	3.82537
	2.98551	0.33495	0.33495	2.98551
	3.30186	0.30285	0.30285	3.30186
	2.05574	0.48644	0.48644	2.05574

Semakin besar konsentrasi larutan maka semakin besar pula hasil konduktivitasnya. Hal ini yang menyebabkan besarnya resistansi. Karena semakin besar pita terlarang  maka diperlukan energi yang besar agar elektron dapat berpindah. Nilai resisitivitas maupun konduktivitas suatu bahan dipengaruhi oleh bentuk molekul, ukuran molekul, suhu, massa jenis, dan fase dari bahan tersebut. Untuk nilai konduktivitas, dari hasil perhitungan dapat dilihat bahwa pada larutan dengan konsentrasi 3M lebih besar dari nilai konduktivitas di 2M. Hal ini dikarenakan semakin besar konsentrasi larutan, maka akan semakin banyak pula ion – ion yang bergerak bebas di larutan dan mampu masuk ke dalam kapur, sehingga ototmatis lebih mampu menghantarkan listrik. Bila dilihat antara sebelum terendam larutan NaCl dan sesudah rendaman, terlihat perbedaan, di mana arus dan tegangan yang dihasilkan lebih besar. Hal ini terjadi pertama karena adanya pertukaran ion di dalam larutan elektrolit NaCl ke dalam kapur, yang memiliki pori–pori banyak sehingga ion–ion tersebut memasuki kapur maupun arang.

Dari data yang telah diperoleh, maka dapat dibuat dalam bentuk grafik sebagai berikut:

Gambar 3.1 Hubungan antara Vin dan Iout pada CaCO3

Gambar 3.1 Hubungan antara Vin dan Iout pada arang

Dari grafik hubungan antara Vin dan Iout pada Gambar 3.1 dan 3.2 di atas dapat dilihat bahwa nilai risitivitas sangat tinggi maka  arus yang keluar rata – rata adalah nol. Terdapat arus yang mengalir, namun karena nilainya yang sangat kecil sehingga membuat nilai arus tersebut tidak terbaca pada AVO meter. Nilai rata-rata resistivitas pada arang adalah 3,2613 Ω.m (2 molar) dan 0,3176 Ω.m (3 molar). Nilai rata-rata konduktivitas pada arang adalah 0,3176 Ω^-1 cm^-1 (2 molar) dan  3,2613 Ω^-1 cm^-1 (3 molar). Nilai rata-rata resistivitas pada kapur adalah 0,2896 Ω.m (2 molar) dan 3,8973 Ω.m (3 molar). Nilai rata-rata konduktivitas pada kapur adalah 3,8973 Ω^-1 cm^-1 (2 molar) dan 0,2896 Ω^-1 cm^-1 (3 molar).

IV.     KESIMPULAN/RINGKASAN

Dari praktikum yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan bahwa semakin besar konsentrasi larutan maka semakin besar pula hasil konduktivitasnya. Hal ini yang menyebabkan besarnya resistansi. Karena semakin besar pita terlarang  maka diperlukan energi yang besar agar elektron dapat berpindah. Nilai resisitivitas maupun konduktivitas suatu bahan dipengaruhi oleh bentuk molekul, ukuran molekul, suhu, massa jenis, dan fase dari bahan tersebut. Nilai rata-rata resistivitas pada arang adalah 3,2613 Ω.m (2 molar) dan 0,3176 Ω.m (3 molar). Nilai rata-rata konduktivitas pada arang adalah 0,3176 Ω^-1 cm^-1 (2 molar) dan  3,2613 Ω^-1 cm^-1 (3 molar). Nilai rata-rata resistivitas pada kapur adalah 0,2896 Ω.m (2 molar) dan 3,8973 Ω.m (3 molar). Nilai rata-rata konduktivitas pada kapur adalah 3,8973 Ω^-1 cm^-1 (2 molar) dan 0,2896 Ω^-1 cm^-1 (3 molar).

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Nofyantika W, Ayu Ningsih, Riska Ainun Nisa selaku asisten, rekan-rekan praktikum dan semua pihak yang terkait praktikum Akustik tentang konduktivitas listrik dengan metode four point probe dalam melakukan percobaan dan penyelesaian laporan ini.

DAFTAR PUSTAKA

[421]           Abdullah, M.H. 1990. Sifat dan kegunaan Semikonduktor. Selangor : DBP

[422]           Saefudin dan Edi Herianto,“Perbandingan Sifat Mekanik Kabel Listrik Berbagai Ukuran Dengan Merk Berbeda.” Pusat Penelitian Metalurgi (P2M)-LIPI.ISSN 1411-2213

[423]           Marten Ranteala, Erwin Abdul Rauf, Khairul Basar. “Penentuan Konduktivitas Logam dengan Arus Induksi dan Penabiran Magnetik”. ISBN 978-602-19655-1-1

[424]           Naris, Wahyu W. 2012. Mengenal Sifat Listrik Material Serta Menentukan Nilai Resistivitas Dan Konduktivitas Batu Arang (C) dan

[425]           Batu Kapur (CaCO3) Dengan Metode Four Point Probe.