Konduktor, Isolator dan Aliran Elektron


Elektron-elektron dari berbagai tipe atom yang berbeda memiliki derajat kebebasan yang berbeda dalam bergerak mengelilingi inti. Pada beberapa jenis bahanl, seperti logam, elektron terluar dari atom mudah terlepas dari ikatan sehingga dapat bergerak secara acak dalam ruang antar atom dari bahan tersebut akibat pengaruh energi panas dari suhu ruangan. Oleh karena elektron-elektron yang tidak terikat bebas bergerak meninggalkan atom dan mengambang dalam ruang antar atom yang berdekatan, sehingga elektron-elektron ini disebut elektron bebas.

Dalam jenis bahan yang lain seperti gelas, elektron-elektron dari atom hanya memiliki sedikit ruang untuk bergerak bebas. Ketika gaya luar seperti tarikan fisik dikenakan pada bahan tersebut, maka elektron-elektron bebas dipaksa meninggalkan atom dan berpindah ke atom dari bahan yang lain. Akan tetapi elektron-elektron tersebut tidak dapat bergerak dengan mudah diantara atom-atom dalam bahan tersebut.


Mobilitas elektron-elektron dalam suatu bahan disebut dengan konduktivitas listrik. Konduktivitas ditentukan oleh jenis atom dalam bahan (jumlah proton dalam setiap inti atom menentukan identitas kimianya) dan bagaimana atom-atom tersebut terhubung bersama satu dengan yang lain. Bahan dengan mobilitas elektron yang tinggi (banyak elektron bebas) disebut konduktor, sedangkan bahan dengan mobilitas elektron bebas yang rendah (sedikit atau tidak ada elektron bebas) disebut isolator.

Berikut beberapa contoh dari bahan konduktor dan isolator :



Konduktor :

·         perak
·         tembaga
·         emas
·         aluminium
·         besi
·         baja
·         kuningan
·         perunggu
·         merkuri
·         grafit
·         air tercemar
·         beton


Isolator :

·         gelas
·         karet
·         minyak
·         aspal
·         serat kaca
·         porselen
·         keramik
·         kuarsa
·         kapas
·         kertas
·         kayu
·         plastik
·         udara
·         berlian
·         air murni

Pada contoh di atas, tidak semua bahan konduktif memiliki tingkat konduktivitas yang sama, dan tidak semua bahan isolator memiliki resistansi yang sama terhadap pergerakan elektron. Sebagai contoh isolator, kaca jendela lebih baik dari pada sebagian besar plastik, dan lebih baik daripada fiberglass. Begitu juga dengan konduktor listrik, sebagian lebih baik daripada yang lain. Sebagai contoh, perak adalah konduktor terbaik dalam golongan konduktor, bahannya memberikan ruang yang lebih mudah bagi elektron untuk bergerak dibandingkan dengan bahan konduktor yang lain. Air yang tercemar dan beton juga digolongkan sebagai konduktor, tetapi bahan ini tidak sekonduktif bahan logam lainnya.

Berdasarkan penelitian, sifat listrik beberapa bahan dapat berubah tergantung pada kondisi. Gelas sebagai contoh adalah isolator yang baik pada suhu ruangan, tetapi akan menjadi konduktor ketika dipanaskan pada suhu yang tinggi. Gas-gas dalam udara, secara normal merupakan bahan isolasi juga akan menjadi konduktif jika dipanaskan pada suhu yang tinggi. Beberapa logam menjadi konduktor yang buruk ketika dipanaskan, dan menjadi konduktor yang baik ketika didinginkan. Banyak bahan konduktif menjadi konduktif sempurna dan disebut superkonduktivitas pada suhu yang sangat rendah.

Ketika pergerakan elektron-elektron bebas dalam konduktor yang acak, tanpa arah atau kecepatan tertentu terpengaruh oleh gaya sehingga bergerak secara terkoordinasi melalui suatu bahan konduktif, maka pergerakan elektron yang merata ini disebut dengan listrik atau arus listrik. Untuk lebih jelasnya dapat disebut dengan listrik dinamis yang berlawanan dengan listrik statis yang merupakan suatu akumulasi muatan listrik yang tidak bergerak. Sama seperti air yang mengalir melalui pipa yang bolong, elektron dapat bergerak melalui ruang kosong diantara atom-atom dari konduktor. Konduktor mungkin terlihat sebagai suatu benda padat, tetapi bahan yang tersusun dari atom-atom sebagian besar merupakan ruang kosong. Analogi aliran air tersebut begitu cocok sehingga pergerakan elektron melalui suatu konduktor sering disebut sebagai “aliran”.

Setiap elektron bergerak merata melalui konduktor, masing-masing elektron saling mendorong dari pangkal ke ujung, sehingga seluruh elektron bergerak bersama-sama sebagai suatu kelompok. Waktu elektron memulai dan berhenti mengalir melalui jalan konduktif adalah sesaat dari satu bagian konduktor ke bagian yang lain, walaupun pergerakan elektron mungkin sangat lambat. Analogi aliran elektron tersebut seperti sebuah tabung diisi dengan kelereng pada pangkal tabung menuju ke ujungnya.

  Gambar 1 Analogi aliran elektron dengan menggunakan kelereng

Tabung yang penuh dengan kelereng, seperti konduktor yang penuh dengan elektron bebas yang siap bergerak akibat gaya luar. Jika sebuah kelereng tiba-tiba dimasukkan ke dalam tabung yang penuh ini dari sisi kiri, kelereng yang lain akan segera keluar dari sisi kanan tabung. Walaupun tiap-tiap kelereng hanya berpindah pada jarak yang pendek, perpindahan pergerakan melalui tabung berlangsung sesaat dari kiri ke kanan, tak masalah seberapa panjang tabung tersebut. Pada listrik, keseluruhan pengaruh dari satu konduktor ke yang lainnya sama dengan kecepatan cahaya yaitu sekitar 186.000 mil per detik. Walaupun tiap-tiap elektron berpindah melalui konduktor pada langkah yang lambat.
Jika kita menginginkan elektron mengalir dalam arah tertentu menuju tempat tertentu, kita harus menyediakan jalan yang tepat untuk elektron bergerak, seperti tukang ledeng harus memasang pipa untuk memperoleh air di mana dia ingin air mengalir. Agar hal ini dapat terjadi, kawat dibuat dari logam dengan konduktivitas yang tinggi seperti tembaga atau aluminium dalam ukuran yang berbeda-beda.
Mengingat bahwa elektron hanya dapat mengalir ketika elektron memiliki kesempatan untuk bergerak dalam ruang antara atom-atom bahan tersebut. Ini berarti bahwa adanya arus listrik hanya jika ada jalan pada bahan konduktif yang menyediakan ruang bagi elektron untuk bergerak. Dalam analogi kelereng, kelereng dapat mengalir ke dalam tabung melalui sisi kiri jika dan hanya jika tabung terbuka pada sisi kanan untuk kelereng mengalir keluar. Jika tabung diblok dari sisi kanan, kelereng akan “ menimbun” dalam tabung, dan “ aliran” kelereng tidak akan terjadi. Hal yang sama seperti pada arus listrik, aliran kontinu elektron membutuhkan jalan yang tidak putus sehingga memberikan jalan untuk mengalir. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2 untuk mengilustrasikan bagaimana kerjanya.
Gambar 2 Suatu kawat yang kontinu
Sebuah garis tipis (Gambar 2) adalah simbol umum untuk sebuah kawat yang kontinu. Oleh karena kawat terbuat dari bahan konduktif seperti tembaga, atom-atom unsurnya memiliki banyak elektron bebas yang mana dapat dengan mudah bergerak melalui kawat. Akan tetapi, tidak akan ada aliran elektron yang kontinu atau merata dalam kawat ini jika elektron-elektron tidak memiliki suatu tempat asal untuk bergerak. Hipotesis dapat disebut sebagai “sumber” dan “tujuan” elektron.
 
Gambar 3 Arah aliran elektron dari sumber ke tujuan

Sekarang, dengan sumber elektron yang mendorong elektron baru ke dalam kawat pada sisi kiri, maka aliran elektron melalui kawat dapat terjadi (seperti ditunjukkan arah panah dari kiri ke kanan). Akan tetapi aliran akan terganggu jika jalan konduktif dibentuk oleh kawat putus, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
 

Gambar 4 Aliran elektron diputus dengan memotong kawat

Karena udara merupakan bahan isolasi, dan celah udara memisahkan dua batang kawat, ketika jalan kontinu diputus, maka elektron-elektron tidak dapat mengalir dari sumber ke tujuan. Ini seperti memotong pipa air dalam dua bagian dan menutup kedua bagian yang putus, air tidak dapat  mengalir jika tidak ada jalan keluar dari pipa. Dalam istilah listrik, ini disebut kondisi kekontinuan listrik ketika arus mengalir kontinu dalam satu batang kawat, dan menjadi tidak kontinu ketika kawat diputus.
Jika kita harus mengambil potongan kawat yang lain untuk menghubungkan sumber dengan tujuan, maka akan ada jalan kontinu bagi elektron untuk mengalir. Dua titik dalam diagram menunjukkan kontak fisik (logam ke logam) antar kawat.

 
Gambar 5 Aliran elektron dihubungkan kembali dengan dengan kawat yang lain

 
Sekarang, terjadi kekontinuan dari sumber ke tujuan, melalui hubungan yang baru dibuat, dengan arah ke bawah, ke kanan, ke atas ke tujuan (kanan).

Referensi :
1.    Kuphaldt, Tony R., Lessons In Electric Circuits, Volume IDC, Fifth Edition, 2004.

No comments:

Post a Comment

Followers