Hari: 6 Mei 2023

 

 

Elektron dapat bergerak pada berbagai bahan. Elektron pada jenis atom yang berbeda memiliki derajat kebebasan yang berbeda untuk bergerak.

Pada beberapa jenis bahan seperti logam, elektron terluar dalam atom terikat dengan sangat longgar sehingga mereka bergerak secara acak di ruang antara atom bahan tersebut dengan hanya pengaruh energi panas suhu kamar. Karena elektron yang hampir tidak terikat ini bebas meninggalkan atomnya masing-masing dan melayang di ruang antara atom yang berdekatan, mereka sering disebut elektron bebas.

Dalam jenis bahan lain seperti kaca, elektron atom memiliki kebebasan yang sangat kecil untuk bergerak. Gaya eksternal seperti gesekan fisik dapat memaksa beberapa elektron ini untuk meninggalkan atomnya masing-masing dan berpindah ke atom bahan lain, namun elektron itu sulit berpindah antar atom di dalam bahan itu.

Mobilitas relatif elektron dalam suatu material ini dikenal sebagai konduktivitas listrik. Konduktivitas ditentukan oleh jenis atom dalam suatu bahan (jumlah proton dalam setiap inti atom, menentukan identitas kimiawinya) dan bagaimana atom-atom tersebut dihubungkan satu sama lain. Bahan dengan mobilitas elektron tinggi (banyak elektron bebas) disebut konduktor / penghantar, sedangkan bahan dengan mobilitas elektron rendah (sedikit atau tidak ada elektron bebas) disebut isolator.

Berikut adalah beberapa contoh umum konduktor :

• perak
• tembaga
• emas
• aluminium
• besi
• baja
• kuningan
• perunggu
• air raksa
• grafit
• air kotor / air tidak murni
• beton

Berikut adalha contoh bahan isolator:

• kaca
• karet
• minyak
• aspal
• fiberglass
• porselen
• keramik
• kuarsa
• kapas (kering).
• kertas (kering).
• kayu (kering).
• plastik
• udara
• berlian / intan
• air murni

Perlu  dipahami bahwa tidak semua bahan konduktif memiliki tingkat konduktivitas yang sama, dan tidak semua isolator sama-sama tahan terhadap gerakan elektron. Konduktivitas listrik dapat dianalogikan dengan transparansi bahan tertentu terhadap cahaya: bahan yang mudah “menghantarkan” cahaya disebut “transparan”, sedangkan yang sulit disebut “buram”. Namun, tidak semua bahan transparan sama-sama konduktif terhadap cahaya. Kaca jendela lebih baik dari kebanyakan plastik, dan tentunya lebih baik dari fiberglass yang “bening”. Begitu pula dengan konduktor listrik, beberapa lebih baik dari yang lain.

Misalnya, perak adalah konduktor terbaik dalam daftar “konduktor”, memberikan jalur elektron yang lebih mudah daripada bahan lain yang disebut di atas. Air kotor dan beton juga terdaftar sebagai konduktor, tetapi bahan ini secara substansial kurang konduktif dibandingkan logam apapun.

Perlu juga dipahami bahwa beberapa bahan mengalami perubahan sifat kelistrikannya pada kondisi yang berbeda. Kaca, misalnya, adalah isolator yang sangat baik pada suhu kamar, tetapi menjadi konduktor saat dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi. Gas seperti udara, biasanya bahan isolasi, juga menjadi konduktif jika dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi. Sebagian besar logam menjadi konduktor yang lebih buruk saat dipanaskan, dan konduktor yang lebih baik saat didinginkan. Banyak bahan konduktif menjadi konduktif sempurna (ini disebut superkonduktivitas) pada suhu yang sangat rendah.

Sementara gerakan normal elektron “bebas” dalam konduktor adalah acak, tanpa arah atau kecepatan tertentu, elektron dapat dipengaruhi untuk bergerak secara terkoordinasi melalui bahan konduktif. Gerak seragam elektron inilah yang kita sebut listrik, atau arus listrik. Lebih tepatnya, itu bisa disebut listrik dinamis berbeda dengan listrik statis, yang merupakan akumulasi muatan listrik yang tidak bergerak. Sama seperti air yang mengalir melalui kekosongan pipa, elektron dapat bergerak di dalam ruang kosong di dalam dan di antara atom konduktor. Konduktor mungkin tampak padat di mata kita, tetapi materi apa pun yang terdiri dari atom sebagian besar adalah ruang kosong! Analogi aliran cairan sangat sesuai untuk gerakan elektron,  sehingga gerakan elektron melalui konduktor sering disebut sebagai “aliran”.

Ada hal penting di sini. Karena setiap elektron bergerak secara seragam melalui konduktor, ia mendorong yang di depannya, sehingga semua elektron bergerak bersama sebagai satu kelompok. Memulai dan menghentikan aliran elektron melalui panjang jalur konduktif hampir seketika dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya, meskipun gerakan setiap elektron mungkin sangat lambat. Analogi perkiraannya adalah tabung yang diisi ujung ke ujung dengan kelereng:

Tabung itu penuh dengan kelereng, seperti konduktor yang penuh dengan elektron bebas yang siap dipindahkan oleh pengaruh luar. Jika satu kelereng tiba-tiba dimasukkan ke dalam tabung penuh di sisi kiri ini, kelereng lain akan segera mencoba keluar dari tabung di sebelah kanan. Meskipun setiap kelereng hanya menempuh jarak pendek, transfer gerak melalui tabung hampir seketika dari ujung kiri ke ujung kanan, tidak peduli seberapa panjang tabung itu. Dengan listrik, efek keseluruhan dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya terjadi dengan kecepatan cahaya: kecepatan 186.000 mil per detik atau 300 km per detik! Namun, setiap elektron individu bergerak melalui konduktor dengan kecepatan yang jauh lebih lambat.

Jika kita ingin elektron mengalir ke arah tertentu ke tempat tertentu, kita harus menyediakan jalur yang tepat bagi mereka untuk bergerak, seperti tukang ledeng harus memasang pipa agar air mengalir ke tempat yang dia inginkan. Untuk memfasilitasi ini, kabel dibuat dari logam yang sangat konduktif seperti tembaga atau aluminium dalam berbagai ukuran.

Elektron hanya dapat mengalir jika memiliki kesempatan untuk bergerak di ruang antara atom-atom suatu material. Ini berarti bahwa arus listrik hanya dapat terjadi jika terdapat jalur berkelanjutan dari bahan konduktif yang menyediakan saluran untuk dilalui elektron. Dalam analogi kelereng, kelereng dapat mengalir ke sisi kiri tabung (dan, akibatnya, melalui tabung) jika dan hanya jika tabung terbuka di sisi kanan agar kelereng dapat mengalir keluar. Jika tabung diblokir di sisi kanan, kelereng hanya akan “menumpuk” di dalam tabung, dan “aliran” marmer tidak akan terjadi. Hal yang sama berlaku untuk arus listrik: aliran elektron yang terus menerus membutuhkan jalur yang tidak terputus untuk memungkinkan aliran itu. Mari kita lihat diagram untuk mengilustrasikan cara kerjanya:

 

Garis tipis dan padat (seperti yang ditunjukkan di atas) adalah simbol konvensional untuk seutas kawat yang tidak terputus. Karena kawat terbuat dari bahan konduktif, seperti tembaga, atom penyusunnya memiliki banyak elektron bebas yang dapat dengan mudah bergerak melalui kawat. Namun, tidak akan pernah ada aliran elektron yang kontinu atau seragam di dalam kabel ini kecuali mereka memiliki tempat asal dan tempat tujuan. Mari tambahkan elektron hipotetis “Sumber” dan “Tujuan:”

Sekarang, dengan Sumber Elektron mendorong elektron baru ke dalam kabel di sisi kiri, aliran elektron melalui kabel dapat terjadi (seperti yang ditunjukkan oleh panah yang menunjuk dari kiri ke kanan). Namun, aliran akan terganggu jika jalur konduktif yang dibentuk oleh kawat putus:

Karena udara adalah bahan isolasi, dan celah udara memisahkan dua potong kawat, jalur yang tadinya kontinu kini telah terputus, dan elektron tidak dapat mengalir dari Sumber ke Tujuan. Ini seperti memotong pipa air menjadi dua dan menutup ujung pipa yang patah: air tidak dapat mengalir jika tidak ada jalan keluar dari pipa. Dalam istilah kelistrikan, kami memiliki kondisi kontinuitas listrik ketika kawat masih utuh, dan sekarang kontinuitas tersebut terputus dengan kawat dipotong dan dipisahkan. Jika kita mengambil seutas kabel lain yang mengarah ke Tujuan dan hanya melakukan kontak fisik dengan kabel yang mengarah ke Sumber, sekali lagi kita akan memiliki jalur kontinu untuk mengalirkan elektron. Dua titik pada diagram menunjukkan kontak fisik (logam-ke-logam) antara potongan kawat:

 

Referensi

• Lessons In Electric Circuits Volume I – DC
• Penghantar Listrik
• Electrical Conductor

Beberapa abad yang lalu orang menemukan ditemukan bahwa beberapa jenis bahan tertentu secara misterius akan menarik satu sama lain setelah digosok. Misalnya: setelah menggosokkan sehelai sutera pada sehelai kaca, sutera dan kaca akan cenderung saling menempel. Terlihat ada gaya tarik menarik yang terjadi. Gaya tarik ini tetap ada bahkan setelah kedua bahan tersebut dipisahkan:

 

Tidak hanya kaca dan sutra yang diketahui berperilaku seperti ini. Siapa pun yang pernah bergesekan dengan balon karet akan mengalami bahwa balon akan menempel padanya. Fenomena balon menempel ini mirip dengan kaca dan sutra. Lilin parafin dan kain wol adalah pasangan bahan yang oleh para peneliti awal diakui sebagai perwujudan gaya tarik-menarik setelah digosok bersama:

Fenomena ini menjadi semakin menarik ketika diketahui bahwa bahan-bahan yang identik, setelah digosok dengan kainnya masing-masing, selalu saling tolak:

 Ditemukan juga bahwa ketika sepotong kaca yang digosok dengan sutra dipaparkan pada sepotong lilin yang digosok dengan wol, kedua bahan tersebut akan saling tarik-menarik:

Selain itu, ditemukan bahwa setiap bahan yang menunjukkan sifat daya tarik atau tolakan setelah digosok dapat diklasifikasikan ke dalam salah satu dari dua kategori berbeda: tertarik ke kaca dan ditolak oleh lilin, atau ditolak oleh kaca dan tertarik ke lilin. Itu salah satu atau yang lain: tidak ada bahan yang ditemukan yang akan tertarik atau ditolak oleh kaca dan lilin, atau yang bereaksi terhadap satu tanpa bereaksi terhadap yang lain. Perhatian lebih diarahkan pada potongan kain yang digunakan untuk menggosok. Ditemukan bahwa setelah menggosok dua lembar kaca dengan dua potong kain sutra, tidak hanya potongan kaca yang saling tolak, tetapi juga kainnya. Fenomena yang sama berlaku untuk potongan wol yang digunakan untuk menggosok lilin:Fenomena ini benar-benar aneh. Tidak satu pun dari benda-benda ini yang terlihat diubah oleh gosokan, namun mereka pasti berperilaku berbeda dari sebelum digosok. Ada perubahan yang membuat membuat bahan-bahan ini menarik atau menolak satu sama lain, namun perubahan ini tidak terlihat.

Beberapa peneliti berspekulasi bahwa “cairan” tak terlihat sedang dipindahkan dari satu objek ke objek lain selama proses gesekan, dan bahwa “cairan” ini dapat mempengaruhi kekuatan fisik dari jarak jauh. Charles Dufay adalah salah satu peneliti awal yang mendemonstrasikan bahwa pasti ada dua jenis perubahan berbeda yang terjadi dengan menggosokkan sepasang objek tertentu secara bersamaan. Fakta bahwa ada lebih dari satu jenis perubahan yang terwujud dalam materi-materi ini terbukti dengan fakta bahwa ada dua jenis gaya yang dihasilkan: gaya tarik dan gaya tolak. Transfer cairan hipotetis dikenal sebagai muatan.

Seorang peneliti perintis, Benjamin Franklin, sampai pada kesimpulan bahwa hanya ada satu cairan yang dipertukarkan di antara benda-benda yang digosok, dan bahwa dua “muatan” yang berbeda tidak lebih dari kelebihan atau kekurangan satu cairan itu. Setelah bereksperimen dengan lilin dan wol, Franklin menyarankan agar wol kasar menghilangkan sebagian cairan tak terlihat ini dari lilin halus, menyebabkan kelebihan cairan pada wol dan kekurangan cairan pada lilin. Perbedaan yang dihasilkan dalam kandungan cairan antara wol dan lilin kemudian akan menyebabkan gaya tarik-menarik, karena cairan tersebut mencoba untuk mendapatkan kembali keseimbangan sebelumnya antara kedua bahan tersebut.

Mendalilkan adanya “cairan” tunggal yang diperoleh atau hilang melalui gesekan adalah yang terbaik untuk perilaku yang diamati: bahwa semua bahan ini jatuh dengan rapi ke dalam salah satu dari dua kategori saat digosok, dan yang paling penting, bahwa kedua bahan aktif saling bergesekan. yang lain selalu jatuh ke dalam kategori yang berlawanan sebagaimana dibuktikan oleh ketertarikan mereka yang tidak berubah satu sama lain. Dengan kata lain, tidak pernah ada waktu di mana dua bahan bergesekan keduanya menjadi positif atau negatif.

Mengikuti spekulasi Franklin tentang wol yang menggosok sesuatu dari lilin, jenis muatan yang dikaitkan dengan lilin yang digosok dikenal sebagai “negatif” (karena dianggap kekurangan cairan) sedangkan jenis muatan yang terkait dengan gesekan wol dikenal sebagai “positif” (karena dianggap memiliki kelebihan cairan). Sedikit yang dia tahu bahwa dugaan polosnya akan menyebabkan banyak kebingungan bagi siswa kelistrikan di masa depan!

Pengukuran yang tepat dari muatan listrik dilakukan oleh fisikawan Prancis Charles Coulomb pada tahun 1780-an menggunakan alat yang disebut keseimbangan torsi yang mengukur gaya yang dihasilkan antara dua benda bermuatan listrik. Hasil kerja Coulomb mengarah pada pengembangan satuan muatan listrik yang dinamai untuk menghormatinya, coulomb. Jika dua benda “titik” (benda hipotetis yang tidak memiliki luas permukaan yang berarti) sama-sama dibebankan pada ukuran 1 coulomb, dan ditempatkan terpisah 1 meter (kira-kira 1 yard), mereka akan menghasilkan gaya sekitar 9 miliar newton (sekitar 2 miliar pound), baik menarik atau menolak tergantung pada jenis biaya yang terlibat. Definisi operasional coulomb sebagai satuan muatan listrik (dalam hal gaya yang dihasilkan antara muatan titik) ditemukan sama dengan kelebihan atau kekurangan sekitar 6.250.000.000.000.000.000 elektron. Atau, dinyatakan secara terbalik, satu elektron memiliki muatan sekitar 0,00000000000000000016 coulomb. Karena satu elektron adalah pembawa muatan listrik terkecil yang diketahui, angka muatan terakhir untuk elektron ini didefinisikan sebagai muatan elementer.

Belakangan diketahui bahwa “cairan” ini sebenarnya terdiri dari potongan-potongan materi yang sangat kecil yang disebut elektron, dinamakan demikian untuk menghormati kata Yunani kuno untuk ambar: bahan lain yang menunjukkan sifat bermuatan ketika digosok dengan kain. Eksperimen sejak itu mengungkapkan bahwa semua objek terdiri dari “blok bangunan” yang sangat kecil yang dikenal sebagai atom, dan bahwa atom-atom ini pada gilirannya terdiri dari komponen yang lebih kecil yang dikenal sebagai partikel. Tiga partikel fundamental yang menyusun sebagian besar atom disebut proton, neutron, dan elektron. Sementara sebagian besar atom memiliki kombinasi proton, neutron, dan elektron, tidak semua atom memiliki neutron; contohnya adalah isotop protium (1H1) dari hidrogen (Hidrogen-1) yang merupakan bentuk hidrogen paling ringan dan paling umum yang hanya memiliki satu proton dan satu elektron. Atom terlalu kecil untuk dilihat, tetapi jika kita dapat melihatnya, mungkin tampak seperti ini:

Meskipun setiap atom dalam sepotong materi cenderung bersatu sebagai satu kesatuan, sebenarnya ada banyak ruang kosong antara elektron dan gugusan proton dan neutron yang berada di tengahnya.

Model kasar ini adalah unsur karbon, dengan enam proton, enam neutron, dan enam elektron. Dalam atom apa pun, proton dan neutron terikat sangat erat, yang merupakan kualitas penting. Gumpalan proton dan neutron yang terikat erat di pusat atom disebut nukleus, dan jumlah proton dalam inti atom menentukan identitas unsurnya: mengubah jumlah proton dalam inti atom, dan Anda mengubah jenisnya. atom itu. Faktanya, jika Anda dapat menghilangkan tiga proton dari inti atom timah, Anda akan mencapai impian para alkemis tua untuk menghasilkan atom emas! Pengikatan ketat proton dalam nukleus bertanggung jawab atas kestabilan identitas unsur kimia, dan kegagalan alkemis untuk mencapai impian mereka.

Neutron kurang berpengaruh pada karakter kimia dan identitas atom daripada proton, meskipun mereka sama sulitnya untuk ditambahkan atau dihilangkan dari nukleus, karena terikat dengan sangat erat. Jika neutron ditambahkan atau diperoleh, atom akan tetap memiliki identitas kimiawi yang sama, tetapi massanya akan sedikit berubah dan mungkin memperoleh sifat nuklir yang aneh seperti radioaktivitas.

Namun, elektron memiliki kebebasan yang jauh lebih besar untuk bergerak di dalam atom daripada proton atau neutron. Faktanya, mereka dapat terlempar dari posisinya masing-masing (bahkan meninggalkan atom seluruhnya!) dengan energi yang jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan untuk mengeluarkan partikel di dalam nukleus. Jika ini terjadi, atom masih mempertahankan identitas kimianya, tetapi terjadi ketidakseimbangan yang penting. Elektron dan proton unik karena mereka tertarik satu sama lain dari jarak jauh. Gaya tarik jarak inilah yang menyebabkan gaya tarik antara benda-benda yang digosok, di mana elektron dipindahkan dari atom asalnya untuk berada di sekitar atom benda lain.

Elektron cenderung menolak elektron lain dalam jarak tertentu, seperti halnya proton dengan proton lainnya. Satu-satunya alasan proton berikatan bersama dalam inti atom adalah karena gaya yang jauh lebih kuat yang disebut gaya nuklir kuat yang hanya berpengaruh pada jarak yang sangat pendek. Karena perilaku tarik-menolak antara partikel individu, elektron dan proton dikatakan memiliki muatan listrik yang berlawanan. Artinya, setiap elektron memiliki muatan negatif, dan setiap proton bermuatan positif. Dalam jumlah yang sama di dalam atom, mereka melawan keberadaan satu sama lain sehingga muatan bersih di dalam atom adalah nol. Inilah mengapa gambar atom karbon memiliki enam elektron: untuk mengimbangi muatan listrik dari enam proton dalam inti. Jika elektron pergi atau elektron ekstra tiba, muatan listrik bersih atom akan tidak seimbang, membuat atom “bermuatan” secara keseluruhan, menyebabkannya berinteraksi dengan partikel bermuatan dan atom bermuatan lain di dekatnya. Neutron tidak tertarik atau ditolak oleh elektron, proton, atau bahkan neutron lainnya, dan akibatnya dikategorikan tidak bermuatan sama sekali.

Proses datang atau perginya elektron persis seperti yang terjadi ketika kombinasi material tertentu digosokkan bersama: elektron dari atom suatu material dipaksa oleh gesekan untuk meninggalkan atomnya masing-masing dan berpindah ke atom material lain. Dengan kata lain, elektron terdiri dari “cairan” yang dihipotesiskan oleh Benjamin Franklin. Hasil dari ketidakseimbangan “cairan” (elektron) antar benda ini disebut listrik statis. Ini disebut “statis” karena elektron yang dipindahkan cenderung tetap diam setelah dipindahkan dari satu bahan isolasi ke bahan isolasi lainnya. Dalam kasus lilin dan wol, ditentukan melalui eksperimen lebih lanjut bahwa elektron dalam wol benar-benar ditransfer ke atom dalam lilin, yang merupakan kebalikan dari dugaan Franklin! Untuk menghormati penunjukan Franklin bahwa muatan lilin itu “negatif” dan muatan wol itu “positif”, elektron dikatakan memiliki pengaruh muatan “negatif”. Dengan demikian, sebuah objek yang atomnya telah menerima kelebihan elektron dikatakan bermuatan negatif, sedangkan objek yang atomnya kekurangan elektron dikatakan bermuatan positif, sama membingungkannya dengan sebutan ini. Pada saat sifat sebenarnya dari “cairan” listrik ditemukan, nomenklatur muatan listrik Franklin terlalu mapan untuk diubah dengan mudah, dan tetap demikian sampai hari ini.

Michael Faraday membuktikan (1832) bahwa listrik statis sama dengan yang dihasilkan oleh baterai atau generator. Listrik statis, sebagian besar, merupakan gangguan. Serbuk hitam dan serbuk tanpa asap ditambahkan grafit untuk mencegah penyalaan akibat listrik statis. Ini menyebabkan kerusakan pada sirkuit semikonduktor yang sensitif. Meskipun dimungkinkan untuk menghasilkan motor yang ditenagai oleh karakteristik listrik statis tegangan tinggi dan arus rendah

Ringkasan

• Semua bahan terdiri dari “blok bangunan” kecil yang dikenal sebagai atom.
• Semua atom alami mengandung partikel yang disebut elektron, proton, dan neutron, kecuali isotop protium (1H1) hidrogen.
• Elektron memiliki muatan listrik negatif (-).
• Proton memiliki muatan listrik positif (+).
• Neutron tidak memiliki muatan listrik.
• Elektron dapat terlepas dari atom jauh lebih mudah daripada proton atau neutron.
• Jumlah proton dalam inti atom menentukan identitasnya sebagai unsur yang unik.

Referensi

• Lessons In Electric Circuits Volume I – DC
• Wikipedia Indonsia: https://id.wikipedia.org/wiki/Listrik_statis
• Elektrostatika
• Wikipedia Bahasa Inggris: Static Electricity
• Wikipedia Bahasa Inggris: Electrostatics