Penghantar, Isolator dan Aliran Elektron

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