Konduktor, Isolator, dan Aliran Elektron

Elektron dari berbagai jenis atom memiliki derajat kebebasan yang berbeda untuk bergerak. Dengan beberapa jenis bahan, seperti logam, elektron terluar dalam atom terikat sangat longgar sehingga mereka bergerak secara kacau di ruang antara atom-atom bahan itu tidak lebih dari pengaruh energi panas suhu kamar. Karena elektron yang hampir tidak terikat ini bebas meninggalkan atomnya masing-masing dan mengapung di ruang antara atom yang berdekatan, mereka sering disebut elektron bebas .

Konduktor vs Isolator

Dalam jenis bahan lain seperti kaca, elektron atom memiliki sedikit kebebasan untuk bergerak. Sementara gaya eksternal seperti gesekan fisik dapat memaksa beberapa elektron ini untuk meninggalkan atomnya masing-masing dan berpindah ke atom bahan lain, mereka tidak bergerak di antara atom di dalam bahan tersebut dengan sangat mudah.

Mobilitas relatif elektron dalam suatu material ini dikenal sebagai konduktivitas listrik . Konduktivitas ditentukan oleh jenis atom dalam suatu bahan (jumlah proton di setiap inti atom menentukan identitas kimianya) dan bagaimana atom dihubungkan satu sama lain. Bahan dengan mobilitas elektron tinggi (banyak elektron bebas) disebut konduktor , sedangkan bahan dengan mobilitas elektron rendah (sedikit atau tanpa elektron bebas) disebut isolator . Berikut adalah beberapa contoh umum konduktor dan isolator:

• Konduktor
• perak
• tembaga
• emas
• aluminium
• besi
• baja
• kuningan
• perunggu
• merkuri
• grafit
• air kotor
• beton

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

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

Misalnya, perak adalah konduktor terbaik dalam daftar "konduktor", menawarkan jalur elektron yang lebih mudah daripada bahan lain yang disebutkan. Air kotor dan beton juga terdaftar sebagai konduktor, tetapi bahan ini secara substansial kurang konduktif dibandingkan logam apa pun.

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

Aliran Elektron / Arus Listrik

Sementara gerakan normal elektron "bebas" dalam konduktor adalah acak, tanpa arah atau kecepatan tertentu, elektron dapat dipengaruhi untuk bergerak secara terkoordinasi melalui bahan konduktif. Gerakan elektron yang seragam ini disebut 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-atom konduktor. Konduktor mungkin tampak padat di mata kita, tetapi bahan apa pun yang terdiri dari atom sebagian besar adalah ruang kosong! Analogi aliran cairan sangat cocok sehingga gerakan elektron melalui konduktor sering disebut sebagai “aliran”.

Pengamatan penting dapat dilakukan di sini. Karena setiap elektron bergerak secara seragam melalui konduktor, ia mendorong yang di depannya, sehingga semua elektron bergerak bersama sebagai satu kelompok. Awal dan penghentian aliran elektron melalui panjang jalur konduktif hampir seketika dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya, meskipun gerakan setiap elektron mungkin sangat lambat. Sebuah analogi perkiraan adalah bahwa tabung diisi ujung ke ujung dengan kelereng:

Tabung itu penuh dengan kelereng, seperti konduktor yang penuh dengan elektron bebas yang siap untuk dipindahkan oleh pengaruh luar. Jika sebuah 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, perpindahan gerakan melalui tabung hampir seketika dari ujung kiri ke ujung kanan, tidak peduli berapa lama tabung itu. Dengan listrik, efek keseluruhan dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya terjadi pada kecepatan cahaya:kecepatan 186.000 mil per detik!!! Namun, setiap elektron individu bergerak melalui konduktor dengan kecepatan jauh kecepatan lebih lambat.

Aliran Elektron Melalui Kawat

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

Ingatlah bahwa elektron hanya dapat mengalir ketika mereka memiliki kesempatan untuk bergerak di ruang antara atom-atom suatu bahan. Ini berarti hanya ada arus listrik hanya di mana terdapat jalur kontinu bahan konduktif yang menyediakan saluran bagi elektron untuk melewatinya. 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 mengalir keluar. Jika tabung diblokir di sisi kanan, kelereng hanya akan "menumpuk" di dalam tabung, dan "aliran" kelereng 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 sepotong kawat yang berkesinambungan. 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 kawat ini kecuali mereka memiliki tempat untuk datang dan tempat untuk pergi. Mari kita tambahkan elektron hipotetis “Sumber” dan “Tujuan:”

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

Kontinuitas Listrik

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 hal kelistrikan, kami memiliki kondisi kontinuitas listrik ketika kawat itu utuh, dan sekarang kontinuitas itu terputus dengan kawat dipotong dan dipisahkan.

Jika kita mengambil sepotong kabel lain yang mengarah ke Tujuan dan hanya membuat kontak fisik dengan kabel yang mengarah ke Sumber, kita akan sekali lagi memiliki jalur kontinu untuk elektron mengalir. Dua titik dalam diagram menunjukkan kontak fisik (logam-ke-logam) antara potongan kawat:

Sekarang, kita memiliki kesinambungan dari Sumber, ke sambungan yang baru dibuat, ke bawah, ke kanan, dan ke atas ke Tujuan. Hal ini dapat dianalogikan dengan memasang fitting “tee” di salah satu pipa yang ditutup dan mengalirkan air melalui segmen pipa yang baru ke tujuannya. Harap perhatikan bahwa segmen kabel yang putus di sisi kanan tidak memiliki elektron yang mengalir melaluinya karena itu bukan lagi bagian dari jalur lengkap dari Sumber ke Tujuan.

Sangat menarik untuk dicatat bahwa tidak ada "keausan" yang terjadi di dalam kabel karena arus listrik ini, tidak seperti pipa pembawa air yang akhirnya terkorosi dan aus oleh aliran yang berkepanjangan. Elektron memang menghadapi beberapa tingkat gesekan saat mereka bergerak, dan gesekan ini dapat menghasilkan panas dalam konduktor. Ini adalah topik yang akan kita jelajahi lebih detail nanti.

TINJAUAN:

• Dalam konduktif bahan, elektron terluar di setiap atom dapat dengan mudah datang atau pergi dan disebut elektron bebas .
• Dalam isolasi bahan, elektron terluar tidak begitu bebas untuk bergerak.
• Semua logam bersifat konduktif secara elektrik.
• Listrik dinamis , atau arus listrik , adalah gerakan seragam elektron melalui konduktor.
• Listrik statis tidak bergerak (jika pada isolator), akumulasi muatan yang dibentuk oleh kelebihan atau kekurangan elektron dalam suatu benda. Ini biasanya dibentuk oleh pemisahan muatan melalui kontak dan pemisahan bahan yang berbeda.
• Agar elektron mengalir terus menerus (tanpa batas) melalui konduktor, harus ada jalur yang lengkap dan tidak terputus agar elektron dapat bergerak masuk dan keluar dari konduktor tersebut.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konduktor dan Isolator