Pengantar Konduktansi dan Konduktor

Sekarang Anda harus menyadari korelasi antara konduktivitas listrik dan jenis bahan tertentu. Bahan-bahan yang memungkinkan elektron bebas lewat dengan mudah disebut konduktor , sedangkan bahan yang menghalangi lewatnya elektron bebas disebut isolator .

Sayangnya, teori ilmiah yang menjelaskan mengapa bahan tertentu dapat menghantarkan dan yang lainnya tidak cukup kompleks, berakar pada penjelasan mekanika kuantum tentang bagaimana elektron diatur di sekitar inti atom. Berlawanan dengan model elektron "planet" yang terkenal yang berputar di sekitar inti atom sebagai potongan materi yang terdefinisi dengan baik dalam orbit melingkar atau elips, elektron dalam "orbit" tidak benar-benar bertindak seperti potongan materi sama sekali. Sebaliknya, mereka menunjukkan karakteristik partikel dan gelombang, perilaku mereka dibatasi oleh penempatan dalam zona berbeda di sekitar nukleus yang disebut sebagai "kulit" dan "subkulit." Elektron dapat menempati zona ini hanya dalam kisaran energi yang terbatas tergantung pada zona tertentu dan seberapa terisi zona tersebut dengan elektron lain. Jika elektron benar-benar bertindak seperti planet kecil yang mengorbit di sekitar inti oleh gaya tarik elektrostatik, tindakan mereka dijelaskan oleh hukum yang sama yang menggambarkan gerakan planet nyata, tidak akan ada perbedaan nyata antara konduktor dan isolator, dan ikatan kimia antara atom tidak akan eksis dengan cara yang mereka lakukan sekarang. Ini adalah sifat diskrit, "terkuantisasi" dari energi dan penempatan elektron yang dijelaskan oleh fisika kuantum yang memberikan fenomena ini keteraturannya.

Atom keadaan bersemangat

Ketika sebuah elektron bebas untuk mengasumsikan keadaan energi yang lebih tinggi di sekitar inti atom (karena penempatannya dalam "kulit") tertentu, elektron mungkin bebas untuk melepaskan diri dari atom dan membentuk bagian dari arus listrik melalui zat.

Atom Keadaan Dasar

Namun, jika batasan kuantum yang dikenakan pada elektron menyangkal kebebasan ini, elektron dianggap "terikat" dan tidak dapat melepaskan diri (setidaknya tidak mudah) untuk membentuk arus. Skenario pertama adalah tipikal bahan konduktor, sedangkan skenario kedua tipikal bahan isolasi.

Beberapa buku teks akan memberi tahu Anda bahwa konduktivitas listrik suatu elemen secara eksklusif ditentukan oleh jumlah elektron yang berada di "kulit" terluar atom (disebut valensi shell), tetapi ini adalah penyederhanaan yang berlebihan, karena setiap pemeriksaan konduktivitas versus elektron valensi dalam tabel elemen akan dikonfirmasi. Kompleksitas sebenarnya dari situasi ini lebih lanjut terungkap ketika konduktivitas molekul (kumpulan atom yang terikat satu sama lain oleh aktivitas elektron) dipertimbangkan.

Contoh yang baik untuk hal ini adalah elemen karbon, yang terdiri dari bahan dengan konduktivitas yang sangat berbeda:grafit dan berlian . Grafit adalah konduktor listrik yang adil, sedangkan intan praktis adalah isolator (lebih aneh lagi, secara teknis diklasifikasikan sebagai semikonduktor , yang dalam bentuknya yang murni bertindak sebagai isolator, tetapi dapat menghantarkan pada suhu tinggi dan/atau pengaruh pengotor). Baik grafit dan berlian terdiri dari jenis atom yang sama persis:karbon, dengan masing-masing 6 proton, 6 neutron, dan 6 elektron. Perbedaan mendasar antara grafit dan berlian adalah bahwa molekul grafit adalah pengelompokan atom karbon yang datar sedangkan molekul berlian adalah pengelompokan atom karbon tetrahedral (berbentuk piramida).

Pengenalan kotoran yang disengaja ke dalam semikonduktor intrinsik untuk tujuan mengubah sifat listrik, optik, dan strukturalnya disebut doping . Jika atom karbon bergabung dengan atom jenis lain untuk membentuk senyawa, konduktivitas listrik menjadi berubah sekali lagi. Silikon karbida, senyawa unsur silikon dan karbon, menunjukkan perilaku nonlinier:hambatan listriknya berkurang dengan meningkatnya tegangan yang diberikan! Senyawa hidrokarbon (seperti molekul yang ditemukan dalam minyak) cenderung menjadi isolator yang sangat baik. Seperti yang Anda lihat, jumlah elektron valensi sederhana dalam sebuah atom adalah indikator yang buruk untuk konduktivitas listrik suatu zat.

Semua elemen logam adalah konduktor listrik yang baik, karena cara atom berikatan satu sama lain. Elektron atom yang terdiri dari massa logam sangat bebas dalam keadaan energi yang diizinkan sehingga mereka mengapung bebas di antara inti yang berbeda dalam zat, siap dimotivasi oleh medan listrik apa pun. Elektron sangat mobile, bahkan kadang-kadang digambarkan oleh para ilmuwan sebagai gas elektron , atau bahkan lautan elektron di mana inti atom beristirahat. Mobilitas elektron ini menjelaskan beberapa sifat umum logam lainnya:konduktivitas panas yang baik, kelenturan dan keuletan (mudah dibentuk menjadi berbagai bentuk), dan hasil akhir yang berkilau saat murni.

Untungnya, fisika di balik semua ini sebagian besar tidak relevan dengan tujuan kita di sini. Cukuplah untuk mengatakan bahwa beberapa bahan adalah konduktor yang baik, beberapa konduktor yang buruk, dan beberapa di antaranya. Untuk saat ini cukup baik untuk memahami bahwa perbedaan ini ditentukan oleh konfigurasi elektron di sekitar atom penyusun materi.

Langkah penting dalam mendapatkan listrik untuk melakukan penawaran kami adalah untuk dapat membangun jalur untuk arus mengalir dengan jumlah resistansi yang terkontrol. Juga sangat penting bahwa kita dapat mencegah arus mengalir di tempat yang tidak kita inginkan, dengan menggunakan bahan isolasi. Namun, tidak semua konduktor sama, dan tidak semua isolator. Kita perlu memahami beberapa karakteristik konduktor dan isolator umum, dan dapat menerapkan karakteristik ini pada aplikasi tertentu.

Hampir semua konduktor memiliki resistansi tertentu yang dapat diukur (jenis bahan khusus yang disebut superkonduktor sama sekali tidak memiliki hambatan listrik, tetapi ini bukan bahan biasa, dan bahan tersebut harus disimpan dalam kondisi khusus agar super konduktif). Biasanya, kami menganggap resistansi konduktor dalam rangkaian menjadi nol, dan kami berharap arus melewatinya tanpa menghasilkan penurunan tegangan yang cukup besar. Namun, pada kenyataannya, hampir selalu akan ada penurunan tegangan di sepanjang jalur konduktif (normal) dari rangkaian listrik, terlepas dari apakah kita menginginkan adanya penurunan tegangan atau tidak:

Untuk menghitung berapa penurunan tegangan ini di sirkuit tertentu, kita harus dapat memastikan resistansi kawat biasa, mengetahui ukuran dan diameter kawat. Beberapa bagian berikut dari bab ini akan membahas detail melakukan ini.

TINJAUAN:

• Konduktivitas listrik suatu bahan ditentukan oleh konfigurasi elektron dalam atom dan molekul bahan tersebut (gugus atom yang terikat).
• Semua konduktor normal memiliki ketahanan sampai tingkat tertentu.
• Arus yang mengalir melalui konduktor dengan hambatan (apa pun) akan menghasilkan sejumlah penurunan tegangan di sepanjang konduktor tersebut.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Konduktor dan Isolator
• Lembar Kerja Resistansi Spesifik Konduktor