Resistivitas dan konduktivitas adalah dua sisi mata uang yang sama, tetapi keduanya merupakan konsep penting untuk dipahami saat Anda belajar tentang elektronik. Mereka pada dasarnya adalah dua cara berbeda untuk menggambarkan sifat fisik dasar yang sama: seberapa baik arus listrik mengalir melalui suatu material.
Resistivitas listrik adalah properti bahan yang memberi tahu Anda seberapa besar ia menahan aliran arus listrik, sementara konduktivitas mengukur seberapa mudah arus mengalir. Mereka terkait sangat erat, dengan konduktivitas listrik menjadi kebalikan dari resistivitas, tetapi memahami keduanya secara detail penting untuk mengatasi masalah dalam fisika elektronik.
Resistivitas listrik
Resistivitas suatu bahan merupakan faktor kunci dalam menentukan hambatan listrik suatu konduktor, dan itu adalah bagian dari persamaan untuk resistansi yang memperhitungkan karakteristik yang berbeda dari yang berbeda bahan.
Hambatan listrik sendiri dapat dipahami melalui analogi sederhana. Bayangkan bahwa aliran elektron (pembawa arus listrik) melalui kawat diwakili oleh kelereng yang mengalir menuruni lereng: Anda akan mendapat hambatan jika Anda menempatkan penghalang di jalur lereng. Saat kelereng menabrak penghalang, mereka akan kehilangan sebagian energinya karena penghalang, dan keseluruhan aliran kelereng di jalan akan melambat.
Analogi lain yang dapat membantu Anda memahami bagaimana aliran arus dipengaruhi oleh hambatan adalah efek yang melewati roda dayung terhadap kecepatan arus air. Sekali lagi, energi berpindah ke kincir, dan akibatnya air bergerak lebih lambat.
Kenyataan untuk arus yang mengalir melalui konduktor lebih dekat dengan contoh marmer karena elektron mengalir melalui materi, tetapi struktur inti atom yang seperti kisi menghalangi aliran ini, yang memperlambat elektron turun.
Hambatan listrik suatu konduktor didefinisikan sebagai:
R = \frac{ρL}{A}
Dimanaρ(rho) adalah resistivitas bahan (yang tergantung pada komposisinya), panjangLberapa panjang konduktor danSEBUAHadalah luas penampang bahan (dalam meter persegi). Persamaan menunjukkan bahwa konduktor yang lebih panjang memiliki hambatan listrik yang lebih tinggi, dan konduktor dengan luas penampang yang lebih besar memiliki hambatan yang lebih rendah.
Satuan SI untuk hambatan adalah ohm (Ω), di mana 1 = 1 kg m2 s−3 SEBUAH−2, dan satuan SI untuk resistivitas adalah ohm-meter (Ω m). Bahan yang berbeda memiliki resistivitas yang berbeda, dan Anda dapat mencari nilai resistivitas material yang Anda gunakan dalam perhitungan dalam tabel (lihat Sumberdaya).
Konduktivitas listrik
Konduktivitas listrik secara sederhana didefinisikan sebagai kebalikan dari resistivitas, sehingga resistivitas tinggi berarti konduktivitas rendah, dan resistivitas rendah berarti konduktivitas tinggi. Secara matematis, konduktivitas suatu material diwakili oleh:
= \frac{1}{ρ}
Dimanaσadalah konduktivitas danρadalah resistivitas, seperti sebelumnya. Tentu saja, Anda dapat mengatur ulang persamaan hambatan di bagian sebelumnya untuk menyatakannya dalam bentuk hambatan,R, luas penampangSEBUAHkonduktor dan panjangnyaL, tergantung pada masalah apa yang Anda tangani.
Satuan SI untuk konduktivitas adalah kebalikan dari satuan resistivitas, yang menjadikannya−1 saya−1; namun, biasanya dikutip sebagai siemens/meter (S/m), di mana 1 S = 1−1.
Menghitung Resistivitas dan Konduktivitas
Dengan mempertimbangkan definisi resistivitas dan konduktivitas listrik, melihat contoh perhitungan akan membantu memperkuat gagasan yang diperkenalkan sejauh ini. Untuk panjang kawat tembaga, dengan panjangL= 0,1 m dan luas penampangSEBUAH = 5.31 × 10−6 saya2 dan resistansiR = 3.16 × 10−4, berapa resistivitasnyaρdari tembaga? Pertama, Anda perlu mengatur ulang persamaan resistansi untuk mendapatkan ekspresi resistivitasρ, sebagai berikut:
R = \frac{ρL}{A}
= \frac{RA}{L}
Sekarang Anda dapat memasukkan nilai untuk menemukan hasilnya:
\begin{aligned} &= \frac{3.16 × 10^{−4} \text{ } × 5.31 × 10^{−6}\text{ m}^2}{0.1 \text{ m}} \ \ &=1,68 × 10^{−8} \text{ m} \end{selaras}
Dari sini, berapakah konduktivitas listrik dari kawat tembaga? Tentu saja, ini cukup mudah untuk dikerjakan berdasarkan apa yang baru saja Anda temukan, karena konduktivitas (σ) adalah kebalikan dari resistivitas. Jadi konduktivitas adalah:
\begin{aligned} &= \frac{1}{ρ} \\ &= \frac{1}{1,68 × 10^{−8}\text{ m}} \\ &= 5,95 × 10^7 \text{ s/m} \end{selaras}
Resistivitas yang sangat rendah dan konduktivitas yang tinggi menjelaskan mengapa kabel tembaga seperti ini mungkin digunakan di rumah Anda untuk menyalurkan listrik.
Ketergantungan Suhu
Nilai yang akan Anda temukan dalam tabel untuk resistivitas bahan yang berbeda semuanya akan menjadi nilai pada nilai tertentu a suhu (umumnya dipilih sebagai suhu kamar), karena resistivitas meningkat dengan meningkatnya suhu untuk sebagian besar bahan.
Meskipun untuk beberapa bahan (seperti semikonduktor seperti silikon), resistivitas menurun dengan meningkatnya suhu, peningkatan suhu adalah aturan umum. Ini mudah dimengerti jika Anda kembali ke analogi marmer: Dengan penghalang bergetar di sekitar (sebagai akibat dari peningkatan suhu dan oleh karena itu energi internal), mereka lebih cenderung memblokir kelereng daripada jika mereka benar-benar diam sepanjang.
Resistivitas pada suhuTdiberikan oleh hubungan:
(T) = _0(1 + (T – T_0))
Dimana alfa (α) adalah koefisien temperatur resistivitas,Tadalah suhu yang Anda hitung resistivitasnya,T0 adalah suhu referensi (biasanya diambil sebagai 293 K, kira-kira suhu kamar) danρ0 adalah resistivitas pada suhu referensi. Semua suhu dalam persamaan ini dalam kelvin (K), dan satuan SI untuk koefisien suhu adalah 1/K. Koefisien temperatur resistivitas umumnya memiliki nilai yang sama dengan koefisien temperatur resistansi, dan cenderung pada orde 10−3 atau lebih rendah.
Jika Anda perlu menghitung ketergantungan suhu untuk bahan yang berbeda, Anda hanya perlu mencari nilai koefisien suhu yang sesuai dan bekerja melalui persamaan dengan suhu referensiT0 = 293 K (asalkan cocok dengan suhu yang digunakan untuk nilai referensi resistivitas).
Anda dapat melihat dari bentuk persamaan bahwa ini akan selalu menjadi kenaikan resistivitas untuk kenaikan suhu. Tabel berikut berisi beberapa data kunci untuk resistivitas listrik, konduktivitas dan koefisien suhu untuk berbagai bahan:
\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{c: c: c: c} \text{Material} & \text{Resistivitas, }ρ \text{ (pada 293 K) / m} & \text{ Konduktivitas, } σ \text{ (pada 293 K) / S/m} & \text{Suhu Koefisien,} α \text{/ K}^{−1} \\ \hline \text{Silver} & 1,59 × 10^{−8} & 6,30 × 10^7 & 0,0038\\ \hdashline \text{Tembaga} & 1,68 × 10^{−8} & 5,96 × 10^7 & 0,00386\\ \hdashline \text{Zinc} & 5,90 × 10^{−8} &1,69 × 10^7 & 0,0037\\ \hdashline \text{Nikel} &6,99 × 10^{−8} & 1,43 × 10^7 & 0,006\\ \hdashline \text{Besi } & 1,00 × 10^{−7} & 1,00 × 10^7 & 0,00651\\ \hdashline \text{Stainless Steel} & 6,9 × 10^{−7} & 1,45 × 10^6 & 0,00094\\ \hdashline \text{Mercury} & 9,8 × 10^{−7} & 1,02 × 10^6 & 0,0009\\ \hdashline \text{Nichrome } & 1,10 × 10^{−6} & 9,09 × 10^5 & 0,0004\\ \hdashline \text{Air minum} & 2 × 10^1 \text{ke} 2 × 10^3 & 5 × 10^{−4} \text{ke} 5 × 10^{−2} & \\ \hdashline \ teks{Kaca} & 10^{11} \text{ke} 10^{15} & 10^{-11} \text{ke} 10^{-15} & \\ \hdashline \text{Karet} & 10^{13} & 10^{-13} & \\ \hdashline \text{Kayu} & 10^{14} \text{ke} 10^{16} & 10^{-16 } \text{ke} 10^{-14} & \\ \hdashline \text{Teflon} & 10^{23} \text{ke} 10^{25} & 10^{-25} \text{ke} 10^{-23} & \\ \hdashline \end{array}
Perhatikan bahwa isolator dalam daftar tidak memiliki nilai yang ditetapkan untuk koefisien suhunya, tetapi mereka disertakan untuk menunjukkan rentang penuh nilai resistivitas dan konduktivitas.
Menghitung Resistivitas pada Suhu Yang Berbeda
Meskipun teori bahwa resistivitas meningkat ketika suhu meningkat masuk akal, ada baiknya melihat a perhitungan untuk menggarisbawahi dampak bahwa peningkatan suhu dapat memiliki konduktivitas dan resistivitas a bahan. Untuk contoh perhitungan, perhatikan apa yang terjadi pada resistivitas dan konduktivitas nikel ketika dipanaskan dari 293 K ke 343 K. Melihat persamaan lagi:
(T) = _0(1 + (T – T_0))
Anda dapat melihat bahwa nilai yang Anda butuhkan untuk menghitung resistivitas baru ada pada tabel di atas, di mana resistivitasρ0 = 6.99 × 10−8 m, dan koefisien suhuα= 0.006. Memasukkan nilai-nilai ini ke dalam persamaan di atas memungkinkan resistivitas baru dengan mudah dihitung:
\begin{aligned} (T) &= 6,99 × 10^{−8} \text{ m} (1 + 0,006 \text{ K}^{−1} × (343 \text{ K}- 293 \ teks{ K})) \\ &= 6,99 × 10^{−8}\text{ m} (1 + 0,006 \text{ K}^{−1} × (50 \text{ K)}) \\ &= 6,99 × 10^{−8}\text { m} × 1,3 \\ &= 9,09 × 10^{−8}\text{ m} \end{selaras}
Perhitungan menunjukkan bahwa peningkatan suhu 50 K yang cukup besar hanya menyebabkan 30 persen peningkatan nilai resistivitas, dan dengan demikian peningkatan 30 persen dalam resistansi sejumlah tertentu given bahan. Tentu saja, Anda kemudian dapat melanjutkan dan menghitung nilai konduktivitas baru berdasarkan hasil ini.
Dampak kenaikan suhu pada resistivitas dan konduktivitas ditentukan oleh ukuran koefisien suhu, dengan nilai yang lebih tinggi berarti lebih banyak perubahan dengan suhu dan nilai yang lebih rendah berarti lebih sedikit sebuah perubahan.
Superkonduktor
Fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes sedang menyelidiki sifat-sifat bahan yang berbeda pada suhu yang sangat rendah pada tahun 1911 dan menemukan bahwa di bawah 4,2 K (yaitu, 268,95 °C), merkuri sama sekalikalahhambatannya terhadap aliran arus listrik, sehingga resistivitasnya menjadi nol.
Akibatnya (dan hubungan antara resistivitas dan konduktivitas), konduktivitasnya menjadi tak terbatas, dan mereka dapat membawa arus tanpa batas, tanpa kehilangan energi. Para ilmuwan kemudian menemukan bahwa lebih banyak elemen menunjukkan perilaku ini ketika didinginkan di bawah "suhu kritis" tertentu, dan disebut "superkonduktor."
Untuk waktu yang lama, fisika tidak memberikan penjelasan nyata tentang superkonduktor, tetapi pada tahun 1957, John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer mengembangkan teori superkonduktivitas "BCS". Ini mengandaikan bahwa elektron dalam kelompok material menjadi "pasangan Cooper" sebagai hasil interaksi dengan positif ion yang membentuk struktur kisi material, dan pasangan ini dapat bergerak melalui material tanpa hambatan.
Saat elektron bergerak melalui bahan yang didinginkan, ion positif yang membentuk kisi tertarik padanya dan sedikit mengubah posisinya. Namun, gerakan ini menciptakan daerah bermuatan positif dalam materi, yang menarik elektron lain dan prosesnya dimulai lagi.
Superkonduktor berutang banyak potensi dan kegunaan yang sudah direalisasikan untuk kemampuan mereka untuk membawa arus tanpa hambatan. Salah satu kegunaan yang paling umum, dan yang paling mungkin Anda kenal, adalah magnetic resonance imaging (MRI) dalam pengaturan medis.
Namun, superkonduktivitas juga digunakan untuk hal-hal seperti kereta Maglev – yang bekerja melalui levitasi magnetik dan bertujuan untuk menghilangkan gesekan antara kereta dan rel. – dan akselerator partikel seperti Large Hadron Collider di CERN, di mana magnet superkonduktor digunakan untuk mempercepat partikel dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Di masa depan, superkonduktor dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik dan meningkatkan kecepatan komputer.
