Konduktor & Isolator: Apa Itu & Mengapa Penting? (dengan Bagan)

Untuk memahami sirkuit listrik dan bagaimana manusia dapat menyalakan segala sesuatu mulai dari lampu di rumah mereka hingga kereta listrik (dan, semakin lama, mobil listrik) yang membawanya bekerja, Anda harus terlebih dahulu memahami apa itu arus listrik dan apa yang memungkinkan arus current mengalir.

Arus listrik adalah hasil dari elektron yang bergerak, yang merupakan partikel subatom hampir tak bermassa yang membawa muatan negatif yang sangat, sangat kecil. Ketika Anda mendengar "jus" (seperti listrik sering disebut) "mengalir" melalui kabel listrik atau televisi Anda, ini mengacu pada aliran elektron melalui kabel di sirkuit. Kabel logam dipilih secara khusus untuk membawa listrik karena memiliki daya yang relatif rendahhambatan listrik​.

Elektron dapat berfungsi sebagai media arus karena, seperti komet yang mengorbit matahari pada jarak yang sangat jauh, mereka berada di luar inti atom. di mana proton dan neutron "hidup" dan jauh lebih kecil daripada partikel nuklir (dan proton dan neutron sangat ringan di dalam dirinya sendiri). Baik).

Atom-atom dari unsur-unsur yang berbeda berbeda dalam massa, jumlah partikel dan cara-cara inheren lainnya, dan keunikannya konfigurasi setiap atom menentukan apakah itu konduktor yang baik, konduktor yang buruk (yaitu, isolator) atau sesuatu diantara.

Arus listrik (diwakili olehsayadan diukur dalamampereatau A) adalah aliranmuatan listrik(dilambangkan denganqdan diukur dalamcoulombatau C) dalam bentuk elektron melalui media penghantar, seperti kawat tembaga. Elektron bergerak karena pengaruhbeda potensial (tegangan) listrikantara titik di sepanjang kawat, mengalamiperlawanan(dipersembahkan olehRdan diukur dalamohmatau ).

• Semua fisika ini ditangkap dengan rapi olehHukum Ohm​:

Dengan konvensi, muatan positif yang ditempatkan di dekat terminal positif atau muatan memiliki potensi listrik yang lebih tinggi daripada di titik-titik yang lebih jauh, semuanya sama. Tegangan memiliki satuan joule per coulomb, atau J/C, yang merupakan energi per muatan. Ini masuk akal, karena efek tegangan pada muatan mirip dengan efek gravitasi pada massa.

Sementara titik mana pun dapat dipilih sebagai titik tegangan nol atau titik energi potensial gravitasi, massa tertentu selalu kehilangan gravitasi energi potensial saat dipindahkan lebih dekat ke pusat bumi, dan muatan positif selalu kehilangan energi potensial listrik (yang dapat tertulisqE) karena bergerak lebih jauh dari sumber muatan positif.

Mengingat apa yang telah Anda presentasikan, Anda mungkin telah menyadari bahwa elektron mengalir ke arah yang berlawanan dari muatan positif, dan karena itu mereka kehilangan potensial listrik selama mengalir sebagai elemen arus.

Ini analog dengan piano yang jatuh dari langit dan kehilangan energi potensial gravitasi saat ia mendekat di Bumi (energi yang dilestarikan dalam bentuk peningkatan energi kinetik) dan kehilangan energi gesekan (panas) karena udara perlawanan.

Saat Anda membayangkan peningkatan arus dalam kawat, bayangkan jumlah elektron yang melewati titik tertentu juga meningkat, dengan penerapan yang sama pada penurunan arus.

• Muatan pada satu elektron adalah -1.60 × 10^-19 C, sedangkan pada proton adalah +1,60 × 10^-19 C. Ini berarti dibutuhkan (1/1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 triliun) proton hanya untuk membuat muatan 1,0 C.

Seberapa mudah elektron dapat bergerak melalui material tergantung pada material itudaya konduksi. Konduktivitas, biasanya dilambangkan dengan (huruf Yunani sigma), adalah sifat materi yang bergantung pada karakteristik intrinsik tertentu dari materi tersebut, beberapa di antaranya telah dibahas sebelumnya.

Yang terpenting adalah konsepelektron bebas, atau elektron milik sebuah atom yang mampu bebas "berkeliaran" jauh dari nukleus. (Ingatlah bahwa "jauh" dalam istilah atom masih berarti jarak yang sangat pendek menurut standar normal.) Elektron terluar dalam atom apa pun disebutelektron valensi, dan ketika kebetulan ada salah satunya, seperti tembaga, situasi ideal untuk "kebebasan" elektron terbentuk.

Konduktor listrik yang baik memungkinkan arus mengalir hampir tanpa hambatan, sementara di ujung lain spektrum, isolator yang baik menahan aliran ini. Sebagian besar bahan bukan logam sehari-hari adalah isolator yang baik; jika tidak, Anda akan terus-menerus mengalami sengatan listrik setelah menyentuh benda-benda umum.

Seberapa baik bahan tertentu melakukan tergantung pada komposisi dan struktur molekul. Secara umum, kawat logam menghantarkan listrik dengan relatif mudah karena elektron terluarnya kurang terikat erat dengan atom yang terkait dan karenanya dapat bergerak lebih bebas. Anda dapat mengidentifikasi bahan mana yang merupakan logam dengan melihat tabel periodik unsur seperti yang ada di Sumber Daya.

• Beton, meskipun zat yang jauh lebih konduktif daripada logam, tetap dianggap sebagai konduktor pada keseimbangan. Ini penting mengingat seberapa tinggi sebagian kecil kota di dunia mengandung beton!

• Perhatikan pernyataan"Sebagian besar bahan konduktor memiliki resistansi yang berbeda pada suhu yang berbeda." Apakah ini benar atau salah? Jelaskan jawabanmu.

Ada lebih banyak bahan isolatif daripada bahan konduktif dalam kehidupan sehari-hari, yang masuk akal mengingat persyaratan ketat untuk bahan isolasi hanya untuk menghilangkan tingkat bahaya yang serius dari kehidupan sehari-hari proses. Karet, kayu, dan plastik adalah isolator yang ada di mana-mana dan sangat berguna; hampir semua orang belajar mengenali tabung oranye yang khas di sekitar kabel ekstensi.

Mengingat bahaya yang diketahui dari pencampuran peralatan listrik dan air, kebanyakan orang terkejut mengetahui bahwa air murni adalah isolator. Air yang sebenarnya terdiri dari hidrogen dan oksigen tanpa kotoran jarang terjadi, dan hanya dapat dicapai dengan penyulingan di laboratorium. Air sehari-hari sering mengandung jumlah ion (molekul bermuatan) yang cukup untuk memungkinkan air "normal" menjadi konduktor de facto.

Isolator, seperti yang Anda prediksi, mengandung bahan-bahan yang unsur-unsurnya memiliki elektron valensi yang terikat jauh lebih erat ke nukleus dibandingkan dengan logam.

​Resistivitasadalah ukuran ketahanan material terhadap aliran elektron. Diukur dalam ohm-m (Ωm), ini adalah kebalikan konseptual dan kebalikan matematis dari konduktivitas. Biasanya dilambangkan dengan (rho), jadi = 1/σ. Perhatikan bahwa resistivitas berbeda dari resistansi, yang (atau dapat) ditentukan dengan memanipulasi secara fisik penempatan resistor dalam rangkaian dengan nilai resistansi yang diketahui.

Resistivitas dan resistansi dalam kawat dihubungkan oleh persamaan:

dimanaRdan adalah resistansi dan resistivitas danLdanSEBUAHadalah panjang dan luas penampang kawat. Isolator memiliki nilai resistivitas pada orde 10¹⁶ m, sedangkan logam masuk dalam kisaran 10^-8m. Pada suhu kamar, semua bahan memiliki tingkat resistansi yang terukur, tetapi jumlah resistansi dalam konduktor kecil.

• Resistansi sebagian besar bahan bergantung pada suhu; sering, pada suhu yang lebih dingin, resistensi menurun.

Bahan tertentu mencapai keadaan 0 resistensi pada suhu yang cukup rendah. Ini disebutsuperkonduktor. Sayangnya, mencapai suhu yang diperlukan untuk superkonduktivitas – yang akan menghasilkan penghematan energi global yang hampir tak terhitung jika itu dapat disebarkan ke seluruh dunia ke dalam teknologi yang ada - sangat rendah dapat dicapai pada awal abad ke-21 di laboratorium pengaturan.