Listrik Statis: Konduktor dan Isolator

By a Guy Who Teaches Physics for Fun
Kabel

Artikel ini hanya menjelaskan konduktor dan isolator dalam pembahasan materi listrik statis. Ada 4 poin utama yang dibahas yaitu

  • Sifat konduktor dan isolator terhadap muatan listrik.
  • Bagaimana cara membuat isolator bermuatan listrik
  • Bagaimana cara membuat konduktor bermuatan listrik
  • Sedikit pembahasan terkait semikonduktor
Share on whatsapp
Share on facebook
Share on twitter
Share on telegram
Bagikan ke Teman Anda

Sifat Konduktor dan Isolator Terhadap Muatan Listrik

Ada 2 jenis bahan berdasarkan sifat kelistrikannya, konduktor dan isolator. Konduktor mampu mengalirkan atau menghantarkan muatan listrik dengan baik. Sedangkan Isolator tidak dapat mengalirkan atau menghantarkan listrik dengan baik. Lihat gambar berikut.
Sifat Konduktor dan Isolator terhadap muatan listrik

Kedua jenis bahan berbeda pada perilaku elektron pada bahan tersebut. 

Pada isolator, setiap elektron terikat kuat pada inti atomnya sehingga elektron-elektron tersebut tidak dapat bergerak bebas atau pindah ke atom lain.

Sedangkan pada konduktor, elektron terluar (elektron valensi) terikat lemah pada intinya sehingga elektron-elektron ini dapat berpindah ke atom terdekat lainnya dengan mudah.  Dan tidak hanya itu, elektron eksternal dapat dengan mudah diterima oleh atom dan kemudian diteruskan ke atom yang lain. Berdasarkan hal tersebut, elektron-elektron pada konduktor memiliki kemampuan bergerak bebas ke seluruh tubuh konduktor dan dimodelkan layaknya gas atau liquid dan disebut sebagai “sea of electron” atau lautan elektron.

Kita bahas gambar yang telah Anda telah lihat di atas. Ada sebuah bola konduktor yang bermuatan negatif dan ada sebuah bola konduktor yang bermuatan netral. Ketika kedua bola tersebut dihubungkan dengan bahan konduktor yakni besi, atom-atom besi dapat menerima dan meneruskan muatan negatif (kelebihan elektron ) yang dimiliki oleh bola konduktor kiri ke bola konduktor kanan. Alhasil, keseluruhan 2 bola konduktor dan besi penghubung bermuatan negatif.

Beda kasusnya ketika kedua bola konduktor dihubungkan dengan bahan isolator (kayu). Kayu tersebut tidak dapat menerima dan mengalirkan muatan negatif ke bola konduktor netral. Alhasil, bola konduktor tetap netral.

Cara Membuat Konduktor dan Isolator Bermuatan Listrik

Konduktor dapat bermuatan listrik melalui 2 proses yaitu konduksi dan Induksi. Isolator dapat bermuatan listrik melalui proses penggosokan tribolistrik. Penjelasan lebih mendetail terkait proses tersebut dijelaskan di bawah.

• Konduksi pada Konduktor

Ayo perhatikan gambar berikut untuk memahami konduksi pada konduktor.
Bola konduktor bermuatan netral
Sebuah bola konduktor bermuatan netral ( jumlah muatan positif sama dengan muatan negatif )
Bola konduktor mengalami polarisasi ketika batang plastik isolator didekatkan
Batang plastik bermuatan negatif didekatkan dengan bola konduktor. Muatan positif mendekati batang plastik. Muatan negatif menjauhi batang plastik. (Bola konduktor mengalami polarisasi)
Kontak antara batang plastik isolator dengan bola konduktor
Kontak antara batang plastik dan bola konduktor terjadi. Sebagian elektron batang plastik berpindah ke bola konduktor dan menetralkan sebagian muatan positif bola konduktor.
Isolator plastik dijauhkan, bola konduktor kini memiliki muatan negatif lebih banyak dibandingkan muatan positif
Isolator plastik dijauhkan. Bola konduktor kini bermuatan negatif. Bola konduktor kini memiliki muatan negatif lebih banyak dibandingkan muatan positif.

• Induksi pada Konduktor

Anda dapat membuat konduktor bermuatan tanpa adanya sentuhan sama sekali yaitu proses yang dinamakan induksi. Ada dua cara untuk melakukan induksi.
Cara pertama :
2 bola konduktor netral saling menyentuh
Ada dua bola konduktor bermuatan netral yang saling bersentuhan
batang bermuatan negatif didekatkan pada 2 bola konduktor tersebut, mempolarisasi 2 bola konduktor tersebut
Sebuah batang plastik bermuatan didekatkan pada dua bola konduktor tersebut. Dua bola konduktor tersebut kemudian mengalami polarisasi.
2 bola dipisahkan setelah polarisasi

Kedua bola konduktor kemudian dipisahkan.

bataang plastik bermuatan negatif dijauhkan dan kini kedua bola bermuatan listrik
Batang plastik bermuatan kemudian dijauhkan. Kini kedua bola konduktor telah bermuatan listrik.
Cara Kedua : Ada pula induksi dengan cara lain yaitu dengan menghubungkan konduktor dengan ground
induksi konduktor netral diatas ground
Sebuah bola konduktor dihubungkan dengan ground
induksi elektron mengalir ke ground
Batang plastik bermuatan negatif didekatkan pada bola konduktor. Muatan negatif mengalami gaya tolak menolak dan mengalir ke ground.
induksi elektron mengalir ke ground
Setelah itu ground diputus menyebabkan bola konduktor kini bermuatan positif
induksi batang plastik dijauhkan
Batang plastik dijauhkan.

“Setelah proses konduksi atau induksi, muatan ekstra yang dimiliki oleh konduktor tersebar pada seluruh permukaan konduktor ”

• Penggosokan tribolistrik pada isolator

Isolator dapat bermuatan listrik melalui penggosokan tribolistrik dan sudah kami bahas tuntas pada 2 artikel ini Percobaan Listrik Statis dan Tribolistrik: Mengapa Penggosokan Membuat Benda Bermuatan Listrik.
Tribolistrik antara plastik dengan kain wol

Singkatnya, melalui penggosokan tribolistrik terjadi perpindahan elektron dari bahan yang kurang cinta elektron ke bahan yang lebih cinta elektron. Dan hanya permukaan kontak penggosokan yang bermuatan listrik.

Kita sudah bahas sebelumnya, inti atom isolator mengikat kuat elektron-elektronnya dan tidak membiarkan elektronnya untuk bergerak bebas atau berpindah ke atom terdekat lainnya.

Pengecualian terjadi pada penggosokan tribolistrik, yang terjadi adalah dua isolator (contoh plastik dengan kain wol ) dengan atom penyusun yang berbeda akan dipaksa berdekatan akibat gaya dari penggosokan. Kemudian terjadilah efek tribolistrik, atom yang memiliki electron affinity yang lebih kuat (plastik) mengambil alih sebagian elektron atom yang memiliki electron affinity lebih lemah (kain wol).

Ketika kedua isolator dijauhkan,  atom yang mengambil alih elektron tersebut mendapatkan ekstra elektron dan bermuatan negatif. Tapi elektron ekstra tersebut akan diikat kuat oleh inti atom dan tidak dapat pindah ke atom sebelahnya(tidak seperti konduktor). Alhasil hanya muatan listrik hanya terdapat pada permukaan kontak gosokan.

• Apakah penggosokan tribolistrik mampu membuat konduktor bermuatan listrik ?

Sebenarnya bisa tapi sangat sulit.

Apabila Anda menggosok batang besi dengan kain wol tanpa menggunakan sarung tangan berbahan isolator (tangan kosong) seperti gambar di atas, hampir mustahil untuk membuat batang besi bermuatan. Dan bahkan menggunakan sarung tangan isolator pun, masih sulit untuk membuat batang besi bermuatan.

Kenapa mustahil jika tanpa menggunakan sarung tangan berbahan isolator?

Kita asumsikan elektron berpindah dari kain wol ke besi, elektron-elektron yang berpindah tersebut akan seketika dialirkan oleh batang besi ke tangan Anda dan kemudian ke tubuh Anda. Hal tersebut dikarenakan tubuh manusia juga adalah konduktor.  Jadi walaupun batang besi digosok seharian, batang tersebut tidak akan bermuatan. 

Jika Anda menggunakan sarung tangan yang terbuat dari bahan isolator. Sarung tangan isolator mampu menghentikan aliran muatan listrik dari batang besi ke tubuh Anda. Namun karena sifat konduktor yang membiarkan elektron bergerak bebas, elektron yang diterima oleh besi akan segera disebarkan ke seluruh  konduktor.

Bandingkan dengan isolator (plastik), elektron yang diterima cuma dibagi-bagi buat permukaan kontak penggosokan. Pada konduktor seluruh elektron yang diterima akan dibagi-bagi ke seluruh permukaan konduktor. Mari pikiran, “misalnya”  ada 7000 elektron yang pindah dari kain wol. Misalkan juga permukaan penggosokan hanya 1/3 dari seluruh permukaan batang. Sebanyak 7000 elektron tersebut dibagi-bagi buat 1/3 permukaan batang plastik. Nah kalau batang besi, walaupun yang digosok cuma 1/3 permukaan, sebanyak 7000 elektron yang pindah dibagi-bagi buat  seluruh permukaan batang besi. Sehingga rapat muatannya jadi lebih rendah.

Poin utamanya, penggosokan tribolistrik pada bahan konduktor itu tidak mudah.

Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang memiliki sifat pertengahan antara konduktor dengan isolator. Semikonduktor banyak digunakan pada peralatan elektronik dan komputer.

Selenium adalah salah satu contoh semikonduktor. Selenium adalah bahan photoconductive yaitu bersifat konduktor ketika terkena cahaya dan bersifat isolator ketika tidak terkena cahaya (gelap). Mesin fotokopi merupakan salah satu contoh teknologi yang menggunakan selenium. Bagaimana cara mesin fotokopi akan dijelaskan pada artikel model titik muatan dan gaya listrik.

Semikonduktor tidak dibahas mendalam pada Bab Listrik Statis. Anda akan mempelajari semikonduktor lebih dalam pada Mata Kuliah elektronika dasar.

Kabel
Rangkuman

  1. Elektron terluar atom pada bahan konduktor dapat bergerak bebas.
  2. Pada bahan isolator, elektron tidak dapat bergerak bebas layaknya pada bahan konduktor.
  3. Membuat konduktor bermuatan listrik melalui penggosokan tribolistrik merupakan upaya yang tidak mudah .
  4. Konduksi adalah proses pemberian muatan pada konduktor melalui sentuhan.
  5. Induksi adalah proses pemberian muatan pada konduktor tanpa sentuhan.
  6. Semikonduktor adalah bahan yang memiliki sifat pertengahan antara konduktor dengan isolator.

Share on whatsapp
Share on facebook
Share on twitter
Share on telegram
Bagikan ke Teman Anda
Pos Terkait