Teori Dasar Kelistrikan

Atom

Bayangkan sebuah benda yang dapat dibagi-bagi terus- menerus sampai paling kecil. Benda yang paling kecil tersebut dinamakan atom. Atom terdiri atas elektron dan inti. Elektron mengelilingi inti. Atom memiliki muatan listrik yang terdiri atas muatan inti atom (muatan positif) dan muatan elektron (muatan negatif). Muatan yang berbeda jenis bersifat tarik-menarik dan muatan yang sama jenis akan bersifat tolak-menolak.

Gambar 1 Simulasi Atom

Gambar 2 Atom

Penjelasan Gambar 2

Proton adalah partikel penyusun atom yang bermuatan positif dan memiliki massa sebesar massa hidrogen yaitu 1,67262 x 10^-27 kg atau 1.836 kali lebih berat dari elektron. Proton berada dalam jauh dalam inti atom sehingga tidak dapat terganggu oleh partikel luar atom. Hal ini menyebabkan proton adalah subpartikel atom yang stabil.

Neutron merupakan subpartikel atom yang tidak memiliki muatan atau bersifat netral. Hanya atom hidrogen saja yang tidak memiliki neutron. Neutron memiliki massa yang lebih berat dari elektron yaitu 1,67493 x 10^-27 kg dan dapat ditemukan dalam inti atom bersama dengan proton.

Elektron yaitu subpartikel atom bermuatan listrik negatif dan paling ringan di antara subpartikel lainnya yaitu 9,1093837015 x 10^-31 kg. Saking ringannya elektron, 99 persen massa atomnya bergantung pada proton dan neutron. Elektron ditemukan dalam kulit atom secara beraturan, mengorbit inti atom seperti planet-planet yang mengorbit Matahari. Karena berada di bagian luar atom, elektron bukanlah partikel yang stabil. Elektron dapat lepas ataupun berpindah ke atom lain membentuk reaksi kimia.

Teori atom merupakan konsep fundamental dalam kimia dan fisika yang menjelaskan struktur dan sifat materi. Teori ini telah berkembang dari waktu ke waktu melalui berbagai model yang semakin kompleks dan akurat seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan.

Berikut adalah beberapa tahap utama dalam perkembangan teori atom.

1. Teori Atom Democritus (Abad ke-5 SM)

Democritus, seorang filsuf Yunani, adalah salah satu yang pertama mengemukakan gagasan bahwa materi terdiri dari partikel-partikel kecil yang tidak dapat dibagi lagi yang disebut "atomos," yang berarti "tidak dapat dipotong."

2. Teori Atom Dalton (1803)

John Dalton mengajukan teori atom modern pertama yang berbasis ilmiah, yang mencakup beberapa postulat utama:

Materi terdiri dari atom yang tidak dapat dibagi.
Semua atom dari suatu unsur adalah identik dalam massa dan sifat lainnya.
Atom dari unsur yang berbeda memiliki massa dan sifat yang berbeda.
Atom bergabung dalam rasio yang sederhana dan tetap untuk membentuk senyawa.
Reaksi kimia adalah penyusunan ulang atom.

3. Model Atom Thomson (1904)

J.J. Thomson menemukan elektron dan mengusulkan model atom "plum pudding," di mana atom digambarkan sebagai bola bermuatan positif dengan elektron yang tersebar di dalamnya seperti kismis dalam puding.

4. Model Atom Rutherford (1911)

Ernest Rutherford melakukan eksperimen hamburan partikel alfa dan menemukan bahwa atom memiliki inti kecil yang padat dan bermuatan positif, dengan elektron yang mengorbit di sekitarnya. Model ini menggambarkan atom sebagai sistem tata surya miniatur.

5. Model Atom Bohr (1913)

Niels Bohr memperbaiki model Rutherford dengan mengusulkan bahwa elektron bergerak dalam orbit-orbit tertentu di sekitar inti dan hanya bisa berada di tingkat energi tertentu. Elektron dapat berpindah antar tingkat energi dengan menyerap atau memancarkan foton.

6. Model Mekanika Kuantum (1920-an)

Model ini dikembangkan oleh para ilmuwan seperti Schrödinger dan Heisenberg. Mereka menggambarkan elektron sebagai gelombang dan partikel, menggunakan persamaan Schrödinger untuk menentukan probabilitas menemukan elektron di lokasi tertentu di sekitar inti, yang dikenal sebagai orbital.

7. Model Atom Modern

Model atom modern adalah hasil dari perkembangan mekanika kuantum dan fisika partikel. Ini mencakup konsep-konsep seperti spin elektron, quark, dan partikel subatom lainnya, serta prinsip ketidakpastian Heisenberg yang menyatakan bahwa kita tidak bisa mengetahui dengan pasti posisi dan momentum elektron secara bersamaan.

Arus listrik adalah gerakan muatan listrik dan merupakan aliran elektron yang mengalir. Arus listrik memiliki arah yang berlawanan dengan arah elektron. Arus listrik dalam penghantar logam adalah pergerakan elektron pada penghantar. Bahan yang mudah menghantarkan arus listrik disebut sebagai konduktor. Beberapa bahan konduktor antara lain tembaga, timah, seng, perak, dan perunggu.

Perbedaan sifat penghantaran arus listrik pada suatu benda tergantung pada bahan pembuatnya. Bahan yang memiliki sedikit kemampuan pembawa muatan serta terikat dalam molekulnya sendiri dinamakan isolator. Beberapa contoh isolator antara lain karet, kertas, kaca, dan gas. Bahan tersebut digunakan untuk mengisolasi arus listrik.

Di antara bahan penghantar (konduktor) dan bahan yang bukan penghantar (isolator) terdapat bahan yang memiliki sifat semi-penghantar (semikonduktor). Semikonduktor adalah bahan yang memiliki elektron valensi yang dapat lepas ketika mendapatkan pengaruh dari luar. Beberapa bahan semikonduktor antara lain bahan yang terbuat dari germanium (Ge) dan silikon (Si).

Elektron

Elektron merupakan partikel subatom yang memiliki muatan listrik negatif dan merupakan salah satu dari tiga partikel dasar yang membentuk atom, bersama dengan proton dan neutron. Berikut adalah penjelasan rinci tentang elektron.

Sifat-sifat Elektron:

Muatan: Elektron memiliki muatan negatif sebesar -1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb.
Massa: Massa elektron sangat kecil, sekitar 9,11 × 10⁻³¹ kilogram, yang merupakan sekitar 1/1836 massa proton.
Lokasi: Elektron ditemukan di luar inti atom, bergerak di dalam awan elektron atau orbital yang mengelilingi inti.
Spin: Elektron memiliki properti kuantum yang disebut spin, dengan nilai ±1/2, yang memainkan peran penting dalam struktur atom dan sifat magnetik bahan.
Peran Elektron dalam Atom:
Struktur Atom: Elektron terletak di orbital yang berbeda, yang diatur dalam kulit-kulit energi di sekitar inti atom. Setiap kulit energi hanya dapat menampung sejumlah elektron tertentu.
Ikatan Kimia: Elektron valensi, yaitu elektron di kulit terluar atom, sangat penting dalam pembentukan ikatan kimia. Elektron ini terlibat dalam interaksi antara atom untuk membentuk molekul.
Reaktivitas Kimia: Jumlah dan distribusi elektron dalam atom menentukan bagaimana atom akan berinteraksi dengan atom lain, menentukan reaktivitas kimia dan sifat-sifat unsur.
Spektrum Atom: Ketika elektron dalam atom menyerap atau memancarkan energi, mereka dapat berpindah antara tingkat energi yang berbeda, menghasilkan spektrum emisi atau absorpsi yang unik untuk setiap unsur.

Teori dan Model Elektron:

Model Thomson (Plum Pudding): Elektron digambarkan sebagai partikel kecil bermuatan negatif yang tersebar dalam bola bermuatan positif.

Model Rutherford: Elektron mengelilingi inti atom yang padat dan bermuatan positif.
Model Bohr: Elektron bergerak dalam orbit-orbit tetap dengan energi tertentu di sekitar inti.
Mekanika Kuantum: Elektron digambarkan sebagai partikel dan gelombang, dengan orbital yang menunjukkan probabilitas menemukan elektron di lokasi tertentu di sekitar inti atom.

Penemuan Elektron:

Elektron pertama kali ditemukan oleh J.J. Thomson pada tahun 1897 melalui eksperimen tabung sinar katoda. Penemuan ini membuktikan adanya partikel subatom yang lebih kecil dari atom dan merevolusi pemahaman tentang struktur atom.

Elektron dalam Teknologi dan Kehidupan Sehari-hari:

Elektronika: Elektron merupakan dasar dari elektronik modern. Aliran elektron dalam bahan konduktif menciptakan arus listrik yang digunakan dalam segala macam perangkat elektronik.
Kimia: Reaksi kimia melibatkan perpindahan atau pembagian elektron antara atom-atom, yang membentuk ikatan kimia baru.
Fisika: Studi tentang perilaku elektron membantu dalam pemahaman berbagai fenomena fisika, termasuk konduktivitas listrik dan sifat magnetik bahan.
Medis: Elektron digunakan dalam berbagai aplikasi medis, termasuk pencitraan medis (misalnya, sinar-X) dan terapi radiasi untuk pengobatan kanker.

Elektron merupakan partikel subatom yang letaknya mengelilingi inti atom (Gambar 1), sehingga tidak berada di dalam inti atom dan bermuatan negatif. Oleh sebab itu, partikel elektron sering disebut sebagai partikel penyusun atau pembentuk atom yang letaknya di luar inti atom.

Dikarenakan elektron merupakan salah satu partikel penyusun atom, maka partikel ini memiliki berat massa kurang lebih sekitar 1836 lebih ringan daripada massa proton atau jika dilambangkan, seperti 1/1836 dari massa proton. Dengan berat massa seperti itu, maka elektron bisa dibilang memiliki ukuran yang sangat kecil.

Aliran elektron adalah aliran arus listrik yang bergerak dari suatu bahan bermuatan negatif ke arah bahan bermuatan positif. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa dalam suatu rangkaian listrik terdapat dua arah aliran listrik, yaitu aliran elektron yang berasal dari kutub negatif baterai (katoda) kemudian balik lagi ke arah kutub positif baterai (anoda) atau aliran proton.

Aliran elektron ini termasuk ke dalam jenis aliran arus listrik yang di mana aliran arus listrik ada dua jenis, yaitu aliran arus listrik konvensional (conventional current flow) dan aliran elektron (electron flow).

Gambar 3 Simulasi Arah Arus Listrik

Gambar 4 Simulasi Arah Elektron

Jadi, ketika ada bahan yang bermuatan berbeda (negatif dan positif) digabungkan dengan aliran elektron, maka akan menghasilkan arus listrik. Namun, bahan dengan muatan yang sama (positif dengan positif) atau (negatif dengan negatif) tidak akan menghasilkan arus listrik.

Supaya lebih memahami adanya aliran elektron, maka kamu bisa melihatnya ketika kawat logam digabungkan pada dua ujung baterai (Gambar 3 dan Gambar 4), maka akan menghasilkan arus listrik. Hal ini dikarenakan elektron yang berada di dalam atom mengalir dengan bebas.

Dengan demikian dapat dikatakan bahwa di dalam arus listrik, elektron dapat mengalir atau berpindah dari tempat yang satu ke tempat lainnya. Jika bahan bermuatan elektron lebih banyak mengalir ke bahan bermuatan positif, maka disebut sebagai aliran elektron. Sementara itu, apabila suatu bahan bermuatan proton atau positif lebih banyak mengalir ke bahan bermuatan negatif atau elektron, maka disebut sebagai aliran listrik konvensional.

Location:

Guru Pintar Listrik

Teori Dasar Kelistrikan - Dasar Kejuruan Teknik Ketenagalistrikan