Apa sih “konduktivitas listrik”?
Wah, dilihat-lihat kita sering banget ya ketemu di sini hehe. Karena kalian ga bosan mendengar cerita CHIMP, CHIMP juga ga mau kalah semangat untuk bercerita dong. Sekarang CHIMP lagi mau cerita tentang sifat penghantar listrik. Bayangkan saja kalau ga ada material yang bisa menghantarkan listrik. Pasti banyak banget hal yang ga bisa kita lakukan, kan? Lalu, bagaimana cara material bisa menghantarkan listrik?
Apa itu konduktivitas listrik?
Setiap material tersusun dari banyak atom. Atom sendiri tersusun dari neutron, proton, dan elektron. Karena arus listrik sendiri merupakan elektron yang bergerak, maka material yang bisa mengalirkan/menghantarkan listrik adalah material yang memiliki elektron yang bebas bergerak. Ikatan logam pada logam menyebabkan elektron bebas bergerak, karena itu mereka merupakan penghantar/konduktor listrik yang bagus. Jika ditinjau dari nilai konduktivitas listriknya, silver (6,3×107 S/m) merupakan material yang paling mudah menghantarkan listrik, diikuti oleh tembaga (5,96×107 S/m), emas (4,1×107 S/m), dan aluminium (3,5×107 S/m).
Sedangkan material yang tidak dapat menghantarkan listrik disebut insulator/dielektrik, contohnya adalah karet (10–14 S/m). Elektron pada insulator tidak dapat bergerak bebas karena dirinya seakan tertahan di dalam atom. Namun, ada pula material semikonduktor di mana dapat menghantarkan listrik tidak sebaik konduktor tapi tidak seburuk insulator. Konsep ini dapat dijelaskan dengan adanya teori energy band.
Teori energy band
Elektron-elektron dalam atom pada dasarnya memiliki tempat (keadaan energi) di mana elektron tersebut berada. Tempat-tempat tersebut diwakilkan oleh valence band. Sedangkan keadaan di mana elektron dapat mengalir atau keluar dari atom disebut conduction band. Agar elektron yang berada di dalam atom dapat keluar dari atom, elektron tersebut harus berpindah dari valence band menuju conduction band. Pada konduktor, valence band dan conduction band akan saling tumpang tindih sehingga sangat mudah untuk elektron mengalir atau keluar dari atom. Diibaratkan jika elektron hendak bermain, dia tinggal keluar rumah saja. Sedangkan pada semikonduktor dan insulator, di antara kedua band akan terdapat band gap. Band gap inilah yang harus dilalui oleh elektron sebelum elektron dapat mengalir dengan bebas. Seakan-akan elektron kalau mau main harus keluar rumah dan menyeberangi sungai terlebih dahulu hehe. Band gap dapat dilalui dengan memberikan energi atau pun unsur tambahan (doping) pada atom. Yang membedakan insulator dengan semikonduktor adalah band gap dari insulator yang sangat besar dibanding semikonduktor. Bahkan jika kita terus mencoba mengaliri insulator dengan listrik bisa jadi akan merusaknya terlebih dahulu sebelum insulator dapat mengaliri listrik. Salah satu contoh semikonduktor adalah silikon (1,56×10–3 S/m) yang digunakan dalam prosesor laptop kita.
Air merupakan konduktor?
Jika kalian pernah mendengar bahwa air dapat dengan mudah menghantarkan listrik, hal tersebut tidak sepenuhnya benar. Tidak seperti logam di mana elektron bebas yang bergerak, air menghantarkan listrik dengan memanfaatkan pergerakan ion yang dikandungnya. Kandungan garam (baca: NaCl) pada air laut atau kandungan mineral pada air mineral dapat membantu menghantarkan listrik karena kandungan tersebut berbentuk ion yang sensitif terhadap muatan listrik.
Tubuh manusia sendiri juga dapat menghantarkan listrik. Bahkan tubuh kita butuh aliran listrik agar kita dapat bergerak dan berpikir. Unsur-unsur dalam tubuh kita, seperti sodium, potasium, kalsium, dan magnesium memiliki muatan listrik dalam bentuk ion, sehingga hampir sama dengan bagaimana air dapat menghantarkan listrik. Aliran ion dari unsur tersebut diatur oleh sel kita dan dengan menggunakan pola tertentu, sel kita dapat menginisiasi gerakan maupun pikiran tertentu. Terjadinya gangguan pada arus listrik tubuh kita dapat menyebabkan efek yang fatal.
Faktor yang mempengaruhi konduktivitas listrik
Beberapa faktor yang mempengaruhi nilai konduktivitas listrik adalah sebagai berikut.
- Bentuk material
di mana material dengan area penampang yang luas akan lebih mudah menghantarkan listrik karena resistansinya yang mengecil, tapi makin panjang material akan lebih susah menghantarkan listrik. Resistansi sendiri merupakan seberapa besar hambatan yang menghalangi arus listrik. - Temperatur, di mana kenaikan temperatur dapat mengurangi konduktivitas listrik material konduktor karena getaran dari material pada temperatur tinggi akan menghambat elektron untuk mengalir. Sementara pada temperatur rendah material konduktor akan menunjukkan sifat yang lebih konduktif dan dikenal sebagai superkonduktor. Hal ini karena tidak adanya getaran oleh atom yang menghalangi pergerakan elektron. Berbeda halnya pada semikonduktor di mana konduktivitas listriknya akan meningkat seiring peningkatan temperatur karena mendapatkan tambahan energi untuk melewati band gap.
- Pengotor, karena dapat mengganggu struktur dari susunan atom.
- Batas butir, di mana perbedaan orientasi masing-masing batas butir menghambat aliran elektron. Oleh karena itu, material dengan butir yang besar akan memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik.
Saat ini bahkan tidak hanya logam, telah dikembangkan material polimer juga yang dapat mengalirkan listrik, seperti contohnya polyacetylene, polyaniline, dan polypyrrole. Beberapa aplikasi yang memanfaatkan polimer konduktif ini antara lain baterai, sensor, superkapasitor, dan otot artifisial.
Penulis
Annas Amartya Atmawijaya (Teknik Material 2017)
Bharus Mukhtarin (Teknik Material 2017)
Referensi
Why do metals conduct heat and electricity so well? (edinformatics.com)
How the human body uses electricity — University of Maryland Graduate School (umaryland.edu)
Table of Electrical Resistivity and Conductivity (thoughtco.com)
Conductive Polymers — Engineering LibreTexts
