Konduktor, Insulator, dan Muatan Induksi

Konduktor dan Isolator

Beberapa material atau bahan memungkinkan muatan listrik untuk bergerak dengan mudah dari satu wilayah ke wilayah lainnya dari suatu material, namun beberapa material yang lain tidak dapat. Sebagai contoh, Gambar 1 menunjukkan kawat tembaga yang ditopang oleh benang nilon. Misalkan Anda menyentuh salah satu ujung kawat ke batang plastik bermuatan dan memasang ujung lainnya ke bola logam yang awalnya tidak bermuatan; Anda kemudian melepas batang bermuatan dan kawat.

Gambar 1. Kawat tembaga menghantarkan muatan antara bola logam dan batang plastik bermuatan untuk memberi mutan bola secara negatif

Ketika Anda membawa benda lain yang bermuatan ke dekat bola (Gambar 2 dan 3), bola tertarik atau ditolak, menunjukkan bahwa bola telah bermuatan listrik. Muatan listrik telah ditransfer melalui kawat tembaga antara bola dan permukaan batang plastik.

Gambar 2. Bola logam ditolak oleh batang plastik bermuatan negatif

Gambar 3. Bola logam tertarik ke batang kaca bermuatan positif.

Kawat tembaga disebut sebagai konduktor (penghantar) listrik. Jika Anda mengulangi percobaan menggunakan karet gelang atau benang nilon sebagai pengganti kawat, Anda akan menemukan bahwa tidak ada muatan yang ditransfer ke bola. Bahan-bahan ini disebut isolator (insulator). Konduktor memungkinkan pergerakan muatan yang mudah melaluinya, sedangkan isolator tidak. (Benang nilon penopang yang ditunjukkan pada Gambar 1, 2, dan 3 adalah isolator, yang mencegah muatan meninggalkan bola logam dan kawat tembaga.)

Sebagai contoh, serat karpet pada hari yang kering merupakan isolator yang baik. Saat Anda berjalan melintasi karpet, gesekan sepatu Anda dengan serat-seratnya menyebabkan muatan menumpuk pada Anda, dan muatan ini tetap ada pada Anda karena tidak dapat mengalir melalui serat isolator. Jika Anda kemudian menyentuh objek konduksi seperti kenop pintu, transfer muatan cepat terjadi antara jari Anda dan kenop pintu, dan Anda merasakan kejutan. Salah satu cara untuk mencegah hal ini adalah dengan melilitkan beberapa serat karpet di sekitar inti konduktor sehingga muatan apa pun yang menumpuk di atas Anda dapat dipindahkan tanpa membahayakan ke karpet. Solusi lain adalah melapisi serat karpet dengan lapisan antistatis yang tidak mudah mentransfer elektron ke atau dari sepatu Anda; ini mencegah muatan menumpuk pada Anda sejak awal.

Kebanyakan logam adalah konduktor yang baik, sedangkan kebanyakan nonlogam adalah isolator. Dalam logam padat seperti tembaga, satu atau lebih elektron terluar di setiap atom menjadi terlepas dan dapat bergerak bebas di seluruh materi, seperti halnya molekul gas dapat bergerak melalui ruang di antara butiran dalam seember pasir. Elektron lain tetap terikat pada inti bermuatan positif, yang dengan sendirinya terikat pada posisi yang hampir tetap di dalam material. Dalam isolator tidak ada, atau sangat sedikit, elektron bebas, dan muatan listrik tidak dapat bergerak bebas melalui material. Beberapa bahan yang disebut semikonduktor memiliki sifat perantara antara konduktor yang baik dan isolator yang baik.

Muatan Induksi

Kita dapat memberi muatan bola logam menggunakan kawat tembaga dan batang plastik bermuatan listrik, seperti pada Gambar 1. Dalam proses ini, beberapa kelebihan elektron pada batang dipindahkan darinya ke bola, meninggalkan batang dengan muatan negatif yang lebih kecil. Tetapi ada teknik berbeda di mana batang plastik dapat memberi muatan pada benda lain dengan tanda berlawanan tanpa kehilangan muatannya sendiri. Proses ini disebut pengisian dengan induksi.

Gambar 4 dan 5 menunjukkan contoh pemberian muatan dengan cara induksi. Bola logam yang tidak bermuatan ditopang pada penyangga isolasi (Gambar 4).

Gambar 4. Bola logam tak bermuatan

Ketika Anda mendekatkan batang bermuatan negatif, tanpa benar-benar menyentuhnya (Gambar 5), elektron bebas dalam bola logam ditolak oleh kelebihan elektron pada batang, dan mereka bergeser ke kanan, menjauhi batang. Mereka tidak bisa lepas dari bola karena penyangga penopang dan udara di sekitarnya adalah isolator. Jadi kita mendapatkan muatan negatif berlebih di permukaan kanan bola dan kekurangan muatan negatif (yaitu muatan positif bersih) di permukaan kiri. Muatan yang berlebih ini disebut muatan induksi.

Gambar 5. Muatan negatif pada batang menolak elektron, membuat zona muatan induksi negatif dan muatan positif.

Tidak semua elektron bebas bergerak ke permukaan kanan bola. Segera setelah muatan induksi terbentuk, maka akan memberikan gaya ke kiri pada elektron bebas lainnya. Elektron ini ditolak oleh muatan induksi negatif di sebelah kanan dan ditarik ke muatan positif yang diinduksi di sebelah kiri. Sistem mencapai keadaan kesetimbangan di mana gaya ke arah kanan pada elektron, karena batang bermuatan, hanya diimbangi oleh gaya ke arah kiri karena muatan yang diinduksi. Jika kita melepaskan batang bermuatan, elektron bebas bergeser kembali ke kiri, dan kondisi netral asli akan pulih.

Apa yang terjadi jika, saat batang plastik berada di dekatnya, Anda menyentuh salah satu ujung kawat konduktor ke permukaan kanan bola dan ujung lainnya ke bumi (Gambar 6)? Bumi adalah konduktor, dan bumi itu begitu juga besar sehingga dapat bertindak sebagai sumber elektron tambahan yang praktis tak terbatas atau penyerap elektron yang tidak diinginkan.

Gambar 6. Kawat memungkinkan pembentukan elektron (muatan negatif yang diinduksi) mengalir ke tanah

Beberapa muatan negatif mengalir melalui kawat ke bumi. Sekarang misalkan Anda melepaskan kawat (Gambar 7) dan kemudian melepas batang (Gambar 8); maka muatan positif bersih tertinggal di bola. Muatan pada batang bermuatan negatif tidak berubah selama proses ini. Bumi memperoleh muatan negatif yang besarnya sama dengan muatan positif induksi yang tersisa pada bola.

Gambar 7. Kawat dilepas; bola sekarang hanya memiliki daerah kekurangan elektron muatan positif.

Gambar 8. Batang dilepas; elektron mengatur ulang dirinya sendiri, bola memiliki kekurangan elektron secara keseluruhan (muatan positif bersih).

Sumber

Young, H.,D., dan Freedman, R.,A., 2007, University Physics 13^th edition, Pearson-Addison Wesley, New York.