(KB AE 1152) Dasar Teknik Listrik Dan Elektronika - Bab 1, Teori Elektron (20150310)

Dasar Teknik Listrik dan Elektronika

(KB AE 1152)

Bab 1: Teori Elektron

Dosen:

Singgih Satrio Wibowo

Teguh Wibowo

Sentot Purbadi

Bab 1 Teori Elektron

1. Zat (Materi)

2. Senyawa dan Campuran

3. Molekule

4. Atom

5. Tingkat Energi

6. Kulit dan Sub-kulit

7. Valensi

8. Senyawa

9. Ionisasi

10.Konduktor, Semikonduktor, dan Isolator

Dasar Teknik Listrik dan Elektronika, Bab 1 - Teori Elektron, Bahan

Presentasi Oleh SSW 2

Daftar Isi Bab 1


Materi (matter) atau zat adalah segala sesuatu yang menempati

ruang dan memiliki bobot; yaitu bobot dan ukurannya

(dimensinya) dapat diukur. Contoh dari materi adalah udara, air,

mobil, baju, termasuk juga badan kita. Maka, kita dapat

mengatakan bahwa materi atau zat dapat ditemui dalam

berbagai wujud: padat, cair dan gas.



Bab 1.1 Materi (Zat)


Unsur (elements) adalah zat atau bahan yang tidak dapat

diuraikan menjadi zat yang lebih sederhana melalui proses

kimia. Contoh dari unsur adalah besi (iron), emas (gold), perak

(silver), tembaga (copper), hidrogen dan oksigen. Saat ini telah

dikenal 100 unsur lebih. Zat-zat selain unsur yang dikenal ini

adalah gabungan dari dua atau lebih unsur-unsur tersebut.

Senyawa (compound) adalah adalah gabungan antara dua atau

lebih unsur secara kimiawi, sehingga dapat dipisahkan dengan

proses kimia, tidak dapat dipisah secara fisik. Contoh dari

senyawa adalah air (water) yang terdiri atas hidrogen dan

oksiben. Contoh lainnya adalah garam dapur yang terdiri atas

sodium dan klorin.



Bab 1.2 Unsur, Senyawa, Campuran (1)


Campuran (mixture) adalah gabungan antara unsur dan

senyawa secara fisik, sehingga dapat dipisahkan dengan proses

fisika. Contoh dari campuran adalah udara (air) yang terdiri atas

nitrogen, oksigen, karbondioksida, dan beberapa gas lainnya.

Contoh lainnya adalah air laut yang terdiri atas garam dan air.



Bab 1.2 Unsur, Senyawa, Campuran (2)


Molekul (molecules) adalah gabungan kimiawi antara dua atau

lebih atom. Pada suatu senyawa, molekul adalah partikel

(zarrah) terkecil yang memiliki sifat senyawa tersebut.

Sebagai contoh, perhatikan air (water). Air adalah suatu zat,

karena menempati ruang dan memiliki bobot (berat). Sesuai

temperaturnya, air dapat berwujud cair (disebut air), padat

(disebut es), atau gas (disebut uap). Jika kita mulai dengan air

sejumlah tertentu, kemudian membaginya menjadi dua dan

membuang bagiannya. Kemudian kita bagi lagi bagian tersisa

menjadi dua, dan membuang bagian yang lain, dan terus

demikian. Dasar Teknik Listrik dan Elektronika, Bab 1 - Teori Elektron, Bahan


Bab 1.3 Molekul (1)


Maka akan berakhir pada suatu jumlah tertentu (yang sangat

kecil) dimana tetap berupa air. Bagian terkecil ini disebut

sebagai molekul air, terdiri atas 1 bagian unsur oksigen dan 2

unsur hidrogen, dan ditulis dengan rumus kimia (H2O)



Bab 1.3 Molekul (2)


Atom adalah bagian yang lebih kecil dari suatu molekul. Sebuah

atom adalah bagian terkecil suatu partikel dari suatu unsur yang

memiliki sifat unsur tersebut. Atom suatu unsur berbeda dengan

atom unsur lain. Karena saat ini dikenal 100 lebih unsur, maka

terdapat 100 atom lebih yang berbeda, atau dengan kata lain,

sebuah atom berbeda untuk setiap unsur. Sebagaimana ribuan

kata dapat dibentuk dari gabungan huruf (alfabet), maka ribuan

jenis material (bahan) dapat dibentuk dari kombinasi kimia dari

atom-atom tertentu.

Suatu partikel yang merupakan kombinasi kimia dari dua atau

lebih atom disebut sebagai molekul. Molekul oksigen terdiri atas

dua atom oksigen, dan molekul hidrogen terdiri atas dua atom

hidrogen. Dasar Teknik Listrik dan Elektronika, Bab 1 - Teori Elektron, Bahan Presentasi Oleh SSW 8

Bab 1.4 Atom (1)


Gula, di lain sisi, adalah senyawa yang terdiri atas karbon,

hidrogen dan oksigen. Atom-atom ini membentuk molekul gula.

Karena gula dapat dipecah menjadi bagian yang lebih kecil dan

dasar melalui proses kimia, maka kita tidak dapat memiliki atom

gula.

Setiap atom terdiri atas elektron, proton, dan pada kasus umum

neutron, yang secara keseluruhan disebut sebagai partikel sub-

atom. Lebih lanjut, elektron, proton dan neutron dari suatu unsur

adalah sama dengan partikel sub-atom dari unsur yang lain.



Bab 1.4 Atom (2)


Alasan adanya berbagai jenis unsur berbeda (padahal sub-

atomnya sama) adalah susunan elektron dan proton di dalam

atom berbeda untuk setiap unsur.

Elektron adalah sub-atom yang memiliki muatan listrik negatif.

Proton memiliki muatan listrik positif, yang besarnya sama

dengan elektron namun berlawanan. Para ahli telah mengukur

massa dan ukuran dari elektron dan proton, dan mereka

mengatahui berapa besar muatan yang dimiliki sub-atom ini.

Muatan proton sama besar dengan muatan elektron, meskipun

bobotnya 1837 kali lebih besar dari elektron.



Bab 1.4 Atom (3)


Neutron memiliki massa sedikit lebih besar dari proton, tetapi

tidak memiliki muatan listrik. Berdasarkan teori yang umum,

susunan elektron, proton dan neutron serupa dengan susunan

tata-surya. Proton dan neutron membentuk inti berat dengan

muatan positif, yang dikelilingi oleh elektron yang sangat ringan.

Gambar 1.1 berikut ini menampilkan satu atom hidrogen dan

satu atom helium. Masing-masing memilik struktur sederhana.

Atom hidrogen hanya memiliki 1 proton di inti dengan 1 elektron

yang mengitarinya. Atom helium sedikit lebih rumit. Dia memiliki

dua proton dan dua neutron, dengan dua elektron mengelilingi

intinya. Dasar Teknik Listrik dan Elektronika, Bab 1 - Teori Elektron, Bahan


Bab 1.4 Atom (4)


Unsur dikelompokkan secara numerik sesuai dengan kerumitan

atomnya. Nomor atom dari suatu atom ditentukan oleh

banyaknya proton di dalam intinya.



Bab 1.4 Atom (5)

Gambar 1.1 Struktur atom hidrogen dan helium


Dalam keadaan netral, sebuah atom terdiri atas proton dan

elektron dalam jumlah yang sama. Karenanya, sebuah atom

Hidrogen yang terdiri atas satu proton dan satu elektron memiliki nomor atom 1; dan Helium, dengan dua proton dan dua

elektron, memiliki nomor atom 2. Kerumitan dari struktur atom

meningkat seiring banyaknya proton dan elektron.



Bab 1.4 Atom (6)


Karena elektron di dalam atom memilik massa dan gerak, dia

memiliki dua jenis energi. Berdasarkan geraknya, elektron

memiliki energi kinetik. Karena posisinya, dia juga memiliki

energi potensial. Energi total yang dimiliki elektron (kinetik plus

potensial) adalah faktor yang menentukan jarak orbit elektron.

Agar sebuah elektron tetap berada di orbitnya, maka dia harus

TIDAK MENANGKAP atau TIDAK MELEPAS energi.

Adalah hal umum diketahui bahwa cahaya adalah satu bentuk

energi, tetapi bentuk fisik dari energi sendiri TIDAK DIKETAHUI.



Bab 1.5 Tingkat Energi (1)


Satu teori yang diterima adalah menjelaskan bahwa keberadaan

cahaya merupakan paket kecil energi yang disebut foton. Foton

dapat mengandung berbagai jumlah energi. Banyaknya energi

tergantung dari warna cahayanya. Jika sebuah foton dengan

cukup energi menumbuk elektron, maka elektron akan

menyerap energi foton, seperti tampak dalam Gambar 1.2.

Elektron, yang sekarang memiliki energi lebih besar, akan

melompat ke orbit baru yang lebih jauh dari inti. Orbit pertama

dimana elektron dapat melompat memiliki radius 4 kali

dibanding orbit awalnya. Jika energi yang diterima lebih besar

lagi, maka orbit kedua yang mungkin untuk dilompati memiliki

radius 9 kali lebih besar dibanding orbit awal.

Dasar Teknik Listrik dan Elektronika, Bab 1 - Teori Elektron, Bahan Presentasi Oleh SSW 15



Dengan demikian, setiap orbit dapat dipandang sebagai

perwakilan dari nilai tingkat energi yang dapat dicapai oleh

elektron. Perlu ditekankan disini bahwa elektron tidak dapat

berpindah orbit begitu saja. Elektron akan tetap berada di orbit

terendah sampai sejumlah energi yang mencukupi diterima

olehnya untuk melompat ke orbit yang lebih tinggi.




Gambar 1.2 Tingkat energi (energy level) di dalam sebuah atom


Sebuah elektron tidak mungkin berada di ruang antar orbit (yang

diijinkan). Ini menunjukkan bahwa elektron tidak dapat

menerima sebuah foton kecuali energinya cukup untuk

mendorongnya berpindah orbit ke orbit yang lebih tinggi. Energi

panas dan tumbukan dengan partikel lain juga dapat

menyebabkan elektron melompat ke orbit lain.

Ketika elektron telah lompat ke tingkat energi lebih tinggi, atom

disebut dalam keadaan tereksitasi. Elektron tidak akan terus

berada di kondisi tereksitasi ini lebih dari sepersekian detik

sebelum memancarkan kembali kelebihan energi ini dan

kembali ke orbit yang lebih rendah.





Untuk melukiskan hal ini, anggap sebuah elektron normal baru

saja menerima sebuah energi foton dari tingkat energi pertama

ke tingkat ketiga. Dalam waktu yang singkat elektron dapat

kembali ke tingkat energi pertama dengan memancarkan foton

baru yang sama dengan foton yang diterimanya.

Cara kedua yang mungkin terjadi adalah, elektron turun ke

tingkat dua dengan memancarkan foton pertama, dan kemudian

turun lagi ke tingkat pertama dengan memancarkan foton

kedua.





Prinsip ini digunakan pada cahaya fluoresensi (lampu pendar,

fluorescent lamp, tubular lamp = TL) ketika foton cahaya

ultraviolet, yang tidak tampak bagi mata manusia, menumbuki

lapisan fosfor di dalam tabung lampu. Elektron fosfor, ketika

kembali ke orbit asalnya, memancarkan foton cahaya tampak.

Dengan menggunakan campuran kimia yang pas pada lapisan

fosfor ini, berbagai warna cahaya dapat dihasilkan, termasuk

putih.

Prinsip yang sama juga digunakan pada proses penyalaan

televisi tabung CRT (cathode ray tube).





Konsep tingkat energi ini juga berlaku pada atom yang lebih

rumit. Pada atom dengan dua atau lebih elektron, semua

elektron saling berinteraksi satu sama lain, sehingga jalur setiap

elektron sangat sulit diprediksi. Namun demikian, setiap elektron

berada pada pita energi tertentu dan orbitnya dipandang

sebagai rataan dari posisi elektron.





Perbedaan antara atom-atom, sepanjang keaktifan dan

kesetabilan kimiawinya yang ditinjau, adalah tergantung pada

jumlah dan posisi elektron yang ada di dalam atom. Bagaimana

elektron-elektron ini berada di dalam atom? Pada umumnya,

elektron-elektron berada dalam kelompok orbit yang disebut

kulit, tempurung atau cangkang (shell). Kulit ini memiliki bentuk

elips dan dianggap berada pada interval yang tetap. Kulit , dan

banyaknya elektron yang diperlukan untuk mengisinya, dapat

diprediksi dengan menerapkan prinsip pengecualian Pauli

(Paulis exclusion).



Bab 1.6 Kulit Atom (1)


Sederhananya, prinsip ini menjelaskan bahwa setiap Kulit akan

berisi paling banyak 2n2 elektron, dimana n menyatakan nomor

cangkang dimulai dari 1 yang paling dekat inti. Berdasarkan

prinsip ini, kulit kedua, sebagai contoh, akan berisi 2(2)2 = 2x4 =

8 elektron maksimum.

Sebagai tambahan angka, kulit ini juga diberi nama dengan

huruf, seperti tampak dalam Gambar 1.3. Dimulai dari yang

paling dekat inti sampai paling jauh, tiap kulit diberi nama K, L,

M, N, O, P, dan Q. Setiap kulit disebut berisi penuh (full) atau

lengkap (complete) jika memenuhi prinsip Pauli: 2 di kulit K, 8 di

kulit L, 18 di kulit M, dst.




Setiap kulit atau cangkang ini

adalah kulit utama, dan dapat dibagi

menjadi sub-kulit, yang terdiri atas 4

bagian, dan diberi nama, s, p, d dan

f. Seperti halnya kulit utama, sub-

kulit juga memiliki jumlah maksimum

elektron, yaitu s maksimum berisi 2 elektron, p maksimum berisi 6, d maksimum berisi 10, dan f maksimum berisi 14.




Gambar 1.3 Kulit (tempurung atau Cangkang) di dalam sebuah atom


Dengan demikian, cangkang K

hanya dapat berisi 1 sub-cangkang

(karena maksimum 2 elektron).

Cangkang M berisi 3 sub-cangkang:

s, p dan d. Perhatikan konfigurasi

elektron tembaga (copper) di

Gambar 1.4. Atom tembaga

mengandung 29 elektron, yang

memenuhi 3 cangkang utama dan

sub-cangkangnya, dan menyisakan

1 lektron di cangkang N sub-

cangkan s.



Gambar 1.3 Atom tembaga (copper)


Valensi atom adalah kemampuannya untuk mendapatkan atau

kehilangan elektron, yang pada gilirannya menentukan sifat kimia dan

listrik atom. Jumlah elektron di kulit terluar menentukan valensi atom.

Untuk alasan ini, kulit terluar atom disebut kulit valensi; dan elektron

yang terkandung dalam kulit ini disebut elektron valensi. Sebuah atom

yang kurang hanya satu atau dua elektron dari kulit terluarnya akan

dengan mudah mendapatkan elektron untuk melengkapi kulitnya,

namun sejumlah besar energi dibutuhkan untuk membebaskan salah

satu elektronnya. Sebuah atom yang memiliki jumlah relatif kecil dari

elektron di kulit terluarnya dibandingkan dengan jumlah elektron yang

dibutuhkan untuk melengkapi kulitnya akan mudah kehilangan

elektron valensi tersebut. Jadi sekali lagi, kulit valensi selalu mengacu

pada kulit terluar .



Bab 1.7 Valensi


Zat murni (senyawa) terdiri lebih dari 1 unsur yang telah bergabung

bersama melalui reaksi kimia sehingga atomnya sulit untuk

dipisahkan. Sifat-sifat senyawa berbeda dari atom unsur yang

membentuknya. Proses memisahkan senyawa disebut analisis kimia.

Perhatikan bahwa senyawa :

terdiri dari atom dari dua atau lebih elemen yang berbeda terikat bersama-sama ,

dapat dipecah menjadi materi lebih sederhana (unsur) dengan cara kimia (tapi tidak dengan cara fisik),

memiliki sifat yang berbeda dengan unsur-unsur penyusunnya

selalu mengandung rasio yang sama dari atom penyusunnya



Bab 1.8 Senyawa


Ketika atom kehilangan elektron atau mendapatkan elektron

dalam proses pertukaran elektron, dia dikatakan terionisasi.

Agar ionisasi terjadi, harus ada transfer energi yang

menghasilkan perubahan energi internal atom. Sebuah atom

yang memiliki elektron lebih dari jumlah normalnya memiliki

muatan negatif, dan disebut ion negatif . Atom yang melepaskan

beberapa elektron, sehingga kekurangan elektron dari jumlah

normalnya, maka bermuatan positif, dan disebut ion positif.

Dengan demikian, ionisasi adalah proses dimana atom

kekurangan (melepas) atau kelebihan (menerima) elektron.



Bab 1.9 Ionisasi


Dalam kuliah dasar listrik dan elektronik ini, hubungan materi

dan listrik adalah penting. Karena setiap perangkat elektronik

dibangun dari bagian-bagian yang terbuat dari materi biasa,

maka efek listrik harus dipahami dengan baik. Sebagai cara

untuk mencapai ini, semua unsur materi dapat ditempatkan

dalam salah satu dari tiga kategori : konduktor, semikonduktor,

dan isolator (insulator), tergantung pada kemampuan mereka

untuk meneruskan arus listrik. konduktor adalah elemen yang

menghantarkan listrik sangat mudah, isolator memiliki sangat

resistensi yang tinggi terhadap aliran listrik. Semua materi

dengan sifta antara dua jenis bahan di atas dapat disebut

semikonduktor



Bab 1.10 Konduktor, Semikonduktor, Isolator (1)


Teori elektron menyatakan bahwa semua materi terdiri dari

atom dan atom terdiri dari partikel kecil yang disebut proton,

elektron, dan neutron. Elektron mengorbit inti yang mengandung

proton dan neutron. Elektron valensi (elektron di kulit terluar)

adalah perhatian utama kita berkaitan dengan listrik. Ini adalah

elektron yang paling mudah untuk melepaskan diri dari atom

induknya. Biasanya, konduktor memiliki tiga atau kurang

elektron valensi; isolator memiliki lima atau lebih elektron

valensi; dan semikonduktor biasanya memiliki empat elektron

valensi. Semakin sedikit elektron valensi, semakin baik

konduktivitas listriknya. Tembaga, misalnya, hanya memiliki satu

elektron valensi.





Konduktivitas listrik suatu bahan tergantung pada struktur atom dari

bahan penyusun konduktor tersebut. Dalam setiap bahan padat,

seperti tembaga, atom yang membentuk struktur molekul terikat kuat

bersama-sama. Pada suhu kamar, tembaga akan berisi cukup banyak

energi panas. Karena energi panas merupakan salah satu metode

menghilangkan elektron dari orbitnya, tembaga akan berisi banyak

elektron bebas yang dapat berpindah dari atom ke atom lainnya.

Ketika tidak di bawah pengaruh kekuatan luar, elektron tersebut

bergerak serampangan dalam konduktor. Gerakan ini sama dalam

segala arah sehingga elektron tidak hilang atau diperoleh dari setiap

bagian konduktor. Ketika dikendalikan oleh kekuatan luar, elektron

bergerak umumnya dalam arah yang sama. Efek dari gerakan ini

dirasakan hampir seketika dari salah satu ujung konduktor yang lain.

Gerakan elektron ini disebut arus listrik. Dasar Teknik Listrik dan Elektronika, Bab 1 - Teori Elektron, Bahan




Beberapa logam adalah konduktor listrik yang baik daripada yang lain.

Perak, tembaga, emas, dan aluminium adalah bahan dengan banyak

elektron bebas sehingga menjadi konduktor yang baik. Perak adalah

konduktor terbaik, diikuti oleh tembaga, emas, dan aluminium.

Tembaga digunakan lebih sering daripada perak karena biaya (harga

lebih murah). Aluminium digunakan di mana bobotnya adalah

pertimbangan utama, seperti di saluran listrik tegangan tinggi, dengan

bentang panjang antara tiang. Emas digunakan di mana oksidasi atau

korosi menjadi pertimbangan dan konduktivitas yang baik diperlukan.

Kemampuan konduktor untuk menangani arus listrik juga tergantung

pada dimensi fisik. Konduktor biasanya ditemukan dalam bentuk

kawat, tapi mungkin dalam bentuk batangan, tabung, atau lembaran.





Non-konduktor memiliki beberapa elektron bebas. Bahan-bahan

ini disebut isolator. Beberapa contoh bahan tersebut adalah

karet, plastik, enamel, kaca, kayu kering, dan mika. Sama

seperti konduktor tidak yang sempurna, isolatorpun tidak ada

yang sempurna.

Beberapa bahan adalah konduktor yang tidak baik sekaligus

isolator yang tidak baik, karena sifat kelistrikan mereka berada

antara konduktor dan isolator. Bahan antara (pertengahan) ini

yang diklasifikasikan sebagai semikonduktor. Germanium dan

silikon adalah dua semikonduktor yang umum digunakan dalam

perangkat solid-state.




Referensi

[1] TTS Integrated Training System, 2010 [2] Mike Tooley, Aircraft Electrical and Electronic Systems, Principles

Maintenance and Operation, Butterworth-Heinemann, 2009 [3] Halliday, Resnick and Walker, Fundamentals of Physics 8 Ed

Extended, John Wiley & Sons, 2008



Documents

(KB AE 1152) Dasar Teknik Listrik Dan Elektronika - Bab 1, Teori Elektron (20150310)