Kenapa Tembaga Jadi Konduktor dan Gas Mulia Tidak? Penjelasan Kulit Elektron

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 01: Pengantar Listrik (artikel 5 dari 7)

Tembaga menghantarkan listrik dengan baik karena elektron di kulit terluarnya terikat longgar dan mudah berpindah, sedangkan gas mulia seperti helium dan neon hampir tidak bereaksi karena kulit terluarnya sudah penuh. Susunan elektron di sekeliling inti atom inilah yang menentukan apakah sebuah bahan menjadi penghantar, penyekat, atau tidak mau ikut campur sama sekali. Kulit pertama menampung paling banyak 2 elektron, kulit kedua 8, kulit ketiga 18, dan kulit keempat 32.

Satu elektron sendirian di kulit terluar. Itulah yang membuat tembaga menghantar dengan baik.

Elektron Bukan Planet

Gambar atom yang paling sering dipakai menunjukkan elektron sebagai bola kecil yang mengitari inti seperti planet mengitari matahari. Gambar itu mudah dipahami, dan karena itu dipakai di mana-mana, termasuk di artikel ini.

Tapi ia tidak tepat.

Elektron tidak bergerak pada lintasan yang bisa digambar seperti garis orbit planet. Yang lebih dekat dengan kenyataan adalah gambaran awan: elektron berada di suatu wilayah ruang di sekeliling inti, dan yang bisa dihitung hanyalah seberapa besar kemungkinan ia ditemukan di satu tempat dibanding tempat lain. Wilayah-wilayah itulah yang kita sebut kulit.

Buat keperluan kelistrikan praktis, gambar orbit tetap boleh dipakai, asal satu hal diingat: yang penting bukan bentuk lintasannya, melainkan berapa banyak elektron di kulit terluar dan seberapa erat ia dipegang inti. Dua hal itu yang menentukan sifat listrik sebuah bahan.

Berapa Elektron yang Muat di Tiap Kulit

Setiap kulit punya daya tampung maksimum, dan angkanya mengikuti pola yang rapi.

Kulit ke-	Nama	Daya tampung maksimum	Subkulit di dalamnya
1	K	2 elektron	2
2	L	8 elektron	2 + 6
3	M	18 elektron	2 + 6 + 10
4	N	32 elektron	2 + 6 + 10 + 14

Setiap kulit sebenarnya terbagi lagi menjadi subkulit, dan daya tampung subkulitnya berurutan 2, 6, 10, dan 14. Jumlah seluruh subkulit itulah yang menghasilkan angka 2, 8, 18, dan 32.

Pengisiannya dimulai dari kulit terdalam, yaitu kulit pertama diisi sampai penuh lebih dulu, baru kulit kedua menerima elektron berikutnya sampai penuh juga, dan begitu seterusnya sampai seluruh elektron milik atom itu mendapat tempat. Pada atom-atom besar urutannya tidak selalu serapi itu karena ada subkulit yang tingkat energinya tumpang tindih, tetapi untuk unsur-unsur yang sering ditemui di dunia kelistrikan, pola sederhana tadi sudah cukup.

Sepuluh Atom Pertama

Melihat sepuluh unsur pertama berurutan membuat polanya langsung kelihatan.

Nomor	Unsur	Jumlah elektron	Susunan kulit	Kulit luar
1	Hidrogen	1	1	Belum penuh
2	Helium	2	2	Penuh
3	Litium	3	2, 1	Belum penuh
4	Berilium	4	2, 2	Belum penuh
5	Boron	5	2, 3	Belum penuh
6	Karbon	6	2, 4	Belum penuh
7	Nitrogen	7	2, 5	Belum penuh
8	Oksigen	8	2, 6	Belum penuh
9	Fluor	9	2, 7	Belum penuh
10	Neon	10	2, 8	Penuh

Dua baris menonjol dari daftar itu, yaitu helium dan neon. Keduanya punya kulit terluar yang terisi penuh, dan keduanya adalah gas yang hampir tidak mau bereaksi dengan apa pun.

Gas Mulia dan Atom yang Mudah Bereaksi

Atom yang kulit terluarnya penuh berada dalam keadaan yang sangat stabil. Ia tidak butuh menambah elektron, tidak cenderung melepas elektron, dan karena itu hampir tidak membentuk senyawa dengan unsur lain. Kelompok ini disebut gas mulia atau unsur inert, dan anggotanya antara lain helium, neon, argon, dan kripton.

Sifat tidak mau bereaksi itu justru membuatnya berguna. Argon dipakai sebagai gas pelindung pada pengelasan karena ia tidak ikut bereaksi dengan logam cair, sehingga sambungan las tidak teroksidasi.

Kebalikannya, atom yang kulit terluarnya jauh dari penuh cenderung mudah bereaksi. Atom yang kulit luarnya hanya berisi satu atau dua elektron cenderung melepasnya, sementara atom yang kulit luarnya kurang satu atau dua dari penuh cenderung menarik elektron dari atom lain. Dari kecenderungan inilah seluruh ikatan kimia terbentuk.

Yang kiri tidak mau bereaksi. Dua yang kanan melepas elektron terluarnya dengan mudah, dan itulah penghantar.

Kenapa Logam Tertentu Jadi Penghantar

Sekarang kaitannya ke listrik jadi gampang.

Tembaga adalah unsur nomor 29, dan susunan kulitnya 2, 8, 18, 1. Perhatikan angka terakhir. Setelah tiga kulit terisi rapi, tinggal satu elektron sendirian di kulit terluar, dan elektron itu terletak jauh dari inti sehingga tarikannya lemah. Sedikit saja dorongan dari luar, misalnya beda potensial dari baterai, sudah cukup membuatnya berpindah ke atom tetangga.

Di dalam sepotong kawat tembaga, elektron-elektron terluar dari miliaran atom ini membentuk semacam lautan yang bisa bergerak bebas di antara atom. Inilah yang disebut elektron bebas, dan jumlahnya yang melimpah itulah yang membuat tembaga menghantar dengan baik.

Aluminium adalah unsur nomor 13 dengan susunan kulit 2, 8, 3. Ia juga punya elektron luar yang longgar, tetapi tidak selonggar tembaga, sehingga daya hantarnya sekitar 61 persen dari tembaga untuk penampang yang sama.

Penyekat bekerja dengan cara sebaliknya. Pada bahan seperti karet, kaca, dan plastik, elektron terikat erat dalam ikatan antar-atom dan tidak ada elektron yang bebas berkeliaran. Dorongan dari beda potensial biasa tidak cukup melepaskannya, sehingga arus praktis tidak mengalir.

Sifat	Konduktor	Isolator
Elektron kulit terluar	Longgar, mudah lepas	Terikat erat
Elektron bebas	Banyak	Hampir tidak ada
Contoh bahan	Tembaga, aluminium, perak	Karet, kaca, keramik, plastik
Peran di motor	Belitan dan terminal	Varnish, kertas slot, sarung kabel

Dari Konsep ke Bengkel

Dua bahan yang paling sering diadu di bengkel motor adalah tembaga dan aluminium untuk belitan.

Belitan aluminium lebih murah dan lebih ringan, tetapi karena daya hantarnya lebih rendah, untuk menghasilkan hambatan yang sama penampang kawatnya harus dibuat lebih besar, dan penampang yang lebih besar itu langsung berebut ruang dengan isolasi di dalam alur stator yang ukurannya sudah tetap. Akibatnya alur stator terisi lebih padat, ruang untuk isolasi berkurang, dan motor dengan ukuran fisik sama biasanya berakhir dengan daya yang lebih kecil atau suhu kerja yang lebih tinggi.

Aluminium juga membentuk lapisan oksida tipis di permukaannya begitu terkena udara, dan lapisan itu bersifat menyekat. Ini yang membuat penyambungan kawat aluminium lebih rewel daripada tembaga, dan kenapa titik sambungan aluminium yang digarap asal-asalan sering jadi titik panas di kemudian hari.

Di sisi penyekat, varnish yang membungkus kawat email adalah isolator setebal beberapa puluh mikron saja. Setipis itu, tetapi cukup karena bahan itu memang hampir tidak punya elektron bebas. Yang merusaknya bukan tegangan biasa, melainkan panas berlebih, gesekan saat penggulungan, dan bahan kimia yang tidak cocok.

Sudut Pandang Workshop

Saya tidak pernah mengajarkan tabel kulit elektron ke teknisi. Tidak perlu.

Yang saya ajarkan cuma satu kalimat: bahan penghantar punya elektron yang longgar, bahan penyekat tidak. Setelah itu, hampir semua pertanyaan praktis bisa dijawab sendiri oleh orangnya.

Kenapa belitan dilapisi varnish padahal kawatnya sudah rapi? Karena tembaga yang bersentuhan langsung akan saling meneruskan elektron, dan jalur arus jadi melompat dari lilitan satu ke lilitan lain. Kenapa kertas slot harus utuh? Karena ia yang memisahkan belitan dari inti besi, dan inti besi juga penghantar. Kenapa kawat aluminium perlu perlakuan khusus di sambungan? Karena permukaannya sendiri berubah jadi penyekat tipis.

Ada satu hal yang perlu diluruskan karena sering jadi salah paham di lapangan. Banyak orang mengira isolator berarti benda yang sama sekali tidak bisa dialiri listrik dalam keadaan apa pun. Padahal yang benar adalah isolator menahan arus sampai batas tegangan tertentu, dan di atas batas itu ia tembus. Itulah sebabnya ada pengujian tegangan tembus, dan itu pula sebabnya hasil pengukuran tahanan isolasi harus dibandingkan dengan nilai acuan, bukan sekadar dilihat apakah jarumnya bergerak atau tidak.

Cek Pemahaman

1. Elemen yang kulit luarnya penuh disebut elemen apa?
   Jawaban: elemen inert atau gas mulia.
2. Berapa elektron maksimal pada kulit pertama sampai keempat?
   Jawaban: 2, 8, 18, dan 32.
3. Berapa susunan kulit elektron tembaga?
   Jawaban: 2, 8, 18, 1.
4. Apa yang membuat sebuah bahan menjadi penghantar yang baik?
   Jawaban: banyaknya elektron terluar yang terikat longgar sehingga bebas bergerak.
5. Berapa daya hantar aluminium dibanding tembaga?
   Jawaban: sekitar 61 persen untuk penampang yang sama.

Baca Juga

• Pengertian Listrik: Atom, Elektron, dan Proton
• Arah Arus Listrik: Elektron vs Arus Konvensional
• Arti Tegangan, Arus, dan Hambatan dengan Analogi Air
• Cara Memilih Ukuran Kabel Listrik yang Tepat
• Elektromagnetisme: Dasar Motor dan Generator

Ringkasan

• Elektron tersusun dalam kulit di sekeliling inti atom.
• Daya tampung kulit pertama sampai keempat berturut-turut 2, 8, 18, dan 32 elektron.
• Setiap kulit terbagi lagi menjadi subkulit berdaya tampung 2, 6, 10, dan 14.
• Gambar elektron sebagai planet yang mengorbit hanya penyederhanaan.
• Atom dengan kulit luar penuh bersifat inert, contohnya helium, neon, dan argon.
• Tembaga bernomor 29 dengan susunan 2, 8, 18, 1 sehingga elektron terluarnya mudah lepas.
• Elektron yang mudah lepas itu menjadi elektron bebas yang membawa arus.
• Aluminium bernomor 13 dan daya hantarnya sekitar 61 persen dari tembaga.
• Isolator hampir tidak punya elektron bebas, sehingga arus praktis tidak mengalir.
• Isolator tetap bisa tembus bila tegangannya melewati batas, jadi pengujian isolasi tetap perlu.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Kenapa tembaga menjadi penghantar listrik yang baik?

Karena atom tembaga bernomor 29 dengan susunan kulit 2, 8, 18, 1 sehingga hanya ada satu elektron di kulit terluarnya, dan elektron itu berada jauh dari inti sehingga tarikannya lemah. Dorongan kecil dari beda potensial sudah cukup membuatnya berpindah ke atom tetangga, dan kumpulan elektron longgar dari miliaran atom inilah yang membentuk elektron bebas pembawa arus.

Apa itu gas mulia?

Gas mulia adalah unsur yang kulit elektron terluarnya sudah terisi penuh sehingga berada dalam keadaan sangat stabil dan hampir tidak membentuk senyawa dengan unsur lain. Anggotanya antara lain helium, neon, argon, dan kripton, dan sifat tidak mau bereaksi inilah yang membuat argon dipakai sebagai gas pelindung pada pengelasan agar logam cair tidak teroksidasi.

Berapa jumlah elektron maksimal pada setiap kulit?

Kulit pertama menampung paling banyak 2 elektron, kulit kedua 8 elektron, kulit ketiga 18 elektron, dan kulit keempat 32 elektron. Angka-angka itu berasal dari penjumlahan daya tampung subkulit di dalamnya yang berurutan 2, 6, 10, dan 14, dan pengisiannya dimulai dari kulit yang paling dekat dengan inti.

Apa beda konduktor dan isolator?

Konduktor adalah bahan yang elektron terluarnya terikat longgar sehingga tersedia banyak elektron bebas yang bisa bergerak membawa arus, seperti tembaga dan aluminium. Isolator adalah bahan yang elektronnya terikat erat dalam ikatan antar-atom sehingga hampir tidak ada elektron bebas, seperti karet, kaca, dan plastik, meski bahan ini tetap bisa tembus bila tegangannya melewati batas tertentu.

Kenapa belitan motor dilapisi varnish?

Karena kawat tembaga yang bersentuhan langsung satu sama lain akan saling meneruskan elektron, sehingga arus melompat dari satu lilitan ke lilitan lain dan jalur yang dirancang jadi terpotong. Lapisan varnish setebal beberapa puluh mikron sudah cukup menahannya karena bahan itu hampir tidak punya elektron bebas, dan yang merusaknya biasanya bukan tegangan melainkan panas berlebih, gesekan saat penggulungan, atau bahan kimia yang tidak cocok.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 1, bagian Structure of Atoms dan Electron Shells (modul internal Motor Academy).
• Daya tampung kulit elektron 2-8-18-32 dan daya tampung subkulit 2-6-10-14 menurut susunan elektron baku dalam tabel periodik.
• Nilai daya hantar aluminium sekitar 61 persen dari tembaga untuk penampang yang sama, sesuai data bahan penghantar listrik.