Muatan Bergerak : Elektron dan Hole

Prev : Rapat Arus dan Kecepatan Drift

Dalam artikel-artikel sebelumnya, kita mengamati bagaimana pertukaran muatan terjadi dari satu sistem ke sistem lain. Namun, tampak belum jelas bahwa muatan mana yang dalam kenyataannya memang bergerak. Apakah muatan negatif, muatan positif, atau dua-duanya? Dalam artikel ini akhirnya kita akan membahas apa yang sebenarnya terjadi ketika ada arus listrik antar sistem.

Untuk menjawab permasalahan ini, kita perlu meninjau bagian terkecil dari partikel, yang kita kenal sebagai atom. Ada beberapa model atom yang telah diformulasikan hingga milenium baru ini, mulai dari model atom Thomson hingga model atom Bohr dan awan elektron, dan beberapa dari kita mungkin sudah familiar dengan struktur atom Bohr yang terdiri dari nukleus (neutron dan proton) serta elektron. Beberapa dari kita mungkin memiliki keinginan untuk menjawab bahwa elektronlah yang bergerak menuju kutub positif, sedangkan nukleus tidak bergerak karena terikat oleh nukleus lain akibat adanya ikatan logam. Itu benar-benar saja, namun apabila kita lihat dari sisi historisnya pada abad ke-19, Ampere yang pada saat itu belum mengenal model atom tentu belum berpikir sejauh itu. Bahkan teori atom Dalton yang dicetuskan pada abad yang sama belum menjelaskan tentang polaritas antar atom, sedangkan model atom pertama yang memuat adanya muatan negatif dan positif dicetuskan pada awal abad ke-20 oleh Thomson. Dengan kata lain, pada masa Ampere arus listrik hanya diketahui diakibatkan oleh pertukaran muatan saja, tanpa memperhitungkan muatan apa yang bergerak.

Teori yang mengatakan bahwa arus listrik terjadi akibat gerakan elektron hanya dapat dirumuskan setelah model atom ketiga (Bohr), yang sudah memperkenalkan adanya elektron sebagai muatan negatif dan nukleus sebagai muatan positif, serta telah menyatakan bahwa orbit elektron yang mengitari nukleus mengikuti asas Pauli, dimana tiap partikel tidak dapat memiliki tingkat energi yang sama. Dengan model ini, pada bahan logam dimana arus listrik dapat mengalir dengan mudah, elektron terluar dalam atom-atomnya memiliki jarak yang cukup jauh dari nukleusnya, hingga jauhnya dapat mendekati atom lain. Dengan demikian, elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lain, sehingga dapat dikatakan bahwa elektron dalam logam bebas bergerak.

Walaupun demikian, akan terlalu naif apabila kita mengatakan bahwa muatan positif tidak bergerak. Perhatikan gambar berikut.

Gambar di atas menunjukkan peristiwa yang terjadi ketika ada arus listrik yang mengalir antara ruang A dan F (1). Tiap ruang dapat kita asumsikan sebagai beberapa wilayah bagian dari konduktor, sehingga elektron dapat bergerak bebas. Ketika ada medan listrik E akibat beda potensial antara A dan F, semua elektron dalam B, C, D, E, dan F akan tertarik menuju A. Kita akan membahas konsep ini secara perlahan, dimana elektron dalam masing-masing ruang satu per satu bergerak ke ruangan di sebelah kirinya. Kita akan memulai dari tahap pertama, dimana elektron dari B yang merupakan daerah terdekat dari A berpindah ke ruang tersebut (2). Ini menyebabkan B bermuatan positif karena kehilangan elektron. Selanjutnya ruangan di sebelah kanannya, C kehilangan elektron yang tertarik ke A, namun harus melewati B terlebih dahulu. Ini menyebabkan B menjadi netral beberapa saat (3) sebelum akhirnya tiba di A. Ketika elektron tadi tiba di A, B menjadi positif kembali, dan pada waktu yang sama elektro dari D bergerak melalui C, sehingga D menjadi positif (4). Disini kita bisa melihat ada dua ruang yang bermuatan positif, yaitu B dan D. Hal yang sama terjadi pada tahap kelima, dimana muatan negatif dari C dan E bergerak ke arah kiri, sehingga bermuatan positif dan ruangan B dan D menjadi netral (5), dan seterusnya hingga F kehilangan beberapa elektronnya (6). Kita bisa mengamati bahwa ada suatu muatan positif yang bergerak dari A dan F. Namun seperti yang telah disebutkan sebelumnya, nukleus yang merupakan muatan positif dari atom tidak bergerak. Oleh karena itu, muatan positif ini merupakan suatu quasi-partikel atau sesuatu yang menyerupai partikel, namun bukan merupakan partikel. quasi-partikel ini kita sebut sebagai hole, atau lubang, mengingat bahwa muatan positif tersebut bukan berasal dari kehadiran muatan positif secara fisik, melainkan berasal dari kekurangan elektron. Hole ini dapat kita ibaratkan sebagai suatu “lubang” yang seharusnya diisi oleh elektron namun elektron tersebut tidak ada dalam lubang tersebut karena tertarik ke arah ruangan yang bermuatan positif.

Dengan demikian kita juga bisa mengetahui kemana arah arus listrik yang sebenarnya, atau arah arus listrik yang umumnya digunakan dalam hampir semua literatur yang membahas kelistrikan. Mengingat bahwa quasi-partikel hole bergerak ke arah kanan, kita dapat menganggapnya sebagai pergerakan muatan positif dari A ke F, sehingga arus listrik I mengarah ke arah F.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google

You are commenting using your Google account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: