Saat ini segala sesuatu di kehidupan kita tidak lepas dari kebutuhan akan energi listrik, energi listrik yang diciptakan oleh manusia, bisa juga berdasarkan kondisi alam, semisal listrik untuk kebutuhan sehari-hari (sebagaimana sistem tenaga listrik di indonesia) atau adanya petir pada saat turun hujan, pernahkah kalian bertanya dari manakah listrik berasal? Mari kita jawab pertanyaan tersebut “asal mula energi listrik (Teori Atom Fisika)”.
Energi listrik didefinisikan sebagai mengalirnya elektron melalui suatu material, atau disebut juga bergeraknya elektron.
Dari sisi ilmu pengetahuan dikatakan energi listrik berasal dari partikel yang sangat kecil disebut elektron dan proton. Partikel ini sangat kecil sehingga tidak mungkin dilihat, tetapi wujudnya ada sebagai partikel sub-atom pada suatu atom. Keberadaan atom ini ada dalam berbagai ribu bentuk elemen kimia seperti hidrogen, karbon, oksigen dan tembaga. Atom dengan berbagai tipe dapat dikombinasikan untuk membuat suatu molekul. Membuat suatu benda memiliki fisik yang dapat dilihat dan disentuh. Ukuran atom bisa dikatakan sangat kecil yaitu sebesar 300 pico meter (3*10-10 meter). Sebuah material yang terbuat dari 100% bagian kecil tembaga memiliki 3.2×1022 atom di dalam tembaga tersebut. Untuk memahami lebih jauh hal ini kita harus memahami struktur dari atom tersebut yang terdiri dari proton, neutron dan elektron.
Susunan Atom
Secara garis besar atom terdiri dari nukleus (sub-atom meliputi proton dan neutron ) yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif dalam sebuah orbit. Jika jumlah muatan positif dan negatif sama banyak maka disebut dengan kondisi netral atau seimbang.
Hukum Pertama Gaya Elektrostatik
Salah satu yang masih menjadi misteri pada dunia penelitian yaitu antara elektron dan nukleus saling timbul adanya gaya tarik menarik. Gaya inilah yang dinamakan gaya elektrostatik. Gaya inilah yang menahan elektron pada posisi di orbitnya. Tanpa adanya gaya elektrostatik, elektron akan bergerak dengan kecepatan tinggi / tidak pada orbitnya.
Pada realitasnya beberapa atom akan kehilangan atau kelebihan elektron. Jika hal ini terjadi kondisi netral / seimbang bisa dibilang tidak ada. Bisa dikatakan satu objek dengan sejumlah besar elektron akan menjadi bermuatan negatif, sebaliknya suatu objek dengan sejumlah kecil elektron menjadi bermuatan positif. Semakin besar jumlah elektron bebas pada suatu objek, semakin besar pula muatan elektrik negatifnya.
Beda Potensial
Beda potensial digunakan untuk menjelaskan seberapa besar gaya elektrostatik antara dua buah objek. Jika sebuah bodi diletakkan antara dua buah objek dengan beda potensial, tergantung atas polaritas dari objek tersebut. Jika sebuah elektron ditempatkan diantara sebuah medan negatif dan sebuah medan positif pada suatu objek maka akan ditolak dari objek medan negatif dan ditarik menuju objek positif.
Gaya elektrostatik diperoleh dari potensial tinggi ke potensial yang lebih rendah
Karena disebabkan oleh gaya elektrostatik, muatan listrik memiliki kemampuan untuk berpindah ke muatan partikel lainnya dengan cara menarik / tolakan. Kemampuan untuk melakukan hal ini disebut potensial. Maka dari itu jika ada muatan yang berbeda dari lainnya, akan timbul beda potensial antara keduanya. Penjumlahan dari beda potensial muatan partikel pada medan elektrostatik disebut juga gaya elektromotif / electromotive force (EMF)
Satuan ukur yang digunakan dari beda potensial yaitu “Volt” dengan simbol “V”. Mengindikasikan kemampuan untuk elektron berpindah. Beda potensial bisa juga disebut dengan tegangan.
Elektron Bebas
Elektron berputar mengelilingi nukleus secara cepat, ketika terdapat gaya elektrostatik yang mencoba menarik nukleus dan elektron secara bersamaan, elektron tetap pada posisinya dan mencoba mempertahankannya. Ini membuat dua buah efek keseimbangan, mempertahankan elektron pada orbitnya. Elektron pada suatu atom berbeda level energinya. Level energi pada elektron proporsional dengan jarak dari nukleus. Semakin jauh jarak elektron dari nukleus maka semakin besar level energi yang dimiliki elektron pada suatu orbit tersebut. nukleus menjadi sebuah pusat dari lapisan elektron yang mengelilinginya. Lapisan masing-masing orbit dari nukleus sampai yang paling jauh disebut lapisan: K, L, M, N, 0, P dan Q. Masing-masing lapisan memiliki batasan maksimum yang dapat dipertahankannya. Sebagai contoh lapisan K akan mempertahankan maksimum 2 buah elektron sedangkan lapisan L dapat mempertahankan maksimum 8 buah elektron.
Ada dua buah aturan sederhana yang berfokus pada lapisan elektron untuk memprediksi distribusi elektron dari berbagai elemen:
- Jumlah maksimum elektron yang dapat dipertahankan bagian terluar dari suatu lapisan oleh atom apapun yaitu 8 buah.
- Jumlah maksimum dari elektron Yang dapat dipertahankan di bagian lapisan terluar berikutnya oleh atom yaitu 18 buah.
Ketika lapisan terluar dari suatu atom berisikan delapan buah elektron, atom menjadi stabil, atau tahan terhadap perubahan struktur. Ini berarti bahwa atom dengan satu atau dua buah elektron di sisi terluar lapisan akan lebih mudah kehilangan elektron dari pada atom dengan lapisan yang berisikan penuh elektron.
Elektron di bagian lapisan terluar disebut dengan valence elektro. Ketika ada energi dari luar muncul seperti panas, cahaya atau energi listrik diaplikasikan pada suatu material, elektron akan mendapatkan suatu energi dan menjadi tertarik untuk berpindah ke energi dengan level yang lebih besar. Inilah yang disebut dengan elektron bebas. Perpindahan suatu elektron bebas yang menghasilkan arus listrik pada suatu bahan konduktor.
Suatu atom yang kehilangan atau mendapatkan elektron lebih disebut dengan ionized / perubahan ion. Jika atom kehilangan lagi elektron, akan menjadi bermuatan positif dan disebut dengan ion positif. Jika sebuah atom satu buah atau lebih elektron maka akan bermuatan negatif dan disebut dengan ion negatif.
Sejarah Asal Mula Energi Listrik
Di atas sudah dijelaskan tentang asal mula energi listrik berdasarkan teori atom fisika. Lalu bagaimana sejarah penemuan energi listrik itu sendiri? Mari simak penjelasannya di bawah ini untuk memahami bagaimana sejarahnya.
1. Tahun 1700-an
Di tahun 1733, penelitian batu amber dilanjutkan oleh William Gilbert, salah seorang ilmuwan Inggris yang pada akhirnya menemukan listrik. Dari penelitian ini ditemukan fenomena elektrik dan dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai magnet serta listrik.
Enam tahun kemudian, tepatnya pada 1739, Charles du Fay, ilmuwan Perancis melakukan penelitian tentang listrik. Dari penelitian ini didapatkan kesimpulan bahwa listrik tersusun atas muatan positif serta negatif.
Benjamin Franklin meneliti listrik pada 1752 dengan cara menerbangkan layang-layang yang terhubung dengan kunci besi saat ada banyak petir. Akhirnya petir menyambar kunci tersebut dan menimbulkan percikan api yang mengenai punggung tangan Franklin. Dirinya meyakini bahwa itu adalah listrik.
2. Tahun 1800-an
Alessandro Volta, ilmuwan asal Italia, melanjutkan penelitian mengenai listrik pada 1800. Caranya adalah mencelupkan kertas ke air garam, lalu menaruh zinc serta tembaga pada kedua ujung kertas. Reaksi kimiawi ini mampu menghasilkan listrik.
Inilah cikal bakal penemuan sel listrik dan Volta pun berhasil menciptakan baterai pertama setelah menghubungkan banyak sel.
Pada 1831, Michael Faraday, ilmuwan Inggris, melakukan penelitian dan menemukan bahwa listrik bisa diciptakan dengan cara menghubungkan magnet berdekatan dengan kawat tembaga. Setelah penemuan besar ini, seluruh peralatan listrik yang dipakai menggunakan magnet dan kabel tembaga.