Jika sebuah benda memiliki elektron yang berlebih atau kurang dari
yang diperlukan untuk menyeimbangkan muatan inti atom yang positif,
benda tersebut akan memiliki muatan listrik. Ketika terdapat elektron
berlebih, benda tersebut dikatakan bermuatan negatif. Apabila terdapat
elektron yang kurang dari jumlah proton dalam inti atom, benda tersebut
dikatakan bermuatan positif. Ketika jumlah elektron dan jumlah proton
adalah sama, muatan keduanya meniadakan satu sama lainnya dan benda
tersebut dikatakan bermuatan netral. Benda makro dapat menjadi bermuatan
listrik melalui penggosokan dan menghasilkan efek
tribolistrik.[105]
Elektron tunggal yang bergerak dalam vakum diistilahkan sebagai
elektron bebas. Elektron-elektron dalam logam juga berperilaku
seolah-olah bebas. Dalam kenyataannya, partikel yang umumnya
diistilahkan elektron dalam logam dan padatan lainnya merupakan
kuasi-elektron-kuasi-partikel,
yang memiliki muatan listrik, spin, dan momen magnetik yang sama dengan
elektron asli, namun bermassa berbeda.[106]
Ketika elektron bebas bergerak dalam vakum ataupun dalam logam, ia akan
menghasilkan aliran muatan yang disebut sebagai arus
listrik. Arus listrik ini kemudian akan menghasilkan medan
magnetik. Sebaliknya, arus dapat diciptakan pula dengan mengubah medan
magnetik. Interaksi ini dinyatakan secara matematis menggunakan persamaan Maxwell.[107]
Pada suhu tertentu, tiap-tiap material memiliki konduktivitas listrik yang menentukan
nilai arus listriknya ketika potensial
listrik dialirkan kepadanya. Contoh benda yang memiliki
konduktivitas listrik yang baik (disebut konduktor) misalnya emas dan
tembaga, sedangkan gelas dan teflon
adalah konduktor yang buruk. Dalam material dielektrik,
elektron tetap terikat pada atom penyusunnya dan material tersebut
berperilaku seperti insulator. Sebaiknya logam memiliki struktur pita
elektronik yang mengandung pita elektronik yang terisi sebagian.
Keberadaan pita tersebut mengizinkan elektron dalam logam berperilaku
seolah-olah bebas (elektron
terdelokalisasi). Elektron yang terdelokalisasi ini tidak terikat
pada atom apapun, sehingga ketika dialiri medan listrik, elektron
tersebut akan bergerak bebas seperti gas (gas fermi)[108]
melalui material tersebut seperti elektron bebas.
Oleh karena tumbukan antara elektron dengan atom, kecepatan
hanyatan elektron dalam konduktor memiliki kisaran milimeter per
detik. Namun, kecepatan
rambatan elektron biasanya adalah sekitar 75% kecepatan cahaya.[109]
This occurs because electrical signals propagate as a wave, with the
velocity dependent on the dielectric constant of the material.[110]
Logam merupakan konduktor panas yang baik, utamanya disebabkan oleh
elektron terdelokalisasi yang bebas untuk mentranspor energi termal
antaratom. Namun, berbeda dengan konduktivitas listrik, konduktivitas
termal logam hampir tidak tergantung pada suhu. Konduktivitas termal
diekspresikan secara matematis menurut hukum
Wiedemann-Franz,[108]
yang menyatakan bahwa rasio konduktivitas termal terhadap
konduktivitas listrik berbanding lurus terhadap temperatur. Kebalauan
termal dalam kisi logam meningkatkan resistivitas
listrik material, sehingganya membuat arus listrik tergantung pada
temperatur.[111]
Ketika didinginkan di bawah temperatur
kritis, material dapat mengalami transisi fase yang menyebabkannya
kehilangan semua resistivitas arus listrik. Hal ini dinamakan superkonduktivitas. Dalam teori
BCS, perilaku ini dimodelkan oleh pasangan elektron yang memasuki
keadaan kuantum kondensat Bose-Einstein. Pasangan
Cooper ini memiliki gerakan yang dikopling oleh materi sekitar via
getaran kekisi yang disebut fonon, sehingga elektron dapat menghindari tumbukan
dengan atom-atom material yang menciptakan hambatan listrik.[112]
(Pasangan Cooper memiliki jari-jari sekitar 100 nm, sehingga dapat
bertumpang tindih satu sama lain.)[113]
Walaupun begitu, mekanisme mengenai bagaimana superkonduktor temperatur
tinggi bekerja masih belumlah terpecahkan.
Elektron yang berada dalam padatan konduktor, yang sendirinya juga
merupakan kuasipartikel, ketika dikungkung secara ketat pada temperatur
yang mendekati nol absolut, akan
berperilaku seolah-olah terbelah lebih jauh menjadi dua kuasipartikel:
spinon dan holon.[114][115]
Spinon memiliki spin dan momen magnetik, sedangkan holon memiliki
muatan listrik.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar