Tiub hampagas (bahagian 3)- Magnetron

Magnetron ialah alat penghasil gelombang mikro yang digunakan dalam ketuhar gelombang mikro sehingga kini, dan pada radar-radar sebelum Perang Dunia Kedua.

Sebelum ini penulis telahpun menerangkan mengenai prinsip-prinsip asas bagaimana tiub hampagas berfungsi. Secara mudahnya, semua jenis tiub hampagas dihasilkan bagi membolehkan pengaliran elektron dikawal dari luar tiub. Elektron mengalir merentas ruang kurang udara (hampagas) di dalam tiub, dari katod ke anod.

Magnetron bertindak berasaskan satu prinsip utama; iaitu ’memaksa’ elektron kembali ke katod berbanding cara biasa yang dilakukan oleh kebanyakan tiub hampagas; membenarkan elektron mengalir dari katod ke anod. Dengan kata lain, magnetron berusaha menghalang elektron yang bertenaga tinggi yang dipancarkan oleh katod dari berhenti di anod, dan bertindak menolak elektron ini kembali ke katod, seperti memampatkan sebuah spring regangan.



Dengan menolak elektron kembali ke katod, tenaga akan dikeluarkan oleh elektron tersebut. Sepertimana spring regangan, apabila anda memampatkannya, suatu daya tolakan dari spring akan terhasil dan dapat dirasakan oleh tangan. Daya tolakan spring ini terhasil disebabkan oleh tenaga yang tersimpan di dalam spring tersebut, dikeluarkan sebagai daya yang menolak tangan ketika ia dimampatkan. Begitu juga dengan memaksa elektron bertenaga tinggi kembali ke katod, suatu tenaga akan dilepaskan oleh elektron ini. Tenaga ini ialah gelombang mikro.

Atau untuk perumpamaan lain, bayangkan elektron yang bertenaga tinggi ialah span yang menyerap air. Span ialah elektron, sementara air ialah tenaga yang dikandungnya. Dengan menekan span (menolak elektron kembali merapat ke katod), air (tenaga) akan dikeluarkan. Perkara yang sama juga berlaku dalam magnetron.

Sebelum menjelaskan magnetron dengan lebih lanjut, penulis akan menerangkan laluan masuk dan keluar tenaga melalui magnetron. Sila perhatikan rajah di bawah:



Merujuk kepada rajah di atas:

Magnetron digambarkan sebagai satu sistem.

Tenaga yang masuk ke dalam sistem terdiri dari dua jenis: tenaga dari pemanas filamen, dan tenaga elektrik bervoltan tinggi dari katod ke anod yang dibekalkan oleh bateri atau transformer injak naik, iaitu transformer ketuhar gelombang mikro yang popular dalam kalangan penghobi elektronik.

Tenaga yang keluar dari sistem terdiri dari dua jenis; tenaga gelombang mikro dan tenaga elektrik.

Menurut Hukum Termodinamik Pertama (prinsip keabadian tenaga), jumlah tenaga yang masuk mesti sama dengan jumlah tenaga yang keluar. Maka tidak akan ada tenaga yang hilang.

Tetapi menurut Hukum Termodinamik Kedua, tenaga yang masuk mesti terpecah dua; satu kepada tenaga yang bermanfaat dan satu lagi kepada tenaga yang tidak bermanfaat. Oleh itu, tenaga yang masuk MESTI terpecah kepada dua bentuk; satu kepada tenaga bermanfaat (gelombang mikro) dan satu lagi kepada tenaga tidak bermanfaat (tenaga elektrik yang membawa elektron yang berbaki yang tidak kembali ke katod ke anod). Jika Hukum Termodinamik Kedua tidak dipatuhi, elektron berperlakuan seperti sebuah ‘enjin sempurna’, dan gelombang mikro tidak akan terhasil kerana tenaga yang masuk tidak terpecah dua sebaliknya bertukar sepenuhnya kepada tenaga elektrik, iaitu semua elektron ditolak ke anod dan tidak ada satupun elektron yang berjaya dikembalikan ke katod.

Rajah di bawah pula menunjukkan rekabentuk asal dan paling asas sebuah magnetron. Rekabentuk ini ialah rekabentuk pertama magnetron yang dicipta oleh Albert Hull, ahli fizik Amerika pada tahun 1921.



Dalam rekabentuk tersebut, magnet diletakkan supaya medannya selari dengan arah pergerakan elektron. Medan magnet atau kawasan di mana daya magnet bertindak, menghasilkan daya yang berserenjang (English-perpendicular) dengan arah pergerakan elektron. Untuk memahaminya, bayangkan elektron bergerak mengikut garisan pada satu kertas yang leper dan rata. Jika arah medan magnet menghala tegak menembusi kertas, daya yang memesongkan pergerakan elektron ialah pada atas kertas, sama seperti elektron, TETAPI berserenjang dengan arah elektron tersebut. Lihat rajah di bawah:



Di dalam magnetron, katod diletakkan di tengah-tengah gelang anod seperti dalam rajah di bawah. Kedua-duanya kemudian diletakkan dalam sebuah tiub hampagas. Elektron bergerak dari katod ke anod, dan ditunjukkan oleh garis alur elektron. Apabila magnet diletakkan di atas susunan ini, medan magnet yang menembusi satah leper atau ‘kertas’ (sebagaimana perumpamaan yang digunakan sebelum ini) akan menghasilkan satu daya yang menolak elektron, 90 darjah tegak dari laluan asalnya. Dengan garis medan magnet yang banyak, elektron akan terus dipesong-pesongkan, kekal pada 90 darjah tegak dari arah sebelumnya untuk setiap pesongan, sehingga menghasilkan satu gerakan yang berbentuk PUSARAN. Dengan kata lain, magnet MEMUSARKAN elektron di sekeliling katod, di dalam ruang kurang udara di antara katod dan anod.

Apabila saiz pusaran ini cukup kecil, elektron akan KEMBALI ke katod. Di sini menerangkan bagaimana elektron ‘dipaksa’ kembali ke katod menggunakan medan magnet seperti yang diterangkan pada awal tadi. Dengan kembalinya elektron ke katod, maka sejenis tenaga akan dilepaskan. Tenaga ini ialah gelombang mikro.


Lengkungan-lengkungan berwarna menunjukkan laluan elektron dari katod ke dinding gelang anod.
a) Merah- elektron bergerak tanpa magnet
b) Biru ( kedua-dua lengkungan)- elektron bergerak dengan medan magnet yang sederhana. Sebahagian besar menuju ke anod dan hanya sebahagian kecil berjaya dikembalikan ke katod. Gelombang mikro terhasil dalam kuantiti yang sedikit.
c) Jingga- elektron bergerak hampir-hampir mendekati anod. Bilangan elektron yang berjaya dikembalikan ke katod lebih besar dari kes b). Oleh itu, gelombang mikro yang lebih besar dihasilkan.
d) Hijau- elektron di bawah medan magnet yang kuat. Gelombang mikro dihasilkan dengan kuantiti yang tertinggi. Inilah yang mahu dicapai oleh mana-mana pengeluar ketuhar gelombang mikro bagi menjimatkan kos tenaga.

Mengapa elektron yang dirapatkan dengan katod menghasilkan tenaga?

Elektron, katod dan anod masing-masing memiliki cas (English-charge). Elektron bercas negatif, katod bercas negatif dan anod bercas positif. Sepertimana yang diterangkan sebelum ini, secara semulajadinya, elektron akan tertarik kepada anod, dan tertolak jika ia berada di katod akibat cas-cas ini. Jika kita cuba merapatkan elektron yang secara semulajadinya tertolak apabila didekatkan (iaitu merapatkan elektron dengan katod), maka hasilnya sama sebagainya menekan suatu objek yang kenyal seperti spring dan span menurut perumpamaan pada awal artikel ini. Tenaga akan dilepaskan sebagai daya yang menolak tangan yang menekan.

Perbandingan antara magnetron dan wayar elektrik biasa.

Disebabkan magnetron mengalirkan elektron sebagaimana bahan-bahan pengalir seperti wayar elektrik, maka mengapa tidak satu perumpamaan yang mengaitkan kedua-duanya dihasilkan?

Apabila tenaga elektrik dibekalkan kepada elektron merentas wayar elektrik, tenaga tersebut akan terpecah dua; satu kepada tenaga elektrik ( sama seperti yang dibekalkan) dan satu lagi ialah tenaga haba dan lain-lain bentuk tenaga. Pecahan ini wujud disebabkan ketidaksempurnaan dalam wayar yang dinamakan rintangan (English-resistance).

Ini menepati Hukum Termodinamik Kedua seperti yang telah dibincangkan sebelum ini yang menyatakan bahawa tidak ada mesin atau jentera sempurna di dunia ini; iaitu; tenaga yang dibekalkan kepada setiap jentera di dunia akan pasti terpecah dua; satu kepada tenaga bermanfaat, dan satu lagi ialah tenaga yang tidak bermanfaat. Maka, wayar yang boleh diumpamakan sebagai ‘mesin’, akan mengeluarkan tenaga elektrik yang dibekalkan satu kepada tenaga elektrik yang mengalirkan elektron merentasinya dan satu lagi kepada tenaga tidak bermanfaat iaitu haba,bunyi dan sebagainya.

Apakah kaitan dan persamaannya dengan magnetron? Ruang kurang udara di antara katod dan anod dalam magnetron boleh diumpamakan sebagai wayar elektrik. Rintangan terhadap pengaliran elektron datang dari dua punca; rintangan akibat dari gas-gas yang masih tertinggal di dalam ruangan tersebut, dan MEDAN MAGNET dari magnet yang diletakkan di atasnya. Disebabkan ruang kurang udara memiliki rintangan yang rendah, maka rintangan dalam kes magnetron bolehlah dianggap HANYA dihasilkan oleh medan magnet.

Tenaga yang dibekalkan kepada elektron ialah jumlah tenaga dari pemanas filamen dan tenaga elektrik dari bateri. Jumlah tenaga ini akan terpecah dua disebabkan ‘rintangan’ atau medan magnet yang memesongkan elektron (penerangan telah dilakukan sebelum ini), satu kepada tenaga elektrik dan satu lagi kepada GELOMBANG MIKRO. Oleh itu, TIDAK SEMUA elektron kembali ke katod dan menghasilkan gelombang mikro. Sebahagiannya mendapat tenaga elektrik dan bergerak menuju anod. Oleh itu juga, magnetron MENEPATI hukum termodinamik kedua dan bertindak sebagai ‘jentera’ tidak sempurna, dan gelombang mikro yang terhasil ialah tenaga bermanfaat, sementara tenaga elektrik pula tidak bermanfaat.



Pengeluar-pengeluar ketuhar gelombang mikro berusaha meningkatkan peratusan tenaga gelombang mikro (tenaga bermanfaat) dari magnetron dengan mengubahsuai rekabentuk ‘gelang dan rod’ magnetron. Rekabentuk gelang dan rod ialah rekabentuk asal magnetron pertama yang dicipta oleh ahli fizik Amerika, Albert Hull pada 1921. Kini, ketuhar gelombang mikro menggunakan rekabentuk magnetron yang dicipta oleh John Randall dan Harry Boot yang menggunakan pengayun berlubang (English-cavity resonator), di mana peratusan tenaga gelombang mikro dapat ditingkatkan sehingga 80% dan mampu menjimatkan kos tenaga.


Rekabentuk magnetron berlubang (English-cavity magnetron) oleh Randall dan Boot.
sumber:http://www.xstreamscience.org/H_Glaze/Addendum.htm

Mengapa tenaga yang terhasil dari pengembalian elektron ke katod ialah gelombang mikro, bukan tenaga lain?

Jawapan kepada persoalan ini agak rumit dan memerlukan pengetahuan fizik kuantum. Penulis merasakan untuk memudahkan pemahaman, maka penjelasan fizik kuantum tidak akan ditulis di sini. Jika para pembaca ingin mengetahui dengan lebih lanjut, maka pengetahuan mengenai cabang fizik ini diperlukan. Penjelasan fizik kuantum juga digunakan bagi menjelaskan mengapa sinar-X dihasilkan apabila elektron menghentam sasaran logam. Fizik kuantum ialah cabang fizik yang mengkaji sifat-sifat elektron dan zarah-zarah subatomik yang lain seperti quark, muon dan sebagainya yang mana perilaku zarah-zarah ini amat berbeza dengan perilaku jasad-jasad makro (besar).

Untuk bahagian berikutnya penulis akan menerangkan mengenai tiub sinar X.

Tiub hampagas (bahagian 2) - tiub sinar katod.

Tiub sinar katod (English-cathode ray tube) ialah salah satu dari jenis-jenis tiub hampagas seperti yang telah dibincangkan sebelum ini.

Berbanding dengan gambar rajah asas tiub hampagas (lihat di bawah), tiub sinar katod memiliki tambahan beberapa elektrod dan bahagian-bahagian khas. Elektrod-elektrod ini ditambah bagi membolehkan alur elektron dipesongkan dari luar tiub, sama ada menggunakan medan elektrik atau magnet.



Tiub sinar katod ialah perkakas utama dalam peti televisyen era 90-an di mana perkakas inilah yang bertanggungjawab menghasilkan gambar. Sejak tahun 2010 hampir kesemua pengeluar peti televisyen dan komputer peribadi tidak lagi mengeluarkan televisyen dan komputer tiub sinar katod, dan telah beralih kepada teknologi paparan hablur cecair (LCD).

Untuk memahami bagaimana tiub sinar katod berfungsi, pembaca perlu mengetahui hanya beberapa fakta penting:
a) Pemanasan sesetengah logam JUGA akan mengeluarkan elektron darinya. Contohnya tungsten.
b) Elektron yang sedang bergerak akan MEMECUT ke arah tamatan positif bekalan kuasa dan MENYAHPECUT ke arah tamatan negatif bekalan kuasa
c) Hentaman elektron ke atas bahan fosfor akan menghasilkan kesan cahaya

Rajah di bawah menunjukkan bahagian-bahagian asas dalam tiub sinar katod:

Sumber: http://hep.physics.indiana.edu/~hgevans/p114/graphics.html

Terjemahan:
Filament – filamen (diperbuat daripada tungsten)
Heater-pemanas
Acceleration – pemecutan
Steering- kawalan ( mengawal pesongan alur elektron)
Vacuum-ruang kurang udara
Fluorescent screen-layar penghasil kesan cahaya

Dari rajah di atas, didapati tiub sinar katod memiliki tambahan empat elektrod lain berbanding rajah asas tiub hampagas. Dua elektrod yang berwarna biru dalam rajah mewakili dua elektrod utama yang mesti dimiliki oleh semua jenis tiub hampagas, dan dua elektrod berwarna merah dan ungu masing-masing adalah elektrod tambahan.


Tiub sinar katod yang kecil. Tiub ini mampu menghasilkan gambar dan berperanan sebagai televisyen kecil.
Sumber: http://www.aade.com/tubepedia/1collection/tubepedia2.htm

Bagaimana tiub sinar katod berfungsi?



Penerangan di bawah adalah berdasarkan rajah di atas.

Filamen diperbuat daripada tungsten dan dialirkan arus elektrik. Tungsten memiliki sifat khas di mana apabila ia dialirkan arus, ia akan memanas dan membebaskan elektron dari permukaannya.

Sebelum pergi lebih jauh, ingin penulis jelaskan mengenai simbol bekalan kuasa atau bateri. Palang menegak yang lebih pendek ialah tamatan negatif atau katod bekalan kuasa, manakala palang yang lebih panjang ialah tamatan positif atau anod bekalan kuasa.

Elektron yang bergerak meninggalkan filamen akan menghentam plat negatif (plat pertama berwarna biru) atau katod pada bateri berwarna biru. Elektron pada plat negatif yang berwarna biru mendapat bekalan tenaga dari dua punca utama : a) elektron dari filamen yang datang menghentamnya dan b) bekalan tenaga elektrik dari bateri yang berwarna biru.

Elektron dari katod yang berwarna biru inilah yang digelar SINAR KATOD (English-cathode ray), kerana ia merambat dari KATOD bateri yang berwarna biru, yang merupakan unsur utama (English-central element) tiub sinar katod. Elektron ini bergerak menuju ke tamatan positif bateri yang dipanggil anod.

Satu perkara unik yang berlaku dalam tiub sinar katod berbanding rekabentuk asas tiub hampagas ialah elektron dari katod tidak ditarik TERUS KE ANOD, sebaliknya HANYA DIPECUTKAN MERENTASINYA. Untuk mengelakkan pembaca dikelirukan oleh rajah dengan menyangka bahawa elektrod di bahagian anod bateri adalah elektrod biasa, ingin penulis nyatakan di sini bahawa elektrod tersebut ialah GELANG atau SILINDER yang membenarkan elektron bergerak ditengahnya tetapi TIDAK MENGHENTAMNYA SECARA TERUS.



Dengan membenarkan elektron melepasi anod, ia boleh dibiarkan menghentam bahan fosfor seterusnya menghasilkan kesan cahaya dan gambar. Jika anod menahan semua elektron dari katod, maka tidak akan terhasil kesan cahaya pada bahan fosfor kerana tiada elektron yang menghentamnya.

Pesongan alur elektron pada paparan tiub yang dilekapi bahan fosfor boleh dilakukan sama ada menggunakan magnet, ataupun bekalan elektrik (berwarna ungu seperti dalam rajah). Dalam rajah di atas elektron tertarik pada tamatan positif (anod) bekalan tetapi tidak menghentamnya, juga sama seperti kes sebelum ini.

Bekalan elektrik akan diubah-ubah mengikut isyarat televisyen yang diterima dari sistem antena, yang mana ia akan mengubah-ubah kawasan hentaman elektron pada bahan fosfor untuk menghasilkan kesan gambar sepertimana yang diterima oleh antena dari stesen pemancar televisyen.

Untuk bahagian seterusnya penulis akan menerangkan mengenai tiub magnetron yang merupakan unsur utama dalam ketuhar gelombang mikro.

Tiub hampagas.

Tiub hampagas (English-vacuum tube) ialah tiub kosong yang kedap udara ( tidak dapat ditembusi udara) dan ditanam dengan beberapa batang bahan pengalir arus (English-conductor) yang dinamakan elektrod (English-electrode).


Rajah menunjukkan keratan rentas tiub hampagas dengan dua elektrod

Tiub hampagas memiliki hanya SEDIKIT UDARA di dalamnya. Oleh itu, tekanan udara di dalam tiub hampagas lebih RENDAH berbanding tekanan atmosfera.

Tiub hampagas biasanya diperbuat daripada kaca, di mana ramuan kaca adalah pelbagai, bergantung kepada pilihan pembuat atau pengeluarnya. Untuk membolehkan tiub tahan suhu tinggi maka sedikit boron dimasukkan ke dalam ramuan kaca. Elektrod pula kebanyakannya diperbuat daripada tungsten, tembaga (English-copper), emas, nikel dan sebagainya, juga bergantung kepada pilihan pengeluar.

Tiub hampagas merangkumi hampir kesemua jenis tiub kedap udara yang ditanam dengan elektrod, tidak kira berapa bilangan elektrod tersebut dan apa bahan yang digunakan untuk menghasilkan tiub tersebut. Tiub hampagas dihasilkan dalam pelbagai bentuk bergantung kepada fungsi yang diinginkan.

Prinsip asas penciptaan tiub hampagas ialah bagi MENGALIRKAN ARUS MENERUSI RUANG KOSONG berbanding cara biasa iaitu melalui wayar elektrik. Sememangnya arus elektrik tidak akan dapat mengalir melalui ruang kosong di sekeliling kita, akan tetapi pada ruang yang KURANG UDARA dan BERTEKANAN RENDAH dari tekanan atmosfera, arus elektrik boleh mengalir dengan mudah. Buktinya dapat dilihat pada gambar bebola plasma di bawah, di mana jalur plasma ialah laluan elektron. Disebabkan tekanan gas dalam bebola plasma lebih rendah, maka elektron dapat mengalir dengan mudah. Dengan kata lain, bebola plasma juga adalah tiub hampagas, namun memiliki hanya satu elektrod, dan kadangkala dinding bebola diperbuat daripada plastik lutsinar berbanding kaca.


Bebola plasma
Sumber: https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjbqMJbpy-rUoZoBWyRw-Z3puIyJGqprNszseSQp3drb6E82nb1Jcuu9jr3Z7T3NBo_3ukMrO8wO2cPh8Nze7sL82j4QOfcr-CaFxCk9MPcYVwxQlgPi_YbU4eVKWSTYDu7j98QxWiCv8E/s1600-h/usb_plasma_ball.jpg

Dengan membenarkan arus elektrik mengalir pada ruang kosong, pergerakkan elektron boleh diubah2, sama ada dipecut, dinyahpecut, atau dipusarkan. Dengan ini, berbagai-bagai fungsi yang berlainan dapat dihasilkan.

Berikut adalah pelbagai contoh tiub hampagas yang direka bagi memanfaatkan pergerakan elektron yang berbeza-beza:
a) Tiub sinar-X – elektron dibiarkan menghentam sasaran logam bagi menghasilkan sinar X
b) Tiub gelombang mikro atau magnetron- elektron dipusarkan ketika ia mendekati plat positif untuk menghasilkan gelombang mikro (English-microwave)
c) Triod, tetrod dan pentod- elektron dinyahpecut dan dipecutkan bagi menguatkan isyarat radio
d) Tiub sinar katod.- elektron dibiarkan menghentam bahan fosfor bagi menghasilkan kesan cahaya. Tiub sinar katod paling kerap digunakan sebagai tiub peti televisyen pada era 90-an, di mana kesan cahaya yang dihasilkan ialah gambar pada layar televisyen.

Penjelasan terperinci mengenai bagaimana tiub-tiub hampagas di atas melakukan fungsi masing-masing akan ditulis pada sambungan yang akan datang.

Rajah di bawah menunjukkan bahagian-bahagian asas yang mesti wujud pada semua jenis tiub hampagas:



Dan rajah-rajah di bawah pula menunjukkan kepelbagaian tiub hampagas dari rekabentuk asas dari rajah di atas:

a)Tiub sinar katod dalam peti televisyen

sumber:http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_12/2.html

b)Tiub sinar-X

sumber:http://www.iub.edu/~ora/Radsafety/IUB/x-ray%20guide%202004.htm

c)Tiub magnetron

sumber:http://www.tube-town.net/info/sed-technotes/docs/technoteNo59.html

d)Triod (transistor dalam bentuk tiub hampagas)

sumber:http://tie532.wikispaces.com/Vacuum+tubes

e)Tetrod (empat elektrod ditanam pada satu tiub hampagas)

sumber:http://www.electronicdevicecomponents.com/forum/comments.php?DiscussionID=43

f)Pentod (lima elektrod ditanam pada satu tiub hampagas)

sumber:http://www.electronicdevicecomponents.com/forum/comments.php?DiscussionID=43

Bagaimana tiub hampagas dihasilkan?

Tiub hampagas dapat dihasilkan dengan mudah jika pembaca memiliki bahan dan alatannya. Berikut diterangkan secara ringkas bagaimana tiub hampagas dihasilkann. Penulis hanya menerangkan bahan-bahan yang diperlukan, peralatan boleh difikirkan sendiri oleh pembaca.

Dengan kemahiran dan tahap kecanggihan peralatan, serta kebolehdapatan bahan-bahan yang berbeza-beza bergantung kepada individu, pelbagai cara baru yang mungkin lebih bermutu atau lebih ringkas dapat dirangka dari kaedah asas berikut:

Untuk menghasilkan tiub hampagas dengan dua elektrod:

Bahan: tiub kaca, elektrod ( 2 batang) (cadangan:boleh menggunakan paku besi sebagai elektrod, namun ia tidak tahan lama untuk kegunaan jangka panjang disebabkan pengaratan).

1) Potong tiub mengikut panjang yang dikehendaki.

2) Cengkamkan potongan kaca pada mesin pelarik (English-lathe). Panaskan satu hujung potongan kaca menggunakan penunu oksi-asitelena (English-oxyacetylene torch) atau sebarang pemanas-pemanas berkuasa tinggi, sementara mesin pelarik dibiarkan berputar, sehingga hujung tiub kaca cukup cair dan mudah dibentuk.


Lelaki ini sedang membentuk kaca menggunakan mesin pelarik (mesin berwarna hijau)
sumber:http://www.raystoreylighting.com/home/index.htm

3) Sementara mesin pelarik dan potongan kaca yang tercengkam dibiarkan berputar, bentukkan hujung besi yang mencair supaya ia menutup hujung kaca tersebut. Di sini kemahiran membentuk kaca diperlukan. Menggunakan kemahiran tersebut, masukkan salah satu elektrod ketika menutup kaca tersebut dan pastikan tidak ada kebocoran di sekitarnya.

4) Kemudian pindahkan potongan kaca ke dalam mesin penyingkir udara (English-vacuumisation chamber). Di sini udara akan dibuang keluar dari tiub kaca sehingga tinggal sedikit. Jika anda tiada mesin ini, anda hanya perlu memanaskan badan tiub kaca ini pada suhu yang lebih rendah dari takat leburnya, kemudian ketika badan tiub kaca ini panas, anda segera menutup hujung tiub kaca yang lagi satu sambil menanam elektrod yang satu lagi menggunakan kaedah 2) dan 3). Ketika badan tiub kaca sedang panas, udara di dalamnya mengembang keluar dari kaca. Apabila ia ditutup ketika udara di dalamnya mengembang, kita akan mendapat tiub kaca tertutup dengan kandungan udara yang sedikit selepas tiub tersebut disejukkan. Ini kerana ketika disejukkan, udara yang masih tinggal di dalam tiub yang sudah tertutup akan mengecut pada isipadu yang kurang dari isipadu kaca.

5) Sebuah tiub hampagas dengan dua elektrod terhasil.

Laman video menarik bagaimana tiub hampagas dihasilkan sendiri oleh seorang pembuat tiub hampagas dari Perancis:
http://www.youtube.com/watch?v=gl-QMuUQhVM (bahagian 1)
http://www.youtube.com/watch?v=9S5OwqOXen8&feature=related (bahagian 2)

Dengan kaedah asas di atas, dan berbekalkan sedikit kemahiran, peralatan, masa dan sumber kewangan, sesiapa pun boleh mencuba menghasilkannya di rumah sebagai hobi mengisi masa lapang ataupun untuk kajian saintifik peribadi. Tiub-tiub hampagas yang dinamakan ‘triod’ kerapkali dihasilkan sendiri di rumah, terutama di Amerika Syarikat oleh golongan penghobi radio dan peminat barangan antik elektronik untuk kegunaan radio buatan sendiri.

Dari kaedah yang telah dijelaskan tadi, pembuat tiub hampagas membangunkan kaedah-kaedah lain untuk, sebagai contoh, menambahkan bilangan elektrod dalam kes penghasilan triod,pentod dan tetrod, menambahkan cermin khas dalam kes tiub sinar-X, dan mengubah bentuk tiub bagi menempatkan pengayun berlubang (English-cavity resonator) dalam kes tiub magnetron untuk gelombang mikro.


Pengayun berlubang (gambar kanan) dan magnetron keseluruhan (gambar kiri). Ruang yang menempatkan pengayun berlubang dan anod ialah ruang kurang udara, kerapkali ditutup dengan dinding kaca, membentuk ruang sebagaimana tiub-tiub hampagas yang lain.
sumber:http://www.britannica.com/bps/media-view/137/1/0/0

Sesuatu yang menakjubkan mengenai tiub hampagas ialah apabila peralatan yang mudah ini telah memantapkan kefahaman manusia mengenai elektron dan membolehkan pelbagai teknologi canggih pada zaman ini dihasilkan, selain menyumbang kepada pembangunan pesat dalam bidang fizik sepanjang abad ke 20 dan 21.

Sebelum terciptanya transistor silikon, tiub-tiub hampagas yang digelar triod yang memiliki tiga elektrod digunakan sebagai ’transistor’ bagi menguatkan isyarat radio dan radar. J.J. Thomson menemui elektron ketika menggunakan tiub vakum yang ditanam dua elektrod, digelar tiub Crookes (English-Crookes’tube). Wilhelm Roentgen menemui sinar X juga ketika menggunakan tiub Crookes. Sementara Philo Farnsworth dan Robert Hirsch menghasilkan sistem televisyen yang pertama yang mirip television pada tahun 1990-an yang tidak menggunakan paparan hablur cecair (English-Liquid Crystal Display, LCD), setelah memanfaatkan kesan kemilauan elektron (English-luminescence) ketika menghentam bahan fosfor.

Tiub hampagas membolehkan manusia mengawal pergerakan elektron secara terus menggunakan magnet di luar tiub kaca, membolehkan seorang ahli fizik Amerika, Albert Hull menghasilkan tiub magnetron yang pertama pada tahun 1921 yang boleh menghasilkan gelombang mikro. Albert Hull menggunakan magnet bagi memusarkan elektron di dalam tiub magnetron, di mana dengan pusaran elektron ini, gelombang mikro terhasil. Gelombang mikro kini digunakan dalam radar dan juga ketuhar gelombang mikro (English-microwave oven).

Seperti yang telah dinyatakan tiub hampagas direka dengan berbagai-bagai fungsi dan rekabentuk, maka untuk setiap bahagian sambungan daripada catitan ini penulis akan menerangkan sebahagian daripada jenis-jenis tiub hampagas yang paling banyak digunakan, iaitu yang telah disenaraikan di bawah:
a) Tiub magnetron
b) Tiub sinar-X
c) Triod, pentod dan tetrod
d) Tiub sinar katod dan peti televisyen

Sebelum memahami tiub-tiub tersebut, penulis akan menerangkan mengenai elektron dan sifat-sifatnya secara ringkas, cukup sekadar membolehkan pembaca memahami tiub-tiub ini secara mudah tanpa perlu mengambil kira fizik kuantum dan sifat zarah-gelombang elektron (English-wave-particle duality).

Elektron dan sifat-sifatnya.

Elektron (English-electron) ialah zarah-zarah kecil yang terdapat dalam setiap jasad yang menempati alam ini. Pergerakan elektron di antara dua tempat menghasilkan arus elektrik di antara dua tempat tersebut.

Jika elektron boleh bergerak dalam satu bahan, maka bahan itu boleh mengalirkan arus elektrik. Contohnya logam seperti tembaga dan timah. Bahan yang boleh mengalirkan arus elektrik ( dan elektron) digunakan sebagai ELEKTROD dalam tiub hampagas.

Udara biasa pada tekanan atmosfera tidak boleh mengalirkan elektron, KECUALI jika elektron tersebut dibekalkan dengan tenaga yang tinggi. Sebagai contoh, dalam kes petir, voltan tinggi terhasil antara bumi dan awan bercas (sumber elektron). Voltan tinggi pada ratusan kiloVolt ini memberikan tenaga yang cukup kepada elektron untuk merentas udara. Arus elektrik yang tinggi kemudiannya mengalir dari awan bercas ke bumi dalam bentuk petir.


Petir merambat dari awan bercas di langit menuju ke bumi.
sumber:http://www.ghananewsagency.org/details/Human-Interest/Thunder-kills-fisherman-at-sea/?ci=6&ai=29864

Udara biasa pada tekanan rendah (seperti dalam tiub hampagas) JUGA tidak boleh mengalirkan elektron , KECUALI jika elektron dibekalkan dengan tenaga yang tinggi. Namun jumlah tenaga yang diperlukan, meskipun tinggi, ia KURANG daripada tenaga yang diperlukan bagi mengalirkan elektron merentas udara biasa pada tekanan atmosfera sepertimana petir. Disebabkan itu, tiub hampagas dikurangkan kandungan udaranya bagi mengurangkan voltan yang diperlukan untuk mengalirkan elektron, seterusnya menjimatkan kos.

Apabila elektron merentas udara, ia akan menghasilkan kesan cahaya. Oleh itu, garis cahaya pada petir ialah ’laluan’ elektron, atau ’wayar’ kepada pengaliran elektron atau arus elektrik petir tersebut. Cahaya ini terhasil apabila elektron yang sedang bergerak laju bergeser dengan zarah-zarah udara, memecahkannya dan membebaskan tenaga dalam bentuk cahaya.

Kesan cahaya juga terhasil apabila elektron dibiarkan menghentam bahan fosfor (English-phosphorescent materials). Bahan fosfor dilekapkan mengikut corak tertentu pada layar televisyen era 90-an yang bukan LCD, dan alur-alur elektron dari penembak elektron dalam peti televisyen akan menghentam bahan fosfor ini, dan menghasilkan kesan gambar.


Gambar rajah peti televisyen dari dalam.
sumber:http://express.howstuffworks.com/exp-tv1.htm

Elektron mengalir dari punca negatif bekalan arus elektrik yang dipanggil katod (English-cathode) ke punca positif bekalan yang dipanggil anod (English-anode), di mana kedua-dua punca ini masing-masing disambungkan ke elektrod pada tiub hampagas supaya elektron mengalir merentas ruang kosong dalam tiub tersebut.


Rajah mudah pengaliran elektron dari bekalan tenaga elektrik (bateri).

Jika sebatang magnet didekatkan kepada tiub, elektron akan berubah arah pergerakannya. Jika magnet diletakkan supaya elektron bergerak secara pusar, gelombang mikro akan terhasil daripada pusaran tersebut.


Magnet berupaya memesongkan aliran elektron
sumber:http://www.physics-edu.org/rightangle.htm

Jika elektron yang sedang bergerak dihentikan , atau dibiarkan menghentam sasaran logam, sinaran pemberhentian yang dikenali sebagai ’bremsstrahlung’ (sebut ’brems-straa-lung’; English-braking radiation) dihasilkan. Sinaran pemberhentian terdiri daripada dua komponen utama; gelombang elektromagnet yang tidak bermanfaat, dan sinar-X (English-X-rays).


Tiub sinar X dan penghasilan sinar X berlaku apabila elektron menghentam sasaran logam.
sumber:http://www.xstrahl.com/step/popup%20xray.html

Sebelum mengakhiri penulisan ini, terdapat satu perkara yang para pembaca boleh fikirkan. Sebelum ini kebanyakan peti televisyen di rumah kita menggunakan tiub hampagas yang digelar tiub sinar cathode (English-cathode ray tube, CRT) sebelum beralih kepada layar LCD sejak tahun-tahun belakangan ini.

Seperti yang telah penulis utarakan, elektron yang menghentam sasaran logam akan menghasilkan sinar X. Sebagai tambahan fakta, sinar X juga terhasil apabila elektron menghentam bahan fosfor atau apa sahaja bahan, namun dalam kuantiti yang sedikit. Apa yang penulis ingin kita sama-sama fikirkan ialah adakah televisyen jenis ini boleh menyebabkan kanser jika ditonton secara kerap? Kemungkinannya besar. Meskipun kuantiti sinar X yang terhasil dikawal oleh pengeluar mengikut piawaian yang dikatakan 'selamat', serta dilabelkan tahap kebahayaannya ( pembaca boleh memecah buka televisyen lama untuk melihat label sinar X yang ditampal pada tiub di dalam televisyen jenis ini), namun penulis kerapkali mendengar dan membaca tentang bagaimana menonton televisyen jenis ini untuk tempoh masa yang lama dan kerap menyebabkan migrain dan sakit kepala. Tetapi mungkin juga ia hanyalah disebabkan oleh cahaya yang kuat dari layar televisyen. Apapun, masalah ini terbuka untuk kajian dan cadangan jawapan penulis tersebut bukanlah untuk dijadikan alasan untuk fobia menonton televisyen jenis ini.

Untuk bahagian kedua penulis akan menerangkan mengenai tiub sinar katod yang menjadi asas kepada penciptaan televisyen era 90-an yang tidak menggunakan LCD.

Mohamad Sabu, komunisme dan Bukit Kepong.

Baru-baru ini Mohamad Sabu Timbalan Presiden PAS mengeluarkan kenyataan bahawa pengganas komunis yang menyerang Bukit Kepong pada tragedi berdarah 23 Februari 1950 sebagai hero sebenar yang memperjuangkan kemerdekaan negara. Video klip ucapan beliau boleh dilihat di sini.

Saya tidak berniat untuk memanjangkan isu ini, tetapi saya cukup ‘tertarik’ dengan kenyataan seorang pemimpin parti Islam yang mengatakan bahawa pengganas komunis adalah ‘hero’ sebenar dalam memperjuangkan kemerdekaan Negara dan berasa terpanggil untuk mengulas menurut pandangan saya sendiri.

Isu kenyataan ini sebenarnya kecil saja jika nak dibandingkan dengan isu-isu lain yang lebih besar (atau isu berat) seperti kemalangan jalan raya yang semakin meningkat, kadar jenayah yang semakin tinggi seperti buang bayi, culik kanak-kanak, rogol, samun, rompak, bunuh, harga barang keperluan yang semakin tinggi, dan sikap isteri perdana menteri atau ‘wanita pertama Malaysia’ yang membaham wang pembayar cukai sesuka hati untuk keperluan nafsu sendiri, dan isu gejala sosial, dan juga isu pemastautin yang kehilangan tanah gara-gara tanah tempat yang mereka diami dijual kepada cukong-cukong yang tamak.

Isu kenyataan mat sabu ini sama ringan sahaja dengan isu JAKIM halal-haram dan isu serbuan2 JAIS, serta isu kalimah Allah oleh orang Kristian.


Isu yang patut diberi perhatian lebih.

Yang menjadikan isu-isu ringan ini menjadi lebih berat dari isu-isu berat ialah MEDIA-MEDIA ARUS PERDANA, serta pembaca-pembaca yang hanya MEMBACA MEDIA SATU BELAH PIHAK SAHAJA KEMUDIAN TIDAK TAHU BAGAIMANA UNTUK TUTUP MULUT DAN DIAM dan MENAHAN DIRI DARI MEMBUKA MULUT.

Media, khususnya media ARUS PERDANA, sangat suka menggunakan isu-isu ringan ini bagi menutup isu-isu berat yang terhasil daripada kepincangan kerajaan yang memerintah. Dengan menutup isu-isu berat ini, kerajaan memerintah akan sentiasa TAMPAK SEMPURNA, tanpa cacat-cela, dan seolah-olah perlu sentiasa DIMALAIKATKAN.

Saya secara peribadi TIDAK SETUJU dengan kenyataan Mat Sabu tersebut. Jika isu ini kekal sebagai isu ringan, maka saya tidak akan mengulas kenapa sebab saya tidak setuju, kerana mengikut ‘common sense’, anda memang patut untuk tidak setuju dengan segala kenyataan yang MENYOKONG PENGGANAS. Namun, disebabkan isu ‘ringan’ ini telah menjadi ISU BESAR, dan tambahan pula ramai yang menyokong kenyataan beliau, maka saya ‘terpaksa’ memberitahu mengapa saya tidak setuju, agar sekurang-kurangnya ada orang yang sependapat dengan saya dalam ramai-ramai yang menyokong itu.

Sebab utama cukup ‘simple’. Kerana kenyataan tersebut mendakwa PENGGANAS komunis, diulang, PENGGANAS komunis sebagai hero sebenar yang memperjuangkan kemerdekaan. Tersedak pak-pak peneroka yang sedang enak menghirup kopi di warung warung mendengarkan kenyataan ini.

Kita diberi pilihan dalam setiap perkara yang kita lakukan. Begitu juga, kita diberi pilihan tentang bagaimana cara untuk capai kemerdekaan; cara lembut atau cara keras. Cara lembut ialah dengan berunding, manakala cara keras ialah dengan revolusi dan demonstrasi. Tiada cara ganas yang menyerang orang awam yang mana penyerang tidak pula menyerang penjajah secara langsung. Cara ganas ini cara penakut, cara orang nak minta perhatian dan kurang kasih sayang. Mesir baru-baru ini merdeka dari diktator bernama Hosni Mubarak tanpa perlu mengganas terhadap bangsa mereka sendiri. Maka, teladani mereka.

Saya tidak terkejut dengan kenyataan Mat Sabu SEKIRANYA sejarah benar mengatakan bahawa pengganas komunis bangkit mengangkat senjata MENENTANG BRITISH SECARA BERDEPAN-DEPAN kerana mungkin itu sahaja cara yang tinggal selepas gagal ikhtiar lain seperti rundingan dan sebagainya. Tapi masalahnya, mereka main ‘cucuk2 belakang’ minta perhatian sepertimana yang telah mereka lakukan ketika dua minggu ‘power vacuum’ selepas Perang Dunia Kedua, dan juga keganasan di Bukit Kepong. Mereka terbalikkan kereta api, membunuh wanita dan kanak-kanak serta orang tua. Dan yang paling sadis, mereka menyerang hendap Bukit Kepong.

Disebabkan Mat Sabu mengkhususnya ucapannya pada peristiwa Bukit Kepong dari banyak2 keganasan yang telah dilakukan oleh pengganas komunis, maka saya juga akan menggunakan peristiwa yang sama bagi membuktikan ketidakmunasabahan kenyataan bahawa komunis sebagai ‘hero’ pejuang kemerdekaan negara.

Dalam peristiwa tersebut, 200 pengganas komunis, cukup bersenjata dan bersedia, telah mengepung sebuah balai polis kecil berhampiran kampong Bukit Kepong yang dihuni oleh 25 orang anggota polis termasuk ahli keluarga mereka yang tidak tahu menahu bahawa mereka akan diserang secara zalim, dan tidak pula bersedia dengan bekalan senjata yang cukup. Mereka tidur dengan nyenyak pada pagi subuh hari serangan, sedangkan pada masa yang sama, pengganas komunis yang celik terjaga sedang mengepung dan bersedia untuk ‘membaham’ mangsa yang lemah yang telah DIKEPUNG di depan mata mereka. Bayangkan musuh lapan kali ganda bilangan anda menyerang anda dan anda tidak ada jalan keluar. Maut sedang menunggu anda di depan mata.

Situasi polis-polis di sana digambarkan sebagai ‘helpless’. Bantuan dari orang kampung juga lambat sampai disebabkan teknologi komunikasi yang sangat terhad pada ketika itu. Mereka polis-polis hanya ada dua pilihan; sama ada ‘fight’ atau ‘freeze’, tetapi tidak ‘flight’ ( kerana mereka telah dikepung). Situasi tersebut juga memaksa isteri2 anggota polis mengangkat senjata. Jika anda dapat bayangkan situasi sebegini, maka jangan begitu mudah menerima kenyataan dari Mat sabu tersebut.

Saya juga hairan mengapa polis-polis di Bukit Kepong menjadi mangsa serangan? Kalau betul pengganas komunis ini memperjuangkan kemerdekaan, mengapa tidak sahaja mereka menyerang terus British sebagaimana yang telah dilakukan oleh tentera Jepun? Mengapa begitu penakut menyerang polis dan orang-orang awam? Kalau betulpun polis itu berkhidmat untuk British, percayalah bahawa mereka hanya BERKERJA untuk menyara hidup dan keluarga mereka. Yang patut diserang ialah BRITISH, BUKAN MEREKA. Serangan sebegini bukanlah perjuangan kemerdekaan sebaliknya perjuangan golongan pengecut yang hanya tahu menyerang orang-orang yang lemah.

Saya juga ragu-ragu sama ada komunis benar-benar memperjuangkan kemerdekaan atau tidak, kerana setahu saya menurut pembacaan dan perkaitan yang saya lakukan sendiri mengenai tingkah laku manusia, komunis mula memberontak kerana mereka tidak diiktiraf sebagai parti politik yang sah. Dengan kata lain, keganasan yang mereka lakukan hanya untuk MENGUGUT BRITISH supaya mengiktiraf mereka ( maka mereka boleh mendapat kuasa politik), bukannya untuk memerdekakan Tanah Melayu. Dengan kata lain juga, perjuangan komunis ini hanyalah PERJUANGAN MEREBUT KUASA POLITIK oleh Chin Peng dan konco-konconya, sebagaimana yang telah dilakukan pengganas-pengganas komunis seperti Khmer Rouge di Kemboja, Nazi di Jerman dan militan di Korea yang memihak kepada Kim Il-Seong sewaktu Perang Korea. Chin Peng hanya mahukan kuasa sebagaimana yang telah diperolehi Tunku Abdul Rahman.

Meskipun Mat Indera ketua penyerang tersebut telah dihukum gantung pada 1953, kesengsaraan yang dialami oleh waris-waris mangsa tragedi tidak akan dapat dilupakan. Sesungguhnya perbuatan zalim sebegini tidak boleh dimaafkan begitu mudah dan pelakunya memang sepatutnya dijatuhi hukuman yang berat.

‘Sedangkan parut lukapun belum tentu hilang, inikan pula parut kezaliman dari orang-orang yang berlaku zalim’

Frekuensi radio.

Getaran

Getaran (English-vibration) boleh diertikan sebagai pergerakan berulang alik suatu jasad, bermula dari satu kedudukan, kemudian beranjak dari kedudukan tersebut pada suatu jarak, dan kembali semula ke kedudukan asalnya. Jika ia bergetar namun tidak kembali kepada kedudukan asalnya, maka ia hanya bergetar secara biasa. Akan tetapi jika ia bergetar dan kembali kepada kedudukan asalnya, maka ia melakukan satu getaran lengkap.


sumber: http://www.education.com/science-fair/article/sound-longitudinal-waves/

Katakan kita mengapit pembaris kenyal (English-elastic ruler) pada permukaan sebuah meja, dengan sebahagian darinya mengunjur keluar dari meja tersebut (sepertimana dalam gambar di atas). Kita tarik hujung pembaris yang mengunjur keluar itu ke bawah, kemudian melepaskannya. Pembaris akan bergetar ke atas dan ke bawah, dan seterusnya menghasilkan bunyi. Jika kedudukan asal pembaris ialah aras permukaan meja, maka apabila ia bergerak ke bawah, kemudian ke atas dan kembali semula ke kedudukan asalnya iaitu pada aras permukaan meja, maka pembaris dikatakan telah selesai melakukan SATU getaran lengkap.

Getaran lengkap sebuah pembaris boleh dipersembahkan dalam bentuk graf, di mana paksi Y mencatatkan jarak anjakan pembaris dari kedudukan asalnya pada aras meja, dan paksi X ialah masa di mana pembaris berada pada satu-satu jarak pada paksi Y. Jika nilai pada paksi Y ialah negatif, maka pembaris berada di bawah aras meja, dan jika ia positif, maka pembaris sedang berada di kedudukan yang lebih tinggi dari aras meja. Getaran pembaris mengikut bentuk graf sinus seperti di bawah:


sumber: http://www.intmath.com/trigonometric-graphs/1-graphs-sine-cosine-amplitude.php


Frekuensi

Frekuensi atau kekerapan (English-frequency) ialah ukuran berapa banyakkah getaran lengkap yang boleh dilakukan suatu objek atau sistem dalam tempoh satu saat. Dengan kata lain, ia adalah ukuran berapa kerapkah objek atau sistem tersebut bergetar secara lengkap dalam tempoh satu saat.

Frekuensi diukur dalam unit Hertz atau ringkasnya Hz. Sebagai contoh, jika suatu objek bergetar dengan 20Hz, bererti ia melakukan 20 kali getaran lengkap dalam masa satu saat.

Manusia hanya boleh mendengar getaran yang berlaku di antara 20Hz hingga 20000Hz sahaja. Oleh itu, bunyi yang dihasilkan oleh objek yang bergetar dalam julat ini akan dapat didengari oleh manusia. Jika suatu objek itu bergetar pada frekuensi yang lebih dari 20000Hz, maka ia digelar objek lampau bunyi (English-ultrasonic object) dan tidak dapat didengari manusia. Objek yang dapat menghasilkan bunyi lampau digunakan dalam perubatan, di mana ia dimanfaatkan dalam mesin pengimbas bunyi lampau (English- ultrasound scanner) untuk mengesan pergerakan dan perkembangan janin dalam kandungan ibu.

Getaran arus elektrik

Arus elektrik 'bergetar' dengan cara menukar arah pengalirannya. (lihat rajah di bawah)

Satu getaran arus elektrik disimpulkan sebagai pergerakan arus elektrik dari sumber (English-source) menuju ke beban (English-load) dan kembali ke sumber, kemudian dari sumber, pada arah yang berlawanan, menuju ke beban dan kembali semula ke sumber. Ini ialah satu getaran lengkap arus elektrik.


Beza antara arus ulang-alik (English-alternating current) dan arus terus (English-direct current). Dalam rajah di atas, sumber ialah bulatan sementara beban ialah simbol bergerigi.
sumber: http://www.cybermike.net/reference/liec_book/AC/AC_1.html

Jika arus elektrik melakukan 50 kali getaran lengkap seperti yang diterangkan di atas, maka arus elektrik dikatakan 'bergetar' dengan frekuensi 50Hz ( atau 100 kali bertukar arah dalam masa sesaat). Ini ialah frekuensi yang digunakan di Malaysia dalam sistem pembekalan tenaga elektrik pada soket-soket bangunan dan rumah-rumah.

Para pembaca yang bijak akan mula mempersoalkan, adakah wayar penyalur elektrik mampu bertahan dalam sistem bergetar yang sangat tinggi ini? Tidakkah mereka terdedah kepada kerosakan, kerana sifat arus yang sentiasa berubah-ubah arah? Ini kerana getaran berulang-ulang boleh dianalogikan sebagai melakukan pergerakan yang sama ( contohnya berlari) menggunakan kasut sukan yang sama. Apabila kerap berlari, maka tapak kasut sukan akan makin haus akibat geseran dengan permukaan bumi. Begitu juga wayar elektrik.

Untuk mengatasi hal ini dan bagi membolehkan wayar penghantar salur elektrik mampu membawa arus berfrekuensi tinggi, ia diperbuat daripada tembaga (English-copper) yang memiliki rintangan elektrik yang amat rendah. Langkah ini boleh dianalogikan sebagai menggunakan kasut sukan yang lebih kuat (English-robust) daya cengkaman (English-grip force) dan tapaknya bagi mengurangkan kesan geseran (rintangan) dengan permukaan jalanraya atau permukaan tanah.

Antara elektrik dan kemagnetan

Sebelum pergi dengan lebih jauh, pembaca semua diminta mengamati terlebih dahulu rajah juzuk gelombang elektromagnet (English: electromagnetic waves spectra diagram) di bawah:


sumber: http://mynasadata.larc.nasa.gov/ElectroMag.html

Perhatikan frekuensi dari yang paling rendah sehingga ke yang paling tinggi. Frekuensi paling rendah (10 kuasa 4 atau 10000 atau 10kHz) ialah frekuensi gelombang radio, dan lebih tinggi sedikit (10 kuasa 8 atau 100000000 atau 100MHz) ialah frekuensi gelombang mikro. Ketika frekuensi gelombang elektromagnet ditingkatkan lagi ke 10 kuasa 15, maka cahaya nampak akan terhasil. Frekuensi tertinggi dicatatkan oleh gelombang dari reputan radioaktif, iaitu sinar gamma. (English-gamma ray). Menurut James Clerk Maxwell, kesemua gelombang elektromagnet dalam alam ini (termasuk cahaya biasa) bergerak pada laju cahaya, c = 300000000 meter per saat.

James Clerk Maxwell juga, setelah melakukan analisa ke atas Hukum Faraday dan Hukum Lenz, beliau menemui perkaitan antara medan elektrik dan medan magnet. Menggunakan himpunan persamaan-persamaan elektromagnetik yang dinamakan sekarang sebagai Persamaan Maxwell (English- Maxwell equations), beliau merumuskan dua fakta paling penting yang menjadi asas kepada pembangunan bidang elektromagnetik iaitu:

"Perubahan arah arus elektrik akan menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah pada sudut tegak dari arah pengaliran tersebut"

"Perubahan medan magnetik akan menghasilkan medan elektrik (atau arus elektrik jika ia melalui bahan pengalir arus) yang berubah-ubah arah dan pada sudut tegak dari arah medan magnetik"

Dengan menggabungkan kedua-dua fakta di atas, apakah yang dapat kita simpulkan?

Jawapannya cukup mudah: sebuah sistem yang memiliki medan magnetik dan medan elektrik yang saling berubah-ubah arah akan terhasil.

Bagaimana sistem ini boleh muncul? Medan magnetik yang berubah-ubah akan menghasilkan medan elektrik yang berubah-ubah, yang mana medan elektrik ini yang juga berubah-ubah akan menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah. Proses ini berulang-ulang dan membentuk apa yang dikenali sebagai gelombang elektromagnet (English-elektromagnetic wave).


sumber: http://taksreview.wikispaces.com/
Medan magnetik dan medan elektrik saling berubah-ubah dalam gelombang elektromagnet.

Gelombang elektromagnetik muncul dalam bentuk yang berlainan dalam alam ini, namun kesemuanya memiliki ciri yang sama; bergerak pada laju cahaya, c = 300000000 meter per saat, dan memiliki medan elektrik dan medan magnet yang saling berubah-ubah dan bertukar arah. Jenis gelombang elektromagnet dipengaruhi oleh frekuensi atau kekerapannya mengubah bentuk medan ( dari medan elektrik ke medan magnet dan sebaliknya) dalam masa sesaat). Gelombang radio, gelombang cahaya biasa, gelombang mikro (English-microwave) yang digunakan dalam ketuhar gelombang mikro, gelombang sinar X dan sinar gamma, kesemuanya merupakan gelombang elektromagnet yang diasingkan mengikut frekuensi getaran yang berbeza-beza, dan dihimpunkan di dalam sebuah rajah yang dikenali sebagai rajah juzuk gelombang elektromagnet sepertimana yang telah penulis utarakan kepada para pembaca pada awal bahagian ini.

Getaran arus elektrik pada frekuensi tinggi.

Adakah mustahil untuk kita meningkatkan lagi getaran arus elektrik kepada frekuensi yang lebih tinggi dari 50Hz? Tidak. Bahkan ia diaplikasikan secara meluas dalam kehidupan kita. Buat pengetahuan pembaca, dengan getaran yang lebih tinggi inilah, maka teknologi radio dan teknologi perhubungan tanpa wayar dapat dilakukan!

Sebelum ini kita telahpun membincangkan mengenai arus elektrik yang bergetar pada frekuensi 50Hz. Apakah yang akan berlaku jika kita tingkatkan lagi frekuensi ini, sebagai contoh, kepada 1000Hz atau 1kHz (atau 1000 kali getaran lengkap sesaat, atau juga 2000 kali bertukar arah sesaat!)?

Seorang saintis Inggeris bernama Oliver Heaviside yang mengkaji sifat arus ulang alik telah menjelaskan dalam kertas kerjanya bahawa arus elektrik yang ditingkatkan frekuensinya ini akan mengalir PADA PERMUKAAN BAHAN PENGALIR. Beliau menjelaskan bahawa semakin tinggi frekuensi arus elektrik (semakin kerap arus elektrik mengubah arah pengaliran dalam masa sesaat), semakin banyak arus akan mengalir PADA PERMUKAAN LUAR BAHAN PENGALIR. Fenomena ini dikenali sebagai Kesan Permukaan (English- skin effect)


sumber: http://www.audiosold.com/theorydesign.htm
Dua gambar dalam rajah di atas menerangkan fenomena kesan permukaan pada wayar penghantar arus.
(terjemahan)
Rajah 1 (atas): keratan rentas selembar wayar yang menunjukkan bahawa isyarat audio (arus elektrik) berfrekuensi rendah berkecenderungan untuk mengalir pada bahagian tengah wayar (kawasan yang digelapkan ialah kawasan di mana arus sedang mengalir) sebagaimana arus elektrik biasa.
Rajah 2 (bawah): keratan rentas wayar yang sama yang menunjukkan bahawa isyarat audio ( arus elektrik ) berfrekuensi tinggi berkecenderungan untuk mengalir menjauhi bahagian tengah ( atau berkecenderungan mengalir pada permukaan luar) wayar. Juga kawasan yang digelapkan ialah kawasan di mana arus sedang mengalir.

Ini bermakna, ruang di dalam wayar tembaga tidak digunakan sepenuhnya oleh arus elektrik ketika ia mengalir pada frekuensi yang amat tinggi. Para pembaca sekalian boleh menggunakan sebuah analogi bagi memahami fenomena ini: apabila semakin kerap arus terpaksa berulang-alik atau bertukar arah, maka semakin cenderung ia untuk keluar daripada bahan pengalir atau wayar tembaga, dengan harapan untuk mencari sebuah jalan pintas agar ia dapat mengalir dengan lancar. Ia sama seperti sifat manusia yang gemar menghindari kawasan sibuk dan hiruk pikuk (diterjemah pada wayar elektrik sebagai kawasan di mana arus berubah-ubah arah) untuk sampai ke destinasinya, dengan menggunakan jalan pintas.

Apabila ditingkatkan lagi frekuensi arus elektrik SEHINGGA SAMA DENGAN FREKUENSI RADIO (rujuk rajah juzuk gelombang elektromagnet di atas) iaitu 10kHz atau 10000Hz, maka arus tidak lagi mengalir dalam wayar elektrik. Ia keluar dari wayar sebagai apa yang kita kenali sebagai GELOMBANG RADIO.

Ini kerana pada tahap frekuensi yang amat tinggi ini, medan elektrik yang berubah-ubah (dari arus yang berubah-ubah arah) memiliki TENAGA YANG CUKUP untuk menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah yang tidak lenyap begitu sahaja atau pegun ( tidak bergerak), sebaliknya medan magnet yang memiliki tenaga yang cukup untuk menghasilkan kembali medan elektrik dan seterusnya medan magnetik yang berubah-ubah. Atau dengan kata lain, pada frekuensi yang amat tinggi ini, proses penghasilan gelombang elektromagnet dapat dimulakan dan diteruskan. Semakin tinggi arus yang dibekalkan, semakin lama medan elektrik dan medan magnet dapat saling dihasilkan oleh satu sama lain dan bertahan dalam proses tersebut tanpa terhenti atau mati (English-die away) dan semakin jauh gelombang elektromagnet dapat bergerak meninggalkan wayar pembawa arus, merentasi ruang udara, sehingga sampai kepada sistem penerima (English-receiver).

Ini ialah prinsip asas kepada penghasilan gelombang radio. Arus ulang alik pada frekuensi radio atau kependekannya RF (English-radio frequency) dialirkan kepada bahan pengalir yang dikenali sebagai antena (English-antenna). Proses penukaran arus ini kepada gelombang radio berlaku dengan berkesan dalam antena dan dipancarkan ke udara untuk ke sistem penerima radio.

Gelombang radio membolehkan komunikasi tanpa wayar dilakukan, dengan cara mengubah bentuk gelombang tersebut mengikut isyarat bunyi dan gambar yang ingin dihantar menerusi sistem tanpa wayar menggunakan kaedah yang dikenali sebagai modulasi (English-modulation) atau 'pengubahsuaian'.

Teknologi dan termodinamik.

Teknologi diertikan sebagai kaedah atau peralatan khas yang diciptakan menggunakan pengetahuan berkenaan bagaimana alam bekerja, bagi memudahkan manusia menyelesaikan satu-satu tugasan atau kerja.

Teknologi dicipta bagi membolehkan manusia melakukan kerja yang tidak mampu dilakukan oleh mereka menggunakan pancaindera dan keupayaan fizikalnya yang terhad. Sebagai contoh, penglihatan manusia tidak mampu untuk memerhatikan kuman, virus, serta zarah, maka teknologi mikroskop dicipta bagi membolehkan manusia melakukannya. Manusia juga tidak mampu bergerak dari satu tempat ke tempat lain dalam masa yang singkat, sebagai contoh, melalui jarak 200 km dalam masa 2 jam. Maka, teknologi pengangkutan seperti kereta dan kapal terbang dicipta bagi mengangkut manusia melalui jarak dan tempoh masa tersebut.

Dari kebolehan-kebolehan teknologi ini, dengan sekali pandang kita akan membina tanggapan bahawa teknologi mampu MEMBESARKAN TENAGA yang diperolehinya. Ini kerana teknologi mampu melakukan perkara yang tidak mampu kita lakukan, maka sudah pasti teknologi berperanan membesarkan tenaga yang dibekalkan kepadanya.

Namun, tanggapan ini sama sekali bertentangan dengan prinsip keabadian tenaga yang menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan, tetapi tenaga boleh diubah dari satu bentuk ke satu bentuk yang lain. Jika kita cuba mengatakan bahawa teknologi membesarkan tenaga, maka menurut prinsip keabadian tenaga sudah pasti terdapat tenaga yang dicipta oleh teknologi (lihat rajah di bawah).


Rajah 1

Sebenarnya, teknologi TIDAK mencipta sebarang tenagapun. Tanggapan di atas adalah SALAH dan bertentangan dengan prinsip keabadian tenaga. Peranan teknologi hanyalah MENUKARKAN TENAGA dari satu bentuk ke bentuk yang lain; atau dengan kata lain, dari satu bentuk tenaga yang tidak bermanfaat kepada manusia kepada bentuk tenaga yang memberikan manfaat.

Sebagai contoh, teknologi laser. Laser terdiri daripada pembekal tenaga iaitu cahaya dari lampu pendafluor, pam laser yang terdiri daripada hablur khusus untuk laser seperti hablur Yitrium-alumina. Rajah mudah mengenai laser ditunjukkan di bawah:


Rajah 2

Hablur laser atau pam laser dalam rajah di atas bukan pembesar tenaga, tetapi ia berperanan menukarkan tenaga cahaya dari lampu pendafluor kepada cahaya laser. Sekali pandang, sifat tenaga cahaya laser yang lebih kuat berbanding cahaya dari lampu pendafluor menyebabkan kita bertanggapan bahawa berlaku pembesaran tenaga cahaya di dalam hablur laser.

Sebenarnya TIDAK. Apa yang berlaku ialah tenaga cahaya dari lampu pendafluor DITUKAR BENTUK kepada cahaya yang lebih kuat, lurus dan tidak mencapah menggunakan hablur laser. Dengan kata lain, cahaya yang lemah dari lampu pendafluor DITUMPUKAN menjadi cahaya yang kuat iaitu laser. Jika pembaca inginkan bayangan, ia seolah-olah sama seperti menumpukan cahaya matahari menggunakan kanta pembesar agar ia boleh membakar kertas, dan kanta pembesar bertindak seolah-olah seperti hablur laser dalam contoh di atas.


Rajah 3
sumber: http://www.upscale.utoronto.ca/IYearLab/Intros/LensOptics/LensOptics.html

Oleh itu, dengan mematuhi prinsip keabadian tenaga, maka tenaga yang dibekalkan dari lampu pendafluor mestilah SAMA JUMLAHNYA dengan tenaga yang dibebaskan keluar dalam bentuk cahaya laser. Bagaimana cahaya laser boleh menjadi lebih kuat dari cahaya lampu pendafluor dengan tenaga yang sama ialah akibat daripada PERUBAHAN BENTUK TENAGA, bukannya PERTAMBAHAN JUMLAH TENAGA. Cahaya laser yang kuat dihasilkan dengan ‘menumpukan’ cahaya lampu pendafluor yang lemah, oleh tindak balas antara atom-atom dalam hablur laser.

Dari itu, teknologi secara umumnya dimaksudkan sebagai ‘penukar bentuk tenaga’, di mana ia berperanan menukarkan bentuk tenaga dari bentuk yang tidak boleh dimanfaatkan kepada bentuk yang dimahukan dan boleh dimanfaatkan oleh manusia.

Secara kesimpulannya, bukan sahaja teknologi laser, malah untuk semua teknologi, prinsip keabadian tenaga di bawah mesti dipatuhi:
Jumlah keseluruhan tenaga yang dibekalkan kepada teknologi = jumlah tenaga yang dihasilkan oleh teknologi

Prinsip keabadian tenaga di atas juga dikenali sebagai hukum termodinamik pertama (English-first law of thermodynamics)

Hukum termodinamik kedua dan tenaga maksimum yang terhasil dari teknologi

Hukum termodinamik kedua (English-second law of thermodynamics) menjelaskan bahawa dalam dunia sebenar tenaga yang dibekalkan kepada teknologi atau sebarang alatan penukar tenaga MESTI terbahagi dua selepas ia dikeluarkan dari teknologi tersebut; satu kepada TENAGA YANG BERMANFAAT dan satu lagi TENAGA YANG TIDAK BERMANFAAT.


Rajah 4

Tenaga yang bermanfaat ialah tenaga yang menjadi tujuan utama mengapa teknologi tersebut diciptakan. Sebagai contoh tujuan utama kita mencipta kereta ialah untuk mengangkut kita ke mana-mana tempat, maka tenaga yang dihasilkan kereta untuk tujuan utama tersebut ialah tenaga bermanfaat yang dihasilkannya.

Tenaga yang tidak bermanfaat pula ialah tenaga yang bukan merupakan tujuan utama mengapa satu-satu teknologi diciptakan, Tenaga tidak bermanfaat boleh wujud dalam lebih dari satu bentuk tenaga untuk satu-satu teknologi. Menggunakan contoh kereta di atas, maka tenaga yang tidak bermanfaat ialah tenaga yang hilang akibat geseran tayar dengan permukaan jalan, dan tenaga haba akibat geseran dalam silinder bongkah enjin.

Semakin besar tenaga bermanfaat yang dihasilkan sesuatu teknologi, semakin tinggi keberkesanan teknologi tersebut. Semakin tinggi keberkesanannya, maka peratusan tenaga yang dibekalkan kepadanya yang berjaya ditukarkan kepada tenaga bermanfaat akan meningkat, seterusnya mengurangkan pembaziran tenaga dan menjimatkan kos tenaga umpamanya bahan api galian dan sel basah.

Kesemua usaha penambahbaikan (English-improvement) mana-mana teknologi adalah berkisar mengenai isu ini, iaitu bagaimana mengubah seberapa banyak yang mungkin dari tenaga yang tidak bermanfaat ini kepada tenaga yang bermanfaat. Teknologi ramuan (English-formulation) minyak pelincir yang unik dan kompleks telah dihasilkan oleh banyak syarikat petroleum di seluruh dunia bagi mengurangkan pembentukan tenaga tidak bermanfaat disebabkan oleh geseran dalam silinder bongkah enjin. Selain itu, kereta hidrogen yang menggunakan sel bahan api hidrogen (English-hydrogen fuel cell) juga telah dihasilkan kerana didapati sel bahan api hidrogen mampu menghasilkan jumlah tenaga bermanfaat yang lebih tinggi berbanding bahan api galian biasa.

Jika kita berbalik kepada contoh laser yang digunakan sebelum ini, tenaga tidak bermanfaat yang terhasil pada teknologi ini ialah tenaga haba. Sebahagian dari tenaga cahaya lampu pendafluor yang dibekalkan akan ditukarkan kepada tenaga haba oleh hablur laser, dan akan disingkirkan menggunakan kemudahan penyejuk seperti pemeluwap Liebig (English-Liebig condenser) dan sebagainya.


Rajah 5

Dari gabungan pemahaman mengenai hukum pertama dan kedua termodinamik ini, kita dapat menyimpulkan bahawa untuk setiap teknologi atau alatan penukar tenaga, tenaga bermanfaat yang terhasil adalah sentiasa TIDAK MELEBIHI DARI dan TIDAK SAMA DENGAN tenaga yang dibekalkan kepadanya dan ia akan SENTIASA KURANG dari tenaga yang dibekalkan. Dari itu menurut hukum termodinamik kedua secara khususnya, tidak ada sebarang teknologi atau alatan penukar tenaga yang benar-benar sempurna, iaitu teknologi yang mampu menukarkan 100 peratus tenaga yang dibekalkan kepada tenaga bermanfaat.

Oleh itu, semua teknologi dan alatan penukar haba yang diciptakan manusia sentiasa berfungsi dengan tenaga yang KURANG dari tenaga yang dibekalkan. Semakin hampir nilai tenaga ini dengan tenaga yang dibekalkan, maka semakin tinggilah keberkesanan teknologi tersebut dan semakin tinggi kos yang diperlukan untuk menghasilkannya.

Hukum termodinamik kedua adalah BENAR dan tidak dapat dielakkan dalam dunia sebenar disebabkan wujudnya geseran dan ketidaksempurnaan dalam setiap teknologi yang diciptakan manusia. Jika hukum termodinamik kedua ini tidak dipatuhi, maka akan wujudlah teknologi yang mampu menukarkan KESELURUHAN tenaga yang dibekalkan kepadanya kepada tenaga bermanfaat tanpa sebarang kehilangan tenaga, dan juga mampu MEMBESARKAN tenaga tersebut. Teknologi ini dinamakan teknologi sempurna (English-perfect technology).

Jika sebuah jentera (English-machine) bertindak seperti sebuah teknologi sempurna, maka sejurus dibekalkan dengan tenaga, jentera ini akan bergerak buat selama-lamanya. Jentera sebegini dinamakan jentera pergerakan kekal (English-perpetual motion machine).


Rajah 6.1
Sumber-http://www.rlt.com/14100


Rajah 6.2
Sumber-http://newenergyalternative.com/future-energy/advantages-perpetual-motion-machine-perpetual-generator

Dengan hukum termodinamik kedua, maka tanggapan yang mengatakan bahawa wujud jentera pergerakan kekal (English-perpetual motion machine) tidak sahih dan sewajarnya ditolak.

Namun usaha menghasilkan jentera pergerakan kekal giat dilakukan sejak zaman dahulu lagi. Pada kurun ke 12, seorang perekacipta Barat bernama Peter Peregrinus mencipta jentera berkuasa magnet yang ‘kononnya’ mampu bergerak buat selama-lamanya, namun telah dibuktikan tidak oleh saintis terkemudian. Ramai juga antara saintis barat yang masih berdegil dan tidak berputus asa dalam menghasilkan jentera pergerakan sempurna sebegini.

Pada masa kini pula, muncul seorang perekacipta dari Australia yang mengaku telah berjaya mencipta jentera pergerakan kekal yang mampu menjana tenaga elektrik dalam masa bertahun-tahun selepas ia diputarkan oleh sedikit PUTARAN TANGAN. Jika ditonton temubual dengannya di Youtube, didapati memang jentera ciptaannya itu mampu bergerak tanpa henti setelah menerima tenaga putaran dari tangan, namun ia akan tetap berhenti juga selepas beberapa tempoh masa, disebabkan kehilangan tenaga akibat geseran dalam ciptaan tersebut.

Laman video: http://www.youtube.com/watch?v=5PGUh3SwLrc

Apa yang menarik perhatian ramai ialah, beliau berani mendakwa bahawa ciptaannya ini boleh menjana arus elektrik yang cukup untuk sebuah rumah, dan mampu MEMBESARKAN TENAGA putaran tangan yang dibekalkan kepadanya. Jika difikirkan secara logik, bolehkah tenaga sekecil putaran tangan ditukarkan kepada tenaga elektrik sebesar itu?

Menurut hukum termodinamik pertama, tenaga elektrik yang terhasil sudah tentu kecil dan sama dengan tenaga dari putaran tangan. Tambahan pula, menurut hukum termodinamik kedua, sebahagian dari tenaga putaran tangan akan ditukarkan kepada geseran dan haba oleh rintangan terhadap kipas turbin dan rintangan dalam alatan-alatan sepanjang proses penghantaran ke soket-soket. Diramalkan oleh penulis, sebelum sampai ke soket-soket, tenaga tersebut sudah ‘lenyap’.

Oleh itu, penulis tidak percaya sekiranya ciptaan ini dikatakan mampu MEMBESARKAN TENAGA yang diperolehinya, akan tetapi jika perekacipta tersebut mendakwa bahawa ciptaannya ini mampu menghasilkan tenaga bermanfaat yang HAMPIR sama dengan tenaga putaran tangan yang dibekalkan, atau dengan kata lain, dengan keberkesanan tenaga yang lebih tinggi dari kebanyakan teknologi yang ada setakat ini (katakan 96% daripada sumber tenaga putaran tangan) maka penulis dapat menerimanya. Ini kerana perkataan MEMBESARKAN TENAGA sudah cukup untuk menyahsahih kedua-dua hukum termodinamik. Einstein pun tidak sanggup menyanggah hukum fizik yang dua ini!

Teknologi penyejukan.

Teknologi penyejukan (English-cooling technology)juga dikenali sebagai teknologi suhu rendah (English-low temperature technology) ialah sebarang ciptaan yang bertujuan memberikan kesan penyejukan dengan cara memindahkan haba dari suatu objek yang ingin disejukkan ke kawasan lain.

Kepentingan teknologi ini muncul sejak zaman kuno lagi, di mana ia digunakan secara meluas dalam penyimpanan makanan basah yang mudah rosak seperti sayur-sayuran dan daging. Selain itu, ia turut digunakan dalam sistem pengudaraan rumah ketika musim panas.

Sebelum kemunculan teknologi pemampatan gas (English-gas compression technology), penyejukan dilakukan dengan menggunakan ais yang dikumpul pada setiap musim sejuk. Teknologi ini bermula di Parsi dan kemudiannya digunakan secara meluas di serata dunia. Ais yang dikumpulkan akan disimpan di dalam sebuah bekas bertebat (English-insulated container) dan ais ini mampu kekal beku sehingga pada musim sejuk yang seterusnya.

Rumah ais di Iran
sumber: http://architecture.tumblr.com/post/1004893765/ice-house-yazd-iran-this-picture-is-of-an

Ibnu Sina merupakan antara saintis pertama yang memberikan sumbangan dalam teknologi ini dengan mencipta gegelung penyejukan bagi memeluwapkan (English-condensing) wap dari sebatian aromatik (English-aromatic compound vapour). Unsur penyejuk yang digunakan ialah air. Beliau juga menggunakan gegelung sama bagi menyuling (English-distill) campuran sebatian organik dalam proses bertentangan, di mana air digantikan dengan wap air mendidih.

tugu Ibnu Sina
sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:IbnSina-Dushanbe.jpg

Gegelung penyejuk
sumber: http://www.trademe.co.nz/Business-farming-industry/Industrial/Other/auction-363929267.htm

Gegelung penyejuk digunakan dalam pemeluwap Liebeg
sumber:http://www.artisan-distiller.net/phpBB3/viewtopic.php?f=60&t=400&start=15

Selepas abad ke-19, muncul dua jenis teknologi penyejukan yang paling utama, iaitu teknologi pemampatan gas, dan teknologi kesan Peltier (English-Peltier effect technology). Teknologi pemampatan gas memanfaatkan sifat kebolehmampatan gas (English-gas compressibility) dan hukum kebergantungan tekanan-suhu atau hukum Charles (English- pressure-temperature dependency law or Charles’s Law). Teknologi ini paling meluas digunakan berbanding teknologi kesan Peltier, dan banyak dimanfaatkan dalam sistem penyejukan peti ais dan pendingin hawa kereta.

Sementara teknologi kesan Peltier menggunakan bahan-bahan termoelektrik (English-thermoelectric substances) yang kebanyakannya dihasilkan dari bahan-bahan semikonduktor. Usaha penyelidikan bagi menghasilkan bahan ini yang mempunyai keberkesanan kuasa (English-power efficiency) yang lebih tinggi masih diteruskan. Bahan ini (dikenali selepas ini sebagai ‘bahan Peltier’) memiliki kebolehan menukarkan beza keupayaan (English-voltage) bekalan tenaga elektrik yang merentasinya kepada perubahan suhu.

Terdapat juga kaedah moden lain yang masih baru (English-novel) dan belum dikomersialkan lagi, umpamanya kaedah penyejukan magnetik yang menggunakan bahan peka medan magnetik, dan kaedah penyejukan menggunakan bunyi yang menggunakan bahan peka gelombang bunyi. Kaedah-kaedah ini mirip teknologi kesan Peltier dari segi ketiadaan bahagian-bahagian yang bergerak sebagaimana yang wujud pada teknologi pemampatan gas. Kaedah penyejukan magnetik, bunyi, rangsangan laser dan selain dari Peltier semuanya masih di peringkat awal penyelidikan dan ada yang telah dimanfaatkan pada tahap makmal sahaja, umpamanya dalam menyediakan sebuah keadaan lampau sejuk (English-cryogenic condition) bagi memeluwapkan gas helium dan nitrogen, juga bagi menghasilkan kesan super-kepengaliran (English-superconductivity) pada bahan pengalir arus.

Dalam rencana ini penulis akan menjelaskan bagaimana dua sistem penyejukan utama; iaitu teknologi pemampatan gas dan teknologi kesan Peltier dilaksanakan (English-being implemented).

Kaedah pemampatan gas

Penulis akan menerangkan seperti seolah-olah para pembaca akan membina sebuah sistem penyejukan pemampatan gas, iaitu dengan menimbulkan persoalan demi persoalan sehingga para pembaca sekurang-kurangnya akan ‘mampu membina sebuah peti ais di dalam fikiran pembaca’.

Sebelum itu, penulis ingin mengingatkan bahawa pembaca mestilah terlebih dahulu faham apa ia hukum Charles dan hukum Boyle, serta hubungkait antara tekanan, isipadu dan suhu suatu gas. Atau dengan kata lain, sekurang-kurangnya para pembaca mesti memiliki pengetahuan Fizik peringkat SPM.

Idea penyejukan menggunakan kaedah pemampatan gas timbul dari pemerhatian bahawa sebarang cecair yang menyejat (English-evaporate) menghasilkan kesan penyejukan. Ini kerana cecair yang menyejat menyerap tenaga haba dari persekitarannya semasa bertukar kepada wap.



Idea ini turut dipacu oleh penemuan bahawa penyejukan dari proses penyejatan (English-cooling by evaporation) mampu menghasilkan suhu yang lebih rendah dan mampu membuang lebih banyak haba dari bahan yang ingin disejukkan berbanding penyejukan dari perpindahan haba tentu (English-cooling by specific heat transfer).

Persoalan pertama yang penulis ingin timbulkan ialah bagaimanakah menghasilkan proses penyejatan secara berterusan bagi menghasilkan kesan penyejukan yang berterusan? Kita sudah pasti memerlukan sejenis bahan cecair penyejuk yang mudah bertukar menjadi wap sejurus menerima haba dari objek yang ingin disejukkan. Selain itu, bagi menjadikan teknologi penyejuk yang akan dihasilkan mudah alih, cecair penyejuk mestilah dikekalkan dalam alat tersebut tanpa dikeluarkan ke mana-mana. Maka cecair tersebut mestilah boleh ditukarkan kembali kepada cecair selepas disejatkan kepada wap, untuk digunakan semula sebagai cecair penyejuk.

Untuk itu kita menggunakan udara bagi menyingkirkan haba dari wap cecair ini supaya ia kembali memeluwap kepada cecair dan seterusnya dapat dikitar kembali ke bahagian penyejatan untuk menyejukkan bahan.



Namun, satu lagi masalah timbul. Selepas cecair ini disejatkan kepada wap, sudah pasti suhunya meningkat. Dari itu, aliran udara bagi menyejukkan wap ini adalah tidak mencukupi untuk mengembalikan keadaan fizikalnya semula kepada cecair meskipun ia berjaya menurunkan suhu wap tersebut. Tambahan pula, jika sekiranya kita menggunakan motor bagi meningkatkan laju udara ke tahap tertinggi, belum tentu udara tersebut mampu memeluwapkan wap tersebut kerana untuk pemeluwapan berlaku, jumlah haba yang tinggi yang dikenali sebagai haba perlakuran (English-heat of fusion) perlu dibebaskan oleh aliran udara. Oleh itu bukan sahaja penggunaan motor tidak mampu memeluwapkan wap, malah meningkatkan lagi kos bekalan kuasa yang diperlukan.

Maka, di sinilah munculnya konsep yang dinamakan ‘wap bertekanan’ (English-pressurized vapour) dan pemampat gas (English-gas compressor). Sejurus wap penyejuk meninggalkan bahagian penyejatan dan sebelum ia disejukkan oleh aliran udara, maka ia akan dimampatkan menggunakan pemampat gas terlebih dahulu.

Apabila wap penyejuk dimampatkan, isipadunya berkurang dan tekanannya meningkat (rujuk hukum Boyle atau hukum kebergantungan isipadu-tekanan). Menurut hukum Charles, apabila tekanan meningkat, maka suhu akan meningkat. Oleh itu, selepas dimampatkan, wap penyejuk bertukar kepada wap bertekanan yang dikenali sebagai wap tepu(English-saturated vapour) di mana pada keadaan ini, wap penyejuk berada pada tekanan dan suhu yang tinggi.

Pada keadaan tersebut, aliran udara yang sedikit sahaja mampu menukarkan wap penyejuk tersebut kembali kepada cecair, namun masih kekal pada tekanan dan suhu yang tinggi. Alasan terperinci mengenai fenomena ini berkait rapat dengan konsep entropi (English-entropy) dalam disiplin fizik termodinamik (English-thermodynamics), di mana penulis tidak akan menerangkan mengenainya di sini.

Menggunakan konsep yang sama secara songsang, maka kita akan dapat menyelesaikan masalah mengenai cecair penyejuk yang boleh menyejat sejurus menerima haba dari bahan yang ingin disejukkan, iaitu masalah pertama yang telah dikemukakan sebelum ini. Bagaimanakah caranya?

Cecair penyejuk yang meninggalkan bahagian aliran udara penyejuk adalah cecair penyejuk pada tekanan dan suhu tinggi. Untuk mengitar semula cecair ini kembali ke bahagian penyejatan maka suhunya mestilah diturunkan terlebih dahulu bagi membolehkannya menyerap haba dari luar seterusnya bertukar kepada wap sekali lagi (untuk mengulangi proses yang sama).

Sekali lagi menurut hukum Charles (pada pengertian songsang), apabila tekanan dikurangkan, maka suhu berkurang. Maka sebuah injap pengembangan (English-expansion valve) dipasangkan bagi mengurangkan tekanan cecair tersebut. Cecair yang telah dikurangkan tekanan (dan juga suhu; menurut hukum Charles) dikembalikan semula ke bahagian penyejatan untuk menyerap haba dari bahan yang ingin disejukkan, dan mengulangi kitaran yang sama.

Pada keadaan tersebut, aliran haba yang sedikit sahaja daripada bahan yang ingin disejukkan mampu menyejatkan cecair penyejuk bertekanan dan bersuhu rendah tersebut yang juga dikenali sebagai cecair tepu (English-saturated liquid)kepada wap, namun masih kekal pada tekanan dan suhu yang rendah. Sekali lagi seperti sebelumnya, alasan terperinci mengenai fenomena ini berkait rapat dengan konsep entropi (English-entropy) dalam disiplin fizik termodinamik (English-thermodynamics), di mana penulis tidak akan menerangkan mengenainya di sini.

Pemilihan cecair penyejuk yang tepat adalah penting bagi menghasilkan kesan penyejatan. Jika tekanan wap tepu** (English-saturated vapour pressure) cecair penyejuk kurang atau sama dengan tekanan rendah ketika ia memasuki bahagian penyejatan, maka ia tidak akan tersejat kepada gas dan akhirnya menyebabkan penyejukan tidak dapat dilakukan. Begitu juga, jika tekanan wap tepu cecair penyejuk lebih rendah berbanding tekanan tinggi yang diperolehi selepas ia dimampatkan oleh pemampat gas, maka ia tidak akan terpeluwap kepada cecair. Maka, cecair penyejuk yang sesuai digunakan mestilah memiliki nilai tekanan wap tepu di antara nilai tekanan yang dihasilkan oleh pemampat gas dan nilai tekanan yang dihasilkan oleh injap pengembangan. Selain itu, injap pengembangan dan pemampat gas yang sesuai juga diperlukan agar kawalan terhadap tekanan cecair penyejuk dapat dicapai dengan berkesan. Mengenai tekanan wap tepu, ia akan dijelaskan pada bahagian akhir rencana ini.

Kini, semua masalah yang dikemukakan telah berjaya diselesaikan, dan keseluruhan konsep penting mengenai teknologi pemampatan gas diringkaskan dalan rajah di bawah;



Kepelbagaian rekacipta dan jenama berkaitan teknologi ini bergantung kepada bilangan sistem penyejukan yang digunakan dalam satu unit produk, jenis cecair penyejuk yang digunakan, jenis injap dan pam dan inovasi tambahan yang lain. Namun, prinsip asas yang dimanfaatkan adalah sepertimana yang telah dijelaskan di atas.

Dalam memilih cecair penyejuk yang sesuai, selain mengambil kira faktor tekanan wap tepu (English-vapour pressure) cecair penyejuk tersebut dan jenis pam dan injap, faktor lain yang perlu diambil kira juga ialah tahap keracunannya, dan kesannya kepada alam sekitar. CFC (chlorofluorocarbon atau nama komersil Freon) pernah digunakan sebagai cecair penyejuk, namun selepas diketahui bahawa ia bertindak balas dengan lapisan ozon dan menipiskannya, maka bahan ini telah diharamkan penggunaannya bermula pada tahun 1970-an dan digantikan dengan haloalkana yang lain.

Kaedah kesan Peltier

Kaedah kesan Peltier cukup mudah untuk dijelaskan. Kesan Peltier berlaku apabila suatu bahan (bahan Peltier) menerima tenaga elektrik, di mana tenaga elektrik yang dibekalkan akan ditukarkan kepada beza suhu di antara dua hujung bahan Peltier. Kesan Peltier adalah songsangan dari kesan termoelektrik, di mana beza suhu di antara dua hujung pada suatu bahan mampu menghasilkan arus elektrik. Kesan termoelektrik banyak digunakan dalam penghasilkan termometer atau penyukat suhu.

Struktur binaan kepingan Peltier
sumber: http://www.advrider.com/forums/showthread.php?t=369600

Kelebihan utama penyejukan menggunakan kesan Peltier ialah tiada bahagian bergerak seperti motor pemampat gas, cecair penyejuk dan sebagainya, maka ia ringan dan mudah dibawa ke mana-mana dan oleh itu, kerapkali digunakan dalam alatan penyejuk mudah alih untuk tujuan perkhemahan dan kembara. Sistem penyejukan ini pegun dan hanya memerlukan bahan Peltier serta tenaga elektrik dengan arus yang kecil seperti dari sel kering atau sel suria (English-solar cell). Kekurangan utama sistem ini ialah kurangnya keberkesanan kuasa berbanding sistem pemampat gas di mana kuasa yang lebih banyak diperlukan bagi menyejukkan satu-satu objek.

Apabila satu bahan Peltier dialirkan arus elektrik merentasinya, satu hujungnya akan menyejuk, manakala satu lagi akan memanas, bergantung kepada nilai beza keupayaan arus yang dibekalkan. Semakin besar beza keupayaan maka semakin besar beza suhu di antara kedua-dua hujung bahan ini.

Nilai arus yang dibekalkan pula akan mempengaruhi suhu pada setiap hujung bahan ini. Semakin tinggi arus maka semakin tinggi suhu pada setiap hujungnya.

Perlu diketahui bahawa kesan Peltier berbeza dengan unsur pemanas sebagaimana yang digunakan dalam alat pemanas seperti seterika, cerek elektrik, plat pemanas dan sebagainya. Dalam unsur pemanas, hanya satu hujung dipanaskan sementara satu lagi hujung dibiarkan pada suhu asalnya.

Rajah di bawah menunjukkan secara ringkas bagaimana teknologi kesan Peltier berfungsi;


sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Peltierelement.png

Teknologi kesan Peltier ialah rahsia utama bagaimana peti ais kecil yang hanya dibekalkan kuasa dari salur kuasa USB untuk menyejukkan minuman dalam tin boleh dihasilkan.

Penyejuk minuman dengan salur kuasa USB
sumber:http://www.shed-world-cup.co.uk/2010/05/usb-mini-fridge-for-your-shed.html

Jenis lain penyejuk USB
http://wapedia.mobi/thumb/7ef4502/en/fixed/470/347/USB_Beverage_Cooler.jpg?format=jpg

**Nota khas mengenai tekanan wap tepu:
Tekanan wap tepu (English-saturated vapour pressure) ialah tekanan yang dihasilkan oleh wap suatu cecair apabila ia berada di dalam keadaan keseimbangan dengan cecair dari jenis bahan yang sama dalam sebuah sistem tertutup (tiada perpindahan jisim keluar dan masuk), pada suatu nilai suhu yang tetap. Rajah berikut menunjukkan cecair yang berada pada keadaan keseimbangan dengan wapnya di dalam sebuah bekas tertutup;



Tekanan yang dikenakan oleh wap ke atas cecair pada rajah di atas ialah tekanan wap tepu pada suhu tersebut. Ia dinamakan ‘wap tepu’ kerana kandungan wap dalam bekas tersebut ialah pada tahap yang paling tinggi (tepu) pada suhu yang sedang dicapai oleh bekas tersebut. Sementara cecair yang sedang berada dalam keseimbangan tersebut pula dinamakan cecair tepu.

Nilai tekanan wap tepu suatu bahan kimia pada suatu nilai suhu adalah unik dan tersendiri. Jika suhu di dalam sebuah bekas tertutup yang mengandungi hanya bahan kimia tersebut diubah, maka tekanan wap tepu juga berubah.

Bayangkan alam ini ialah suatu bekas tertutup. Pada suhu 100 darjah Celsius, tekanan wap tepu air ialah tekanan atmosfera. Maka, wap dan cecair air mesti berada pada keadaan seimbang antara satu sama lain pada suhu 100 darjah Celsius dan tekanan atmosfera. Disebabkan tekanan di atas daratan pada aras laut ialah tekanan atmosfera, maka pada suhu 100 darjah Celsius, air akan mendidih. Ini kerana wap air sedang mencapai keseimbangan dengan cecair air dan dikatakan sedang berada dalam keadaan ‘tepu’.

Jika berada di puncak gunung, tekanan udara adalah kurang dari tekanan atmosfera. Oleh itu, jika diandaikan kita membawa air yang sedang mendidih di kaki gunung ke puncak gunung dengan sekelip mata, air tersebut akan mendidih dengan lebih cepat dan lebih banyak cecair air akan bertukar kepada wap air. Ini kerana tekanan wap tepu air pada suhu 100 darjah Celsius (sama dengan tekanan atmosfera) lebih tinggi dari tekanan udara di gunung.

Air yang bertukar kepada wap akibat dari tekanan yang berkurang ini djnamakan wap tepu (English-saturated steam/vapour).

Jika berada di dasar lautan pula, tekanan udara dan tekanan air adalah lebih tinggi dari tekanan atmosfera. Oleh itu, jika diandaikan kita membawa air yang sedang mendidih di aras laut ke dasar lautan (tanpa bercampur dengan air laut) dengan sekelip mata, air tersebut akan berhenti mendidih dan terpeluwap kepada cecair air. Ini kerana tekanan wap tepu air pada suhu 100 darjah Celsius (sama dengan tekanan atmosfera) kurang dari tekanan udara dan air laut di dasar lautan.

Wap air yang bertukar kepada cecair akibat dari tekanan yang meningkat ke atasnya ini dinamakan cecair tepu (English-saturated liquid)

Dari sinilah munculnya idea bagaimana mengubah kadar pendidihan air dengan mengubah tekanan tanpa mengubah suhunya, yang mana idea ini diaplikasikan dalam sistem penyejukan pemampatan gas.