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.