Nov 10, 2011

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.

No comments:

Post a Comment

Kini, Anon dan Anonimah pun boleh mengomen...