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.