BAB 11 LANDASAN TEORI A, Medan dan Gaya Elektrostatik Medan

BAB 11
LANDASAN TEORI
A, Medan dan Gaya Elektrostatik
Medan listrik dikatakan ada di suatu titik jika ada gaya listrik yang
dialami oleh muatan listik di titik itu. Karena gaya adalah besaran vektor,
mak.a medan listrik tenuilah juga besaran vektor. Intensitas medan listrik E
disuatu titik didefenisikan sebagai hasil bagi antara gaya listrik F yang dialami
partikel bermuatan dengan besaniya muatan partikel q di titik itu (Sears,
1982; 571) atau dengan kata lain :
E = F/q
(1)
Dalam sistem MKS, satuan intensitas medan listrik adalah N/C. Gaya
listrik yang dialami partikel bermuatan q adalah
F = qE
(2)
D. Medan Magnetik dan Gaya Lorentz
Medan magnet sama halnya dengan medan listrik, dapat direpresentasikan
dengan garis-garis yang disebut dengan garis induksi, dimana arahnya disetiap
titik menyatakan aiali induks; magnet di titik-titik tersebut. Secara konvensi,
jumlah garis-garis induksi persatuan luas yang normal terhadap garis induksi
tersebut, dinyatakan sama dengan besar induksi magnet. Dalam sistem MKS,
satu gans induksi disebut I weber, sehingga induksi magnet B dinyatakan
dalam weherim^.
6
Total garis induksi yang menembus suatu permukaan disebut fluks magnet
yang disimbolkan dengan Secara amura (j) diberikan oleh
(j) = / B c o s e d A
(3)
Disuatu titik dikatakan ada medan magnetik, jika ada gaya (di samping
gaya elektrostatik, kalau ada) yang bekerja pada partikel beraiuatan yang
bergerak dilitik itu. Eksperimen menunjukkan bahwa gaya yang bekerja
terhadap sebuah muatan yaig bergerak dalam medan magnet sebanding
dengan besar muatan, dan bahwa gaya terhadap sebuah muatan negatif yang
bergerak dalam arah terteniu, berlawanan dengan gaya terhadap muatan
positif. Besar vektor B dengan demikian dirumuskan
B = F/(qvsine)
Atau
F = qVB sine
(4)
Dalam bentuk vektor, persamaan ai atas dapat ditulis
F=qVX B
(5)
Jika di samping medan magnet, hadir juga medan hstrik, maka gaya yang
dialami oleii partikel bennuatan yang bergerak dalam medan tersebut adalah
F = q(E+ vxB)
(6)
F dalam hal ini disebut dengan gaya Lorentz. Jika E=0, maka
persam.aan (6) akan kembali ke persamaan (5).
7
C Medan Magnet Sosenioda
Solenioda dibuat dengan kawat menjadi sebuah heliks di sekehling
pennukaan suaui bentukan siiinder yang penampangnya berbentuk Hngkaran.
Jarak antara lilitaa biasanya kecii (rapat) dan lilitannya dapat terdiri dari satu
lapisan saja atau lebih. Untuk memperlihatkan sebuah solenoida yang
lilitannya relatif tidak banyak dan masing-masing mengandung arus I. Rapat
fluks resultan di sembarang titfk sama dengan hasil penjumlahan vektor.
Seinua vektor B ditimbulkan satu demi satu hiitan.
i\ han>ak lilitan per satuan panjang. Maka banyak lilitan pada
panjang 1 iaiali n.l. Arus total yang melalui solenoida tersebut berdasarkan
h'.ikum ampere (Sears, 1986; 66)
B=
In
(7)
Xioii okh siicuau Elektrostatik
Katoda
plat
(-)
4
A
•
A
Layar
A £
A",
(+)
Ganibar 2.1. Defleksi elektron oleh medan listrik homogcn
YE
8
lilekiron adalah partikel aiementer yang bermuatan listrik negatif sebesar
l,6xlO"'^C. Gambar 2.1 menunjukkan sebuah elektron yang bergerak dari
anoda menuju iayar fluoresensi dengan lintasan lurus searah sumbu-x positif
Dalam perjaiarianava elektron memasuki daerali medan listrik homogen yang
tegak lurus terhadap arah gerak elektron.
Gaya listrik akan nienyimpangkan lintasan elektron tersebut, seliingga tiba
di layar pada titik yang berjaiak
dari arah semula.
Dengan menggunakan hukum kedua Newton, akan diperoleh besar
pergeseran tersebut adalah :
Y i i - e E L W .(D + L/2)
(8)
Medan listrik daiam hal iiii ditimbulkan oleh plat defleksi dengan beda
poiensia! V dan beijarak d salu sama Iain, seliingga E=V/d sedangkan energi
kiiietik elektron dalam hal ini adalah Vi mv^ = e.Va, dimana Va adalah
tegangan pemercepat elektron dalam tabung sinar katoda.
Dengan
menggunakan persamaan-persamaan ini ke persamaan (3) maka akan didapat
Yi- V.L/(2Va.d) , (D + L/2)
(9)
D dan L tetap, sedangkan Va dan d dibuat konstan, maka pergeseran YE
hanya merupakan fimgsi tegangan plat defleksi V, sehingga persamaan (8)
dapat ditulis
Y , = CH. V
Dengan CE adalah konstanta.
(10)
9
E, Defleksi Elektron BaSam Mulm
Magnetik
Jika medan lislrik dalain gambar 2.1, diganti dengan medan magnet yang
aralinya tegak liiais ke dalasn bidaiig kertas, seperti yang ditunjukkan oleh
gambar 2.2, maka gaya magnetik yang dialami elektron akan menyimpangkan
lintasan elektron tersebut, sehingga terjadi pergeseran titik pendar Yu pada
layar dari arah semula.
Layar
Katoda
X
.X
X
X
X
YB
Gambar 2.2. Defleksi elektron oleh medan magnet homogen
Dengan menggunakan hukum II Newton dan susunaii geometris gambar
2.2, maka besaniya pergeseran tersebut adalali
Yu=--eBLym\r . ( D + L/2)
(11)
Karena '/> mv'==eVa dan besaran selain B dibuat tetap, maka pergeseran
tersebut merupalian fungsi dari B saja.
YB=CB.B
(12)
Dengan Ci! adalali konstanta.
Prinsip defleksi elektrostatik dan magnetik ini diterapkan pada Osiloskop,
Televisi, monitor koinputer dan tabung CRT lainnya.
10
F*. Sinar Katoda
Sinar katoda adaiah berkas sinar yang ditimbulkan akibat interaksi
elektron yang dipancarkan oleh katoda akibat pemberian beda potensial yang
relatif besar dengan partikel-paitikel gas yang dilaluinya. Hal ini diketahui
berdasaikan percobaan baliwa ternyata berkas sinar ini dapat dibelokkan oleh
medan listrik dan medan magnet yang sesuai denga kriteria elektron.
Pada dasarnya elektron ini dilepaskan oleh pennukaan katoda akibat diberi
energi panas (kalor) yang memberikan peluang bagi elektron untuk tereksitasi
dari lintasannya, yang kemudian diberi tambahan energi kinetik melalui
medan listrik antara katoda dan anoda, sehingga elektron dapat bergerak
dengan kecepatan yang lebih besar (Jamilah, 2001; 6)
G. Tabung Sinar Katoda (CRT)
Tabung televisi, monitor komputo", dan tabung osiloskop adalah versi
modem dari tabung yang digunakan oleh Crookes dan Tliomson dalam
mempelajari sinar katoda (cathode-ray). Sinar katoda tidak lain adalah berkas
elektron yang dipancarkan oleh katoda karena emisi termionik, kemudian
ditarik menuju anoda melaiui gaya eltdctrostatik. Elektron mempunyai massa
yang sangat kecil dan bennuatan negatif, sehingga ia dapat dengan mudali
dibelokkan (defleksi) dan dikontrol. Energi elektron yang berkecepatan tinggi
dapat dikonversikan menjadi caliaya tampak (visible light), sehingga mudah
diobservasi. Spektrum caliaya tampak yang dihasilkan dari tunibukan elektron
cepat dengan bahan fluoresen ini selanjutnya menjadikan CRT sebagi media
penampil infomiasi yang baik.
11
Tabung sinar katoda (CRT) mendapatkan namanya dari kenyataan bahwa
di dalam tabung kaca yang hampa, suatu berkas sinar katoda (elektronelektron) diarahkan ke berbagai bagian layar mituk menghasilkan gambar.
CRT yang sederhana digambarkan pada gambar 2.3. Elektron-elektron yang
dipancaikan oleh katoda panas dipercepat oleh suatu tegangan tinggi yang
diberikan kepada anoda. Elektron-elektron keluar dari penembak elektron ini
melalui lubang kecil pada anoda. Bagian dalam permukaan tabung diiapisi
dengan bahan tlouresen yang berpijar ketika ditumbuk oleh elektron. Suatu
titik kecil yang terang akan tampak ketika berkas sinar elektron mengenai
layar. Dua plat horizontal dm dua plat vertikal membelokkan sinar elektron
ketika diberi tegangan. Elektron-elektron dibelokkan menuju plat yang positif.
Dengan mengubali-ubali tegangan pada plat penyimpang, titik terang tersebut
dapat diietakkan pada titik mana pun pada layar. Saat ini CRT biasanya
memakai kumparan penyimpang magnetik dan bukan plat-plat listrik
(Giancoh, 1999;51).
Secara garis besar CRT pada umunmya terdiri dari beberapa bagian seperti
yang ditunjukkan oleh gambar 2.3 di bawah ini:
Katoda
Anoda
Kisi
Plat Horizontal
bagian terang dilayar
Plat Penyimpang Vertikal
Penembak Elektron
Gambar 2.3. Tabung Sinar Katoda
Lintasan Elektron
12
Keterangan gambar
a. Senapan elektron (elektron gun) yang bertugas menghasilkan beikas
eiekuon cepat yang terfokus. Senapan elektron merupakan bagian katoda
yang berfungsi sebagai perangkat pengliasil elektron. Senapan elektron
terdiri dari katoda selinder dan Jilamen penianasnya {heater), elektroda
^riJ, anoda pemercepat, dan sistem pemfokus elektron.
Pemanas katoda oleh heater, menyebabkan elektron diemisikan keluar dari
pennukaan katoda. Sebagian elektron yang lolos melalui celah sempit
pada grid akan dipercepat oleh beda potensial yang diberikan antara
katoda dan anoda. Karena anoda juga merupakan selinder yang di pasang
sesumbu dengan selinder katoda, selinder grid dan leher tabimg, maka
tidak seniua elektron dapat melaluinya. Berkas elektron yang lolos tersebut
dipercepat menuju layar. Berkas eldctron ini merupakan bakas yang
divergen, sehingga periu difokuskan terlebih dahulu.
Pemfokusan berkas sinar elektron ini dapat menggunakan pengaruh medan
magnet maupun pengaiuli medan listrik. Bila pemfokusan dilakukan oleh
selinder-selinder anoda yang mmipunyai potensial yang berbeda, maka
selinder-selinder anoda tersebut dinamakan lensa elektrostatik dan jika
pemfokusan dilakukan oleh kumparan kawat berarus listrik, maka
kumpaiaii tersebut dinamakan lensa magnetik.
b. Sistem defleksi (deflection system) beiiungsi menyimpangkan elektron
sesuai dengan sinyal input. Sistem defleksi ini biasanya ada dua jenis yaitu
defleksi magnetik yang dilakukan oleh medan magnet kumparan defleksi
yang dialiri ams input, dan defleksi elektrosatik horizontal-vertikal yang
13
dilalcukan oleh medan listrik plat-plat defleksi yang diberi beda potensial
sesuai dengan input.
Sebckim ditangkap pada layar, berkas elektron dapat disimpangkan ke
setiap sisi tabung. Penyimpangan (deflection) dapat menggunakan medan
magnet atau medan listrik.
Pada tabung yang menggunalcan sistem defleksi elektrostatik, medan
listrik dibangkitkan oleh plat-plat konduktor yairg dipasang pada leher
tabung. Plat defleksi horizontal akan mendefleksikan berkas elektron ke
arah horizontal dan plat defleksi veilikal akan mendefleksikan berkas
elektron ke arah vertikal.
Pada tabung yang menggunakan sistem defleksi magnetik, medan magnet
dibangkitkan oleh kumparan yang dipasang pada leher tabimg.
Layar Fluoresensi (fluorescent screen). Bila berkas elektron membentur
layar dengan kecepatan tinggi, maka akan dihasilkan sebuah titik pendar
caliaya pada layar. Bahan dibagian dalam layar tabung yang menghasilkan
efek ini adalali pospor. Pospor menyerap energi kinetik elektron-elektron
yang menembaknya dan memancarkan kembali energi tersebut pada
irekuensi yang lebih rendah, sehingga spektrumnya dapat dilihat. Energi
kinetik elektron yang menumbuk layar diubah menjadi energi cahaya pada
layar.
Elektron-elektron penembak layar pospor akan mengeluarkan lagi
elektron-elektron sekunder yang di kenal dengan emisi elektron sekunder
(secondaiy emission), Emisi elektron sekmider ini akan mempertaliankan
layar dalam keadaan setimbang elektris. Elektron-elektron yang
14
berkecq)atan rendah ini dikumpulkan oldi lapisan konduktif di permukaan
tabung yang dikenal aquadaq yang secara elektris dihubungkan dengan
anoda pemercepat (Syahriyal, 2002; 18).
Ada dua caia biasa uiitulc menyimpangkan berkas elektron pada tabung
sinar katoda yaitu:
a. Sistem Penyimpangan Elektrostatik
Tabung sinar katoda menggunakan defleksi elektrostatik. Susunan elektron
yang menghasilkan sebuah fokus berkas elektron disebut penembak
elektron. Hal ini secara tidak langsung katoda dipanaskan sehingga
mantpu untuk mengemisi tinggi. Sebuali kontrol kisi dapat mengatur
intensitas berkas elektron, fokus anoda dan pemercepat anoda. Anoda
diteruskan dengan tenaga positif yang tinggi menuju anoda, kemudian
diproduksi oleh medan listrik yang bertindak sebagai lensa elektrostatik
untuk berkumpulnya berkas elektron pada layar.
Penvimpangan berkas ini dilakukan oleh dua pasang plat defleksi yaitu
plat defleksi horizontal dan plat defleksi vertikal.
b. Sistem Penyimpangan Elektromagnetis
Tabung siriar katoda mempunyai sistem defleksi elektromagnetik. Berkas
ini difokuskan oleh eiektiomagnetik dengan titik pertengahan pada
gulungan kumparan. Berkas kontrol ini dilakukan dengan bentuk gulimgan
sebuah plat defleksi (yoke) yang dipasang pada tabung (Williams, 1981;
562).
15
H. Monitor Komputer
Monitor merupakan salah satu jenis perangkat utama dalam sistem
komputer. Secara fisik, monitor mempunyai bentuk seperti halnya layar
televisi nan fiingsinya untuk menampilkan data dan informasi yang berguna
bagi para pemakai komputer. Disamping itu, monitor juga berfungsi untuk
melihat apakah data ataupun program yang akan dimasukkan ke dalam
komputer sudaii dalam keadaan benar atau belum.
Pada lunumnya, monitor yang ada pada saat ini menggunakan tabung sinar
katoda atau cathode ray tube (CRT). CRT merupakan komponen elektronik
yang mengendalikan berkas elektion. CRT merupakan tabung hampa,
berbentuk kerucut dan diiapisi phosfor di dalam bagian akliir layar yang luas,
dai\ sebuali senapan elektron di ujung layar yang sempit. Senapan tersebut
menembakkan sinar elektron di layar. Ketika sinar tersebut menghantam
phosfor, maka phosfor akan memancarkan sinar (Suharsono; 93).
Kumpaian defleksi magnetik yang dikendalikan sebagai respon terhadap
sinyal dari monitor, menyebabkan sinar elektron merambat menembus phosfor
dari kiri ke kanan dan dari atas ke bawali. Ini dinamakan Raster scanning.
Sinar tersebut diaktifkan dan di non aktifkan jika merambat, karena sinar
tersebut melukiskan pola-pola titik pada Iayar. Setiap titik dinamakan pixel.
Pixel tersebut dapat membentuk titra yang dapat di lihat.
Lapisan monitor berwanm terdiri dari titik-titik kecil berbagai phosfor
mengedipkan lampu merali, hijau atau biru ketika diberi energi oleh sinar
elektron. Grid logam berlubang halus dinamalcan shadow mask dan
16
ditempatkan tepat di depan phosfor. Hal ini menjamin agar eJektron dari setiap
sinar hanya menembus titik yang dituju. Jadi sinar merah hanya memberikan
energi titik merah, dan seterusnya. Sinyal dari adaptor monitor secara terpisah
mengendahkan setiap wania tersebut (Suharsono; 94).
Begitu banyak dan cepatnya sinar yang terbentuk dari hasil penembusan
sinar elektron yang diikuti oieh pembakaran pospor. Pada monitor jenis
monochrome ataupun composite, hanya terdapat satu sinar elektron yang
menembus pospor, sehingga pada monitor jenis ini hanya bisa menampilkan
satu wania saja, yaitu hitam putih atau hijau hitam. Sedangkan untuk monitor
berwama, terdapat tiga titik yang bisa mengliasilkan wania merah, biru dan
hijau jika ditembus oleh sinar elektron. Koordinasi yang dikaidalikan oleh
komputer dalam menembus titik inilah yang menghasilkan gambar berwama
pada monitor (htt://kuhah.dinus.ac.id/edi-nur/sb3-2.html).
Pada tabung gambar atau monitor komputer maupun televisi, berkas siaar
elektron dibuat menyapu iayar. Beikas sinar tersebut disapukan secara
hori/.onlal oleh plat atau kuiuparan penyimpang horizontal. Ketika medan
penyimpang horizontal mencapai maksimum pada suatu arali, berkas
mendekati sisi yang berlawanan. Ketika berkas sinar mencapai sisi ini,
tegangan atau arus benibah dengan cepat imtuk mengembalikan berkas ke sisi
layar di seberang. Pada saat yang sama, berkas disimpangkan sedikit ke bawah
oleh plat (atau kumparan) penyimpang vertikal, dan kemudian sapuan
honzontal berikutnya dilakukan.
Kita melihat suatu gambar karena gambar tersebut di talian oleh layar
flouresensi dan oleh mata kita selama sekitai 1/20 detik. Gambar yang kita
17
lihat terdiri dari berbagai titik-titik cerah pada layar. Kecerahan pada setiap
titik dikendalikan oleh kisi (elektroda berpori, seperti kisi kawat, yang
memungkitikan lewatnya elektron) yang dapat membatasi elektron dengan
bantuan tegangan yang diberikan kepadanya. Makin negatif tegangan ini,
makin banyak elektron yang ditolak dan makin sedikit yang lewat. Tegangan
pada kisi ditentukan oleh sinyai (tegangan). Bersamaan dengan sinyal ini
adalah sinyal-sinyal yang membuat tegangan kisi imtuk sapuan horizontal dan
vertikal saling bertaut (Giancoli,1999; 52).
(. Prinsip Kerja Monitor Komputer
Prinsip kerja monitor komputer pada umumnya sama dengan prinsip kerja
TV wama, dimana ketika elektron ditembakkan bahan
flonresensi
memancarkan caliaya dari karakter wama yang dimilikinya. Semua balian
floureseasi mempunyai phosfor yang sama yaitu phosfor meiah, liijau dan
bim. Berkas elektron dipancarkan ke layar flouresensi untuk merespon
informasi sinyal yang diberikan. Titik infonnasi ini dalam bentuk sinyal
listrik, yang digunakan untuk menyimpangkan berkas elektron dari dalam
tabung (Williams, 1981; 562)
Monitor berwama mempunyai tiga sinar elektron. Satu sinar untuk setiap
wama primei' yakni merah, hijau dan bim. Berhubung kombinasi wama
primer tersebut menghasilkan wama lainnya yaitu perpaduan antara wama
merali dengan hijau menjadi v/ama kuning, bim dan liijau menjadi wama ungu
dan kombinasi ketiga wama menjadi putih (Suharsono; 94).
18
Gambar 2.4. kombinasi wama pada tabung monitor komputer
Elektron diemisikan oleh tiga penembak langsmig menuju ke layar yang
diberkasi dengmi ratusan sampat ribuan wama. Tiga penembak elektron dan
hasil wama di layar pada tabung gambar difokuskan melalui shadow mask
atau celah. Shadow mask inilali yang mengatur berkas elektron hingga
mengenai setiap titik-titik yang terdapat pada layar. Jika tiga berkas elektron
bersalu, hasilnya berupa titik putih. Jika hanya penembak merah dan hijau
yang digunakan, hasilnya berapa titik kuning, sedangkan penembak bim dan
hijau yang digunakan akan menghasilkan titik ungu. Garis-garis wama yang
dihasilkan dengan mengkombinasikan intensitas berkas elektron yang berasal
daii penembak elektron (Dugger; 265).
Berkas elektron ibarat kepala sebuah pensil tipis yang menyapu dan terns
menyapu layar seperti ayunan bros/sikat. Berkas elektron membuat 15,708
tembakan pada layar dengan sangat cepat. Kekuatan berkas elektron
19
menentiikan kecerahan cahaya yang dihasilkan. Kekuatan ini dikontrol oleh
penibalian kekuatan penerima dari sumber tegangan.
Pusai permukaan tabung diiapisi dengan tiga balian yang berbeda yang di
susun ke dalam bentuk titik-titik kecil. Setiap baru masuk elektron menabrak
titik-titik dengan tepat. Tirik-titik dicampurkan bersama untuk menghasilkan
wania yang sama seperti yang terlihat pada layar (Tracy, 1983; 537).
Shadow Mask
Celah Phosfor Pada Layar
Shadow Mask
Gambar 2.5. Bagian dalam Tabung CRT
Layar Phosfor