LANDASAN TEORI A, Medan dan Gaya Elektrostatik

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 :

Dalam sistem MKS, satuan intensitas medan listrik adalah N/C. Gaya listrik yang dialami partikel bermuatan q adalah

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^.

E = F/q (1)

F = qE (2)

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 = q V X 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 + v x B ) (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.

panjang 1 iaiali n.l. Arus total yang melalui solenoida tersebut berdasarkan h'.ikum ampere (Sears, 1986; 66)

i\ han>ak lilitan per satuan panjang. Maka banyak lilitan pada

B = I n (7)

Xioii okh siicuau Elektrostatik

(-) Layar Katoda plat

4 A • A A £ A", YE

(+)

Ganibar 2.1. Defleksi elektron oleh medan listrik homogcn

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 :

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

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 i i - e E L W .(D + L/2) (8)

Y i - V.L/(2Va.d) , (D + L/2) (9)

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. Y B = C B . 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 (elektron-elektron) 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 Plat Horizontal bagian terang dilayar

Kisi Plat Penyimpang Vertikal Penembak Elektron Lintasan Elektron

Gambar 2.3. Tabung Sinar Katoda

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